一种基于微生物的淤泥固化剂及其强化淤泥的方法与流程

本发明属于淤泥处理技术领域，具体涉及一种基于微生物的淤泥固化剂及其强化淤泥的方法。

背景技术：

淤泥在辽东湾、渤海湾、黄河三角洲、莱州湾、海州湾及黄河三角洲，江苏沿海、长江三角洲、浙闽港湾及珠江三角洲等地广为分布，仅浙江省河湖库塘淤泥总量达3.50亿m³。改革开放以来，沿海地区水利、围海造田、港口及航道建设工程等越来越多的建设项目也产生了大量淤泥，淤泥抛填废弃需要大量的耕地来堆放和存储，环境污染和浪费耕地问题日益严重，得到了社会各界的广泛关注。通过固化处理来实现大规模淤泥资源化利用，有效控制沉降和保证强度是淤泥相关工程的关键技术之一，重视程度也越来越高。

传统的淤泥强化方法主要利用晾晒、热处理等常规物理方法进行处理，需要较长的周期，成本高；对塑性指数高、有机含量高的淤泥采用水泥、石灰或粉煤灰固化处理，效果并不理想，且水泥固化土的干缩系数和温缩系数较大，易开裂，而石灰固化土的强度增长较慢，易影响施工进度。

微生物具有繁殖迅速、代谢灵活性大的特点，对土的力学及工程学性质也有重要影响。微生物诱导碳酸钙沉积技术具有能耗小、种类多、资源丰富、环境友好等特点。目前国内外主要将微生物成因的碳酸钙作为粘结剂，用于松散砂土中，中国地质大学的赵茜在2014年发表的博士论文《微生物诱导碳酸钙沉淀(micp)固化土壤实验研究》，固化对象针对的也是大粒径、大孔隙且渗透性强的石英砂。但由于淤泥特殊的化学组成及土力学性质，对于微生物法用于淤泥的固化人们还知之甚少，中国水利水电科学研究院率先将微生物方法应用到渗透性很低的淤泥中，一系列的固化实验结果表明采用微生物诱导碳酸钙进行淤泥强化的方法是可行的。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于微生物的淤泥固化剂及其强化淤泥的方法，其具有固化效果较好，操作方便等特点。

本发明的目的是提供一种基于微生物的淤泥固化剂。

本发明的再一目的是提供上述基于微生物的淤泥固化剂强化淤泥的方法。

根据本发明的具体实施方式的基于微生物的淤泥固化剂，所述基于微生物的淤泥固化剂由巴氏芽孢八叠球菌菌液和营养盐制备，所述营养盐包括钙源和尿素。

根据本发明的具体实施方式的基于微生物的淤泥固化剂，其中，所述巴氏芽孢八叠球菌菌液在淤泥中的添加量为所述淤泥总量的30-60ml/100cm³；所述营养盐在淤泥中的添加量为所述淤泥含水总量的0.5-3.0mol/l。营养盐的添加量随着淤泥中含水量的不同而变化，若含水总量为0.4l，则营养盐的添加量为0.2-1.2mol。

根据本发明的具体实施方式的基于微生物的淤泥固化剂，进一步的，所述营养盐为等摩尔浓度的cacl2·h2o和尿素的混合溶液。

根据本发明的具体实施方式的基于微生物的淤泥固化剂，进一步的，所述营养盐的添加量为淤泥中含水总量的1.5mol/l。营养盐的添加量随着淤泥中含水量的不同而变化，若含水总量为0.4l，则营养盐的添加量为0.4l×1.5mol/l＝0.6mol。

根据本发明的具体实施方式的基于微生物的淤泥固化剂，其中，所述巴氏芽孢八叠球菌菌液通过包括以下步骤的制备工艺制备得到：

(1)培养基的制备：每1.0l水中添加20.0g酵母粉、10.0g硫酸铵和1.0ml氯化镍，混合均匀后将培养基的ph调为8.0-9.0，灭菌后形成待发酵培养基；

(2)菌株培育：在步骤(1)得到的所述待发酵培养基中接入1％-5％的巴氏芽孢八叠球菌种子发酵液，接种完成后，温控30℃，培养24h，形成巴氏芽孢八叠球菌菌液。

试验所用巴氏芽孢八叠球菌菌株为化能异养菌，细胞呈杆状，长度2～3μm，革兰氏阳性，芽孢圆形，直径0.5～1.5μm。

根据本发明的具体实施方式的基于微生物的淤泥固化剂，进一步的，步骤(1)中，所述灭菌为采用高压蒸汽灭菌锅在120℃灭菌20分钟；步骤(2)中，在170r/min的振荡培养箱中进行培养。

优选的，培养基的ph为9.0。

根据本发明的具体实施方式的基于微生物的淤泥固化剂，进一步的，步骤(2)中，所述巴氏芽孢八叠球菌菌液的脲酶活性大于1.0ms/cm/min。不同对比试验结果表明菌液脲酶活性大于1.0ms/cm/min情况下更有利淤泥的微生物固化。

优选的，所述巴氏芽孢八叠球菌菌液的酶活为1.2，od600为3.14。

根据本发明的具体实施方式的基于微生物的淤泥固化剂强化淤泥的方法，所述方法包括以下步骤：向淤泥中加入基于微生物的淤泥固化剂进行拌和，搅拌均匀即可。淤泥中含有大量细粒土成分，包括粉粒与粘粒，颗粒分布多集中在0.001mm～0.1mm之间，渗透性很弱，渗透系数一般为10^-8～10^-6cm/s，采用微生物固化过程中，菌液和营养盐难以渗入淤泥内部。以往研究表明，微生物灌浆液中细胞和离子相对于砂粒孔隙来讲，有很好的可灌性，但中国水利水电科学研究院对淤泥进行的一系列微生物固化淤泥研究表明，灌浆技术不适用粒径和孔隙更小的淤泥固化，无法采用传统的灌注法和泵送法对淤泥进行制样。

针对淤泥具有的特殊化学组成及土力学特性，本方法率先采用直接拌合法制备固化淤泥试样，即向淤泥中加入巴氏芽孢八叠球菌菌液，用调土刀和营养盐进行拌和，拌和时间10min，然后放入保湿缸中进行养护。制样情况表明拌合法能有效保证菌液活性，能明显提高菌液和营养液在土样中空间分布的均匀性，更有利于诱导碳酸钙的生成，制样有明显优势。

根据本发明的具体实施方式的基于微生物的淤泥固化剂强化淤泥的方法，进一步的，所述方法包括以下步骤：向淤泥中加入巴氏芽孢八叠球菌菌液和营养盐，用调土刀拌和10min，搅拌均匀，然后放保湿缸中养护即可。

根据本发明的具体实施方式的基于微生物的淤泥固化剂强化淤泥的方法，更进一步的，所述养护的时间为7天。在经本发明的固化剂养护后1-2天，固化强度就有良好效果，7天后的固化效果更好。

根据本发明的具体实施方式的基于微生物的淤泥固化剂强化淤泥的方法，更进一步的，所述保湿缸内的养护温度为24.1℃，相对湿度为91％。

在微生物固化淤泥反应中，由于微生物降解，转化生成铵根离子和碳酸氢根离子的同时也会消耗淤泥中的水分，固化淤泥的含水率最大降幅达30.88％。力学试验表明，采用拌合法制备的微生物淤泥固化试样的抗剪强度在养护初期(养护1-2天)就有较快的提高，抗剪强度均比未固化有了明显提高，内摩擦角同比提高了3.96-5.52倍，明显提高了淤泥的抗剪强度，具有较好的工程运用前景。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的基于微生物的淤泥固化剂中采用了微生物作为主要成分，固化淤泥的含水率最大降幅达30.88％；力学试验表明采用拌合法制备的微生物淤泥固化试样的抗剪强度在养护初期就有较快的提高，抗剪强度均比未固化有了明显提高，内摩擦角同比提高了3.96-5.52倍，具有较好的工程运用前景；尤其对塑性指数高、有机含量高的淤泥具有更好的强化效果；

(2)传统的灌注法和泵送法进行淤泥的微生物固化往往有显著的不均匀性，而采用拌合法制备试样在有效保证菌液活性前提下，能明显提高菌液和营养盐在土样中空间分布的均匀性，更有利于诱导碳酸钙的生成，制样有明显的优势，操作方便；

(3)长期以来，淤泥大多以抛填废弃为主，利用该技术进行淤泥固化处理对淤泥的资源化利用有重要现实意义；

(4)该技术将微生物和营养盐相结合应用于淤泥固化中，是一种新型的兼顾资源、环境以及可持续发展的淤泥固化处理技术，有良好的工程应用前景。

附图说明

图1显示不同营养液添加量下固化得到的淤泥试样的内摩擦角的比较效果图。

图2显示不同营养液添加量下固化得到的淤泥试样的含水率的比较效果；

图3显示不同养护时间得到的淤泥试样的抗剪强度的比较效果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

本发明实施例中所用的巴氏芽孢八叠球菌菌株为化能异养菌，细胞呈杆状，长度2～3μm，革兰氏阳性，芽孢圆形，直径0.5～1.5μm，采购自美国atcc细胞库，编号atcc11859。选用的培养基为，每1.0l水中添加20.0g酵母粉，10.0g硫酸铵，1.0ml氯化镍，将培养基的ph值调整为8.0-9.0，用高压蒸汽灭菌锅在120℃灭菌20分钟，接种完成后，在温控30℃，170r/min的振荡培养箱中培养24h，得到巴氏芽孢八叠球菌菌液的脲酶活性大于1.0ms/cm/min。

本发明实施例中提供了一种基于微生物的淤泥固化剂，包括巴氏芽孢八叠球菌菌液和营养盐。巴氏芽孢八叠球菌菌液的添加量为淤泥的30-60ml/100cm³，营养盐的添加量为淤泥中含水总量的0.5-3.0mol/l。

基于微生物的淤泥固化剂强化淤泥的方法，包括以下步骤：向淤泥中加入巴氏芽孢八叠球菌菌液和营养盐进行拌和，用调土刀拌和10min，搅拌均匀，然后放入保湿缸中养护。

实施例1-5分别提供了一种基于微生物的淤泥固化剂，包括巴氏芽孢八叠球菌菌液和营养盐。巴氏芽孢八叠球菌菌液和营养盐的添加量，以及添加固化剂前的淤泥的含水率见表1。

基于微生物的淤泥固化剂强化淤泥的方法，包括以下步骤：向淤泥中加入巴氏芽孢八叠球菌菌液和营养盐进行拌和，用调土刀拌和10min，搅拌均匀，然后将体积为60cm³的环刀样放入保湿缸中进行养护7天，保湿缸内的养护温度为24.1℃，相对湿度为91％。

表1实施例1-5菌液和营养盐的添加量及固化前淤泥的含水率

对比例

本对比例中采用与实施例1-5同样的淤泥土样，区别是始终未添加任何菌液和营养液。只是用调土刀拌和淤泥10min，搅拌均匀，然后放入保湿缸中进行养护7天即可得到未固化淤泥，保湿缸内的养护温度为24.1℃，相对湿度为91％。

比较本实施例1-5不同营养液添加量下固化得到的淤泥试样的内摩擦角，并与对比例得到的未固化淤泥进行对比，结果见图1。

由图1可见，采用本发明的基于微生物的淤泥固化剂对淤泥进行强化处理后，所得到的固化后淤泥样与对比例的淤泥样比较，表明同等条件下，应用本发明的固化剂固化淤泥后的抗剪强度均比未固化淤泥试样有了明显提高，内摩擦角同比提高了3.9-5.52倍。

比较本实施例1-5不同营养液添加量下固化得到的淤泥试样的含水率，并与对比例得到的未固化淤泥进行对比，淤泥的固化前后的含水率见图2。

由图2可见，采用本发明的基于微生物的淤泥固化剂对淤泥进行强化处理后，所得到的固化后淤泥样与对比例的淤泥样比较，固化后淤泥的含水率最大降低达30％。水分对于淤泥有着更为重要的工程意义，也是影响淤泥力学强度和承载力的重要因素，淤泥处置的重要目标之一就是降低含水率。与淤泥常规物理处理方法的晾晒和热处理不同，微生物固化淤泥从内部微观角度有效实现了水分的降低，宏观上也提高了固化淤泥的强度。

比较本实施例1-5不同营养液添加量下固化得到的淤泥试样的含水率，并与对比例得到的未固化淤泥进行对比，淤泥的固化前(制样完成淤泥含水率)的含水率见图2。

实施例6-11采用与实施例3同样的菌液和营养液的添加量，只是养护时间不同，实施例6-11菌液和营养液的添加量，以及养护时间见表2。

表2实施例6-11菌液和营养液的添加量及养护时间

比较本实施例6-11不同养护时间下固化得到的淤泥试样的抗剪强度-法向应力，并与对比例得到的未固化淤泥进行对比，不同养护时间对淤泥的抗剪强度-法向应力关系拟合曲线见图3。

由图3可以看出，同未固化的淤泥质土试样比较，养护时间为0.5d时，经过本发明的固化剂处理的淤泥试样的抗剪强度提高已经较为明显，内摩擦角达到20.35°；养护时间为7d时，内摩擦角到达峰值28.1°。证实了微生物生物酶催化尿素的水化作用在试样养护初期就已经快速进行。

淤泥的抗剪强度由粘聚力和内摩擦角共同组成，对比图3还可以看出，相同营养液浓度条件下，随着养护时间的增加，固化后试样的抗剪强度整体呈上升趋势，强度包络线均比未固化淤泥上移明显。

本发明的基于微生物的淤泥固化剂可明显提高淤泥的抗剪强度，应用该方法能有效降低淤泥中的含水率。尤其对塑性指数高、有机含量高的淤泥具有更好的强化效果。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。