微生物沉积碳酸钙修复混凝土裂缝的现场试验

利用微生物的酶化作用诱导碳酸钙沉积来修复混凝土裂缝是地下室防渗堵漏的新途径.为推广和检验这项技术,将其应用于某地下室裂缝防渗堵漏工程,提出并采用4项措施:(1)在水平缝外侧做灌浆槽,既保持一定液面高度以维持灌浆压力,又防止菌液和营养盐渗入土中;(2)设计斜向灌注孔,控制竖缝的微生物灌浆质量;(3)在裂缝表面交替涂刷菌液和营养盐溶液;(4)用PVC管向裂缝外土壤实施微生物灌浆.通过注水试验、雨后观察、超声波检测和地质雷达检测等方法对4种堵漏措施的效果进行了检验和评价,结果显示修复效果较好.

湖南台地泥盆纪末绝灭事件后的微生物沉积

湖南中南部浅水碳酸岩台地,泥盆系顶部假整合面之上,石炭纪海进最早期,相当四射珊瑚Cystophrentis-Uralinia间隔带和单房室有孔虫带的层位,普遍发育厚度不等(7～30m)的微生物沉积。宏观上为条带状或斑块、瘤状构造,大部分由核形石组成,局部发育凝块构造内碎屑。它们均属微生物成因,代表汉根卑尔格绝灭事件后(接近泥盆-石炭系界线)的劫后产物,和北美奥陶纪末,特提斯、泛太平洋二叠纪末灭亡事件后的微生物沉积类似。据此表明,紧随生物绝灭事件后微生物沉积的再现并伴随生物多样性的降低,可能是生物复苏开始前的普遍规律。这一成果对研究集群绝灭后海洋生态系统恢复的进程和模式提供了又一实例。

一种基于微生物沉积的水泥砂浆表面改性技术

某些微生物能诱导沉积出具有胶凝和矿化作用的碳酸钙,可以用来修复和密实水泥基材料。但是目前微生物沉积技术工艺复杂,成本高,不利于推广和工程应用。尝试采用水泥砂浆粉作为覆膜载体,利用巴斯德芽孢杆菌对水泥砂浆进行表面处理。研究结果表明,采用该方法能使巴斯德芽孢杆菌在水泥试块表面诱导沉积出碳酸钙,有效减少水泥砂浆的吸水性能。当微生物采用含有尿素的培养基培养时,表面改性后的水泥砂浆吸水系数降低了58%。采用压汞测试仪(MIP)分析了处理前后水泥试块表层的孔隙率以及孔结构特征。发现采用巴斯德芽孢杆菌处理后,样品孔隙率显著降低,大孔的含量显著减少,当微生物采用含有尿素的培养基培养时,总孔隙率降低了40%。X射线衍射仪(XRD)和场发射扫描电镜(SEM)分析表明,经微生物技术处理后水泥试块内部的孔洞和裂缝被球霰石和方解石填充。

微生物沉积碳酸钙胶结砂土力学特性及本构模型

为建立一个微生物固化土体的本构模型,分析研究了微生物固土机理,发现微生物诱导碳酸盐沉积(MICP)过程中形成的碳酸钙所起作用主要是增强相邻土颗粒之间连接,增大土体刚度,使其在相同应变下可承担更高应力.故将微生物固化处理后的土体看成未处理的砂土(只考虑填充作用影响)和新产生的碳酸钙胶结两部分,分别进行计算模拟,而二者的刚度之和为处理后土体的总刚度.为了对MICP过程形成的碳酸钙胶结进行模拟,提出了一个临界状态计算模型,该模型包括胶结的屈服面方程、硬化规律和流动法则,将其与已有的砂土计算模型配合使用,可对各种微生物固化砂土体的应力应变特性进行计算模拟.将提出的本构模型理论计算结果与微生物固化土体的三轴压缩试验结果进行对比,结果表明,所提出的模型能够反映微生物固化土体的应力应变规律.

微生物沉积碳酸钙固化砂质黏性紫色土试验研究

重庆紫色土是一种砂质黏性土,地区降雨集中,水力冲蚀作用剧烈,极易产生水土流失,微生物诱导方解石沉积(MICP)技术因能耗低、污染小而广泛应用于土体加固中。通过正交试验优化了巨大芽孢杆菌(BNCC 336739)的培养基和培养条件,活菌数增长126%,活性良好。采用巨大芽孢杆菌,进行低水压(9.8kPa)灌注固化砂质黏性紫色土试验,探究了固化效果的变化规律。结果表明:随固化次数增加,碳酸钙生成量和干密度逐级增加,无侧限抗压强度与碳酸钙生成量正相关;碳酸钙有效沉积越来越少,强度提高趋于稳定,固化9次后强度提高77%;随孔隙被碳酸钙填充和上下碳酸钙硬壳的形成,渗透性不断降低,最终下降两个数量级;通过试样上、中、下三部分碳酸钙生成量C的样本标准差s来反映碳酸钙分布离散程度,发现割线弹性模量在s的影响下随C增加而波动上升,波动表现为在C相近或s相差很大时,s越小割线弹性模量越大。研究成果可以为MICP技术在紫色土地区的地基、边坡加固和水土流失防护等工程应用提供科学依据和参考。

微生物诱导碳酸钙沉积固化三峡库区黏性紫色土试验研究

三峡库区自然灾害频发,微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术是一种具有能耗低、无污染且可持续等优点的土体加固技术。黏性紫色土是三峡库区主要土壤类型,土壤孔隙较小,而MICP对其加固效果尚不明确。设置不同巴氏芽孢杆菌菌液浓度(OD_(600)为0、0.5、1.0、1.5)和胶结液浓度(0、0.5、1.0、1.5、2.0 mol/L)组合,对土壤试样进行MICP固化处理。开展不固结不排水三轴剪切试验,研究各试样的应力-应变关系、弹性模量和抗剪强度指标(黏聚力、内摩擦角),并利用扫描电镜测试分析其微观结构。结果表明:固定菌液浓度或胶结液浓度时,抗剪强度、弹性模量及黏聚力均随胶结液浓度或菌液浓度的增加呈先增后减的变化趋势,最适菌液与胶结液浓度组合为菌液OD_(600)=1.0和胶结液1.5 mol/L。平均内摩擦角随胶结液浓度的增加呈先增后减趋势,而胶结液浓度不变时,在菌液浓度OD_(600)=0.5或1.0时达到最高。固化后试样抗剪强度、弹性模量、黏聚力及内摩擦角最大分别提高62.59%、50.18%、119.50%和10.33%(226.00 kPa、6.44 MPa、48.30 kPa和26.70°)。通过扫描电镜观察发现MICP加固紫色土形成了大量球状碳酸钙晶体和片状碳酸钙晶体,分布于土壤颗粒表面和间隙中起胶结作用并增加土颗粒表面粗糙度,从而提升了土的黏聚力和内摩擦角。MICP可以有效提高紫色土的强度,在菌液浓度为OD_(600)=1.0和胶结液浓度1.5 mol/L组合时加固效果最优。

3种沉水植物-沉积型微生物燃料电池对黑臭水体修复的研究

沉水植物-沉积型微生物燃料电池(Submerged plantsediment microbialfuelcell,SP-SMFC)是目前解决修复水体复黑臭最有发展前景的技术之一。以黑臭水体底泥为底质,构建了3种不同的沉水植物与沉积型微生物燃料电池耦合系统:分别为篦齿眼子菜-沉积型微生物燃料电池(标记为SP-SMFC1)、矮生苦草-沉积型微生物燃料电池(标记为SP-SMFC2)和金鱼藻-沉积型微生物燃料电池(标记为SP-SMFC3),为对照还构建了无植物的对照组(标记为SMFC)。结果表明:所构建的实验系统经驯化后能够稳定运行;引入沉水植物可提高系统输出电压,其中SP-SMFC2系统平均最高输出电压最大为0.659V;各实验组对底泥和上覆水的有机质和氮磷去除效果明显;构筑的系统可以有效防止水体复黑臭的发生。

微生物岩土工程技术的过去、现在与未来

微生物岩土工程技术作为一种新兴的生态友好型岩土体改良加固技术,应用前景广阔。但限于理论水平和研究手段,该技术仍存在较多不足,难以实现高效固化,由此成为大规模现场应用的瓶颈。而提升固化效率的关键在于明确其作用原理和影响机制。文章梳理了微生物诱导碳酸钙沉积技术(MICP)的研究现状,系统归纳了固化原理和改良岩土体的物理力学特性,并分析得出固化效率主要受到反应物自身和外部环境两方面的影响。当前MICP技术已初步应用于土体固化、裂缝修复、防渗处理、污染修复及微生物水泥等领域,但由于矿化难以均匀、反应物不经济、微生物及脲酶活性期短且受环境干扰大、代谢产物附带毒性、现场应用性差,该技术目前主要限于实验室水平。作者分别提出了可能的突破与改进方向,并结合实验室成果指出豆粕进行菌体扩培和脲酶供给的碳源优势,以及将磷石膏作为现场钙源的环保性和经济性,以期为从事微生物岩土工程研究与技术开发的人员提供参考。

沸石增强砂土微生物固化效果研究

为提高砂土的微生物固化效果,考虑沸石作为吸附材料具有多孔的特性,通过宏观物理力学试验和微细观检测,系统分析了沸石对微生物固化砂土的增强效果。研究结果表明:沸石能够显著提高砂土微生物加固过程中的固菌率。与常规微生物固化相比,掺入沸石后,固菌率提升约5.5倍,抗压强度提升39.35%,渗透系数减小71.94%。掺入沸石,一方面能够增加碳酸钙沉淀生成量,并改善其分布均匀性;另一方面,沸石周围的碳酸钙沉淀对两侧砂颗粒起到良好的桥接作用,能够增强砂颗粒之间的结构性及试样的整体性。研究成果为进一步优化微生物诱导碳酸钙沉积技术提供参考。

钙源对微生物矿化胶结砂土材料均匀性的影响

微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术可以改善砂土材料的力学性质,但MICP胶结砂土材料的均匀性问题是目前存在的重要问题,且严重影响了MICP技术的工程应用。进行小尺寸(直径3 cm、高度11 cm)和细长(直径5 cm、高度100 cm)砂柱试样的MICP一批次灌浆试验和溶液环境试验,探究氯化钙和乙酸钙两种钙源对MICP矿化反应过程和MICP胶结砂土材料均匀性的影响。MICP胶结砂土试样的碳酸钙含量和单轴抗压强度试验结果表明,与氯化钙作为钙源相比,乙酸钙作为钙源可以增加砂柱胶结长度,改善碳酸钙在灌浆方向的均匀性,减少MICP胶结砂土材料沿灌浆路径的强度差异;乙酸钙作为钙源可减缓MICP矿化反应过程,降低营养液中尿素的分解速率,进而提高营养液中未分解尿素和游离钙离子在MICP胶结砂土材料中的传输距离,有利于提高MICP胶结砂土材料的均匀性。

产电微生物对SMFC产电及降解性能的影响

目的在以含油污泥为阳极底泥的沉积型微生物燃料电池(SMFC)体系中,通过改变产电微生物种类和分布方式,探究产电微生物对SMFC产电及降解性能的影响。方法通过采集输出电压、功率密度、表观内阻来检测石油去除率,比较了不同单菌-SMFC、不同混合菌-SMFC的产电性能和降解性能,考查了菌种分布对SMFC性能的影响。结果在单菌-SMFC中,弗氏柠檬酸杆菌-SMFC的产电及降解性能均优于其他5种单菌构筑的SMFC;混合菌-SMFC的产电及降解性能较单菌-SMFC有较大提升,且其中蜡样芽孢杆菌+中间苍白杆菌-SMFC的产电及降解性能最优,输出电压可达到515.30 mV;菌种分布在阳极材料中和阳极底泥中都可以降解含油污泥中的有机物,但是菌种分布在阳极材料中更有利于SMFC产电性能及降解性能的发挥。结论混合菌相对于单菌能够显著提升SMFC的产电及降解性能,而且菌种分布在阳极材料中更有益于SMFC产电性能及降解性能的发挥。

工业纯氯化钙应用于微生物胶结粉土的研究

利用微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)能对土体进行有效加固,但目前胶结液配置多采用分析纯试剂,成本较高.虽然有研究表明采用工业纯试剂也能获得较好的加固效果,但相关研究还不够深入.采用工业纯氯化钙替代胶结液中的分析纯氯化钙,开展了溶液和土体条件下的试验研究.在溶液环境下,通过铵根离子浓度来反映尿素水解情况.结果表明:铵根浓度随着工业纯钙离子浓度的提高而逐渐下降;碳酸钙生成量随着钙离子浓度的提高先增加后降低,过高的钙离子浓度对尿素水解有明显的抑制作用.当胶结液浓度不超过1.25mol/L时,工业纯与分析纯氯化钙的碳酸钙生成量比较接近.对粉土采用两种纯度的氯化钙进行MICP处理,均能对粉土进行有效加固.工业纯和分析纯氯化钙处理试样的强度均随着浓度先增加后降低,采用工业纯氯化钙处理的部分试样强度甚至超过了分析纯.SEM结果表明,采用工业纯氯化钙处理的试样中生成了大量碳酸钙晶体,增加处理轮数,可提高试样碳酸钙生成量和无侧限抗压强度.

煤矿微生物诱导碳酸钙沉积胶结充填开采技术研究

针对当前充填开采技术中水泥基胶结料存在的高排放和高耗能问题,将微生物诱导CaCO_(3)沉积(MICP)技术引入充填开采领域,研究了微生物胶结充填材料的力学性能,建立了基于MICP的微生物胶结充填开采技术体系。研究表明,拌和型和灌注型微生物胶结充填材料的强度随着营养液浓度和菌液用量的增加呈现先增大后减小的规律,平均强度分别为0.88 MPa和17.95 MPa;微生物充填材料内部的有效CaCO_(3)晶体是充填材料固结的关键,在拌和型试样中以方解石和球霰石的矿物形式存在,在灌注型试样中主要为方解石。微生物胶结充填开采技术的节能减排环境效益显著,特别是在当前环保需求和政策背景下,该技术具有科学价值和发展前景。

岩石节理微生物诱导碳酸钙沉积封堵渗流演化规律试验研究

微生物诱导碳酸钙沉积技术(microbially induced calcite precipitation,MICP)在土体加固中应用广泛,但在岩体封堵领域的研究成果还不多见。为了研究岩石节理MICP封堵机制,以透明树脂模拟粗糙岩石节理试件为研究对象,考虑MICP反应影响因素,开展了6种不同工况下的岩石节理MICP封堵室内试验,得到了MICP封堵过程中岩石节理导水系数和水力隙宽变化规律以及相应的碳酸钙时空分布图像。试验结果表明:MICP封堵过程中岩石节理水力隙宽随灌注轮次大致呈线性减小趋势,且水力隙宽减小速率与岩石节理中碳酸钙分布情况密切相关,而MICP反应过程中碳酸钙分布又受灌注速率、固定液、菌液和反应液灌注时长、静置时长等因素影响;6种工况中灌注速率较大、先灌注菌液和固定液静置一段时间再灌注菌液和反应液、灌注和静置时间最长的工况4封堵效率和效果最佳,在仅灌注2轮的情况下可将岩石节理导水系数由40.51×10^(-6)m^(2)/s减小至0.52×10^(-6)m^(2)/s,降幅达98.72%,对应的水力隙宽值由0.367 mm减小至0.086 mm,降幅达76.6%;通过观测岩石节理试件上、下表面的碳酸钙沉积情况,发现岩石节理中MICP反应产生的碳酸钙在较短时间内就可以形成一定胶结强度,在封堵岩石节理减小其渗透性的同时,还有改善其力学性能的潜力。

微生物矿化加固砂土的试验研究

近年来微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术作为一种新型的绿色加固方法,得到了广泛研究,但传统的MICP固化方式注浆管法存在管口易堵塞且固化试样强度分布不均匀的问题,为改善MICP固化土体的强度分布不均匀性问题,利用巴士芽孢杆菌BNCC337394开展了使用新型柔性土工模具加固砂土的试验研究。通过对固化试样的CaCO_(3)含量分布,无侧限抗压强度,试样的均匀性等方面进行分析,综合评价利用新型土工模具加固砂土的效果。结果表明:利用新型柔性土工模具固化砂土具有较好效果,经固化后的试样无侧限抗压强度可达3.07MPa,且固化试样均匀性良好。

水生植物-沉积物微生物燃料电池修复黑臭水

水生植物-沉积物微生物燃料电池(aquatic plant sediment microbial fuel cell,AP-SMFC)是解决当前环境问题及能源短缺的最有发展前景的技术之一。以黑臭水体底泥为底质,构建了芦苇-沉积物微生物燃料电池(标记为APSM1)、美人蕉-沉积物微生物燃料电池(标记为APSM2)和无植物的沉积物微生物燃料电池(标记为SM)共3个实验系统,研究了3个系统沉积物微生物燃料电池的产电特性及对上覆水和底泥的修复效果。结果表明:APSM1,APSM2和SM启动期为8 d;3个实验系统启动结束后均能维持较稳定的产电,输出电压、电流密度和功率密度顺序为APSM1>APSM2>SM。APSM1和APSM2对上覆水化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)、氨氮(ammonia nitrogen,NH+4-N)、总磷(total phosphorus,TP)的平均去除率分别为84.3%和81.6%,82.7%和79.3%,85.5%和83.4%,并且显著高于SM。APSM1,APSM2和SM对底泥中的有机质、NH+4-N和总氮(total nitrogen,TN)去除率分别高于80.5%,49.4%和49.2%,3个实验系统间没有显著差异。APSM1和APSM2对底泥中TP的平均去除率分别为72.6%和66.4%,显著高于SM(42.6%)。APSM1,APSM2和SM对底泥中As,Pb的去除率均高于79%,各系统之间没有显著差异;对底泥中Zn,Cr和Cu的去除率均高于80%,显著高于SM(<61%)。芦苇和美人蕉的引入提升了沉积物微生物燃料电池系统的产电性能,增强了系统对上覆水中COD,NH+4-N,TP及底泥中TP,Zn,Cr和Cu的去除效果。

厚壳贻贝(Mytilus coruscus)养殖区沉积物微生物多样性及固碳潜力研究

海洋蓝碳是海洋碳汇研究的重要领域,厘清不同蓝碳生境中沉积物有机碳组分格局是当前研究的热点之一。为更好地理解此问题,现以近海厚壳贻贝养殖区这一特殊蓝碳生境为对象,解析沉积物中的碳氮组分格局;进一步通过关联沉积物微生物群落、结合卡尔文循环和还原三羧酸循环的关键基因相对丰度分析,评估厚壳贻贝养殖区沉积物的固碳潜力。结果表明,相较于非养殖区,厚壳贻贝养殖区沉积物惰性碳的累积较大,氮组分主要以氨氮形式存在;同时养殖区高微生物量碳和微生物量氮指示了其沉积物中碳周转较快,碳氮组分特征差异明显。沉积物微生物高通量测序结果显示养殖区沉积物微生物主要以Gamma变形菌纲和Delta变形菌纲为主,且微生物类群与颗粒有机碳、惰性碳等碳组分存在明显的相关性。与惰性碳存在明显正相关关系的硫微螺菌科(Thiomicrospiraceae)丰度在养殖区沉积物中显著高于非养殖区沉积物。贻贝养殖区沉积物包含cbbL在内的6种关键功能基因,固碳潜力明显。研究结果将为进一步探究蓝碳生境的有机碳来源和微生物固碳效率提供基础依据。

微生物诱导碳酸钙沉积对ECC力学性能的影响

基于微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)原理,用尿素、CaCl_(2)溶液和巴氏芽孢杆菌溶液按一定比例配制了自修复剂,通过抗压、抗折、单轴拉伸、单根纤维拉拔试验,研究了自修复剂对工程水泥基复合材料(ECC)力学性能的影响。结果表明:掺入自修复剂后,ECC试件的28 d抗压强度提高了8.96%,抗折强度提高了6.73%,极限拉伸强度提高了12.68%,纤维桥接应力提高了9.38%;由于纤维表面的MICP作用,纤维与基体界面的化学黏结能减小,摩擦黏结强度增大,纤维更容易脱黏进入滑移阶段,从而使ECC的多缝开裂特征更明显。

微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术对膨胀土性能改良研究

通过试验分析不同养护时间下微生物诱导碳酸钙沉积技术改良土的膨胀特性,表明微生物对膨胀土进行固化改良后,其自由膨胀率在养护1、3、7、15、30 d后与重塑膨胀土样相比,分别减小了10.0%、13%、15.8%、20.4%、20.6%;微生物改良膨胀土的自由膨胀率随着养护时间的提高持续减弱,在养护前15 d内快速减小,15 d后趋于稳定;随着膨胀土自身膨胀特性的增强,微生物对其改良效果越显著;微生物固化作用能够明显削弱膨胀土的浸水膨胀率。

水生植物-沉积物微生物燃料电池研究进展

水生植物-沉积物微生物燃料电池是将水生植物引入沉积物环境体系中,利用水生植物光合作用、呼吸作用及微生物新陈代谢作用,将有机污染物中蕴含的化学能转化成电能的装置,能够实现“污水净化”和“能量回收”的双重作用,具有显著的经济效益和环境效益。详细介绍了水生植物-沉积物微生物燃料电池的产电原理,阐述了电极、外电阻、微生物、电子中介体、水生植物等电池内部结构及温度、溶解氧浓度、沉积物中有机物等电池外部环境对其产电和去污的影响,同时对水生植物-沉积物微生物燃料电池面临的挑战、发展趋势进行了展望,以期为该技术的实际应用提供理论参考。