摘 要 自然环境中，产脲酶菌通过其自身的生命代谢活动，与周围环境介质不断发生酶化作用，矿化形成方解石，再经过漫长时间的累积，最终将自然界中的疏松碎屑物胶结形成坚硬的岩石。这种微生物也被称作为碳酸盐矿化菌，这一矿化过程被称为 Microbial Induced Carbonate Precipitation(MICP)。本文选用了巴氏芽孢杆菌分解脲素产生碳酸根离子，诱导碳酸钙的沉积，将松散砂砾连接成紧密结构。 在酶解过程会产生氨气，对皮肤组织产生刺激并引发炎症，减弱身体对疾病的抵抗力和造成严重环境污染。本文研究了在巴氏芽孢杆菌进行碳酸钙的诱导沉淀的同时除去氨气的工艺，最终根据生成鸟粪石的质量计算出排放氨气的含量。本文最后对石英砂采用不同胶结方式进行胶结，然后进一步通过SEM和CT等检测方法测试胶结柱的微观结构。并测试胶结柱的力学性能，发现其演变规律，从而来评估鸟粪石对胶结柱强度，抗渗性等一系列性能的影响，并最终确定用此方法胶结石英砂的可行性，环保性和经济性。
目 录
1 引言 3
1.1微生物诱导沉积碳酸钙（MICP）原理及其研究现状 3
1.2 氨气的危害 6
1.3鸟粪石及其应用 7
1.4本实验的研究内容和意义 7
2实验内容 8
2.1主要实验仪器和药品 9
2.1.1主要实验仪器 9
2.1.2 主要实验药品 9
2.2巴氏芽孢杆菌进行碳酸钙的诱导沉淀 9
2.2.1 菌液的培养 10
2.2.2测定菌液活性随着时间的变化规律 10
2.2.3钙离子的选择 11
2.3氨气的处理 13
2.3.1处理原料的选择 13
2.3.2溶液PH对鸟粪石生成的影响 15
2.3.3处理方式的选择 16
2.3.4混合溶液中钙离子浓度对生成鸟粪石的影响 17
2. 4 石英砂的胶结 18
2.4.1 微生物菌液浓度的影响 18
2.4.2 胶结循环次数的影响 19
2.4.3 菌液在砂柱内停滞时间影响 20
2.4.
 *景先生毕设|www.jxszl.com +Q: *351916072* 
4胶结方法的研究 22
2.4.5 胶结砂柱SEM和CT测试分析 24
2.4.6鸟粪石对胶结强度的影响 27
3. 结论 29
参考文献 30
致谢 32
1 引言
1.1微生物诱导沉积碳酸钙（MICP）原理及其研究现状
生物矿化研究领域是个多学科 ,跨专业的学术交叉领域 ,涉及到表面电化学、配位化学、结构化学、生物无机化学、生物有机化学和材料科学等。[13]生物矿化的独特之处在于高分子膜表面的有序基团引发无机离子的定向结晶 ,并调控晶体在三维空间上的生长形态。界面处的物理化学过程是生物矿化研究的主要领域 ,通过有机无机界面分子识别和协同作用 ,有机质选择性地与无机矿物晶体特定方向的面网相互作用 ,从而对矿物的形貌、生长、多形及取向等产生明显的控制作用。有机和无机界面的分子识别机制包括静电、晶格几何匹配和立体化学互补等。
自然界中，某些微生物的生命活动对岩石的形成起到了相当重要的作用。微生物通过其自身的新陈代谢，与周围环境介质之间不断发生酶化作用，形成胶结物质——方解石，经过长期的累积，可以将刚沉积的疏松碎屑物质最终胶结形成坚硬的岩石。受此自然现象启发，如果寻找到此类成岩微生物，并提供其充分适宜的生存、繁殖和活化反应条件，加速其的酶化作用，沉积制备出 CaCO3，就可以人为地通过微生物在较短时间内将石质材料胶结起来，以期应用于重大建筑工程和重要历史建筑物裂缝的修补。利用微生物技术沉积制备 CaCO3，不仅资源丰富，而且环境友好，应用广泛。
根据现有研究总结，微生物矿化沉淀碳酸钙（MCP)主要有三种方式[4]，微生物光合作用，微生物硫酸盐还原作用和微生物氮循环作用。第一种微生物光合作用主要发生在水生环境中的藻类微生物和氰化菌类。这些微生物通过新陈代谢和光合作用释放出CO2，形成碳水化合物，打破原来环境中原来的碳酸氢根离子和碳酸根离子浓度达到平衡，同时使环境中pH升高，如果此时环境中有钙离子的话，那么就可以生成碳酸钙沉淀。第二种微生物硫酸盐还原作用是指这种特定类型的菌种可以讲硫酸钙分解生成硫酸根和钙离子。当遇到有碳酸盐的环境时就可以生成碳酸钙沉淀，环境pH升高，这类菌被成为硫化菌。第三种微生物氮循环作用是指这类菌种经过培养后可以生成尿素酶，当它遇到环境中的尿素的时候就可以把尿素分解生成碳酸根和氨气，时环境的pH升高。然后当外加化学剂中有钙离子的时候就可以发生沉淀生成碳酸钙沉淀。以上三种方法第三种利用菌液产生尿素酶比较容易控制也比较方便，本文也主要是利用此种方法来生成碳酸钙沉淀，同时也会产生氨气副产物，所以本文也着重探讨如何除去氨气副产物。
荷兰代尔伏特理工大学的 Whiffin V S，Leon V P 和 Harkes M P 在 2007 年进行了 5m 砂柱试验。以较低的压力，较低的流速（6ml/min）先注入菌液，然后再注入固定溶液，最后再注入胶结溶液，同时在试验过程中监控 5m 砂柱中 10 个不同位置处流出来溶液中的NH4+浓度，Ca2+，浓度的变化和不同位置处形成的方解石数量。然后，把 5m 长砂柱切割成20 段 25cm 高的短砂柱对其进行性能测试。2009 年 L A van Paassen，M P Harkes，G A van Zwieten 等人在 Whiffin V S 等人做的 5m砂柱试验基础上，进行了 1m3 砂堆试验。具体试验过程是：在 0.9×1.1×1 m3 大小的长方体箱子中放入较密实的砂子，然后以恒定流速（50L/hr）从砂堆中心分别注入菌液和 0.5mol/L的胶结溶液（工业浓度），经过 40 天处理后，发现在注射口附近含有较少量的方解石，砂堆的无侧限抗压强度最高为 9MPa。通过放大试验发现仍存在方解石分布不均的现象，作者把出现这种现象的原因归结为：第一个原因是方解石形成的数量取决于吸附在砂中的微生物数量。在注射菌液时，微生物的分布随着距离和流速、流向的变化而变化；第二个原因方解石数量取决于供应溶液的数量以及供应的方式。当胶结溶液在砂中流动期间，同时伴随着转化反应，这就造成方解石容易在注射口附近形成，这种现象在 5m 砂柱和 1m3砂堆试验中均发现。通过降低酶活性（冲刷降低，使此处微生物数量减少或微生物沉积在晶体中）可以减少这种影响。同时在进行 1m3试验过程中，作者还发现注射口附近的方解石形成量较少，而在底部较多。2010 年，Harkes，M P，LeonA，V P，Booster J L 等人根据 2007 年方解石在砂柱中分布不均问题而进行了微生物在砂中的传输和固定性试验[56]。作者仍采用 Whiffin V S等人采取的胶结工艺，只是在试验过程中变化了固定溶液成分及浓度，以获取影响微生物在砂柱分布及吸附的最佳固定溶液成分。通过试验得到的结果是：（1）用低浓度盐溶液稀释菌液后，可以促进微生物在砂中的传输，提高微生物在砂中的均匀分布，但是它会降低微生物在砂中的吸附。反之，则相反；（2）用盐溶液稀释菌液的坏处是：①促进尿素酶从微生物细胞内释放到溶液中去，从而造成微生物活性降低；②增多注入菌液次数（这是因为要想达到相同活性，而需要增加注入的菌液用量），从而导致需要注入更多固定溶液来固定微生物，这样会造成大量微生物被冲刷出来，降低原位活性，从而延长了胶结时间（过多冲刷溶液和原位低活性是胶结时间长的真正原因）；（3）采用较高盐浓度溶液作为固定溶液（0.05mol/L的CaCL2、9g/L 的 NaCl 以及胶结溶液）时，可以促进微生物的吸附，但是降低分布，反之则相反；（4）改变流速（4ml/min→11ml/min），发现过高流速，有利于微生物的传输分布而不利于吸附；（5）微生物在砂中的分布不均可以通过多次注入胶结溶液来补偿。在注入胶结溶液期间，注射速度一定要高于尿素水解的转化速度；同时在第二次注入胶结溶液之前，一定要使反应时间足够长，以便使所有反应液全部转换，尽管在某些砂柱位置，酶活性已经很低；（6）微生物在砂中的吸附性还与砂的种类、粒径大小及分布、矿物成分有关。作者指出利用 MICP方法应用到工程领域存在的关键问题是如何在较短的时间内，使用较少的冲刷溶液，胶结更长的距离，同时使生成的方解石沉淀均匀分布在整个砂柱体内，并建议从控制微生物在砂中的传输和吸附性以及酶活性两个方面来考虑。有许多微生物过程可以导致方解石沉淀，但并不是所有的微生物过程适用于土壤加固。通过以上文献分析，发现荷兰代尔伏特理工大学主要从胶结过程以及扩大尺寸等方面进行研究。他们确定了先注入菌液，然后再注入固定溶液，最后再注入胶结溶液的胶结工艺；同时为了避免在注射口附近生成较多方解石，提出了采用较高流速注入胶结溶液，同时降低微生物活性的方法；通过成功胶结出 5m 和 1m3试验，提出应用 MICP 胶砂固土的领域可以更加广泛。

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