微生物矿化对黏土渗透性影响的试验研究

王修铭,陈 群,陈秀吉,张利民,周 成,万 里

(1.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,四川 成都 610065; 2.四川大学水利水电学院,四川 成都 610065; 3.中国移动通信集团福建有限公司,福建 福州 350001; 4.香港科技大学土木工程学院,香港 999077)

工程经验表明,土木工程的大量安全隐患与渗流问题密不可分,当土作为工程主体时尤为突出。以土质边坡为例,降雨入渗到坡体内部,产生的渗透力使下滑力增大,同时,孔隙水压力升高导致土体抗剪强度降低,最终引发边坡失稳破坏。由此可见,土体渗流问题对工程耐久性的影响不可忽视,研究渗流问题必须掌握土体的渗透性[1]。传统的化学改性方法能固化土体,但在处理过程中需要添加水泥、石灰或环氧树脂等化学建材[2-3]。该类材料环保性较差,水泥的生产是引起温室效应的重要因素之一,石灰可造成土地盐碱化,树脂材料具有一定毒性,可能带来水质污染问题[4]。为此,寻找一种环境友好型替代技术具有重要的现实意义。

微生物矿化技术已广泛用于土体的加固处理,以保证工程的安全稳定。土壤中原有的微生物可通过矿化反应诱导碳酸盐沉淀[5],进而改变土体的力学性质,同时可抑制部分有害离子随水体的运移,这是一种绿色高效的土体加固技术,具有良好的生态和经济效益。Van Paassen[6]利用微生物矿化作用加固砂柱,发现其渗透性降低了22%～75%;马瑞男等[7]也发现微生物拌和固化方法可使砂土的渗透系数降低1～2个数量级。微生物矿化反应的过程受到多种因素的影响。例如：Soon等[8]发现提高巨大芽孢八叠球菌的浓度能够显著降低土体的渗透性;余清鹏等[9]的研究结果表明菌液浓度过高会弱化防渗效果;王绪民等[10]发现随着胶结液浓度增大,砂样的固化效率先升高后降低;Wang等[11]研究表明污染土中的重金属会严重抑制脲酶活性和微生物生长。

目前微生物矿化处理的对象主要是砂土,对黏土矿化的研究主要围绕土体强度提升等方面展开,对矿化后土体的渗透性研究较少。本文利用球形赖氨酸芽孢杆菌属kp-22菌对黏土进行矿化处理,测定了各矿化土样的碳酸盐生成率,通过变水头渗透试验研究了菌液OD600值、胶结液浓度、土体重金属含量对矿化后土体渗透性的影响。

1 试验原理与方法

1.1 试验原理

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1.2 试验方法

陈筠等[13]采用直接拌和法,将菌液和浓度均为1mol/L的CaCl2和CO(NH2)2组成的胶结液按1︰1的体积比掺入红黏土,获得了较好的矿化效果。本文参考该方法,处理时将菌液、胶结液与黏土迅速搅拌均匀。采用现场测得的黏土干密度的平均值1.508g/cm3作为试样控制干密度,在模具中制成直径为61.8mm、高为40mm的圆柱形土样。预实验结果表明,将土样在温度为22～23℃、湿度为65%～70%的环境中养护2d后,微生物矿化反应已充分进行,可对矿化效果进行检测。

基于盐酸浸泡法[14]测定碳酸盐质量分数。将土样烘干、碾碎,取约4g土样,质量记为mi,加入2mol/L的盐酸充分反应12h。用微孔滤膜进行真空抽滤后烘干土样,质量记为mf。则土样中碳酸盐质量分数为

(4)

处理前后黏土中的碳酸盐质量分数分别记为wb和wa,则矿化后土样的碳酸盐生成率Gca为

Gca=wa-wb

(5)

开展变水头渗透试验以研究矿化后土样的渗透性。由于矿化反应需在恒温恒湿条件下进行,水分蒸发后土样的体积略有缩小,若直接在试验用的环刀中制备矿化后土样,其与环刀边壁会脱离,产生渗透通道,如图1(a)所示。为准确测得土样的渗透系数,先利用自制的内径为101mm的制样筒制成高40mm的圆柱形土样,然后参照原状土取样的方式取得渗透土样,见图1(b),土样与环刀边壁不再出现脱离的现象。

图1 不同方法制成的土样

取样场地选在某工业园区,试验测得土样的比重为2.69,干密度为1.50g/cm3,液限为37.6%,塑限为19.0%,塑性指数为18.6。采用筛析法和密度计法测得土样的级配曲线见图2。根据GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》中的土体分类方法,可将其定名为低液限黏土。

图2 试验黏土的颗粒级配曲线

影响微生物矿化效果的因素较多,本文主要考虑菌液OD600值、胶结液浓度和重金属含量3个因素对微生物矿化后黏土渗透性的影响。菌液OD600值为菌液在600nm波长处的吸光度,该值与菌液浓度呈正相关,可反映菌液浓度的高低。结合kp-22菌的实验室培养情况,将其OD600值设置为0.3、0.6、0.9、1.2共4种。Nekolny等[15]认为胶结液浓度超过1mol/L时,细菌新陈代谢会受到抑制;Soon等[8]也发现胶结液浓度超过1mol/L后,矿化效率会降低。因此,本文仅研究1mol/L内胶结液浓度对矿化效果的影响,保持胶结液中尿素和氯化钙的物质的量比为1∶1,将两种成分的浓度均设置为0.4、0.6、0.8、1.0mol/L共4种。现场取样土体中重金属镉含量超过了土壤污染风险筛选值,不少研究表明,重金属的存在会降低细菌活性[16-17],影响微生物诱导矿化的效果,故有必要探究镉含量对矿化效果的影响。前期调研结果表明,四川省内不同地区土体重金属镉含量(质量比)在2.20～15.80mg/kg之间,试验中镉含量设置为2、4、8、12、16mg/kg共5种。进行3个因素不同水平的全组合共计80组试验,并对未矿化的5组不同镉含量的黏土进行渗透试验,探究黏土矿化后碳酸盐生成率的变化规律及不同因素对矿化后土样渗透性的影响。

2 结果与分析

2.1 黏土矿化后碳酸盐生成率

矿化后不同镉含量黏土试样中碳酸盐生成率随菌液OD600值变化的曲线见图3,图中c为胶结液浓度。不同镉含量黏土矿化后的碳酸盐生成率随菌液OD600值的变化规律大体一致。随着菌液OD600值增大,碳酸盐生成率先升高而后变化很小。菌液OD600值从0.3增大至0.9,碳酸盐生成率的提高幅度较大,两种浓度菌液处理后,不同胶结液浓度及不同镉含量下共20组土样的碳酸盐平均生成率分别为0.63%和1.08%。菌液OD600值为1.2时,碳酸盐平均生成率仍维持在1.08%。

图3 不同镉含量黏土碳酸盐生成率随菌液OD600值的变化

由图3可知,不同镉含量黏土的碳酸盐生成率随胶结液浓度变化的规律基本一致,随着胶结液浓度增大,碳酸盐生成率先上升后下降。胶结液浓度为0.8mol/L时,碳酸盐生成率最高,不同菌液浓度及不同镉含量下共20组土样的碳酸盐平均生成率为1.21%。

当胶结液浓度为0.4mol/L时,尿素和氯化钙不足导致矿化反应停滞,碳酸盐生成率较低。随着胶结液浓度增大,溶液中Ca2+含量增大,产生更多的碳酸盐固体。胶结液浓度大于0.8mol/L后,Ca2+对细菌的新陈代谢产生抑制作用,导致碳酸盐生成率下降。因此,适当增大胶结液的浓度有利于提高黏土中碳酸盐生成率,但浓度过高会抑制矿化。

由图3可知,同一菌液OD600值和胶结液浓度下,随着土体镉含量增大,矿化后土样中的碳酸盐生成率逐渐降低。镉含量从2mg/kg增大到8mg/kg,碳酸盐生成率的降幅较小;但镉含量大于8mg/kg后,镉离子对细菌的毒害作用大幅增大,致使碳酸盐生成率显著降低。

2.2 菌液OD600值对矿化后黏土渗透性的影响

在未矿化土样中添加与试验组中菌液、胶结液等体积的纯水后亦采用直接拌和法处理,并在恒温恒湿条件下养护2d后测定其渗透系数。5组不同镉含量黏土矿化前的渗透系数范围为5.51×10-6～6.33×10-6cm/s,各土样的渗透系数差距很小,故取其平均值5.88×10-6cm/s作为未矿化黏土的渗透系数。

矿化后不同镉含量黏土的渗透系数随菌液OD600值变化的曲线见图4。随着菌液OD600值增大,矿化后黏土的渗透系数先降低后趋于平稳。这与土体碳酸盐生成率随菌液OD600值的变化规律相反。菌液OD600值从0.3增大至0.9,渗透系数降低较明显,与未矿化土样相比,两种浓度菌液处理下,不同胶结液浓度及不同镉含量下共20组土样的渗透系数平均降幅分别为50.6%和72.4%。菌液OD600值高于0.9后,增大菌液浓度,渗透系数变化不明显,菌液OD600值为1.2时,渗透系数平均降幅为72.6%。个别曲线的规律与其他曲线的规律不一致,这是由于变水头渗透试验的影响因素较多,试验结果容易出现离散性,但对总体规律影响不大。

矿化反应产生了碳酸盐固体,不仅填充了土样的孔隙,还胶结了土颗粒,使得土体的渗透系数降低。菌液OD600值为0.3时,土样孔隙中碳酸盐生成率低(图3),渗透系数降低不明显。随着菌液OD600值增大,碳酸盐生成率提高,渗透系数显著降低。当菌液OD600值过高时,细菌相互聚集形成絮凝结构[14],由于矿化反应空间的限制,碳酸盐生成率变化不明显,渗透系数也无显著变化。以0.8mol/L胶结液处理镉含量为4mg/kg的黏土为例,菌液OD600值从0.9增大至1.2,土样的碳酸盐生成率由1.52%变为1.53%,仅增大了0.01%(图3)。

2.3 胶结液浓度对矿化后黏土渗透性的影响

矿化后不同镉含量黏土的渗透系数随胶结液浓度变化的曲线见图5。随着胶结液浓度增大,渗透系数先降低后升高。胶结液浓度为0.8mol/L时,土样渗透系数最小,与未矿化土样相比,不同菌液OD600值及不同镉含量下共20组土样渗透系数的平均降幅为79.0%。

图5 不同镉含量黏土渗透系数随胶结液浓度的变化

2.4 镉含量对矿化后黏土渗透性的影响

不同浓度菌液处理的黏土的渗透系数随土体镉含量变化的曲线见图6。镉含量为2mg/kg时,黏土的渗透系数最小,随着镉含量的增大,渗透系数逐渐增大,且其增速也变大。与未矿化土样相比,不同浓度菌液及不同浓度胶结液处理后共16组土样渗透系数的平均降幅为74.5%,随着镉含量增大,黏土渗透系数的降幅逐渐减小。

图6 不同浓度菌液处理的黏土渗透系数随镉含量的变化

脲酶对重金属的敏感性较高,随着溶液中镉含量增大,脲酶活性显著降低。Qiao等[20]研究表明,溶液中2mg/L的镉就会对kp-22菌的生长起到抑制作用。在溶液和土体环境中,镉对矿化效果的影响机制应是一致的。刘睿[21]测定了被铅污染的黏性土中细菌的数量和脲酶的活性,结果表明,随着土体中重金属含量增大,活菌的数量和脲酶的活性都降低,与在溶液中试验得到的结果类似。以OD600值为0.3的菌液和0.8mol/L的胶结液处理黏土为例,当镉含量从2mg/kg增大至16mg/kg时,碳酸盐生成率从1.00%降低至0.55%(图3),相应地,渗透系数由1.46×10-6cm/s增大为2.85×10-6cm/s。土体镉含量小于8mg/kg时,重金属镉对微生物和脲酶的活性抑制作用弱,对土体渗透系数影响较小;镉含量大于8mg/kg后,重金属镉对微生物和脲酶的活性抑制作用逐渐加强,导致渗透系数增幅明显。

2.5 矿化后黏土渗透性

彭劼等[22]对矿化前后的有机质黏土进行了渗透试验,结果显示矿化后黏土的渗透系数可降低一个数量级。刘建兴[23]的试验结果也表明直接拌和法矿化处理的黏土渗透系数从10-7cm/s降低到10-8cm/s。由本文试验结果可知,矿化后土样的渗透系数大幅降低,渗透系数在5.3×10-7～5.01×10-6cm/s之间,与未矿化土样相比,部分土样的渗透系数降低了一个数量级,渗透系数降幅在14.8%～91.0%之间,可见,微生物矿化能明显降低黏土的渗透性。

由前面的分析可知,碳酸盐生成率与渗透系数随各因素的变化规律相反。图7为各矿化土样的碳酸盐生成率与渗透系数的相关关系散点图。由图7可知,碳酸盐生成率Gca与渗透系数k呈负相关关系,用线性函数拟合二者的关系式(决定系数R2=0.852)为

k=k0(1-0.615Gca)

(6)

式中k0为拟合直线的截距(4.608×10-6cm/s),其物理意义为碳酸盐生成率为0时的渗透系数,即未矿化土样的渗透系数,比试验值(5.88×10-6cm/s)略低。Soon等[24]整理了14个土样矿化后的渗透系数与碳酸盐生成率的关系,结果表明渗透系数与碳酸盐生成率之间线性关系的拟合效果一般(R2=0.65)。本文的拟合效果更好,这可能是由于数据总量更多,个别数据点的离散对整体规律的影响较小。

由图3可知,矿化后各试样的碳酸盐生成率随菌液OD600值和胶结液浓度变化的规律性较强,试验结果离散性较小,故本文利用MATLAB建立不同镉含量下碳酸盐生成率与菌液OD600值和胶结液浓度的经验关系。随着菌液OD600值增大,脲酶浓度随之增大,脲酶可催化生物化学反应,提高碳酸盐生成率,但受到反应底物含量的限制,菌液OD600值大于0.9后,其催化作用不再明显,故碳酸盐生成率变化较小。二者的关系曲线形状与幂函数相似,故用幂函数拟合渗透系数与菌液OD600值的关系为

Gca=mAn

(7)

式中：A为菌液OD600值;m、n为拟合参数,m为菌液OD600值为1.0时的碳酸盐生成率,n为双对数坐标下碳酸盐生成率与菌液OD600值的关系曲线的斜率。以镉含量为2mg/kg的情况为例,不同浓度胶结液处理土样的渗透系数随菌液OD600值变化曲线的拟合参数及决定系数R2见表1。

表1 不同胶结液浓度下的拟合参数和决定系数

由表1可知,各拟合曲线的决定系数均大于0.85,说明式(7)的拟合效果良好。随着胶结液浓度增大,参数m先增大后减小,取值范围为0.788～1.488,变化范围较大;而参数n随胶结液浓度变化离散程度较小,胶结液浓度变化对n值的影响程度较低,故直接取n的平均值0.326。在拟合参数m中考虑胶结液浓度的影响,建立碳酸盐生成率与菌液OD600值与胶结液浓度的关系式。拟合参数m与胶结液浓度的关系曲线见图8,m随胶结液浓度变化的曲线与一元二次函数的抛物线相似,故可用一元二次函数拟合它们的关系：

图8 拟合参数m与胶结液浓度的关系

m=m1c2+m2c+m3

(8)

式中m1、m2、m3为拟合参数,分别为-4.25、6.71和-1.25。该拟合曲线的决定系数为0.938,说明此式能较好地表达参数m和胶结液浓度的关系。

由图7可知,黏土矿化后的渗透系数与碳酸盐生成率满足较好的线性关系,将式(7)和式(8)代入式(6),化简后即得到渗透系数与菌液浓度和胶结液浓度的关系式：

k=k0[1-0.615(m1c2+m2c+m3)An]

(9)

按照上述方法对不同镉含量黏土矿化后渗透系数的试验结果进行拟合,求取式(9)的参数,列于表2中。

表2 不同镉含量下黏土矿化后渗透系数的拟合参数

利用表中参数和式(9)计算矿化后黏土的渗透系数,试验与计算结果的对比见图9。由图9可知,试验点和计算曲线的变化规律基本一致,仅当镉含量为16mg/kg时,部分计算值与试验值的相对误差较大。总体而言,大部分试验数据与计算结果偏差较小,说明式(9)中各参数求取方法合理,可考虑将其用于计算较低镉含量下黏土矿化后的渗透系数。

3 结 论

a.采用直接拌和法处理黏土后,矿化土样中生成了碳酸盐颗粒。随着菌液OD600值增大,碳酸盐生成率先升高后逐渐稳定。菌液OD600值从0.3增大至0.9,碳酸盐生成率逐渐增大,继续增大菌液OD600值对碳酸盐生成率影响不大。随着胶结液浓度增大,碳酸盐生成率先上升后下降,胶结液浓度为0.8mol/L时达到峰值。

b.随着菌液OD600值增大,黏土的渗透系数先减小后趋于平稳。与未矿化土样相比,菌液OD600值从0.3增大至0.9,黏土的渗透系数逐渐减小,此后渗透系数变化不明显。随着胶结液浓度增大,渗透系数先减小后增大。胶结液浓度为0.8mol/L时,黏土的渗透系数最小。随着镉含量增大,土体渗透系数逐渐增大,且增速也变大。

c.矿化后黏土的渗透系数最多可降低约一个数量级。利用幂函数拟合碳酸盐生成率随菌液OD600值变化的曲线,其中包含幂函数的指数和系数两个拟合参数。胶结液浓度对幂函数的指数影响很小,故直接取其平均值;幂函数的系数与胶结液的浓度符合一元二次函数关系。渗透系数与碳酸盐生成率呈负相关关系,依据二者较好的线性关系,建立了关于菌液OD600值和胶结液浓度的矿化后黏土渗透系数的经验公式。