鄭槐淼,伍玲玲,胡 林,張志軍,田亞坤,劉 迪,潘宇翔*

(1.南華大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理與法學(xué)學(xué)院,湖南 衡陽 421001;2.湖南省礦山巖土工程災(zāi)害預(yù)測與控制工程技術(shù)研究中心,湖南 衡陽 421001;3.南華大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 衡陽 421001)

0 引 言

本研究擬通過研究具有生物礦化和膠結(jié)功能的優(yōu)勢菌株，利用生物脫氮技術(shù)，建立微生物注漿加固的優(yōu)化技術(shù)，并采用所構(gòu)建的微生物注漿加固試驗(yàn)裝置展開實(shí)驗(yàn)研究。這對于豐富和完善微生物注漿加固巖土理論、創(chuàng)新和發(fā)展尾礦壩加固技術(shù)，具有重要的理論意義和實(shí)際意義。

1 試驗(yàn)材料

1.1 培養(yǎng)基

混合培養(yǎng)基：酪蛋白胨15 g，大豆蛋白胨5 g，氯化鈉5 g，尿素20 g，氯化鎳0.001 3 g，琥珀酸鈉32.9 g，維氏鹽溶液50 mL，去離子水950 mL，pH為9.0。其中，尿素溶液采用圓筒式不銹鋼加壓除菌過濾器分別通過0.45 μm和0.22 μm的微孔透膜進(jìn)行過濾除菌，其余成分溶液采用加壓蒸汽滅菌法在121 ℃狀態(tài)下滅菌20 min。制備完畢后，將上述兩種溶液進(jìn)行混合即可得到所需的培養(yǎng)基。

1.2 尾砂

試驗(yàn)所用的尾砂取自湖南省某尾礦庫干灘，取樣前先削去地表枯枝落葉以及約0.1 m厚的表層，然后開挖至距地表2 m并進(jìn)行剖面整修、清理，選取砂層中心典型部位取出尾礦砂樣(見圖1)。依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)，測得原位尾砂密度為2.040 g/cm3，天然含水率為12.1%，干密度為1.825 g/cm3，孔隙比為0.476，相對密度為2.87。其中，由于原樣尾砂顆粒粒徑均未超過2 mm，因此篩分試驗(yàn)選取孔徑分別為1.68、0.83、0.50、0.35、0.25、0.20、0.18、0.14、0.10和0.075 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩，按由小到大、自上而下的順序堆疊，在最上層標(biāo)準(zhǔn)篩內(nèi)放置烘干尾砂試樣200 g，進(jìn)行多組顆粒分析試驗(yàn)，以其均值作為篩分試驗(yàn)結(jié)果，繪制出尾砂顆粒粒徑分布圖，如圖2所示。尾砂顆粒粒徑大于0.075 mm部分的質(zhì)量未超過總質(zhì)量的85%，屬于尾粉砂。此外，該尾砂的不均勻系數(shù)CU<5，曲率系數(shù)CC>1，根據(jù)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)(附條文說明)》(GB/T 50145—2007)，說明尾砂樣顆粒比較均勻，屬于級配不良砂土。

圖1 風(fēng)干后的尾砂樣品Fig.1 Air-dried tailing sand samples

圖2 尾砂樣品顆粒級配累計曲線Fig.2 Cumulative particle gradation curve of tailing sand samples

1.3 尾砂體注漿加固裝置

為避免在鉆取和制備砂樣過程中，對加固尾砂產(chǎn)生擾動或損傷，尾砂體注漿試驗(yàn)采用的填砂管為沿軸線對半可拆合的透明有機(jī)玻璃管，填砂管內(nèi)徑為39.1 mm(與土三軸試驗(yàn)土樣直徑一致)，高度為12 cm。將可拆合的兩瓣透明有機(jī)玻璃管內(nèi)壁涂抹凡士林后拼合，在管的外壁用止水膠帶粘合預(yù)制拆合縫，并在管的上下兩側(cè)套箍不銹鋼固定約束箍，以防止在制備尾砂柱和注漿過程中填砂管變形。在填砂管上下側(cè)加塞帶貫通玻璃管的橡膠塞，上部右側(cè)注漿口與蠕動泵之間用硅膠軟管進(jìn)行連接，上部左側(cè)預(yù)留排氣口，下側(cè)設(shè)置出水口，出水口套置帶止水閥的硅膠軟管。為防止制作模型和注漿時砂土進(jìn)入注漿管和出水口，在有機(jī)玻璃管兩側(cè)各設(shè)置4層紗布。同時，為防止注漿過程中出現(xiàn)對尾砂的沖刷和注漿口部堵塞現(xiàn)象，尾砂柱兩側(cè)各鋪設(shè)5 mm厚的砂礫層(砂礫粒徑為2 mm±0.1 mm)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置及尺寸如圖3所示。尾砂柱高度為90 mm，采用水密法分層制備，密度為2.040 g/cm3。

圖3 尾砂體注漿加固試驗(yàn)裝置圖Fig.3 Diagram of tailings grouting reinforcement test device

2 試驗(yàn)方法

2.1 菌群共生溶液培養(yǎng)試驗(yàn)

為在后續(xù)的尾砂注漿試驗(yàn)篩選出能與巴氏芽孢桿菌共生的最優(yōu)同步硝化反硝化菌，開展菌群共生溶液培養(yǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)菌株為巴氏芽孢桿菌和前期篩選出的3株優(yōu)勢同步硝化反硝化菌。取12組250 mL錐形瓶滅菌后各加入100 mL混合培養(yǎng)基，并接入1 mL OD600值為1.0±0.05的巴氏芽孢桿菌菌液，然后分別接入1 mL OD600值為1.0±0.05的同步硝化反硝化菌菌液。將錐形瓶置于恒溫振蕩培養(yǎng)箱中進(jìn)行振蕩培養(yǎng)，轉(zhuǎn)速控制在150 r/min，溫度設(shè)值在30 ℃。分別在培養(yǎng)4、8、16和24 h時間點(diǎn)各取出1組不同菌群組合的錐形瓶，測定了培養(yǎng)液中細(xì)菌數(shù)量、pH值、氨氮濃度及硝氮濃度。試驗(yàn)設(shè)置3份平行樣，結(jié)果取其平均值。

2.2 MICP注漿加固尾砂試驗(yàn)

尾砂體注漿試驗(yàn)如圖4所示，制備39個尾砂柱，通過蠕動泵緩慢地向尾砂柱內(nèi)注入去離子水，排出填砂管內(nèi)的氣體使其達(dá)到飽和，調(diào)節(jié)蠕動泵和出水口的止水閥控制流速為0.5 mL/min，帶出砂柱內(nèi)少量的泥質(zhì)和雜質(zhì)(防止影響OD600的測定)，間隔一定時間檢測出水口處流出液體的OD600值，其值基本達(dá)到0即可。過程中記錄尾砂柱達(dá)到飽和狀態(tài)所需的注水量，以該注水量為后期進(jìn)行尾砂體微生物注漿試驗(yàn)所灌入溶液的總體積。

試驗(yàn)分兩組進(jìn)行，第一組為微生物注漿同步脫氮試驗(yàn)組(巴氏芽孢桿菌+最優(yōu)同步硝化反硝化菌TD-9+混合培養(yǎng)基+CaCl2溶液)，第二組為微生物注漿空白對照試驗(yàn)組(巴氏芽孢桿菌+無菌水+混合培養(yǎng)基+CaCl2溶液)，具體注入量詳見表1。注漿時關(guān)閉下部橡膠塞出水口的止水閥，注漿完畢后使注漿液在砂柱內(nèi)部靜置反應(yīng)24 h，然后打開止水閥排出砂柱內(nèi)液體，然后重新注入反應(yīng)溶液。

圖4 尾砂體注漿試驗(yàn)過程圖Fig.4 Process diagram of tailings grouting test

表1 尾砂體注漿各試驗(yàn)組反應(yīng)液注入量Table 1 Injection volume of reaction fluid for each test group of tailing sand body grouting

試驗(yàn)共進(jìn)行12 d，每天收集各試驗(yàn)組排出液，測定排出液中細(xì)菌數(shù)量、pH值、氨氮濃度和硝氮濃度。并分別在注漿反應(yīng)2、4、6、8、10和12 d后，從兩組試驗(yàn)組各拆取出3個尾砂試樣，在100 kPa圍壓下采用全自動應(yīng)變控制式三軸儀(南京，型號LH-TTS-1F)進(jìn)行三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中，采集應(yīng)變-應(yīng)力數(shù)據(jù)。

2.3 檢測方法

2.3.1 細(xì)菌數(shù)量的測定

細(xì)菌數(shù)量通過測量菌液的吸光度(比濁法)來表示。試驗(yàn)使用蛋白核酸測定儀(德國，型號Biophotometer)來測定菌懸液OD600值，并將數(shù)值代入公式(1)，以換算出溶液環(huán)境中實(shí)際的細(xì)胞總數(shù)。該式僅在OD600值為0.2～0.8范圍內(nèi)才可以使用，若超過此范圍，需稀釋后再進(jìn)行換算。

Y=8.59×Z1.362 7×104

(1)

式中，Z為OD600數(shù)值；Y為細(xì)菌濃度，個/μL。

2.3.2 pH值的測定

試驗(yàn)采用精密臺式pH計(美國，型號HQ411D)對溶液的pH值進(jìn)行測定。

2.3.3 氨氮濃度及硝氮濃度的測定

取50 mL離心管分別裝取40 mL不同菌株的培養(yǎng)物上清液后，置于冷凍離心機(jī)(德國，型號Z-36HK)中以8 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心20 min后，用移液槍取10 mL離心上清液于50 mL比色管中，采用《水質(zhì) 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》(HJ 535—2009)和《土壤硝態(tài)氮的測定紫外分光光度法》(GB/T 32737—2016)測定溶液中的氨氮濃度及硝氮濃度。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 菌群共生溶液培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1.1 細(xì)菌數(shù)量和pH變化規(guī)律

通過對巴氏芽孢桿菌分別與3株同步硝化反硝化菌株進(jìn)行共生溶液培養(yǎng)試驗(yàn)，得到OD600與pH值隨時間變化曲線圖，如圖5所示。

圖5 混合培養(yǎng)液中OD600及pH值隨時間變化曲線圖Fig.5 Variation curves of OD600 and pH in mixed culture solution with time

從圖5可知，3組混合培養(yǎng)液中OD600值隨培養(yǎng)時間的變化呈現(xiàn)相近的快速增長規(guī)律，且與原始培養(yǎng)環(huán)境中巴氏芽孢桿菌OD600值變化規(guī)律無較大差異，這表明引入這3株菌進(jìn)行同步硝化反硝化作用對巴氏芽孢桿菌活性不會產(chǎn)生影響。同時，通過實(shí)測溶液pH值可知，菌群均處于其最適pH生長范圍。

3.1.2 氨氮和硝氮濃度變化規(guī)律

氨氮和硝氮濃度隨培養(yǎng)時間變化曲線圖，如圖6所示。從圖6可知，3組試驗(yàn)溶液中硝氮濃度一直維持較低水平且符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)的要求，氨氮濃度隨培養(yǎng)時間的變化呈現(xiàn)先快速上升后下降的規(guī)律，其中，TD-9表現(xiàn)出的氨氮去除能力與TD-6和TD-11相比相對較強(qiáng)。

圖6 氨氮和硝氮濃度隨培養(yǎng)時間變化曲線圖Fig.6 Curves of ammonia and nitrate nitrogen concentrations with incubation time

3.2 尾砂注漿排出液成分測定的分析

3.2.1 OD600和pH變化規(guī)律

挑選前期從溶液試驗(yàn)中篩選和培育出的最優(yōu)菌株TD-9與巴氏芽孢桿菌進(jìn)行尾砂環(huán)境下的微生物注漿加固試驗(yàn)。通過對排出液進(jìn)行測定，得到其OD600與pH值隨注漿加固時間變化曲線圖，如圖7所示。

圖7 排出液中OD600及pH值隨時間變化曲線圖Fig.7 Curve of OD600 and pH in the discharge fluid with time

從圖7可知，2組試驗(yàn)排出液中OD600值隨時間的變化呈現(xiàn)相近規(guī)律，經(jīng)過2 d的適應(yīng)階段，菌株開始活性上升并大量繁殖，但同步脫氮組的OD600值與空白對照組相比相對較低，這表明在尾砂環(huán)境下引入微生物同步硝化反硝化作用會對巴氏芽孢桿菌活性產(chǎn)生一定影響但影響不大。同時，通過實(shí)測溶液pH值可知，在完成4 d注漿后菌群處于其最適pH生長范圍。

3.2.2 氨氮和硝氮濃度變化規(guī)律

從圖8可知，2組試驗(yàn)排出液中氨氮和硝氮濃度隨時間的變化呈現(xiàn)相近規(guī)律，其中排出液中硝氮濃度一直維持較低水平且符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)的要求，同步脫氮組的氨氮濃度與空白對照組相比有一定程度的降低，但沒有明顯降低，一方面是因?yàn)樵谖采碍h(huán)境中有氯化鈣參與反應(yīng)，且TD-9可能存在與維持其脫氮作用的營養(yǎng)底物接觸不夠充分。另一方面是因?yàn)樵诎褪涎挎邨U菌強(qiáng)脲酶活性的作用下，尿素快速水解，而脫氮菌株同步硝化反硝化速率無法跟上氨氮生成速率，使得排出液中氨氮濃度仍呈現(xiàn)快速上升趨勢。

圖8 氨氮和硝氮濃度隨注漿加固時間變化曲線圖Fig.8 Curves of ammonia and nitrate nitrogen concentrations with grouting reinforcement time

3.3 力學(xué)性能分析

3.3.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線

采用全自動應(yīng)變控制式三軸儀對有無同步生物脫氮作用的兩個試驗(yàn)組在不同注漿加固天數(shù)的尾砂試樣進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，得到100 kPa圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖9所示。

從兩個試驗(yàn)組固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)所獲得的偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線可知，兩組試樣應(yīng)力隨應(yīng)變增長趨勢與峰值應(yīng)力基本相近，這說明在宏觀力學(xué)特性上引入生物脫氮作用對微生物注漿加固作用沒有影響。但兩者在處于峰值破壞后的殘余強(qiáng)度有所差異，這可能是微生物加固不均勻性以及制樣時試樣結(jié)構(gòu)體存在差異所造成的。從圖9中還可以看出，以注漿加固6 d為界限，在此之前尾砂試樣曲線變化階段與一般巖土體變化類型相似，存在4個階段，即孔隙壓密階段、彈性變形階段、非穩(wěn)定破壞發(fā)展階段和破壞后階段。而在此之后，尾砂試樣曲線變化階段直接進(jìn)入線性增長階段，這表明在微生物膠結(jié)作用下尾砂試樣大孔隙已被膠結(jié)晶體充分填充，使得細(xì)小顆粒無法移動，或是離散顆粒形成一個完整的整體。

圖9 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.9 Stress-strain relationship curve

3.3.2 抗剪強(qiáng)度變化

以注漿加固天數(shù)為橫坐標(biāo)，尾砂試樣的有效黏聚力和有效內(nèi)摩擦角分別為左右縱坐標(biāo)，繪制出尾砂試樣抗剪強(qiáng)度參數(shù)與注漿天數(shù)的變化曲線關(guān)系如圖10所示。

從圖10可知，隨著注漿天數(shù)的增加，兩組尾砂試樣的有效黏聚力均逐漸增加且增長規(guī)律相近，經(jīng)過12 d的注漿加固增長幅度為283.77%和255.01%。從增長速率上來看，在注漿加固的前4 d，尾砂的有效黏聚力幾乎沒有發(fā)生變化，這是因?yàn)榧庸谭磻?yīng)初期，膠結(jié)晶體生成量不足，無法在尾砂顆粒之間形成有效黏結(jié)體。在經(jīng)過4 d膠結(jié)晶體積累后，尾砂顆粒之間開始形成有效黏結(jié)，有效黏聚力呈現(xiàn)直線型上升。同時，隨著膠結(jié)晶體不斷填充和膠結(jié)作用下，相鄰尾砂顆粒之間的距離越來越小，使得相鄰尾砂顆粒間的結(jié)合水受顆粒引力的吸附力增大，從而在一定程度上增加了黏結(jié)強(qiáng)度。

圖10 尾砂抗剪強(qiáng)度參數(shù)與注漿天數(shù)的關(guān)系Fig.10 Variable curve of shear strength parameters with grouting days in the tailings

兩組尾砂試樣的有效內(nèi)摩擦角均隨著注漿天數(shù)的增加而逐漸增加且增長規(guī)律相近，經(jīng)過12 d的注漿加固增長幅度為36.71%和38.24%。從增長速率上來看，有效內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律與有效黏聚力有所不同，在注漿加固初期，有效內(nèi)摩擦角就隨著注漿天數(shù)的增長開始增長，并在第4天～第6天呈快速增長，而后又逐漸趨緩。這是因?yàn)閹r土體內(nèi)摩擦角主要靠顆粒表面的摩擦力與顆粒之間的咬合力，隨著注漿反應(yīng)的開始，生成的膠結(jié)晶體附著在尾砂顆粒表面，提高了其表面粗糙程度以增加表面摩擦力，當(dāng)顆粒表面的膠結(jié)晶體形成一定體積后，主要以提升顆粒之間的咬合力來提升試樣的內(nèi)摩擦角，使其進(jìn)入快速增長階段，后期的膠體晶體主要是用于建立尾砂顆粒之間的黏結(jié)，對內(nèi)摩擦角的貢獻(xiàn)不大，因而增長速率逐漸趨緩。

4 結(jié) 論

1)引入同步脫氮后MICP加固尾砂過程中氨氮濃度與空白對照組相比降低程度不顯著。

2)引入生物脫氮作用對微生物注漿加固尾砂試樣應(yīng)力隨應(yīng)變增長趨勢與峰值應(yīng)力沒有影響，但兩者在處于峰值破壞后的殘余強(qiáng)度有所差異。加固12 d后，尾砂有效黏聚力增長幅度為283.77%和255.01%，有效內(nèi)摩擦角增長幅度為36.71%和38.24%。

3)為保證在尾砂微生物注漿環(huán)境下取得明顯的微生物同步氨氮去除效果，仍需對TD-9菌株進(jìn)行進(jìn)一步的耐受高濃度氨氮馴化以及誘變育種研究，以獲得耐受高濃度氨氮和鈣離子且氨氮去除速率快的優(yōu)勢菌株。