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一种微生物诱导矿化阻隔层的盐渍土改良方法

花匠小妙招
2024-11-05 02:14

本发明属于不良土的生态修复改良，具体涉及一种生物质阻隔层的盐渍土改良方法。

背景技术：

1、盐碱土是我国分布范围较广的一种结构不稳定、力学性质差、生产力水平低、生态系统脆弱的不良地质土，严重影响我国土地生产力的提高和国民经济的发展。

2、目前，对盐碱土壤的改良与修复，主要措施有物理改良、化学改良、工程水利改良、生物改良以及一些综合治理防控措施等。物理改良措施主要有土壤深耕、平底、客土法、地面覆盖、秸秆隔离等，对于表层抑盐具有良好的效果，但是需要往土中添加较多的其它材料，材料成本高，局限性大，造成土壤原结构的破坏，不适宜大面积使用；化学改良是通过在盐碱土中添加化学改良剂，利用化学物质与土壤中的盐碱成分发生作用，改善土壤理化性质或者改变可溶性盐基成分从而达到改良的目的，化学改良方法配方多样、见效快，但是持续性差、副作用较大，容易引入新离子造成环境二次污染；工程水利改良主要是通过建立不同类型的排灌系统结合不同的排水方式从而达到降低地下水位、压盐、脱盐、排盐和维持水盐平衡的目的，工程水利措施脱盐、洗盐过程中容易引起土壤中矿物质元素的流失，引起土壤次生盐渍化，而且水利措施淡水需求量大，不易大范围推广使用。以上改良方法能够实现短期内改善盐渍土的目的，但是存在破坏土壤结构、引起土壤二次污染、浪费水资源等问题，难以实现盐渍土改良的可持续发展模式。

3、盐渍土的生物改良有植物和微生物两种措施。植物措施即通过选育、种植耐盐碱植物，通过植物的生长、利用植物根系转移土壤中的盐分，进而改变土壤的性质。微生物措施即利用土壤中的微生物改善土壤中的有机质含量，提高养分利用率，或者通过调节植物的生长，促进植物的耐盐抗逆性。生物改良措施能够满足生态治理、对环境无污染的治理目标，但是在改善盐碱化土壤的力学和工程特性方面不能发挥作用，难以实施盐碱化土壤改良与修复后土地的工程再利用。然而，盐渍土分布范围广、面积大，盐渍土分布区域也会有很多工程建设需要，如风电工程、道路工程、房屋建筑工程等，因此该方法的应用也具有较大的局限性。

4、微生物诱导矿化技术是利用土壤中特殊的微生物如产脲酶菌能够分解尿素生成碳酸根离子并与环境中钙离子反应，生成胶结性能优异的碳酸钙晶体的特性，通过一系列生化反应将土颗粒胶结为一体并赋予其力学性能的微生物加固技术，在岩土工程领域已经应用，已经应用于砂土的固化、修复建筑材料裂缝和岩石裂缝、减轻地质灾害，以及环境修复等领域。然而将微生物诱导矿化技术应用于盐渍土的改良还未见报道。

技术实现思路

1、为了克服现有盐碱土改良措施的环境污染问题以及可持续性、力学性能差的问题，本发明利用微生物菌株特殊的生化特性结合微生物诱导碳酸钙沉淀(micp)技术提出一种微生物诱导矿化阻隔层的盐渍土改良方法，以期实现盐渍土水盐运移的调控以及力学性能的改善。本发明的目的是这样实现的：

2、本发明应用微生物的分离与筛选技术从盐渍土中筛选出既具有微生物矿化性能又能耐受高盐碱环境的微生物菌株并对微生物的矿化性能以及耐盐碱性能进行优化；采用micp灌浆加固技术建立微生物固化改良阻隔层进行盐渍土的固化改良。并通过监测盐渍土中的水盐运移以及盐冻胀变形，进行改良效果评价。

3、一种微生物诱导矿化阻隔层的盐渍土改良方法，包括以下步骤：

4、步骤一：自盐渍土中进行微生物的分离与提取，获得耐受型微生物矿化菌株；

5、步骤二：制备应用于微生物阻隔层固化的耐受型微生物矿化菌液及灌浆液：所述菌液由所述耐受型微生物矿化菌株经扩培而成；所述灌浆液由相互独立的胶结液及菌液固定液组成，所述胶结液为混合溶液，其成分为：urea 30～60g/l，nh4cl 10～15g/l，cacl2·2h2o 73.5～147g/l，nahco3 2～3g/l，nutrient broth10～20g/l；所述菌液固定液为0.05～0.1mol/l的氯化钙溶液；所述胶结液和菌液固定液的溶剂均为水；

6、步骤三：在所需注浆固化盐渍土区域，进行水微生物注浆管的布设：所述微生物注浆管包括注浆软管和螺旋注浆花管，所述注浆软管水平设置于盐渍土区域，且一侧连接高压注浆机，另一侧连接高压抽浆机；所述高压注浆机连接有储液罐；所述高压抽浆机连接有废弃液储液池；所述螺旋注浆花管与注浆软管垂直连接、成排设置且通过钻孔机压入地下；所述螺旋注浆花管为不锈钢材质，入土端部为圆锥型，侧壁开设有注浆小孔；

7、步骤四：进行微生物注浆，构筑微生物固化阻隔层：首先注入1倍土体孔隙体积的所述菌液，静置1～3h后注入1倍土体孔隙体积的菌液固定液，静置8～12h后注入第一批胶结液，第一批胶结液注入量为2倍土体孔隙体积，反应36～48h后注入第二批胶结液，第二批胶结液注入量为2倍土体孔隙体积，至此完成第一轮注浆，间隔36～48h后进行下一轮注浆；注浆的注浆速率均为4～10ml/min，注浆深度范围为0～80cm，直至微生物矿化阻隔层厚度范围达到8～15cm，强度达到0.3～1.5mpa。其中孔隙体积的计算：需要取盐渍土进行室内土工试验测得土的密度，进一步计算出土中孔隙占的体积。第二轮注浆结束后进行阻隔层矿化强度检测，强度达到使用要求即为注浆结束，否则进行第三轮注浆。所述微生物矿化阻隔层厚度范围为8～15cm，强度范围为0.3～1.5mpa。

8、进一步的优化，步骤一中具体包括以下操作：

9、1-1取盐渍土地表以下10～50cm范围内的土样，放入高温灭菌后的na2co3-nahco3缓冲液中恒温震荡，加入酵母液继续震荡培养获得细菌富集液；

10、1-2所述细菌富集液离心并用na2co3-nahco3缓冲液洗涤，去除细菌富集液中的酵母；

11、1-3用na2co3-nahco3缓冲液重新悬浮细菌富集液并制备成不同浓度的稀释溶液；

12、1-4稀释溶液分别涂布于固体培养基上，进行恒温培养；

13、1-5挑取固体培养基上的单菌落，接种至液体培养基中恒温震荡培养；

14、1-6取菌液进行矿化性能验证；

15、1-7选取矿化效果最好的单菌落继续接种到固体培养基中，经过反复划线，纯化培养，得到的单菌落为所述耐受型微生物矿化菌株。

16、进一步的优化，所述固体培养基成分为：每1000ml去离子水，包括60～80mmc3h5o3na、20～30mm nano3、0.1～0.4mm kh2po4、0～1mm feso4、350～500mm nacl、40～60mmmgcl2、15～25mm cacl2、20～30mm na2so4、5～10mm kcl、0～1mm kbr、0～0.5mm h3bo3、0～0.1mm naf、0～0.1mm srcl2、5～15ml sl-6微量元素液、10～15g agar、0.01～0.02g酚红。

17、所述液体培养基成分为：每1000ml去离子水，包括60～80mm c3h5o3na、20～30mmnano3、0.1～0.4mm kh2po4、0～1mm feso4、350～500mm nacl、40～60mm mgcl2、15～25mmcacl2、20～30mm na2so4、5～10mm kcl、0～1mm kbr、0～0.5mm h3bo3、0～0.1mm naf、0～0.1mm srcl2。

18、进一步的优化方案，步骤1-1中，土样放入0.1m的na2co3-nahco3缓冲液中恒温震荡时：震荡温度30～40℃，震荡频率150～200r/min，震荡时间5～10min，加入25％酵母液后继续震荡30～40min；

19、步骤1-2中，所述细菌富集液在30～40℃、150～200r/min条件下，离心5～10min；

20、步骤1-3中，细菌富集液梯度稀释成10-3、10-4、10-5、10-6、10-7稀释度的土壤溶液作为所述不同浓度的稀释溶液；

21、步骤1-4中，不同浓度的稀释溶液分别涂布于表面具有固体培养基的平板上37℃～40℃恒温培养2d～3d，所述平板密封后放入恒温培养箱中培养；

22、步骤1-5中，所述固体培养基上清晰呈红色的单菌落继续接种至液体培养基中震荡培养，震荡温度37～40℃，震荡频率150～200r/min，ph为培养基自然ph，培养时长24～48h；

23、步骤1-6中，所述矿化性能验证：将不同的单菌落放入液体培养基中培养24～48h后，接种5～10ml菌液至钙源溶液中，将出现白色沉淀的混合液静置24h，将上清液倾倒，用无菌蒸馏水洗涤去除沉淀物中的残留细菌，在40～50℃下烘干12～24h，即可获得沉积物样品；用1mol/l稀盐酸检测沉积物，如果沉积物中加入稀盐酸后立即有大量气泡产生，判断沉积物为碳酸钙沉淀，所述单菌落为具有矿化性能的菌落；所述钙源溶液包括0.5～1mol/l的尿素和0.5～1mol/l的二水氯化钙溶液；采用扫描电子显微镜(sem)观察判断所述沉积物的微观形貌；采用x射线衍射仪(x射线衍射仪)分析所述沉积物的晶体结构；采用能谱仪(eds)分析所述沉积物的化学组成。

24、作为对菌种的优化，步骤一分离提取的所述耐受型微生物矿化菌株为自源矿化菌株盐单胞菌xr2#，已于2021年04月02日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏中心登记号为cgmcc no.22116；所述自源矿化菌株盐单胞菌xr2#菌为中度嗜盐菌，无盐(nacl)环境中不能生长，最适生长氯盐浓度范围为1.0～1.5mol/l；耐氯盐浓度范围为0.5～3.5mol/l；耐硫酸盐浓度范围为0～1.0mol/l；耐碱范围为ph 6.5～12。

25、进一步的，步骤二中，将所述盐单胞菌按照5％的接种量接种到所述液体培养基中震荡扩培制成菌液，震荡扩培后的菌液去除原有的培养基，再用另一份新鲜的所述液体培养基稀释，当菌液的od600值稀释为1.0～2.0，脲酶活性为4～10mm urea/min时获得的菌液为所述耐受型微生物矿化菌液；在震荡扩培时，震荡温度35～40℃，震荡频率180～200r/min，ph为培养基自然ph，培养时长24～48h；扩培后去除原有培养基的方式为：在离心温度为30℃、离心转速为200rpm的条件下，将震荡扩培后的菌液离心20min。

26、进一步的，步骤三中，所述注浆软管直径为1.5～2cm，螺旋注浆花管直径为1.5～3cm，，螺旋注浆花管长度为20～80cm，螺旋注浆花管一周侧壁开有交叉布置的直径为0.1～0.2cm的注浆小孔，注浆小孔之间的距离为1～2cm，小孔内设置有一层薄钢筋网片。

27、进一步的，步骤四中，注浆过程结束后，拔出螺旋注浆花管，在插管部位填充盐渍土，并采用高压注浆机和注浆软管进行补注浆加固。

28、进一步的，步骤三中，在所需注浆固化盐渍土区域，还进行水盐传感器的布设：所述水盐传感器布设在盐渍土表面0～5cm处。此步骤仅用于需要监测水盐数据时布设水盐传感器。所述水盐传感器能够同时测量温度、水分、盐度数据；所述水盐传感器包括水分传感器、盐分传感器和温度传感器；所述水分传感器通过频域技术确定土体的体积含水率；所述盐分传感器通过中心针处的热敏电阻测定土体中可溶盐的电导率；所述温度传感器探针为高精度热敏电阻温度传感器；传感器测量方式为土体原位插入直接测试。

29、进一步的，还包括步骤五，所述步骤五为水盐运移监测及盐冻胀变形监测；所述水盐运移监测包括以下步骤：微生物固化阻隔层形成后，利用水盐传感器进行温度、水分、盐分的数据采集；所述数据采集频率为2～6小时采集1次，采集时间为20～40天；所述盐冻胀变形监测在降温过程中利用应变测试系统监测土柱顶端的盐冻胀变形量；所述应变测试系统包括静态应变测试仪、位移传感器以及应变测试控制系统，数据采集频率为3～6小时采集1次，采集时间为30～60天。此步骤用于需要监测水盐数据以及测试改良效果时采用。

30、本发明的优点和有益效果是：

31、本发明能够利用原有的盐渍土形成微生物矿化阻隔层，进而实现盐渍土水盐运移的调控以及力学性能的改善，实施盐碱化土壤改良与修复后的土地再利用。

32、该方法将盐渍土中微生物特有的功能性与微生物矿化修复技术结合，发展一种新型的、有效的、符合可持续发展的环境友好型盐渍土的治理改良措施，建立盐碱地改良的可持续发展模式，实现特殊土的加固改良与环境修复协同处治。解决了既有改良措施与生态低碳治理相矛盾的问题，且最大限度地减少了对地层原始生态环境的扰动，最大限度地保护了地层周围环境。本方法盐渍土表面的含盐量可降低42.7％。降温过程中，盐渍土的盐冻胀率可降低66.7％。