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微生物通过其自身的生命活动,与周围环境介质之间不断发生酶化作用,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。这类微生物被称为产脲酶菌,也被称作为碳酸盐矿化菌,这一矿化过程被称为Microbial CarbonatePrecipitation(MCP)。
首先依据微生物酶反应动力学原理,筛选出高脲酶活性的菌株,并对其纯化进一步提高活性。研究底物和Ca2+加入方式的影响,发现选用底物后加入的方法产生的碳酸钙胶结效果更好。研究细菌活性对碳酸钙晶型、形貌的影响,发现细菌活性较高时,酶化反应充分,碳酸钙品粒生长较完全:但当Ca2+浓度偏低时,溶液中首先生成的是方解石,且不会转变成球霰石。采用电导率法测定不同底物浓度下的酶活性,就可以计算出米氏酶动力学方程的米氏常数Km和最大反应速率Vmax。随后对不同温度下的Vmax=和Km进行电导率试验测试,发现提高环境温度,有利于反应的快速进行。对不同pH下的Vmax和Km进行电导率试验测试,发现pH=10是最佳的反应条件。以上这些最佳反应条件互相结合,用于指导胶砂试验。
采用外施压力和反应液自重渗流法、无外施压力和反应液自重渗流及间隔封堵出口法两种制备工艺胶结细砂。先后得到胶结初始渗流速度、砂的堆积密度、菌液的单位酶活等数据;胶结过程中进口、出口流速、菌液流经砂柱前后的单位酶活、砂柱强度超声波共振频率等数据;胶结停止后各龄期砂柱抗压强度、三点抗弯强度等数据。砂柱强度超声波共振频率随着胶结时间的增长而增大,说明砂体的密度逐渐增大,表明方解石产量增大,这些方解石粘结了砂粒之间的接触面、填塞了孔隙。施压成型砂柱10天、15天、20天和28天龄期的最大抗压强度经分别是0.56MPa、0.68MPa、1.20MPa和1.40MPa,表明延长胶结时间增加了方解石的数量、提高了砂粒和方解石整体的密实度,宏观上增加砂柱的抗压强度。对比28天龄期施压成型砂柱最大抗压强度1.40MPa,同龄期未施压成型砂柱最大抗压强度0.66MPa,前者比后者提高了112％,说明施压成型减小了砂粒间孔隙,有利于砂粒-方解石-砂粒之间胶结,提高砂柱整体强度。10天、15天、20天和28天龄期施压成型砂柱最大抗弯强度依次为0.084MPa,0.133Mpa,0.844MPa和0.960MPa,抗弯强度随龄期增加提高显著,说明增加胶结时间对提高砂柱的抗弯强度作用明显,对改善砂柱内部微裂缝等缺陷有明显作用,提高了砂柱抗弯曲性能。
微生物胶结砂柱的微观结构分析采用扫描电镜、X射线衍射、热重分析和透射电镜等仪器和技术。对28天龄期施压成型砂柱和未施压成型砂柱采用扫描电镜观察形貌,未施压成型砂柱内方解石均匀生长在砂粒外表面,施压成型砂柱内方解石更倾向于在砂粒间的孔隙内生长富集。未施压成型砂柱内方解石富集度自进口向出口方向不断增大,施压成型砂柱内方解石富集度先自进口向中部方向增大,然后自中部向出口方向减小。对未施压成型砂柱扫描电镜下六面体形貌的物质进行点能谱分析.表明该六面体物质含方解石的Ca、C和O元素。对试验中得到的纯碳酸钙采用透射电镜进行了形貌观察和衍射花样标定,判定碳酸钙晶型为方解石型,衍射花样的标定结果与ID86-2334方解石型碳酸钙的晶格常数最相近。
微生物酶促方解石沉积胶砂的一维数值模拟有以下发现:当尿素浓度初始值2.0M,尿素水解速率初始值0.50mM/min,且此水解速率线性衰减率为0.0009mM/h,0.001.5mM/h和0.002mM/h时得到的一维数值模拟计算曲线与依据实验值做出的3条曲线相关性最好。运用GWB软件开展进一步数值试验分析的结果:变化初始尿素浓度和初始尿素水解速率,求解对应参数条件下的尿素水解速率随时间变化规律,方解石质量分数随时间变化规律;增加砂体长度,变化砂粒的尺寸,采用与砂粒尺寸成正比的孔隙率,求解单根砂柱的方解石质量:变化Ca2+浓度,考察其与单根砂柱的方解石质量之间的关系;将尿素和氯化钙反应溶液流经砂柱的初始流速由低到高分成4组,考察砂柱内不同流速溶液传输方解石对其最终产量的影响。通过该数值模拟方程组可代入大量不同的菌、底物尿素和氯化钙等相关参数数值,计算和预测出最有利于酶促方解石沉积反应的参数取值;同时应用该法,结合不同类型的参数变化,可进行广泛的数值试验,得到大量预测结果,为该法的工业化应用提供基础。
利用微尺度上的计算机模拟技术(Comsol Multiphysics多物理场直接耦合分析软件)推导出多孔介质内微生物酶促碳酸钙沉积过程的云图和主要因素随时间的变化关系。将模拟报告中孔隙率变化、碳酸钙产量变化、渗透面积变化和反应液流速变化四个主要研究因素随时间变化关系图与宏观物理性能试验的测试数据和图表进行了对比,二者有较好的一致性。运用Comsol软件进行数值试验结果证明,当尽可能使模型结构和参数初始值接近实际试验时的情况,运用多物理场耦合软件可替代大量实验室试验,成功预测微生物酶促方解石沉积胶结细砂的过程和结果。尿素初始浓度不变,提高尿素最大水解速率和进口流速。结果发现胶结总时间减小,方解石总产量基本不变,说明提高酶活加快了尿素分解速率,提高了方解石单位时间沉积量,缩短了胶结总时间,对微生物酶促方解石沉积技术大规模工业化应用有重要意义。