微生物固化沙土及其在沙漠固化方面的应用前景

摘 要：随着我国的人口增长和社会发展，对建设用地的需求不断增大。我国的可耕地面积越来越少，因此如何利用潜在的土地成为了当今重要的课题。治理沙漠，先要固化沙土。传统的化学固化剂，大多含有有毒化学物质，会造成为环境被污染的问题，因此环保的固化剂的研发至关重要。微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）是一种环保绿色的加固方式。将这一技术用于沙土加固，将会带来巨大的环境效益和经济效益。本文主要开展了巴氏芽孢杆菌催化尿素水解进行MICP固化沙土，研究胶结液浓度、温度、PH值、菌液浓度、灌浆次数、等因素对结果的影响。以及固化后的沙土的渗透率、CaCO3含量的分析。

关键词：微生物固化沙漠影响因素渗透率CaCO3含量

引言：国内外的科学家进行了一系列的微生物固化沙土的实验。DeJong等通过试验研究得出微生物固化能够显著改善砂土的力学特性。Rong等、王瑞兴等通过为微生物提供适宜的活化反应条件，利用其酶化作用沉积出的碳酸钙晶体短时间内将散体材料胶结起来。此外，微生物过程能够有效提高砂土抗液化性能，微生物固化沙土过程是向沙土内注入细菌悬浮液并定期补充细菌所需营养液，营养液包括尿素溶液和氯化钙溶液。过程较为复杂，易受诸多因素影响。其中胶结液现胶结液浓度、处理间隔时间、温度、PH值、菌液浓度对碳酸钙置换率有显著影响。

正文：

MICP原理简介：微生物诱导碳酸钙沉淀。常用的是巴氏芽孢杆菌。巴氏芽孢杆菌在其自身的生长代谢过程中可以产生一种高活性的脲酶，脲酶可以催化尿素的水解，生成氨和二氧化碳，氨气极易溶于水，此时溶液呈碱性，吸收周围环境中的CO2然后生成铵离子和碳酸根离子。如果此时溶液中存在钙离子，由于这种细菌的表面带负电，能吸收溶液中的，这时，尿素水解后生成的碳酸根将与这些钙离子在细菌表面生成碳酸钙沉淀。

CO（NH2）2+H2O→CO2+2NH3

2NH3+2H2O 2NH4++2O

2O +CO2 C+H2O

Cell-+C→Cell-CaCO3↓

影响因素：

温度对生物的生长繁殖有重要作用。在适宜的温度范围内，温度升高有利于微生物的新陈代谢作用，进而促进其生长繁殖；高温有可能导致微生物蛋白质变性，影响正常的代谢活动，甚至导致微生物的死亡；而低温往往对微生物生长繁殖有明显的抑制作用。巴氏芽孢杆菌的最适温度是300，在300 时OD600测得的值最大。

PH值对生物活性有重要影响。 PH过低时，会造成微生物的蛋白质水解，影响生物的活性。PH过高时，也会抑制微生物的生长和代谢过程。适宜的PH值能有效提高化学反应的速率。实验表明当pH值约为8时，巴氏芽孢细菌数量和脲酶活性优于其他酸碱条件。当PH过低时，溶液呈酸性环境，而碳酸钙的沉积不能是酸性环境。当PH过高时，酶的活性会降低，从而减慢反应的速率。

尿素和胶结液：尿素和胶结液是实验中的氮源和钙源，研究发现，胶结液浓度对微生物诱导产生的碳酸钙晶体尺寸的影响较大。胶结液浓度较低时（≤0.5mol），细菌诱导产生尺寸较小、分布较均匀的碳酸钙晶体；胶结液浓度较高时（1.0mol），诱导产生尺寸较大、分布较不均匀的碳酸钙晶体。根据尿素水解MICP反应机理，理论上讲，增加尿素和用量可以增加CaCO3生成量。但是有研究表明CaCl2的浓度达到一定量时，其中的会抑制脲酶的活性。在不同的胶结液中，醋酸钙的效果最好，产生碳酸钙的产量最多。赵茜认为当CaCl2和尿素浓度为0～1.5M时，随着二者浓度增加，CaCO3生成量也明显增加，而当CaCl2和尿素浓度超过1.5M以后，CaCO3生成量迅速下降。

加液方式和间隔时间：实验过程中，如果刚开始就滴加高浓度溶液，则靠近注浆口区域砂柱硬度大；而远离注浆口区域砂柱呈松散状态，散砂颗粒较多。分析其原因：上部胶结液浓度较高，反应先在上部进行且反应速度较快，容易将试样中的较小的孔隙堵塞，导致浆液扩散通道减少；随时间推移，被堵塞的通道逐渐增多。因此先滴加低浓度溶液，而后滴加高浓度溶液，会产生强度均匀的沙柱。

渗透率和碳酸钙含量：随着固结度的提高，沙洋的渗透率随着时间会逐渐减小，达到一定值时，将几乎不再变化。本文中采用酸洗法。首先，用研钵将反应后的沙样研磨成粉粒状，然后放入烘干箱烘干，此时干砂和CaCO3的重量记为Ws+p。然后将其放入0.1M的盐酸溶液中浸泡洗涤数次至不出现小气泡为止，再重新放入烘箱干燥，记录此时重量为WS。这两个重量值之差就是MICP生成的CaCO3晶體重量，再除以原来砂土的重量，就是生成CaCO3的百分比。这个值可以作为衡量MICP过程的一个参考值。碳酸钙含量越高，则固化效果越好。查资料脲酶和尿素混合液的电导率只有15g/L浓度下在48h达到最高点。

沙漠中的环境：沙漠地区以细砂为主，如塔中地区地表沙源的粒度特征，沙样的平均粒径集中在63～250μm范围内，属细沙、极细沙。由于沙粒细小、量大沙漠边缘地区的夏季最高气温经常超过40℃，地表在强太阳辐射下低层空气增温加剧。

沙漠中的细沙为微生物固化沙土提供了基本材料，沙漠中由于温度较高，光照充足，因此杂菌相对来说比较少，这就为反应提供了天然的无菌实验室条件。因此利用微生物固化沙土用来治理沙漠在理论上是可行的。利用MICP技术可以降低沙土的孔隙比和渗透率。沙的渗透率减少后，在上面覆盖一层土并加入植物所必备的养料和水分，就可以实现对沙漠的绿化以及改良沙漠公路的地基。这是沙漠治理的一种新型的方式。

总结：（1）MICP用于固化沙土是一种环保的方式，巴氏芽孢杆菌在30 C、PH值为8时固化效果最好。胶结液浓度较低时（≤0.5mol），细菌诱导产生尺寸较小、分布较均匀的碳酸钙晶体；胶结液浓度较高时（1.0mol），诱导产生尺寸较大、分布较不均匀的碳酸钙晶体。浓度过高时对实验中脲酶的反应有抑制作用。

（2）微生物固化沙土可以提高沙样的无侧限抗压强度并且减小渗透率，反应生成的碳酸钙分布在沙粒之间和沙粒四周，从而提高沙样的强度。可以用来改良地基、沙漠治理、沉积重金属等方面的作用。

（3）沙漠中的细沙、高温、光照充足、杂菌少为实验提供了一些物质条件，利用MICP技术可以用来固化沙漠，并且可以在渗透率低的试样上面种植植物，用来改善和治理沙漠。微生物固化沙土未来在沙漠方面一定会取得巨大成就。

参考文献：

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[2]程晓辉微生物灌浆加固液化砂土地基的动力反应研究[J].岩土工程学报，

[3]赵茜：微生物诱导碳酸钙沉淀固化土壤实验研究。

[4]微生物矿化碳酸钙改良土体的进展、李明东

[5]微生物注浆固化粉土的微观结构与作用机理邵光辉。

作者简介：

白振超（1996.01.30-）男，汉族，河南省郑州市，身份证号：410122199601309814，本科生，研究方向：城市地下空间工程。