微生物诱导碳酸钙沉淀固结黄河泥沙试验研究

景天宇，姜晗琳，李振山，

（1.北京大学 深圳研究生院环境与能源学院，广东 深圳518055；2.北京大学环境科学与工程学院水沙科学教育部重点实验室，北京100871）

微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）是一种自然界普遍存在的微生物矿化作用机制，在漫长的地质成岩过程中发挥了巨大作用［1］。MICP技术通过微生物人为控制相关反应条件，使漫长的地质成岩过程在短期内重现，从而达到固结材料的目的。自然界有多种微生物矿化机制，其中尿素水解矿化机制在工程上应用最为广泛，其原理是利用微生物分泌脲酶水解尿素营造碱性环境。在额外添加钙盐的情况下，微生物以自身为中心诱导碳酸钙晶体产生，随着碳酸钙晶体的聚结和黏附，松散颗粒被逐渐黏结成具有一定强度的整体［2］。国内外学者对MICP技术从不同角度进行了大量探索［3］。MICP技术应用大致可分为两类：一是在原有建筑材料的基础上对材料的完善和强化，如建筑物裂缝修补［4］、水泥材料强化［5］等；二是在不同尺度下对颗粒的整体固结，如生物砖［6］、路基加固［7］、边坡稳定［8］、抑制扬尘［9］等。 MICP 技术的主要优势是反应过程简单、能耗底、环境干预小，在固结松散颗粒方面具有较好应用前景［10-11］。

黄河泥沙问题十分突出，开发新型泥沙固结、资源化利用技术具有重要意义。MICP技术为黄河泥沙资源化利用提供了技术背景，近年来与黄河泥沙粒径相近的细颗粒是MICP技术应用的热点［12-13］。颗粒特性是影响MICP固结效果的重要因素，Rebatalanda［14］认为颗粒粒径为50～400μm最有利于碳酸钙在颗粒内部沉积。笔者采用MICP技术对黄河泥沙进行固结试验，并与混凝土中常用的沙石骨料——中沙进行固结效果对比分析，探究MICP技术的适用性、影响因素以及水稳定度（抗水蚀能力）等问题。

1 材料与方法

1.1 试验材料

黄河泥沙取自河南省郑州市南裹头滩地，取样深度10～30 cm，pH值为6.5。样品取回实验室后，在75℃烘箱内烘干，振捣均匀并对其物理参数和矿物组成进行测试。采用激光粒度分析仪确定泥沙的粒径分布，采用X射线衍射仪对泥沙进行XRD多晶材料物相组成分析。泥沙颗粒级配曲线见图1。由图1可知，泥沙颗粒粒径分布集中在100～200μm，中值粒径为134.91μm。泥沙的不均匀系数Cu为5.70，曲率系数 Cc为 1.66，表观密度为 1.57 g／mL，堆积密度为 1.39 g／mL。根据XRD测试结果，泥沙的矿物组成以石英和长石为主，并有少量方解石晶体。中沙采用普通混凝土最常用的沙石骨料，细度模数为2.3～3.0，粒径为350～500μm。

图1 泥沙颗粒级配曲线

1.2 微生物材料

矿化微生物采用脲酶菌，菌种名为巴氏芽孢杆菌（ATCC 11859），化能异养型，好氧，格兰氏阳性菌，细菌呈杆状，芽孢呈圆形，直径0.5～1.5μm。 微生物冻干粉购于广东省微生物菌种保藏中心，编号GIM 1.803。巴氏芽孢杆菌在自然界中广泛分布，具有较高的脲酶活性，在MICP技术中最为常见［3］。

（1）微生物培育与生长。对购买来的菌种冻干粉用固体培养基进行活化，并用液体培养基进行单菌株培养，固、液培养基配方见表1。将培养时间为24 h的微生物菌液以1︰100的接种量接种到液体培养基中，在30℃、130转／min条件下恒温振荡培养，每隔2 h用紫外分光光度计测其OD600（溶液在600 nm波长紫外光照射下的吸光值，用来间接表示微生物浓度）值，并绘制微生物生长曲线。

（2）脲酶活性检测。将1.5 mL微生物菌液加入到13.5 mL 的 1.1 mol／L 尿素溶液中，在室温条件下，使用电导率仪检测5 min内电导率变化情况，求出平均每分钟电导率的变化值。1 S／m／min电导率变化量对应 11 mmol／min 尿素水解量［15］，再乘以 10 倍稀释量，即可算出每分钟尿素水解量。每分钟尿素水解量除以对应的OD600值，即可得到单位脲酶活性。

表1 巴氏芽孢杆菌培养基配方 g／L

在1∶100接种量、30℃、130转／min条件下恒温振荡培养，微生物生长曲线与脲酶活性变化曲线见图2。由图2可知，在上述条件下微生物生长迅速，2 h后微生物进入对数生长期，9 h后生长速度趋于平缓，随着微生物的生长，脲酶活性随之提升。考虑到微生物培养的能耗成本和单位微生物的脲酶活性，后续试验将培养时间为9 h的微生物菌液作为灌浆菌液。

图2 巴氏芽孢杆菌生长曲线与脲酶活性变化曲线

1.3 固结成型方法

在固结成型工艺上选择泵送灌浆固结成型法，装置如图3所示。把未经分选的颗粒样品放入容器内，采用蠕动泵泵送浆液，向颗粒样品内以固定时间间隔从下往上依次灌入一定体积的微生物菌液、固定液以及胶结液，使微生物诱导产生的碳酸钙在颗粒样品内均匀分布。微生物菌液为1︰100接种量、震荡培养时间为9 h的巴氏芽孢杆菌菌液，OD600为1.3左右，脲酶活性为 4～6 mmol／min；固定液为 0.05 mol／L 的 CaCl2溶液，作用是通过静电吸附微生物，提高微生物在颗粒间的固定率［16］；胶结液为CaCl2与尿素的等浓度混合液，前人试验的胶结液灌浆浓度为 0.1～1.0 mol／L［3］，本研究采用 0.25 mol／L 和 0.50 mol／L 两个浓度值。

固结成型试验分尺寸大小不同两组：第一组用于不同灌浆重复量、不同胶结液浓度的抗压强度对比测试，第二组用于抗剪强度、软化特性测试。为排除微生物菌液、胶结液自身的黏性等无关因素，以及进一步论证微生物在固结过程中所起的作用，在第一组试验基础上增设对照组。

图3 灌浆成型工艺装置

第一组：颗粒堆积成直径4.0 cm、高度7.0 cm的圆柱体，将40 mL微生物菌液和10 mL固定液以5 mL／min的速率灌入，静置 2 h 后将 40 mL、0.5 mol／L（或 80 mL、0.25 mol／L）的胶结液以 10 mL／min 的速率灌入，静置 8 h 后 再 将 40 mL、0.5 mol／L （ 或 80 mL、0.25 mol／L）的胶结液以 10 mL／min 的速率灌入，静置12 h。以上操作为一次灌浆，平行重复若干次，具体见表2。 第二组：颗粒堆积成直径 4.3 cm、高度 11.0 cm的圆柱体，将50 mL微生物菌液和10 mL固定液以5 mL／min 的速率灌入，静置 2 h 后将 50 mL、0.5 mol／L的胶结液以10 mL／min的速率灌入，静置8 h后再将50 mL、0.5 mol／L 的胶结液以 10 mL／min 的速率灌入，静置12 h。以上操作为一次灌浆，平行重复10次。泥沙和中沙分别设置3组平行样。

表2 灌浆试验设计

1.4 固结效果评价方法

灌浆操作完成后，对固结后样品在室温条件下养护，待样品完全干化后进行脱模操作。采用扫描电镜（SEM）和X射线能谱分析（EDS）对其微观结构组成进行观察与分析，测试其无侧限抗压强度、抗剪强度、水稳定度和碳酸钙含量，以考察样品的固结效果。

（1）无侧限抗压强度。对固结成型后的第一组样品进行干燥，上下表面打磨均匀，采用电子万能试验机对固结后样品进行压缩破坏试验，样品发生破坏时的负载为样品的无侧限抗压强度。

（2）抗剪强度。对固结成型后的第二组样品进行干燥，采用电子万能试验机对固结后的样品进行剪切破坏试验。剪切试验采用矩形剪切头，双面剪切方式，受力部位为抗剪强度最薄弱的正中部，样品发生破坏时的负载为样品的抗剪强度。

（3）水稳定度。把表2第二组平行A、B样品分为两组，一组在室温下浸入去离子水中吸水饱和，另一组干燥。测量饱和样品和烘干样品的质量、无侧限抗压强度。根据吸水饱和后表观变化特征、吸水率和软化系数对固结后样品的水稳定特性进行评价。吸水率＝（饱和样品质量-干燥样品质量）／干燥样品质量，软化系数＝饱和样品抗压强度／干燥样品抗压强度。

2 结果与讨论

2.1 固结成型

养护脱模后的固结样品见图4，可以看出，MICP处理后，松散的颗粒已黏结成型，固结后样品的表面均匀、细腻、平整，除堆积不均匀造成的坑洼外，泥沙样品和中沙样品表面均不存在传统混凝土因颗粒粒径过细而产生的蜂窝、麻面等现象。这说明与传统混凝土相比，MICP反应温和，对黄河下游泥沙这类细颗粒有固结效果。

图4 固结成型后样品

在尿素水解MICP反应过程中，受细胞膜的双电层结构以及微生物分泌物的作用，微生物主要附着在颗粒表面。微生物细胞壁表面带有大量负电官能团，进而吸附环境中的Ca2+作为电子结合点。在微生物分泌脲酶水解尿素持续营造碱性环境的同时，微生物以自身为中心诱导碳酸钙沉淀［2］。在固结松散颗粒过程中，微生物诱导产生的碳酸钙晶体极其细小，晶体结构有方解石、球霰石和文石等［17］，随着碳酸钙晶体的不断生长，微生物逐渐被碳酸钙晶体包裹，营养传输的限制最终导致微生物死亡［18］，在颗粒接触点产生的碳酸钙把相邻颗粒黏结在一起［2］。MICP固结泥沙的SEM见图5，图5（b）中位置1、位置2的 EDS能谱见图6，随着黏结作用的不断增强，最终松散颗粒形成具有一定力学性能的整体。

图5 泥沙SEM

图6 EDS能谱

对照组的情况：清水替代菌液的A样品与胶结液不含CaCl2的B样品不成型，呈松散颗粒状，灌入灭活菌液的C样品在灌浆口处有一定程度的硬化，但整体不成型。对照组表明：CaCl2溶液、有脲酶活性的微生物菌液为MICP固结实现的必要条件。Muynck等［19］认为微生物在固结过程中主要起的作用：一是分解尿素为碳酸钙沉淀营造碱性环境，二是微生物对碳酸钙晶体的形成和聚结有一定调控作用。微生物菌液培养基中含有尿素成分，NH-4的存在会使菌液呈弱碱性，pH值约为9.5，在该环境下会有少量碳酸钙沉淀生成，这是灌入灭活菌液的对照组C在灌浆口处出现一定程度硬化的原因。但是由于缺乏活性微生物分泌脲酶持续营造的碱性环境以及微生物对晶体的调节作用，碳酸钙不能在颗粒样品内不间断产生，因此整体不成型。同时，由于尿素水解MICP反应过程会有一定量的氨气溢出以及含氨废水产生，对生态环境有一定负面影响，因此在原位应用前必须考虑当地的环境承载力。

2.2 固结效果评价

2.2.1 无侧限抗压强度

根据万能试验机的压应力-应变曲线与游标卡尺的测量数据，用压应力和受压面积计算压强、用应变与试块垂直受力长度计算应变量。第一组样品的压强—应变曲线见图7，随着灌浆周期的增加，泥沙、中沙的无侧限抗压强度呈增大趋势；在相同固结条件下，经计算，泥沙无侧限抗压强度为中沙强度的68%、78%和76%。在同等钙盐总量灌入条件下，0.50 mol／L胶结液固结泥沙样品的强度要高于0.25 mol／L胶结液的固结强度，这表明0.50 mol／L胶结液灌入浓度相较于0.25 mol／L的更有利于碳酸钙晶体的产生或者说更有利于碳酸钙在沙粒间的均匀分布。

图7 第一组样品压强—应变曲线

2.2.2 抗剪强度

抗剪强度是颗粒之间黏结强度的重要体现。根据万能试验机的剪切应力—位移曲线与游标卡尺的测量数据，用剪切应力与剪切截面面积计算抗剪强度。抗剪强度—位移曲线见图8。泥沙的抗剪强度为0.29 MPa，中沙的抗剪强度为0.61 MPa，泥沙抗剪强度仅为中沙的48%，两者差距明显，这表明微生物诱导产生的碳酸钙晶体对不同特性颗粒的黏结强度有较大差异。MICP对泥沙颗粒的黏结强度比对中沙颗粒的黏结强度低，这是固结后泥沙在脱模过程中容易出现中部断裂的原因。

图8 样品抗剪强度—位移曲线

2.2.3 水稳定度

经过24 h的吸水饱和后，泥沙样品的吸水率为12.1%，中沙样品的吸水率为12.8%，样品均未坍塌，在该吸水状态下，压强—应变曲线见图9。由图9可以看出，饱和后泥沙的无侧限抗压强度从2.17 MPa下降到0.76 MPa，软化系数为35%；饱和后中沙无侧限抗压强度从 2.69 MPa下降到 0.86 MPa，软化系数为32%，干燥状态下泥沙的无侧限抗压强度是中沙强度的81%，MICP固结后样品的软化系数远低于耐水材料85%的建材标准。MICP固结后样品存在水稳定度不足的问题，前人的研究较少提及，软化原因值得进一步探究。

图9 干燥、吸水饱和泥沙、中沙的压强—应变曲线

2.2.4 碳酸钙含量

碳酸钙是固结过程中的主要胶凝物质，图10为其SEM图像。用1︰9的盐酸溶液浸泡并多次淋洗固结样品残块，过滤后烘干，根据酸溶前后的质量差计算胶结体内部诱导产生的碳酸钙含量（考虑到样品自身带有的方解石含量，对原始样品进行酸溶修正），重复测量3次并取平均值。第一组8个样品的碳酸钙含量分别为 5.28%、6.80%、5.38%、7.64%、7.69%、13.66%、13.71%、16.53%，第二组 A、B 烘干样品的碳酸钙含量为12.46%、15.90%。为了考察泥沙中碳酸钙含量与无侧限抗压强度的关系，将中沙作为对照对其进行分析，结果见图11。随着灌浆周期的增加，碳酸钙含量增加，无侧限抗压强度增强。但样品中碳酸钙含量不足18%，胶凝物质成分占比低于传统水泥砂浆的配比，泥沙和中沙颗粒依然为主要成分。在此基础上如继续灌浆，碳酸钙含量将继续增加，强度存在一定的提升空间，但是并不是所有的碳酸钙都对颗粒胶结有贡献，只有在颗粒黏结点处的有效碳酸钙才起固结作用［2］。有效碳酸钙占比、有效碳酸钙含量与强度的对应机制仍需进一步研究。

3 结 论

图10 碳酸钙的SEM图像

图11 碳酸钙含量与无侧限抗压强度的关系及其线性拟合

通过室内试验，采用MICP技术对黄河下游泥沙进行固结，并对固结后样品的无侧限抗压强度、抗剪强度、水稳定度和碳酸钙含量进行了测量，得出了以下结论：MICP技术可以对黄河泥沙实现固结，随着灌浆重复量的增加和碳酸钙含量的提高，无侧限抗压强度增强，泥沙的无侧限抗压强度为 0.23～2.30 MPa；相同固结条件下，泥沙平均无侧限抗压强度为中沙强度的76%，泥沙抗剪强度为中沙强度的48%，两者抗压强度相差不大，但是MICP对中沙颗粒的黏结强度优于泥沙颗粒的；有脲酶活性的微生物菌液、钙盐溶液是MICP固结实现的必要条件，MICP固结后样品强度分布不均匀，水稳定度不足。