微生物改性土體研究進展

苗晨曦， 李亞梅， 鄭俊杰， 黃 杰

(華中科技大學 土木工程與力學學院， 湖北 武漢 430074)

隨著城市人口的急劇增加，民用基礎設施的相對不足逐漸成為尖銳的社會問題。然而，基礎設施的新建或擴建很大程度上會受限于其下地基土的工程性質。同時，諸如全球變暖所引起的海平面上升此類環境問題也在逐漸壓縮人類的生存空間。水泥作為一種常用的土木工程材料大量用于地基處理中，其生產過程中會伴隨著大量礦石燃料的燃燒即溫室氣體的釋放，全球每年有總投資超過60億美元的40000多個地基處理項目展開，行業內對新的、可持續發展的土壤加固方法的需求日益迫切[1]。因此，通過技術創新來實現土壤改性過程中的環境友好及經濟節約應該作為一種社會需求引起國內外研究者的關注。

當前大量的地基處理技術是利用大型機械及人工材料，其在機械作業及材料生產過程中都需要動力的持續供應。化學注漿法中除了硅酸鈉外的所有化學漿體都是有毒的，因此其所帶來的環境隱患令人擔憂[2]。此外，當前所有的注漿方法執行力較差，即未必能按設計目的在場地產生較理想的處理效果。一般來說，化學處理方法只在灌漿點附近1～2 m范圍內有效，考慮到諸多不確定性只能選擇偏保守的設計。

進入21世紀以來，學科間交叉在處理一些前沿問題上展現出了強大的競爭力，利用微生物可以在多孔介質中生長、運移和繁殖等特性進行土體改性，不僅是全新的理論突破和技術創新，而且對生態環境和可持續發展將帶來深遠的影響[3]。許朝陽研究表明，微生物與周圍環境介質間相互作用可以極大改善土體強度、剛度和滲透性等宏觀力學性質[4]。周芳琴等探討了由于環境因素變化誘發的微生物對壩基巖土體工程性質的影響[5]。Fischer[6]等發現巴氏芽胞桿菌(Bacillus Pasteurii)在砂土中可較快析出具有膠結作用的碳酸鈣沉淀。錢春香等通過為成巖微生物提供充分適宜的活化反應條件，利用其酶化作用沉積出的碳酸鈣短時間內將散體材料膠結起來[7]。DeJong[8]等通過固結不排水三軸剪切試驗發現微生物誘導碳酸鹽沉積(MICP)可以顯著提高砂土的剪切剛度和極限承載力，且砂土試件剪切破壞時有明顯的應變軟化行為。張莉等利用微生物代謝產物對粉土進行工程改性，滲透試驗及無側限抗壓強度試驗表明相應工程指標均得到顯著改善[9]。

1 微生物改性土體簡介

1.1 微生物改性理論基礎

廣義來說，微生物改性指的是通過微生物生命活動及其代謝產物誘發或控制土體中一系列化學反應從而改善土體工程性質。同微生物降解污染物類似，微生物改性土體涉及到的理、化、生反應包括無機物的沉積(生物礦化)、有機物沉積(生物膜的形成)及氣體的產生。在充分適宜的活化反應條件下，微生物將指數級改變諸如滲透性、剛度、抗壓能力、抗剪能力、變形模量等土體力學性質[10]。微生物對顆粒材料性質的影響主要取決于微生物在顆粒間自由移動的能力及單位體積內顆粒的接觸數目。因此，微生物與散體材料孔隙結構尺寸之間必須滿足幾何相容性。雖然沉積無機物的積累會在一定程度上限制微生物在多孔介質中的自由遷移，但研究表明生物礦化仍然對多數土體改性具有適用性。利用生物膜改性僅僅是在砂土等松散的粒狀材料得到過成功應用[11]。鑒于生化反應乃是整個改性體系的核心，下面介紹幾個常見的礦化過程(主要為碳酸鹽沉積)所伴隨的主要化學反應。

(1)尿素的水解

NH2—CO—NH2+3H2O→

(OH-的生成提高了PH)

(2)反硝化作用

2CO2+0.8N2+2.8H2O

(H+的消耗提高了PH)

(3)三價鐵還原

8FeCO3(solid)+20H2O

(H+的消耗提高了PH)

(4)硫酸鹽還原

HS-+2H2O+2CO2

(H+的消耗提高了PH)

(1)

(2)

異養型微生物通過代謝碳源(醋酸鹽、葡萄糖、尿素)等獲取生命活動所需能量，其代謝產物二氧化碳(好氧型微生物自身呼吸作用也可產生大量二氧化碳)在水的參與下會按方程(1)發生反應生成碳酸氫根，當鈣離子存在時，便會按方程(2)生成碳酸鈣晶體。簡而言之，微生物生命活動可以提高周圍的碳酸氫根濃度并創造堿性環境從而為無機礦物的析出沉淀創造過飽和條件。外觀呈絨毛球狀的凝膠狀碳酸鈣可以起到膠結填充作用，增加顆粒間粘結力及摩擦嵌擠作用，改善土體緊實程度，從而大幅度提高土體工程性質。碳酸鈣晶體的沉積主要由以下四個因素控制，分別為鈣離子濃度、溶解無機碳濃度、pH條件及有效成核位點的數量[12]。碳酸鈣沉積過程之所以被稱為生物誘導(induced)過程而不是生物控制(controlled)過程，是因為誘導過程中礦物結構很大程度上取決于環境條件，成分相同的碳酸鈣有方解石、文石、球霰石三種非水合晶型，其中方解石具有最優的熱穩定性，周圍環境條件不同，碳酸鈣結構形式未必相同，而生物控制過程會生成某一指定晶型的晶體[13]。

1.2 幾種MICP方式比選

理論上來說，只要溶液中達到了碳酸鈣的飽和度，碳酸鈣沉積便會在堿性條件下發生。也就是說，碳酸鹽析出主要依賴于微生物生命活動產物(二氧化碳、堿性條件)及二價陽離子(Ca2+)的存在，而與參與的微生物種類關系不大[14]。可供選擇的MICP機制主要包括：尿素水解、硫酸鹽還原、脂肪酸發酵、反硝化作用。表1分析總結了不同機制下的最終產物及相應副作用。

表1 MICP機制比選

由上表易知，尿素水解參與的MICP盡管作為主流的MICP方式被廣泛研究，但其只有當氨氣和氨根離子得到合適處置后才具有適用性。利用反硝化作用來進行MICP還有以下優勢：

(1) 反硝化細菌在土壤中廣泛存在；

(2) 在缺氧條件下反應仍可進行；

(3) 熱動性能好于尿素分解，反應相對于尿素分解更易進行；

(4) 碳酸鹽產量較尿素分解更多；

(5) 電子供體能近乎百分百利用，不需要添加潛在毒性的有機物；

1.3 微觀尺度的改性機理分析

DeJong[8]等利用電鏡掃描觀察改性后土顆粒間粘結的特征及程度，并利用X射線衍射分析確定其中起到粘結劑作用的物質化學成分為方解石晶型碳酸鈣，散體顆粒間通過碳酸鈣的膠結作用連接成整體。許朝陽等利用電鏡掃描觀測改性后土體骨架顆粒形態、聯結形式和孔隙結構特征，發現土顆粒表面及縫隙間均附著有小團粒和團粒狀凝膠(碳酸鈣晶體)，導致孔隙體積減小，顆粒間接觸面增大[3]。從生化角度來說，帶負電荷的微生物個體會因為土壤顆粒周圍較高的營養物濃度而吸附在顆粒表面上，同時帶正電的金屬離子又會吸附在微生物細胞壁上，附著于微生物表面的陽離子會緊接著與陰離子(碳酸根離子)反應生成難溶性鹽(圖1)。許朝陽認為，土中粘粒等細顆粒礦物表面帶負電荷，顆粒周圍吸附著鈉、鉀等低價陽離子，當與鈣離子相遇時，土顆粒表面的鈉離子、鉀離子會與鈣離子發生等當量的離子交換，從而減少了土粒表面吸附水膜的厚度，提高了土體穩定性。因此，許朝陽將礦化菌改性機理歸因于碳酸鈣的膠結作用、填充作用及離子交換作用[4]。DeJong[1]認為，盡管改性機理尚未完全明確，但無非是空間亂向分布的碳酸鈣在顆粒接觸的形成中起到了作用。土體工程性質的改善可以理解為是微觀結構變化所引起的宏觀響應。

圖1 微生物改性理、化、生化系統示意圖

2 微生物改性土體的應用

2.1 生物巖土工程學現狀

生物巖土工程學作為巖土工程學科的一個分支，是指運用生物技術解決巖土工程實際問題。就目前來看，生物巖土工程主要在邊坡失穩防護、壩體防滲、地基土體加固等領域得到了運用[16]。生物巖土工程具有投資少、維護費用低以及環境友好等潛在優點。微生物能否在巖土工程中大規模應用主要取決于以下因素：不同環境工況下合適的微生物的篩選；微生物活化反應條件的優化；物種安全性；經濟可行性；改性后土體穩定性及耐久性。作為新興的巖土工程學方向，盡管微生物在諸多巖土工程問題處理上都有其應用的潛力，但目前的研究及應用仍主要集中于生物填充(防滲)及生物膠結兩個方面。

2.2 生物填充(防滲)

生物填充(防滲)是運用微生物方式生成孔隙填充材料從而改善土體的孔隙結構及滲透性，可以用來減少排水溝渠的沖刷，形成灰漿帷幕阻止重金屬及有機污染物的擴散，防止土質壩體管涌、降低砂土液化程度等。早期生物填充(防滲)主要利用微生物代謝過程中產物多糖，生物多糖在土顆粒團聚及孔隙填充方面的作用眾所周知，且菌體生物量的累積，難溶性生物氣泡也會降低土體滲透性。黃纖維單胞菌種也許比較適合于大規模填充防滲工程應用， 因為此類革蘭氏陽性細菌即可以承受不同的滲透壓且可以利用成本較低的纖維素生成胞外多糖。目前生物填充(防滲)主要利用土顆粒孔隙間無機物的沉積，比如碳酸鈣，碳酸鈣可以在填充土壤孔隙的同時黏結土壤顆粒。生物填充的另一個潛在應用領域是混凝土等建筑材料中的裂紋修復，混凝土中引入這種裂紋自體修復機制后必然會有更好的耐久性[17]。然而，以胞外多糖為基礎的生物填充(防滲)需要較長的處理周期才可實現較好的填充防滲效果。此外，微生物與土體孔隙結構尺寸之間的幾何相容性；滲透性降低勢必造成營養素流通受限；殘留毒害產物如何從土體中移除等問題都極大地制約了生物填充技術的現場應用。

2.3 生物膠結

生物膠結是利用微生物生命活動及其產物形成顆粒膠結材料從而提高土體的強度和剛度，可以用來防止土體崩塌，對新開墾場地進行土體改性等。生物膠結和生物連接(biobinding)有所不同，生物連接是微生物本身盤旋纏繞形成網狀體系將顆粒團聚起來，Meadows[18]曾利用真菌提高了砂土的抗剪強度。van Paassen[19]等考慮了無機物場地內均勻沉積問題，提出了四條生物膠結進行土體加固的適用性性能評價標準，分別為所加混合物(如碳源)的溶解性；碳酸鈣的生成速率；所需底物的數量；副產品的種類與數量。van Paassen認為碳酸鈣生成速率必須合理控制以防止過快沉積而阻礙傳輸及過慢沉積導致在指定時間內達不到既定膠結程度；底物的添加數量符合反應的化學計量數為宜；一些影響反應效率及膠結進程的毒副產品必須移除。生物膠結法在現場應用時很大的一個問題是由于沉積分布的不均勻性將在平行于注入方向上出現明顯分層(圖2)。生物膠結的第一次現場試用是在處理砂礫石等粗粒材料上，Visser在鉆孔勘察過程中遇到一層粘結性較差的砂礫石層，為了防止砂礫石失穩塌落填充孔洞，利用生物技術處理后，獲得了較好的加固效果(圖3)[20]。

圖2 大規模處理過程中的分層現象

圖3 生物處理后孔洞結構性保持較好

2.4 三種地基處理方法的比較

從處理工藝上來說，可大致將地基處理方法分為機械壓實法、化學灌漿法及生物處理法三個大類。土的壓實可通過碾壓和振動來實現，振搗擠密或強夯法可以獲得更好的密實效果。然而，機械致密法僅僅在10m深度范圍內具有較好的實用性和經濟性，化學灌漿法是將化學溶液或懸浮液注入到土顆粒或巖石中來改善土(巖)體的力學性能。將漿體注入土體后，灌注點周圍將形成一個直徑約為0.3～1m(取決于滲透速率)的柱狀加固體。漿體硬化時必須與注漿方法相協調，以保證其不會在到達指定區域前硬化，可采取低壓灌注和高壓噴射兩種注漿方式。生物處理中灌漿方式同化學處理方法類似，并具有無毒、造價低、主動修復等優點，但生物處理速度通常較慢，且比較復雜需要考慮溫度、pH值、營養素含量及擴散等外界因素。

3 結 語

(1)基于生物填充和生物膠結的土體改性方法可以用于進行松軟場地的地基處理，在大規模現場應用中，適宜選擇兼性厭氧型或微量需氧型微生物。

(2)微生物改性土體方法有取代機械壓實或化學注漿等傳統地基處理方法的潛力，但仍須微生物學、化學、巖土工程學等學科間更進一步地融會貫通，促進此方法在實際工程中得到推廣和應用。

(3)微生物改性機理可以簡單理解為具有填充膠結作用的碳酸鈣改善了顆粒體系的微觀結構，可以嘗試利用新型數值方法模擬顆粒間接觸的形成，從而指導現場應用并進行風險預測。

(4)微生物與巖土工程相結合背景下產生的新型土體加固技術具有資源豐富，環境友好，經濟節約等優點，基于MICP的土體改性技術具有極大的應用前景，同時，在生物技術與土木工程學科交叉領域，顯然還存在大量的新型方法等待發現和探究。

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