微生物礦化技術在大規模改良土體中的應用綜述

黃飛

摘 要：微生物誘導方解石沉淀（Microbially Induced Calcite Precipitation， MICP）是指通過微生物的生命活動誘導產生碳酸鈣沉淀。該過程可被用于土體改良，使微生物在土壤中產生碳酸鈣并黏結土顆粒，經過生物處理的材料的機械性能和水力性能得到顯著提高。MICP技術已被用于邊坡穩定、土體抗液化、海岸抗侵蝕、地基加固等領域的研究。該技術為傳統的土壤改良提供了一種環境友好的替代方法。然而，作為21世紀初興起的新技術，盡管在實驗室規模上其潛力得到廣泛的模擬和驗證，但可以用來評估其性能并更大規模地了解其生化過程的現場應用仍很少。本文回顧了迄今為止出版的文獻中提供的主要的大規模應用案例，并分析了大規模使用MICP時的局限性，同時考慮了為滿足行業需求應改進的技術內容，以期對未來MICP技術在巖土界的大量應用提供文獻借鑒。

關鍵詞：微生物礦化;土體改良;影響因素;大規模實施

中圖分類號：TU472文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）28-0095-07

Review on the Application of Microbial Mineralization

Technology in Large-scale Soil Improvement

HUANG Fei

（Research and Development Center of Transport Industry of Technologies and Equipments for Intelligent Design， Construction and Maintenance of Underwater Tunnel， Ministry of Transport， China Design Group Co. Ltd.，Nanjing Jiangsu 210014）

Abstract： Microbially Induced Calcite Precipitation （MICP） refers to calcium carbonate precipitation induced by the life activities of microorganisms. This process can be used for soil improvement， enabling microorganisms to produce calcium carbonate in the soil and bind soil particles， and the mechanical and hydraulic properties of the biologically treated materials are significantly improved. MICP technology has been used in the fields of slope stability， soil liquefaction resistance， coastal erosion resistance， and foundation reinforcement. This technology provides an environmentally friendly alternative to traditional soil improvement. However， as a new technology emerging in the early 21st century， although its potential has been extensively simulated and validated at the laboratory scale， there are still few field applications that can be used to evaluate its performance and understand its biochemical processes on a larger scale. This paper reviewed the main large-scale application cases provided in the literature published so far， analyzed the limitations of large-scale use of MICP， and considered the technical content that should be improved to meet the needs of the industry. It is hoped to provide references for the extensive application of future MICP technology in geotechnical fields.

Keywords： microbially induced calcite precipitation;soil improvement;influencing factors;large-scale implementatio

1 研究背景

傳統的土體改良技術主要分為兩種：第一，機械壓實或預壓，此法消耗能源，噪聲及揚塵等污染較嚴重，同時處理深度較小;第二，注入水泥或其他化學藥品，此法使用的合成材料常對自然環境和人民健康有害[1-3]。微生物誘導方解石沉淀（MICP）是一種自然現象，地球上形成的方解石大部分由微生物產生。在MICP過程中，微生物生命代謝產生碳酸根離子，并且和周圍環境過量的鈣離子結合形成方解石晶體沉淀。目前，該技術已被應用在多個領域：在巖土工程中，MICP發生在土體內時，形成的這些晶體在土粒之間形成連接鍵，最終增加了土體的強度和剛度，起到改良土體的作用[4-6];生物礦化產生的礦物還可被用來降低土壤和巖石的滲透性，起到生物堵塞的作用，可用于堵塞泄漏，如垃圾填埋場或堤防等[7];在環境工程中，微生物礦化的目的是進行生物修復，在最佳環境條件和充足營養物存在下利用微生物代謝來破壞（生物降解）或轉化（生物轉化）污染物，可修復的污染物包括石油烴、重金屬和一些放射性元素等[8]。已有大量研究通過MICP將重金屬和微生物生成的碳酸根離子結合形成金屬碳酸鹽，從而降低有毒金屬的環境生物利用度，去除重金屬的效率為89.5%～100%[9-10]。

在本篇綜述中，將著重介紹微生物礦化技術在改良土體力學性能上的應用，包括微生物礦化技術改良土體的具體原理、過程和影響因素等。另外，雖然微生物礦化技術改良土體的效果已在實驗室進行了廣泛研究和認證，但可以用來評估其性能并更大規模地了解其生化過程的現場應用仍很少[11]。本文列舉了一些大規模試驗和現場應用的案例，并分析了大規模使用MICP的局限性，以突出室內研究與實踐之間的差距，同時進一步考慮了若在行業內大規模推廣時應改進的措施，以期對未來MICP技術在巖土界的大量應用提供文獻借鑒。

2 MICP技術改良土體的基本理論和過程

生物礦化是微生物作用引起周圍環境的化學變化，導致方解石和相關礦物的沉淀。自然界中，微生物參與成礦的現象十分常見，例如，天然形成的白云石便是微生物主導作用的產物。通過生物礦化沉淀的方解石晶體主要是無機礦物，也包括少量必需的可以控制生物礦化過程的有機化合物，所得產品本質上是復合材料，由礦物質和有機成分組成[12]。生物礦物質的形成通常涉及兩種機制：第一，生物控制礦化，礦物一般在細胞內由微生物指導形成[13];第二，生物誘導的礦化，微生物在外界誘導因子的作用下產生特定代謝活動，與外界交換物質，獲取能量[14]。微生物誘導礦化是工程中廣泛使用的礦化類型。在目前的研究中，用于進行這種MICP代謝活動的微生物包括尿素水解類細菌、反硝化細菌、硫酸鹽還原菌、鐵還原細菌等[15-16]。就代謝及成礦能量而言，最有效的是尿素水解類細菌，該細菌通過自身產生的脲酶促進對尿素的水解，產生的碳酸根進一步和外加的鈣離子結合，形成碳酸鈣沉淀[17]，如式（1）、式（2）和圖1。

該反應過程簡單且易于控制，并且在不到24 h的時間內就可以達到90%的方解石轉化效率[18]。文獻中報道最多的尿素水解類細菌是巴氏芽孢桿菌（ATCC 11859），它是一種嗜堿細菌，由于具有非常高的產脲酶能力，能在短時間內水解大量尿素，并由于水解產物氨的產生而局部提高pH值，為碳酸鈣的沉淀提供良好的環境[19]。微生物礦化過程發生在土體中時，產生的方解石沉淀在顆粒與顆粒間形成連接鍵，導致孔隙減少和密實度增加，使土體的力學性能增強和改善，包括強度、剛度、滲透性和抗液化性等[6]。

向土體中引入礦化技術的方式有兩種。①通過外界因素誘導刺激，使土體中原本存在的有礦化潛力的微生物發揮作用，可以通過引入一些刺激礦化微生物發揮作用的營養物質和電子受體來實現，如碳、氮、磷或氧（以糖蜜的形式）。這種微生物誘導刺激方式是最優選的，因為利用地下環境中本土的天然微生物，減少了外來微生物對生態環境破壞的風險，但同時也有一些缺陷，如微生物接受刺激并生長一定會增加礦化實施時間，為了避免這一缺陷，眾多研究者選擇將本土微生物在實驗室進行刺激生長并選擇分離，再進一步擴大培養后重新注入土體[21-22]。②向土體中引入事先選擇的并培養好的微生物，這種方法的缺陷在于：一是不確定是否會對原有微生物環境造成破壞;二是微生物生命脆弱，不確定實際的土壤環境是否會抑制引入微生物的生長，并且由于掠食和競爭導致添加到自然土壤中的細菌數量迅速退化。盡管一些研究表明，通過處理土壤中已經存在的細菌（土著微生物）可以克服這些挑戰。

微生物通常由灌漿的方式引入土體，主要包括三個主要步驟：第一，引入細菌懸浮液;第二，注入含有尿素和鈣離子的混合溶液;第三，通過沖洗回收副產物[23]。該技術的關鍵在于上述反應溶液經灌注后在土體內分布的均勻性，其直接決定反應生成的沉淀CaCO3結晶在土體內的空間分布，若碳酸鈣沉淀均勻分布，則其對土體力學性質改良效果顯著，反之亦然[24]。由于顆粒間孔隙的大小相對于微生物直徑（0.5～3 cm）較小時，微生物將會堵塞孔隙，阻斷滲流路徑，因此，對于黏土或淤泥等土質，可以采用微生物懸浮液和養分與土壤攪拌混合的方式。此外，若反應溶液濃度過高，在灌注過程中便快速反應生成沉淀結晶，進而堵塞滲流路徑，導致灌注不均勻。目前，也有研究利用表面活性劑增強細菌在土體中的傳遞，從而加強礦化效果的均勻性。

3 微生物礦化技術改良土體的影響因素

MICP技術是涉及生物、物理、化學和巖土等領域的交叉學科。在微生物誘導方解石沉淀過程中，眾多復雜因素影響著其最終的作用效果，包括反應溶液（菌液、尿素和鈣源組成的混合液）濃度、脲酶活性、pH值、溫度、土體自身性質等[25-26]。Rowshanbakht研究了細菌細胞濃度對生成的碳酸鈣晶體大小的影響，觀察到晶體的平均尺寸隨細菌細胞濃度的增加而增加，并且礦化后土體的強度也隨之增加[27];pH和溫度主要通過影響細胞活性、酶活性、反應物成分的溶解度和電離常數等熱力學性質而改變礦化過程中的成核作用和碳酸鈣晶體的生長速率[28-29]。大量研究表明，在相對較低的溫度下，碳酸鈣晶體尺寸較大，尺寸分布更均勻，導致較高的土壤強度;而在較低的溫度下，盡管晶體尺寸較小，土壤強度較低，但抗風蝕和抗滲透性能比較強[30-31]。pH較高時，碳酸鈣過飽和能力較強，生成碳酸鈣的速度快，產量較大，但也因此具有較低的晶體尺寸，導致土體整體的強度性能降低。這些研究結果也表明，沉淀產物的數量多少不能直接反映其改良土體的效果，沉淀物的大小也很重要[32-33]。Soon等人研究了膠結液濃度對經MICP處理的巖土力學性能的影響，分別利用0.25、0.5、1.0 mol/L的膠結溶液（尿素和鈣離子等摩爾比）在馬來西亞的熱帶雨林中固結一種低液限的殘留淤泥。該淤泥強度在使用0.25 mol/L的溶液時增加了26%～57%，在0.5 mol/L時增加了25%～69%，在1 mol/L時沒有明顯增強[34-35]。也有研究者指出，膠結溶液超過1 mol/L時，細菌的生長和代謝可能受到抑制[36]。此外，土體自身性質也將影響MICP礦化作用對土體的膠結效果。在礦化時，顆粒與顆粒之間形成的方解石晶體起到連接土顆粒的作用，被稱為有效晶體。當土體的飽和度在20%左右時，由于土體的非飽和性質，灌入的反應物溶液在土顆粒表面形成彎液面，土顆粒相接處的液體最多，故碳酸鈣多形成在此處，構成有效結晶的較多，MICP效果最好[37-39]。土體的顆粒粒徑也有影響，前述灌漿方式中提到的含有小于細菌大小的顆粒（如黏土）的土壤可能會阻止細菌在土壤基質中自由流動，導致碳酸鈣沉淀不均勻，但較大的顆粒（如粗砂、礫石等）由于具有較少的粒間接觸和較大孔隙，因此，大多數生成的碳酸鈣僅能覆蓋在粗顆粒表面而未能發展成足夠大的尺寸起到連接顆粒的作用，這也將削弱整體固化效率。一些研究人員表示，在MICP過程中，碳酸鈣沉積在土顆粒的接觸點處效果最佳，并且土顆粒接觸點數與土壤中的膠結效率呈正比[40]。Rowshanbakht等人也發現具有良好級配和較大相對密實度的沙土具有土顆粒接觸點，具有更好的膠結作用。在工程應用中，通過壓實土來增加相對密度或改善土體級配可有效提高礦化效率[27]。

4 微生物礦化技術的大規模實施

為了驗證MICP在現場條件下的有效性，研究者們先后進行了一系列現場試驗。2004年，Mujah等人首次在荷蘭鹿特丹港口區進行了大規模嘗試，試驗表明，MICP的應用成功降低了砂質材料的滲透性，并且具有長久穩定性[41]。2009年，VanPaassen等人逐步將MICP的試驗試樣體積從1 m3（0.9 m×1.1 m×1 m）擴大到100 m3。在1 m3規模的試驗中，裝有沙子的容器側面設置有排水過濾器，菌懸液、尿素和氯化鈣試劑溶液以恒定流速注入試樣的中心;在100 m3的大規模試驗中，試驗人員在12 d內向100 L裝有砂的大容器中注入100 m3含有尿素和氯化鈣的試劑溶液，最終將大型容器中的43 m3沙粒膠結在一起。雖然經過MICP處理后砂土的強度顯著提高，然而該試驗中沉淀的方解石在空間上分布不均勻[42]。2011年，Van Paassen進行了另一項現場試驗，以期找到一種解決沉淀不均勻的方案。在進行現場測試之前，先對3 m3大小的試樣進行了室內測試，對該試樣進行水平定向鉆探證明試驗成功后，進而在現場對地表以下3～20 m深度處的1 000 m 3土壤進行大規模改良。該試驗共用200 m3的菌懸液和300～600 m3的由尿素和氯化鈣組成的膠結溶液。試驗時不斷抽取地下水，直到試驗后銨濃度測量值等于初始值，泵送的水被轉移到當地的廢水處理廠。經過MICP處理后的礫石層在鋪設天然氣管道的鉆井過程中保持穩定，完好無塌陷[43]。2014年，De Jong開發了一種三維處理方法，用以在現場實施MICP。該方法采用布點灌注法處理3 m×3 m×0.15 m區域內的渥太華砂巖（見圖2）。從圖2可知，每個局部處理區域由一個位于目標巖心的注入井和位于目標處理區四個角落的生產井組成。該試驗分為兩個階段：第一階段將30 L包含巴氏芽孢桿菌液和尿素的混合溶液循環灌注入土體，持續50 h;第二階段以高流速注入鈣源溶液，持續1 h，后靜置2 h。第二階段共包括兩種灌注方式：第一種灌注方式的循環方向與細菌的注入方向相同，而第二種灌注循環的方向則相反。使用兩種循環灌注方式可以防止在注入井處發生堵塞，即使在高活性微生物條件下，也可以實現均勻反應[44]。2015年，Gomez等在加拿大薩斯喀徹溫省的某礦山進行了一項現場研究，將MICP應用在松散砂土表面，以防止松散砂土受到侵蝕。該試驗使該區域28 cm深的土壤得到改良，形成了約2.5 cm厚的膠結硬殼，大大提高了抗侵蝕能力[45]。該試驗中采用低、中、高三種菌液濃度，結果表明，與高濃度和中濃度相比，低濃度的菌液效果更佳。2016年，Esnault-Filet等成功地使用Biocalcis?在法國南部的橋臺加固中，Biocalcis?是早年法國承包商Soletanche-bachy開發的工業化生物礦化工藝。該橋臺加固應用中，在橋臺3 m的高度范圍內，大約每15 cm便在約5 m寬度的水平區域內插入3條約6 m的注漿管道，在注入區的底部設有排水管，總的處理區域大約有90 m3（3 m×6 m×5 m）。加固后的橋臺通過原位取芯和壓力測試進行評估后證實可行[46]。

5 現存的缺陷和改進措施

MICP若要成為巖土界改良土體的有效手段，仍需克服以下幾項不足。第一，副產物。銨和硝酸鹽是尿素水解的副產物，產生的這些高濃度物質會對人體健康、植被、大氣氮沉積等產生毒害作用，最終導致陸地生態系統遭受富營養化和酸化[47]。因此在現場實施MICP技術時，必須設置這些副產物的沖洗和滲濾液收集裝置，通過不斷沖洗，直到電導率和銨濃度恢復到初始值為止，收集的不達標廢水應統一運送至水處理廠處置，以遵守環境法律及規范。一些作者還建議將這些富含氨的廢水作為植物肥料再利用[14]。第二，成本。MICP技術非常耗材，因為大約每1 m3的沙子可能需要約88 kg的CaCl2和96 kg的尿素，才能在每千克沙子中產生75～100 g的碳酸鈣沉淀，這將可能要花費41美元/m3。就大規模實施而言，鈣源和尿素的成本高于傳統水泥，并且由于未廣泛推廣，該工藝缺乏標準的工藝流程和指標，如注漿流速、次數、濃度等控制MICP成功的關鍵參數都必須在實驗室中進行分析，然后再升級到現場規模，這無疑會增加應用成本。此外，注水井和抽水井也是成本中不可忽略的一部分。根據最終需要產生的CaCO3的量，在飽和土體中進行MICP處理（材料，設備和安裝）的總成本為25～75美元/m3。有學者因此提出采用含有這些反應物成分的自然資源代替，例如，海水資源豐富的地區可引入富含鈣、鎂離子的海水代替CaCl2，采用糞便等動物排泄物代替尿素及采用秸稈等為微生物提供營養物質等[48-49]。現在已有學者構建了礦化過程模型，以期通過數值計算模擬預期效果而減少前期試驗成本。第三，可行性。使用MICP土壤改良技術的優勢在于，其對土體的自然結構不會造成干擾。這是因為相對于傳統的水泥等灌漿技術，微生物菌液和膠結溶液黏著力小，利用較小的壓力即可將反應物溶液注入土體中。但在實施過程中，需要不斷監測礦化過程，以保證其工程質量及環境安全達標，并決定是否需要進一步處理。第四，長期穩定性。在相對堿性的條件下，預計MICP可以維持50年以上的耐久性，并且可以偶爾通過重新處理加固以延長其使用壽命[50-53]。此外，酸雨侵蝕測試的研究表明，土體在酸雨條件也沒有發生較嚴重侵蝕，Cheng用12 L的酸雨，相當于5年（1 000 mm/年）降雨量沖刷改良后沙柱（每克砂中有0.1～0.105 g生成的碳酸鈣），其重量僅減少了0.7 g[37]。然而，MICP技術改良后土體的長期穩定性還需根據具體實施場地的環境因素進行更多的評估認證，如溫度、pH、風蝕、水蝕等[54]。

6 結論

在過去的15年中，基于微生物礦化的土壤改良技術得到了廣泛研究，無數結果證明了該技術在解決巖土工程問題方面的適用性。但現在大量研究仍處于實驗室規模，若要將該技術發展為解決巖土問題的重要手段，今后研究需要集中在現場條件的測試和數值建模上，并在可持續性、成本、效果、可行性等方面考慮實際需求，以使該技術得到跨越式發展和應用。

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