化學處理方式對微生物固沙效果的影響

邱明喜 劉漢銀 明道貴 張家銘 朱紀康 周楊

摘 要：微生物誘導成礦是一種新型風積沙固結技術，相較于傳統固沙技術具有顯著優勢。為探究其化學處理液濃度對微生物誘導成礦固結風積沙效果的影響，首先開展微生物礦化沉積試驗與微生物誘導成礦固結風積沙試驗并分析不同處理液濃度對碳酸鈣產率的影響，其次通過力學性能測試對比風積沙力學強度及抗剪強度指標變化情況，最后結合顆粒粒徑測試及微觀形貌觀測對不同化學處理方式的風積沙固結效果進行了分析。結果表明：微生物誘導成礦處理能有效提升風積沙力學性能，處理液濃度為0.9 mol/L時，力學強度改善最為顯著，相對應的抗剪強度指標提升也最為明顯;濃度為0.6 mol/L的處理液對應的微生物誘導成礦率（碳酸鈣產率）最高，繼續提高鈣離子濃度不利于提升礦化沉積效率;微生物誘導成礦處理后的風積沙表面附著碳酸鈣礦物，可把風積沙粒徑變化作為一項反映礦化效果的指標。

關鍵詞：風積沙;固沙效果;微生物誘導碳酸鈣沉積;處理液濃度;力學性質;顆粒粒徑

中圖分類號：S157.9 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.08.021

引用格式：邱明喜，劉漢銀，明道貴，等.化學處理方式對微生物固沙效果的影響[J].人民黃河，2021，43（8）：117-121.

Abstract： Microbial induced calcite precipitation is a new aeolian sand fixation technology， which has more significant advantages over traditional technology. To investigate the effect of chemical treatment on bio-cementation of aeolian sand， the experiment of calcium carbonate deposit generated by microbial induced calcite precipitation and the experiment of sand fixation by microbial induced calcite precipitation were firstly carried out to study the effects of different treatment methods on calcium carbonate yield. Then， the changes of mechanical strength and shear strength indexes of aeolian sand were compared through direct shear test. Finally， the sand fixation effects under different chemical treatment methods were analyzed by means of particle size analysis and microscopic morphology observation. The results show that microbial induced calcite precipitation can effectively improve the mechanical properties of aeolian sand. When the concentration of treatment solution is 0.9 mol/L， the improvement of mechanical strength is the most significant， and the corresponding shear strength index changes are also the most obvious. The microorganism corresponding to 0.6 mol/L treatment solution has the highest rate of mineral production， and the continuous increase of calcium ion concentration will not be conducive to the improvement of mineral deposition efficiency. Calcium carbonate minerals will adhere to the surface of aeolian sand treated by microorganism-induced mineralization， so the particle size change of aeolian sand can be taken as an index reflecting mineralization.

Key words： aeolian sand; sand-fixing effect; microbially induced calcite precipitation; treatment concentration; mechanical index; particle size

天然風積沙顆粒細小、粒間無黏聚力，易在風力吹蝕條件下快速移動[1]。傳統風積沙固化材料包括機械固沙材料、化學固沙材料和生物固沙材料[2-3]：常用的機械固沙材料包括柴草、黏土、礫石、塑料網格等，該類材料防護高度有限，在風沙活動強烈地區會被風沙流掩埋;化學固沙材料包括水泥漿類、石油產品類、水玻璃類、合成高分子類、生物質資源類等，從材料安全性、耐候性及使用成本角度考慮，目前尚無可用于大面積推廣的化學固沙材料;植物是最為常用的生物固沙材料，但植物生長周期較長，且沙漠地區難以為植物成活提供必要條件，使得固沙植物成活率較低。

微生物誘導碳酸鈣沉積（Microbial Induced Calcite Precipitation，簡稱MICP）是一種新型土體固化改良技術，主要通過向土體引入脲酶微生物或利用土體中的自源微生物代謝形成脲酶，將反應環境中的尿素分解成碳酸根離子，再人為向反應體系中提供鈣離子及金屬陽離子，最終在土體中形成碳酸鹽礦物，大量碳酸鹽礦物附著、堆積于土體顆粒之間起到膠結作用，實現土體固化[4-5]。該技術不需要投入大量人力物力，不會對環境產生負面影響[6-8]，國內外已將其用于土質改良、地基處理、沙土液化防治、固沙抑塵、石油開采、污染物處置、混凝土裂縫修補等領域[9-16]。既有研究表明，MICP技術處理效果受到多種因素影響[17-22]：一方面，MICP技術所采用的微生物易受環境因素影響;另一方面，對于不同種類土體，MICP處理效果會存在差異。目前有關MICP改良土體技術的試驗研究仍主要在室內進行，采用的土體基質主要為硅沙，而對于廣泛分布于我國西北地區的風積沙的研究較少，國內僅內蒙古工業大學等單位對MICP固結風積沙的可行性等開展過較為系統的研究。筆者采用MICP技術處理風積沙，通過直剪試驗研究了處理液濃度對微生物礦化沉積及固化風積沙碳酸鈣產率的影響，以期為MICP技術用于固結風積沙提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

（1）風積沙。試驗用風積沙取自新疆古爾班通古特沙漠，其微觀形貌見圖1、顆粒級配曲線見圖2。由圖2可知，D60=0.160 mm、D30=0.108 mm、D10=0.066 mm（D60、D30、D10分別為顆粒級配曲線上小于某粒徑累計含量為60%、30%、10%所對應的粒徑，其中D10稱為有效粒徑、D60稱為控制粒徑），據此計算的風積沙級配系數Cc=1.10、不均勻系數Cu=2.42。 XRD測試表明風積沙主要化學成分有SiO2（66.79%）、Al2O3（8.09%）、Fe2O3（8.87%）、MgO（6.71%）等。

（2）微生物及培養液。微生物礦化沉積試驗和風積沙固結試驗使用的菌種均為巴氏芽孢八疊球菌，屬高脲酶活性微生物，購自美國菌種保藏中心（菌種編號ATCC11859）。擴大培養基成分包括酪蛋白胨、大豆蛋白胨、氯化鈉、尿素，配制培養基時，尿素使用過濾法滅菌（0.22 μm微孔濾膜），其他成分均使用濕熱滅菌法滅菌（高壓蒸汽滅菌器121 ℃條件下滅菌20 min）。試驗過程中采用分光光度計在600 nm波長條件下的菌液吸光度反映微生物濃度，采用電導率儀測得的電導率變化速率間接表示脲酶活性[23-24]。研究表明，細菌懸浮液的濃度在一定范圍內與透光度成反比、與吸光度成正比，所以可用吸光度表征樣品菌液細菌生長狀況。巴氏芽孢八疊球菌生長及脲酶活性變化情況見圖3（圖中OD600為溶液在波長600 nm處的吸光度），本研究選用微生物培養時間為36 h。

1.2 試驗方案

（1）化學處理方案設置。有關研究表明[25]，化學處理液濃度、注液速率及其在土體中的留存時間均對微生物誘導成礦效果產生影響，且以化學處理液濃度影響最為顯著。基于這一認識，本研究使用不同濃度化學處理液開展風積沙固結試驗，研究化學處理方式對微生物誘導成礦效果及對風積沙固結效果的影響。配置濃度分別為0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 mol/L的尿素-氯化鈣混合溶液作為處理液，開展微生物礦化沉積試驗、固結風積沙力學試驗，兩種試驗以碳酸鈣產率和力學強度為對比指標。

（2）試樣制備。菌液制備：按照1%接種比例將菌液自母液瓶接種至新鮮培養基，將接種后的培養基置于恒溫振蕩條件下（35 ℃、150 r/min）培養36 h，獲得試驗用菌液。預混：將150 g風積沙與6 mL菌液混合均勻，靜置2 min后向風積沙中加入0.5 mol/L處理液6 mL并混合均勻，將混勻的風積沙裝入內壁涂有凡士林的環刀。灌漿：每隔12 h向試樣表面噴灑3 mL處理液，連續噴灑4次。養護：從環刀中取出試樣，置于30 ℃條件下養護60 h。

（3）礦化沉積試驗。將不同濃度處理液與試驗用菌液等體積混合，靜置72 h后收集容器底部沉積物，烘干稱量。同一濃度重復試驗2次，取平均值。

1.3 測試方法

（1）力學強度。采用LT1008型電動四聯等應變直剪儀進行直接剪切測試，垂直荷載分別為50、100、150、200 kPa，剪切速率為0.8 mm/min，每隔20 s記錄一次應力應變。

（2）碳酸鈣產率。本研究中，礦化沉積試驗把測定的礦化沉積物質量與氯化鈣完全反應時碳酸鈣理論質量的比值作為碳酸鈣產率，而力學試驗則采用溶酸法計算碳酸鈣產率，即把固結風積沙溶酸（稀鹽酸）前后的質量差與固化試樣質量的比值作為碳酸鈣產率，同時預先測試風積沙中碳酸鈣含量，以修正其影響。

（3）微觀形貌。選擇表面平整的固化風積沙樣品，使用電子顯微鏡（FEI Quanta 200）觀測成礦產物在風積沙中的分布情況。

（4）顆粒粒徑。采用BT-2002型激光粒度分析儀對風積沙與力學試驗后固化試樣的粒徑分布進行測試。

2 結果與分析

2.1 處理液濃度對力學強度的影響

如圖4所示，不同處理液濃度對應的抗剪強度差異明顯，其中0.9 mol/L對應試樣抗剪強度最高，抗剪強度從高到低對應的處理液濃度依次為0.9、1.2、0.6、1.5、0.3 mol/L。對此現象的解釋：化學處理液濃度過高或過低均不利于風積沙固結，濃度過高時MICP反應過于迅速、不利于液體下滲，濃度過低時雖有利于液體下滲，但礦物生成量較少，固結效果同樣不佳。據觀察，試驗過程中處理液的下滲難度不斷增大，試樣表面隨著處理液噴灑逐漸出現礦化產物聚集以及多余鹽分的凝結，試樣抗剪強度變化或與該現象具有一定關系。

如圖5所示，強度指標黏聚力與內摩擦角隨處理液濃度的變化較大，二者變化趨勢一致，均隨處理液濃度增大至0.9 mol/L時取得較大值，而后隨濃度繼續增大呈下降又回升的趨勢，高濃度處理液對應的黏聚力與內摩擦角整體上大于低濃度的對應指標。由此可知，處理液濃度較低時礦物生成量較少、不利于強度指標的提升，高濃度處理液生成了較多礦物晶體并充填于風積沙顆粒間，因此黏聚力與內摩擦角增幅較大。微生物誘導生成的礦物堆積于風積沙顆粒孔隙中，使風積沙顆粒連接更為緊密、黏聚力增大。同時，礦物堆積于風積沙顆粒表面將影響顆粒自身圓度，增大顆粒粗糙度，對內摩擦角增大具有重要影響。基于試驗結果，可得出微生物處理能有效提升風積沙力學性能的結論，這與Canakci等[26]所得結論一致。

2.2 處理液濃度對碳酸鈣產率的影響

處理液濃度對礦化反應和固結風積沙力學性能均具有重要影響。如圖6所示，碳酸鈣產率隨處理液濃度提高呈先增大后減小的變化趨勢，在處理液濃度為0.6 mol/L時碳酸鈣產率取得最大值89.11%（微生物礦化沉積試驗結果），可見高濃度處理液并不能提高微生物誘導成礦率。趙茜[27]通過試驗發現脲酶細菌活性隨著尿素濃度提高而逐漸增強，隨鈣離子濃度提高而減弱。因此，鈣離子是影響碳酸鈣產率的關鍵因素，處理液濃度為0.6 mol/L時較適宜碳酸鈣礦物沉積。固結風積沙中的碳酸鈣產率變化趨勢同微生物礦化沉積試驗結果相似，處理液濃度為0.6 mol/L時對應最大碳酸鈣產率63%，不同之處在于風積沙固結試驗中碳酸鈣產率低于礦化沉積試驗結果，究其原因，主要是隨著礦物不斷形成，風積沙內部孔隙度降低，新噴灑的處理液難以滲入試樣內部以發生有效礦化反應。值得注意的是，前述固結風積沙力學強度隨處理液濃度的變化趨勢并未與碳酸鈣產率保持一致。

2.3 處理液濃度對顆粒粒徑的影響

以處理液濃度為0.9 mol/L的風積沙試樣為例，與未處理的風積沙相比，固化風積沙粒徑在0.1～0.5 mm范圍內所占比例增大，原因是大粒徑風積沙顆粒更有利于脲酶微生物附著，表面礦物生成率高，粒徑變化更為明顯。

電子顯微鏡掃描得到的固化風積沙微觀形貌見圖7，可以看出風積沙顆粒表面附著有大量起膠結作用的成礦產物，這在一定程度上提高了風積沙整體性，使顆粒表面更為粗糙，改善了顆粒間的膠結效果，同時礦物沉積也使顆粒直徑發生變化。此外，圖中部分區域顯示為“凹坑”，這是沙粒脫落造成的，從側面反映出沙粒之間膠結效果較好[28]。

3 結 論

（1）微生物誘導成礦能有效提升風積沙力學性能，處理液濃度為0.9 mol/L時試樣力學強度改善最為顯著，其對應的抗剪強度指標提高最為明顯。

（2）MICP處理液中鈣離子濃度對微生物誘導成礦具有重要影響，高濃度鈣離子溶液不利于礦化沉積效率提升，處理液濃度為0.6 mol/L的微生物誘導成礦率最高。

（3）微生物固結風積沙時的碳酸鈣產率變化趨勢與無附著介質時基本一致，但整體產率低于無附著介質條件對應的碳酸鈣產率。

（4）風積沙粒徑變化可作為反映礦化效果的一項指標。微生物誘導成礦處理后的風積沙表面附著有不同數量的礦物，粒徑為0.1～0.5 mm的風積沙礦化效果最為顯著。

參考文獻：

[1] 劉文白，周健，蘇躍宏.風砂土基本性質及其與土工格柵作用試驗[J].中國沙漠，2003，23（6）：94-99.

[2] 龔偉，臧運曉，謝浩，等.現有固沙材料的結構與性能內在關系的研究進展[J].材料導報，2015，29（21）：47-52.

[3] 居炎飛，邱明喜，朱紀康，等.我國固沙材料研究進展與應用前景[J].干旱區資源與環境，2019，33（10）：138-144.

[4] 錢春香，王安輝，王欣.微生物灌漿加固土體研究進展[J].巖土力學，2015，36（6）：1537-1548.

[5] 何稼，楚劍，劉漢龍，等.微生物巖土技術的研究進展[J].巖土工程學報，2016，38（4）：643-653.

[6] DEJONG J T， FRITZGES M B， NSSLEIN K. Microbially Induced Cementation to Control Sand Response to Undrained Shear[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2006， 132（11）： 1381-1392.

[7] MITCHELL J K， SANTAMARINA J C. Biological Considerations in Geotechnical Engineering[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2005， 131（10）： 1222-1233.

[8] BOQUET E， BORONAT A， RAMOS C A. Production of Calcite （Calcium Carbonate） Crystals by Soil Bacteria is a General Phenomenon[J]. Nature， 1973， 246（5434）： 527-529.

[9] ATLAS R M， CHOWDHURY A N， GAURI K L. Microbial Calcification of Gypsum-Rock and Sulfated Marble[J]. Studies in Conservation， 1988， 33（3）： 149-153.

[10] SOON N W， LEE L M， KHUN T C， et al. Improvements in Engineering Properties of Soils Through Microbial-Induced Calcite Precipitation[J]. KSCE Journal of Civil Engineering， 2013， 17（4）： 718-728.

[11] DEJONG J T， MORTENSEN B M， MARTINEZ B C， et al. Bio-Mediated Soil Improvement[J]. Ecological Engineering， 2010， 36（2）： 197-210.

[12] 韓智光，程曉輝.可液化砂土微生物處置試驗[J].哈爾濱工業大學學報，2016，48（12）：103-107.

[13] 蔣耀東，黃娟，張雷，等.基于脲酶誘導碳酸鈣沉淀的新型揚塵抑制劑[J].環境工程學報，2017，11（9）：5097-5103.

[14] WU J， WANG X B， WANG H F， et al.Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation Driven by Ureolysis to Enhance Oil Recovery[J]. RSC Advances， 2017， 7（59）： 37382-37391.

[15] MBAMBA C K， BATSTONE D J， FLORES A X， et al. A Generalised Chemical Precipitation Modelling Approach in Wastewater Treatment Applied to Calcite[J]. Water Research， 2015， 68（1）： 342-353.

[16] 錢春香，李瑞陽，潘慶峰，等.混凝土裂縫的微生物自修復效果[J].東南大學學報（自然科學版），2013，43（2）：360-364.

[17] DHAMI N K， ALSUBHI W R， ELIZABETH W， et al. Bacterial Community Dynamics andBiocement Formation During Stimulation and Augmentation： Implications for Soil Consolidation[J]. Frontiers in Microbiology， 2017， 8（11）：1267-1283.

[18] GOROSPE C M， HAN S H， KIM S G， et al. Effects of Different Calcium Salts on Calcium Carbonate Crystal Formation by Sporosarcina Pasteurii KCTC 3558[J]. Biotechnology and Bioprocess Engineering， 2013， 18（5）： 903-908.

[19] KEYKHA H A， ASADI A， ZAREIAN M. Environmental Factors Affecting the Compressive Strength of Microbiologically Induced Calcite Precipitation-Treated Soil[J].Geomicrobiology Journal， 2017， 34（10）： 889-894.

[20] 彭劼，馮清鵬，孫益成.溫度對微生物誘導碳酸鈣沉積加固砂土的影響研究[J].巖土工程學報，2018，40（6）：1048-1055.

[21] 孫瀟昊，繆林昌，童天志，等.微生物誘導碳酸鎂沉淀試驗研究[J].巖土工程學報，2018，40（7）：1309-1315.

[22] OLIVEIRA P J V， FREITAS L D， CARMONA J P S F. Effect of Soil Type on the Enzymatic Calcium Carbonate Precipitation Process Used for Soil Improvement[J]. Journal of Materials in Civil Engineering， 2016， 29（4）：04016263-1-04016263-7.

[23] Ramachandran S K， Ramakrishnan V， Bang S S. Remediation of Concrete Using Micro-Organisms[J]. ACI Materials Journal-American Concrete Institute， 2001， 98（1）： 3-9.

[24] WHIFFIN V S. Microbial CaCO3 Precipitation for the Production of Biocement[D]. Perth： Murdoch University， 2004：18-36.

[25] AL Q A， SOGA K， SANTAMARINA C. Factors Affecting Efficiency of Microbially Induced Calcite Precipitation[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2012， 138（8）： 992-1001.

[26] CANAKCI H， SIDIK W， KILIC I H. Effect of Bacterial Calcium Carbonate Precipitation on Compressibility and Shear Strength of Organic Soil[J]. Soils and Foundations， 2015， 55（5）： 1211-1221.

[27] 趙茜.微生物誘導碳酸鈣沉淀（MICP）固化土壤實驗研究[D].北京：中國地質大學，2014：30-37.

[28] 孫瀟昊，繆林昌，童天志，等.微生物沉積碳酸鈣固化砂土試驗研究[J].巖土力學，2017，38（11）：3225-3230.

【責任編輯 張智民】