微生物地质工程技术及其应用

微生物地质工程技术及其应用摘要：近年来，微生物地质工程技术成为环境污染治理领域研究热点之一。微生物地质工程技术是将微生物参与的生化过程加以控制和利用，来解决工程地质问题的一类新型岩土体水—力学特性改性技术。研究表明该技术具有低成本、环境友好、低能耗和过程可控的优点，是工程地质界近些年的一个热门研究内容，也是现代工程地质学科的重要发展方向。本文对微生物地质工程技术及其常见的工程应用的研究作简要地介绍。关键词：微生物地质；技术；应用引言在近十年里，微生物成矿学的发展给土木工程带来了新的机遇和挑战，微生物岩土和微生物材料技术是目前岩土工程最具革新性的技术领域之一，这一技术创造性地利用丰富的天然无毒无害微生物资源改变岩土微观结构与组成，进而提高其工程力学性质，包括强度、刚度和渗透性等。微生物矿化技术可应用于岩土体加固和导热、大坝及土中构筑物防渗堵漏、砂土液化防治、重金属污染土治理、土石砖类文物建筑修复、智能自修复混凝土等多领域。1微生物地质工程技术1.1微生物成矿作用微生物成矿作用是指微生物及其产生的物质通过与周边环境发生一系列生化反应而形成矿产的过程。常见的反应类型主要包括尿素水解作用、反硝化反应、铁还原反应、硫酸盐还原反应等，不同的反应所需的微生物种类和反应条件有所不同，最终成矿产物也有所不同。由于成矿产物通常具有良好的胶结性能，近些年来，基于上述反应类型的微生物成矿作用被广泛用于岩土体加固。1.2微生物膜作用生物膜是紧密附着于基质表面的微生物群落及其分泌物等的组合，由多层次的微生物细胞体、胞外聚合物以及其它具有吸附性的颗粒等组成。其中EPS是由多糖和蛋白质组成的水合基质。生物膜能为群落提供结构性支撑，保护微生物不受外界物理、化学、生物等因素的影响，维持群落相对稳定的状态。从生物膜的生化结构特性来看，细胞体外聚合物EPS占生物膜有机体质量的50%~90%。由此可知，即使微生物失活，生物膜中的EPS结构依然能够保持原状。在自然环境中，大部分微生物以生物膜的形式生存。将生物膜引入地质工程领域主要是利用生物膜充填孔隙，从而降低渗透性，阻碍物质迁移，达到对土体渗透性进行控制的目的。生物膜的形成常分为以下几个步骤：（1）含休眠微生物的培养基通过一定方式注入土体内，并在土体内扩散、迁移；（2）随后注入生长物质激活休眠的微生物，随之胞外聚合物、鞭毛等结构在微生物表面形成，并被吸附到基质表面；（3）在生长物质等作用下，微生物逐渐恢复活性，吸附在基质表面的微生物逐渐生长繁殖，进而散播成生物膜群落。生物膜的生长，减小了土颗粒之间的孔隙体积，阻碍了物质流动和运输，降低了地层渗透性。以往研究表明，生物膜可以将饱和土体渗透性有效降低两个数量级或者更多。生物膜的形成及其引起的渗透率降低，与微生物诱导成矿提高土体强度具有一定的相似性。此外，该技术还在硝酸盐污染场地隔离与修复、提高石油二次开采率方面取得了一定的成果。1.3微生物产气作用生物气是在一定条件下基于微生物反应产生的气体。生物气的产生与介质孔隙特性、微生物种群的生长速率等有密切关系，因此可以通过控制营养物质、环境温度等因素来控制细菌的活性和生物气的作用。在近地表土壤中最常见的生物产气反应包括微生物呼吸作用产生的二氧化碳，反硝化反应产生的氮气，有机物发酵产生的二氧化碳和氢气以及甲烷等。反硝化反应产生的氮气具有溶解度低，无毒性，不会引起温室效应等优点而被广泛采用。生物气通过微生物等反应作用产生，在土体内经历成核、生长、运移、聚结、俘获等过程，形成亚微米的气泡，散布在土体孔隙中。生物气的减饱和作用对土体孔隙中的流体具有显著影响，往往导致孔隙流体刚度降低，增加液体的循环阻力。由于气体易于压缩，可以增加孔隙空间的压缩性，并抑制在动、静荷载作用下孔隙水压力的累积，显著提高土体不排水抗剪强度，在相对较小的应变下获取更高的刚度和偏应力，从而降低其液化敏感性。在其它领域，生物气技术在修复污染场地、提高石油资源开采效率、改变地下沉积物的水文或力学特性、获取生物质能源等方面具有一定的应用前景。2微生物矿化技术的工程应用2.1微生物岩土体防渗土壤中含有大量的微生物，通过对其灌注营养液，激发微生物进行各种生物化学反应，如有的微生物可利用尿素等有机物及钙源离子，较快生成具有胶凝性质的碳酸钙，有的微生物则可以在营养物质的激发下，生成大量细胞外分泌物达到封堵的效果。微生物能够自动找到渗漏处的位置进行有效地防渗，达到探查和封堵二合一的效果。2.2微生物岩土体加固土体固化方式有多种，常见的如下：（1）分步灌浆法；（2）浸泡法；（3）超声波振动注浆法。固化效果的检测方式主要有：抗剪强度试验；无侧限抗压强度试验；k0固结试验；劈裂试验；电镜扫描。2.3微生物岩土体导热（1）MICP土体导热技术在室温条件下测试案例较多，显现出了良好的导热效果，然而针对外界温度变化的研究成果鲜见报道；（2）对胶结完成的砂柱进行导热系数的测试，但岩土具有强大的储热能力，热扩散系数和比热容等参数还未得到有效充分的研究；（3）对MICP处理砂土热导率的研究主要集中在实验室砂柱测量，利用原位或模型矿化试验提升能源地质结构换热效率这一领域较为罕见。2.4微生物污染土治理（1）MICP处理重金属污染主要集中在对Pb的研究，Zn、Cu、Cd次之，As及Hg的研究较少；（2）主要针对矿区修复和工厂附近的污染土治理；（3）虽然MICP可在短时间内加固土体，或修复重金属污染土，但是MICP方法的环境效应尚未明确。2.5微生物砖石类文物建筑修复砌体结构对风化、冻融循环、雨水冲刷、地震活动等因素都很敏感，这些因素都会导致结构的劣化。有许多历史的砌体结构,由于结构是古老的，并且已经历了严重的退化，迫切需要加强保护。随着微生物矿化技术的广泛应用，利用微生物低压灌浆技术进行加固变质砌体结构，这种灰浆特别适用于加固被地震破坏的古代砖石结构。炭疽菌诱导的生物矿化能修复恶化的石质文物，并能有效防止文物表面的古铜色现象的发生，是一种潜在的文化遗产保护和加固方法。石材表面形成了异常坚固的混合水泥，并且覆盖了基材的细菌外聚合物质（EPS）的钝化作用，该方法可导致有效加固和保护文物建筑。2.6微生物混凝土裂缝修复混凝土结构在养护与服役期间常在各种内外作用下产生裂缝。传统混凝土裂缝修复措施有：表面封闭法、堵漏法和结构加固补强法。传统裂缝修复方法有诸多的缺陷，而利用微生物矿化作用进行修复是混凝土裂缝修复的新理念和新方法，低粘性、高渗透性的微生物修复液能够很好地渗入常规材料不能进入的狭窄裂缝，对其进行填充与封闭。结束语在地质与岩土工程施工过程中，微生物技术的应用必须针对不