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摘要：微生物诱导方解石沉淀（MICP）是一种极具发展前景的土木工程新技术，在改善土壤的工程性质等问题上具有一定的经济、环保和可持续发展的潜力。本文综述了MICP技术的工程应用情况，以及讨论了MICP技术研究要面临的主要挑战。
关键字：微生物、固化土体、工程应用
1引言
微生物诱导尿素生成碳酸钙沉淀的MICP技术是一种极具发展前景的土木工程新技术，也是目前研究最多，使用最广泛的生物胶结技术[1]。微生物分泌的脲酶参与尿素水解，产生的碳酸根离子与钙离子反应生成碳酸钙沉淀将土体颗粒结合在一起，从而增加土体的强度。MICP 技术微生物注浆加固岩土材料的生物化学反应可以简化如下[2]：
CO（NH2）2+2H2O→2NH4++CO32- （1）
Ca2++CO32-→CaCO3（s） （2）
MICP具有其他传统加固方法没有的优点，它可在自然过程进行，会使得这项技术相对经济。经MICP处理的构件预期使用寿命超过50年，与许多岩土结构的预期使用寿命相适应。因此，生物胶结技术为解决许多与土体改良有关的工程问题提供了可能[3]。在本文介绍了微生物胶结技术的工程应用，如地基加固、液化治理和生物防渗封堵技术。以及讨论了微生物诱导碳酸钙沉淀技术在面临的主要挑战。
2 MICP技术的工程应用
2.1地基加固
MIICP技术可以用于地基加固，有学者将MICP应用于改善砂的抗剪强度和粘性等工程性能，运用微生物注浆加固砂土、砂柱等土壤颗粒组成中砂粒含量较高的土壤，处理后砂土的承载力、刚度和抗压强度均高于未处理的松散砂[4]。
2.2生物封堵
MICP技术可以对渗漏的部位进行微生物封堵，会极大地降低了渗透系数。通过MICP技术往裂缝处灌浆菌液和营养液进行修复治理，裂缝处会生成一层碳酸钙薄膜，治理成效显著。2004年荷兰鹿特丹港口部分地区出现了砂土地基的渗漏问题，现场利用微生物进行封堵尝试，在一个半月的短时间内，成功把地基的抗渗漏系数提高了5倍，两个月后抗渗系数为原来的30倍 [5]。
2.3液化治理
液化和侵蚀减缓是MICP应用的一个新兴研究领域。地震、振动等快速加载和不排水条件下饱和无粘性土的循环加载会引起土的变形，从而导致液化。MICP 注浆处理的样品由于碳酸钙的生成，抗液化性能得到大幅改善。与未处理的散砂相比，MICP 处理砂的抗液化能力明显增强，超静孔压比降低，震后沉降减少，表明抗液化能力增强[6]。
2.4 防尘固沙
MICP能有效控制空气扬尘;相关研究表明，只要在砂土表面覆盖一层薄薄的硬壳层，就可以有效地控制扬尘和风沙流动[5]，许多学者尝试利用 MICP 固化技术进行砂土表面固化处理，以抑制扬尘、改善空气质量;通过在沙漠土表面覆膜处理，解决风沙土流动等问题。
2.5 文物修复
MICP技术所用的材料具有环保、绿色及可持续的特点，该项技术为修复保护历史建筑遗产提供了有力的保障。有学者用尿酶采用滴渗的方法对土遗址进行防风化处理，处理后试样的耐崩解特性、抗冻性、抗剪强度以及抗压强度等性质均有所提高;MICP 技术应用于土楼夯土墙体表面，采用覆膜的方式将微生物与胶结液涂抹到夯土墙体的表面，从而提高了夯土墙体的耐水、抗渗以及耐久性。
2.6重金属污染物修复
MICP工艺用于污染物的修复，并取得了一定得成效。重金属污染物主要是由工业过程产生的，如金属电镀、制革、电池生产、造纸等。多年来，几种传统的方法，如物理化学提取，土壤冲洗，稳定和挖掘已经用于污染物的修复;然而，这些方法需要的成本较高，MICP是一种具有成本效益和环境友好的修复技术，它通过碳酸根离子与重金属离子反应生成沉淀来修复污染物。因为其产物（方解石）对氧化还原电位不敏感，从而阻碍污染物释放回环境中。
3 MICP技术面临的挑战
3.1 微生物的生存条件
大多数MICP研究都是在富营养条件下进行的，而在实际应用中，如地基加固、金属修复及防尘固沙等，这样的条件相当少见。此外，在室外，微生物可能会暴露在诸如高pH、高温高压、干燥、蒸发、缺氧和营养缺乏、盐浓度等不利条件下。环境件限制了的细菌菌株的生存，这是MICP技术应用于工程实践中需要解决的一大难题。
3.2 产物的不良影响
MICP处理过程中会产生对环境和健康构成风险的的产物（如铵、氨、亚硫酸盐、亚硝酸盐、一氧化二氮和二氧化碳），氨在地下水中处理非常昂贵，如果反硝化（MICP中使用的一种方法）过程中发生不完全反应，就会产生亚硝酸盐和一氧化二氮等温室气体，一氧化二氮这种主要的温室气体在大气中的寿命是114年，对全球变暖的潜在影响是二氧化碳的300倍。
4 结论和展望
微生物加固技术（MICP）是近年来兴起的一种新的地基处理方法。为了促进该技术在地基处理工程中的推广和应用，本文对近几年基于MICP 技术在工程应用方面的进展进行了介绍和总结，主要从地基加固、生物封堵和液化处理等几方面，对MICP 技术进行了分析，最后阐述了MICP技术过程中面临的挑战。
参考文献
[1] Victoria S. Whiffin，Leon A. van Paassen，Marien P. Harkes. Microbial Carbonate Precipitation as a Soil Improvement Technique[J]. Geomicrobiology Journal，2007，24（5）.
[2]吴创周，楚剑，成亮，何稼.微生物注浆地基处理技术研究进展[J].地基处理，2020，2（03）：181-186.
[3] Md Mizanur Rahman，Reena N. Hora，Isaac Ahenkorah，Simon Beecham，Md Rajibul Karim，Asif Iqbal. State-of-the-Art Review of Microbial-Induced Calcite Precipitation and Its Sustainability in Engineering Applications[J]. Sustainability，2020，12（15）.
[4]曾伟华. 黏粒含量对微生物固化砂土的力学性能影响试验研究[D].广东工业大学，2020.
[5] 张贺超. 砂土介质中微生物诱导封堵技术试验研究[D]. 清华大学，2010.
[6] 程晓辉，麻强，杨钻，张志超，李萌.微生物灌浆加固液化砂土地基的动力反應研究[J].岩土工程学报，2013，35（08）：1486-1495.
[7] 刘士雨，俞缙，韩亮，等.三合土表面微生物诱导碳酸钙沉淀耐水性试验研究[J].岩石力学与工程学报，2019，38（08）：1718-1728.
广州大学土木工程学院 广东 广州 510006
关键字：微生物、固化土体、工程应用
1引言
微生物诱导尿素生成碳酸钙沉淀的MICP技术是一种极具发展前景的土木工程新技术，也是目前研究最多，使用最广泛的生物胶结技术[1]。微生物分泌的脲酶参与尿素水解，产生的碳酸根离子与钙离子反应生成碳酸钙沉淀将土体颗粒结合在一起，从而增加土体的强度。MICP 技术微生物注浆加固岩土材料的生物化学反应可以简化如下[2]：
CO（NH2）2+2H2O→2NH4++CO32- （1）
Ca2++CO32-→CaCO3（s） （2）
MICP具有其他传统加固方法没有的优点，它可在自然过程进行，会使得这项技术相对经济。经MICP处理的构件预期使用寿命超过50年，与许多岩土结构的预期使用寿命相适应。因此，生物胶结技术为解决许多与土体改良有关的工程问题提供了可能[3]。在本文介绍了微生物胶结技术的工程应用，如地基加固、液化治理和生物防渗封堵技术。以及讨论了微生物诱导碳酸钙沉淀技术在面临的主要挑战。
2 MICP技术的工程应用
2.1地基加固
MIICP技术可以用于地基加固，有学者将MICP应用于改善砂的抗剪强度和粘性等工程性能，运用微生物注浆加固砂土、砂柱等土壤颗粒组成中砂粒含量较高的土壤，处理后砂土的承载力、刚度和抗压强度均高于未处理的松散砂[4]。
2.2生物封堵
MICP技术可以对渗漏的部位进行微生物封堵，会极大地降低了渗透系数。通过MICP技术往裂缝处灌浆菌液和营养液进行修复治理，裂缝处会生成一层碳酸钙薄膜，治理成效显著。2004年荷兰鹿特丹港口部分地区出现了砂土地基的渗漏问题，现场利用微生物进行封堵尝试，在一个半月的短时间内，成功把地基的抗渗漏系数提高了5倍，两个月后抗渗系数为原来的30倍 [5]。
2.3液化治理
液化和侵蚀减缓是MICP应用的一个新兴研究领域。地震、振动等快速加载和不排水条件下饱和无粘性土的循环加载会引起土的变形，从而导致液化。MICP 注浆处理的样品由于碳酸钙的生成，抗液化性能得到大幅改善。与未处理的散砂相比，MICP 处理砂的抗液化能力明显增强，超静孔压比降低，震后沉降减少，表明抗液化能力增强[6]。
2.4 防尘固沙
MICP能有效控制空气扬尘;相关研究表明，只要在砂土表面覆盖一层薄薄的硬壳层，就可以有效地控制扬尘和风沙流动[5]，许多学者尝试利用 MICP 固化技术进行砂土表面固化处理，以抑制扬尘、改善空气质量;通过在沙漠土表面覆膜处理，解决风沙土流动等问题。
2.5 文物修复
MICP技术所用的材料具有环保、绿色及可持续的特点，该项技术为修复保护历史建筑遗产提供了有力的保障。有学者用尿酶采用滴渗的方法对土遗址进行防风化处理，处理后试样的耐崩解特性、抗冻性、抗剪强度以及抗压强度等性质均有所提高;MICP 技术应用于土楼夯土墙体表面，采用覆膜的方式将微生物与胶结液涂抹到夯土墙体的表面，从而提高了夯土墙体的耐水、抗渗以及耐久性。
2.6重金属污染物修复
MICP工艺用于污染物的修复，并取得了一定得成效。重金属污染物主要是由工业过程产生的，如金属电镀、制革、电池生产、造纸等。多年来，几种传统的方法，如物理化学提取，土壤冲洗，稳定和挖掘已经用于污染物的修复;然而，这些方法需要的成本较高，MICP是一种具有成本效益和环境友好的修复技术，它通过碳酸根离子与重金属离子反应生成沉淀来修复污染物。因为其产物（方解石）对氧化还原电位不敏感，从而阻碍污染物释放回环境中。
3 MICP技术面临的挑战
3.1 微生物的生存条件
大多数MICP研究都是在富营养条件下进行的，而在实际应用中，如地基加固、金属修复及防尘固沙等，这样的条件相当少见。此外，在室外，微生物可能会暴露在诸如高pH、高温高压、干燥、蒸发、缺氧和营养缺乏、盐浓度等不利条件下。环境件限制了的细菌菌株的生存，这是MICP技术应用于工程实践中需要解决的一大难题。
3.2 产物的不良影响
MICP处理过程中会产生对环境和健康构成风险的的产物（如铵、氨、亚硫酸盐、亚硝酸盐、一氧化二氮和二氧化碳），氨在地下水中处理非常昂贵，如果反硝化（MICP中使用的一种方法）过程中发生不完全反应，就会产生亚硝酸盐和一氧化二氮等温室气体，一氧化二氮这种主要的温室气体在大气中的寿命是114年，对全球变暖的潜在影响是二氧化碳的300倍。
4 结论和展望
微生物加固技术（MICP）是近年来兴起的一种新的地基处理方法。为了促进该技术在地基处理工程中的推广和应用，本文对近几年基于MICP 技术在工程应用方面的进展进行了介绍和总结，主要从地基加固、生物封堵和液化处理等几方面，对MICP 技术进行了分析，最后阐述了MICP技术过程中面临的挑战。
参考文献
[1] Victoria S. Whiffin，Leon A. van Paassen，Marien P. Harkes. Microbial Carbonate Precipitation as a Soil Improvement Technique[J]. Geomicrobiology Journal，2007，24（5）.
[2]吴创周，楚剑，成亮，何稼.微生物注浆地基处理技术研究进展[J].地基处理，2020，2（03）：181-186.
[3] Md Mizanur Rahman，Reena N. Hora，Isaac Ahenkorah，Simon Beecham，Md Rajibul Karim，Asif Iqbal. State-of-the-Art Review of Microbial-Induced Calcite Precipitation and Its Sustainability in Engineering Applications[J]. Sustainability，2020，12（15）.
[4]曾伟华. 黏粒含量对微生物固化砂土的力学性能影响试验研究[D].广东工业大学，2020.
[5] 张贺超. 砂土介质中微生物诱导封堵技术试验研究[D]. 清华大学，2010.
[6] 程晓辉，麻强，杨钻，张志超，李萌.微生物灌浆加固液化砂土地基的动力反應研究[J].岩土工程学报，2013，35（08）：1486-1495.
[7] 刘士雨，俞缙，韩亮，等.三合土表面微生物诱导碳酸钙沉淀耐水性试验研究[J].岩石力学与工程学报，2019，38（08）：1718-1728.
广州大学土木工程学院 广东 广州 510006