生物誘導碳酸鈣土體固化技術在防沙領域研究進展

袁嘉茂，高 永，李婉嬌，任懷新，吳振亮

(1.內蒙古農業大學 沙漠治理學院，呼和浩特 010018；2.內蒙古自治區水利科學研究院，呼和浩特 010052)

1 概述

近年來生態修復與防沙治沙理念的不斷宣傳，荒漠化、沙化土地面積逐年減少，但總體情況仍較為嚴重[1]。治理荒漠的關鍵之一是防風固沙是治理荒漠化的關鍵之一，目前最主要的防沙治沙措施主要分為3大類[2]，即工程治沙、生物治沙和化學治沙。最常見的工程治沙方法是采用機械沙障，其通過提高地表粗糙度和減緩地表風速來避免沙粒侵蝕。但找出既經濟、高效又廣泛適用于治沙的沙障材料卻顯得困難[3]；另一種是生物治沙方法，其通過恢復并增加植被覆蓋度來降低地表風力，這種方法常需借助于工程治沙并且在干旱水源匱乏的地區實施起來比較困難；還有一種是化學治沙方法，這包括利用各種無機材料、有機材料、或有機-無機混合材料與沙粒發生化學或物理化學反應，使沙粒結固為整體，從而實現固沙效果[4]，同時，化學固沙原材料的成本過高與它對植被的生長與土壤的性質都有一定的影響，這也將是未來的研究趨向。

2 生物誘導碳酸鈣土體固化技術研究現狀

2018年，劉陽等[16]在寧夏銀川騰格里沙漠進行的風積沙表面固化試驗，從大豆中提取脲酶并使其作用在風積沙表面上，通過測定土樣的風蝕強度、表面強度和滲透率等指標，用以評價EICP技術的防風固沙效果。研究表明：EICP技術在土樣表面形成的硬殼的強度達到了兆帕級并且保水性得到了顯著提高，土樣的滲透率和風蝕率都得到了降低，生成的碳酸鈣含量約0.6%，表明EICP對于防風固沙具有積極作用。2020年，吳敏等[17]將黃原膠與大豆脲酶混合作為膠結液對寧夏中衛沙坡頭區域的砂土進行了室內試驗，對處理后的土樣的表面強度、碳酸鈣含量、風蝕率和土壤的微觀形態進行了測定。研究表明：EICP技術與黃原膠的結合可以進一步增加土樣的表面強度并且提高土樣的抗風蝕強度且兩者之間存在較強的正相關性。2022年，范廣才等[18]提出EICP技術在處理土樣中的一些缺點，并使用脲酶抑制劑來延緩尿素水解，實現對于碳酸鈣生成速率的調控，進一步提高防風固沙能力。結果表明：脲酶抑制劑的添加可以在不影響碳酸鈣最終生成量的前提下降低初期碳酸鈣的生成量，并且抑制劑的濃度越高，混合時間越短，其抑制效果就越好，防風固沙效果就越好。

EICP技術在往后對于防風固沙領域的研究具有明顯的優勢，但目前對于EICP野外試驗的研究十分匱乏。為了更好的進行對EICP技術的研究，將從EICP技術的固化原理出發，系統總結脲酶提取及性質、膠結液的性質、固化方式等對于固化效果的影響，分析EICP的應用前景并提出其在防風固沙領域發展過程中進一步的研究方向。

3 生物誘導碳酸鈣土體固化技術固化機理

目前國內外學者們在生物誘導碳酸鈣沉淀技術領域的研究多數分布在MICP固化技術上，但是由于尿素水解細菌價格昂貴、培養過程過于繁瑣，而且還存在一定的安全監測等問題，限制了MICP技術的大規模使用。近幾年，一批研究者開始嘗試用脲酶替代以生成碳酸鈣沉淀進行土體固化，這種技術被稱為脲酶誘導碳酸鈣沉淀技術(EICP)。游離的脲酶尺寸非常小，大大的提升了可固化土顆粒的粒徑范圍；同時，脲酶的可降解性排除了與其他土壤微生物的競爭問題，提供了對深層土體進行固化處理的可能性。

CO(N2H2)+H2O→N2HCOOH

(1)

NH2COOH+H2O→NH3+H2CO3

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(5)

隨著反應的不斷進行，碳酸鈣沉淀逐漸增多，其聚集起來將土壤顆粒膠結成一個整體，實現土體固化的目的。在脲酶來源和碳酸鈣晶體生成過程的兩個角度上，EICP與MICP的主要區別在于：EICP由于特殊的脲酶來源[19-22]，因此土壤中Ca2+無吸附作用。然而，對比之下，MICP則由于其細胞外表通常帶有負電荷，所以能吸附土壤中的Ca2+。正因為這種吸附能力，使得MICP在碳酸鈣晶體生成過程中與EICP表現出差異。MICP形成的碳酸鈣晶體主要呈現為菱形和多邊形尺寸相對較大；而EICP則為小尺寸球狀晶體。有研究表明，可將碳酸鈣晶體的膠結形式分為：橋接作用、黏結作用和覆膜作用[23]。

4 脲酶性質對碳酸鈣生成量與晶型的影響

脲酶性質是指脲酶濃度及來源種類，對于EICP技術來說，脲酶的活性是主導因素。脲酶性質的不同主要體現于誘導碳酸鈣所產生沉淀的產量與速率上。

在MICP/EICP中，通常采用了含有特定濃度尿素與鈣鹽的混合液體作為膠結液。這種膠結液的濃度加上鈣鹽的種類，會在MICP/EICP使土質硬化的過程中，對碳酸鈣的生成數量、晶體的尺寸、結晶形態和在空間上的分布起到影響。

Yasuhara等通過試管試驗[26]揭示了脲酶和氯化鈣-尿素之間相對濃度的重要性，結果表明：膠結液與脲酶的相對濃度過高會影響碳酸鈣的沉淀率。AlQabany等[27]研究表明膠結液的濃度與碳酸鈣晶體的大小呈正相關關系。

吳林玉以及其團隊對膠結液密度給碳酸鈣產量帶來的影響做了深入的研究[28]，他們發現，當脲酶水平穩定時，膠結液的濃度增強會導致碳酸鈣生成也隨之提高。但如果膠結液濃度的增幅過大，那么碳酸鈣的產出則會開始朝下降的方向發展，即膠結液濃度存在一個峰值點，使碳酸鈣的沉積數目達到頂峰。崔明娟等人[29]也考察了高濃度(1.0 mol/L)、低濃度(0.5 mol/L)以及兩者相結合的混合濃度(1.0 mol/L+0.5 mol/L)3種不同的化學處理對砂土固化效果的潛在影響，并分別采取不同次數的注射，來測量碳酸鈣的生成量。研究結果顯示，3種方法對碳酸鈣生成量的改變并不顯著，然而采用高低混合濃度的做法卻能獲得較大的無側限壓力值，高濃度膠凝液所需要的注射時間是低濃度膠凝液的兩倍。綜上所述：當細菌液的濃度和脲酶活性穩定時，膠結液的濃度與碳酸鈣的生成量呈正比，但是膠結液濃度過高反而會抑制脲酶的活性或者微生物的生長，進而減少碳酸鈣的生成量[30]。

目前，大多研究中MICP/EICP的膠凝液大多采用CaCl2作為鈣鹽。根據Gorospe等研究者[31]的觀察，利用不同的鈣源對碳酸鈣晶型的生成影響作了探討。他們的研究成果表明，氯化鈣和乙酸鈣的使用可以使得碳酸鈣晶體呈現出菱形的方解石和層狀的球霰石。類似的結論也在Rodriguez-Navarro等研究人員[32]的研究中再次得到了驗證，他們采用黃色粘球菌作為菌種以及乙酸鈣作為鈣鹽，成功地生成了球狀的球霰石。然而，Zhang等研究人員[33]的實驗卻得出了不同的結論，他們發現乙酸鈣所生成的碳酸鈣晶體主要是文石，而氯化鈣和硝酸鈣所生成的主要是方解石。這一結論被Liu等研究人員[34]的研究所證實。對MICP和EICP鈣源對碳酸鈣晶型和晶貌生成差異的研究，表明鈣源與碳酸鈣的晶型和晶貌之間存在著一定的聯系。綜合來看，無機鈣鹽主要生成方解石，有機鈣鹽主要生成球霰石，并有可能產生文石。但鈣源對影響碳酸鈣晶型的機制還需進一步研究。

5 固化方式

固化方式是EICP提高固化效果的一個關鍵環節。如何使膠結作用發揮到極致，是EICP在使用過程中的一個關鍵問題。目前在關于EICP固化土體技術的研究中，試驗所用到的固化方式主要有預混合法和灌漿法2種。預混合法是將EICP處理液與待固化土體攪拌混合均勻后，裝入模具中進行養護，使用時將混合后的液體噴灑在土壤試樣上。灌漿法是將脲酶溶液與膠結液先后或同時以一定速率輸送至試樣中，當反應一段時間后，重復以上操作，直至固化完成。其中，先后注入試樣稱為兩相注入法，而兩者同時注入試樣則為單相注入法，被廣泛應用于基于MICP技術的土體固化。

1)預混合法

文獻[35-37]介紹了采用預混合法對試樣固化處理，該方式可以提高脲酶和膠結液的利用率，且碳酸鈣的分布也相對均勻，但不適宜原位處理。然而，對于粒徑較小、孔隙率較低的巖土體，其固化后的試樣存在中心位置相對試樣表面滲透不充分的問題。

2)灌漿法

有研究表明，采用該方法進行MICP處理后的碳酸鈣沉淀生成量多，鈣離子轉化效率則相對較高。然而，對于EICP技術而言，采用單相注入法進行處理的鈣離子轉化效率則相對較低。2019年，Hoang等采用單相注入法對MICP和EICP處理進行了對比研究，研究表明，在相似的處理條件下，EICP固化的砂柱中的碳酸鈣含量只有MICP固化砂柱的一半左右。Cui等有著相似的結論，他們認為在EICP技術應用中，相比MICP技術，通過單相注入法獲取的鈣離子轉化效果會顯著降低。他們還堅信，這種差距是由于脲酶的體積微小和吸收力較差所造成的，由于這一原因，在采用單相注入法的過程中，很難把脲酶留在樣品里。對于雙注入法，因為脲酶和膠結液在混合的瞬間，會立即形成大量的絮凝，從而使得固化樣本中的碳酸鈣結晶分布不平衡。于是在2019年，Cheng等推出了一項創新技術，被稱為單相低pH注射技術。這個技術通過減小反應液的pH值，實現了滯緩生物膠凝反應的目的。在2020年，Cui等在參照了Cheng等人所研究的單相低pH注射技術后，對其進行了優化。他們首先借助2.0 mol/L的鹽酸來控制細菌脲酶液體的pH值落在6.5的水平，然后與膠結液和蒸餾水進行配比，從而制做出了適合固化砂土用的EICP處理液。通過調查，他們揭示了一種改善的的單相低pH注射方式，這可以對1.0 mol/L的鈣離子濃度進行EICP處理，實現了在24小時間隔內，鈣離子的轉化率近乎達到了100%。

6 生物誘導碳酸鈣沉淀土體固化技術在防風固沙領域的應用前景及展望

近些年，EICP技術的環境友好性的特點使得EICP技術在防風固沙領域的研究中脫穎而出。在防風固沙領域中，EICP技術相比純化學固沙而言更加持久有效。Handan等對EICP處理后的土壤進行風洞試驗，證實其在防風固沙等領域具有良好的應用前景[38]。吳敏等將黃原膠與EICP技術相結合，并通過風蝕模擬試驗，進一步優化了EICP技術抵抗風砂侵蝕的能力[17]。Sun等在騰格里沙漠進行了現場試驗[39]，通過對風積沙在聚醋酸乙烯酯處理后的結層殼強度、抗雨水侵蝕能力及抗風蝕性能評估。證明了該方法具有長期防治沙塵暴的潛力。綜上所述，EICP技術已在防風固沙領域中有了突出的貢獻，同時期待此技術可以為沙漠治理、環境保護提供更多的幫助。

近些年，大面積的光伏電站被建立，利用沙區豐富的光能資源大力發展光伏產業，但同時光伏電站也存在許多問題，光伏板下風蝕情況普遍比較嚴重，如果不加以有效的防護，必然會影響光伏電板的發電效率和光伏電站的安全運營。我們目前傳統的防沙治沙措施都有其缺陷，生物誘導碳酸鈣沉淀技術是一種新型的環境友好且經濟高效的土體加固技術。而且同時光伏電站的建設會影響站內土壤溫度，有研究表明[40]，大規模建設光伏裝置會產生“熱島效應”，為微生物的活動創造了良好的環境條件，然而溫度又會影響MICP/EICP的脲酶活性，進而影響碳酸鈣沉淀的生成速率，如果溫度過高，脲酶則會失活，所以生物誘導碳酸鈣沉淀土體固化技術在沙區光伏電站的可行性還有待進一步探究。生物誘導碳酸鈣沉淀技術未來的研究應聚焦于在光伏電站站內小氣候的條件下，MICP與EICP的碳酸鈣生成率會呈現什么樣的規律，與傳統的防沙治沙措施相比，在考慮治沙效果與治沙成本后，討論哪種措施更加適用于沙區大規模的光伏電站的防風固沙。

總體來說，生物誘導碳酸鈣沉淀土體固化技術可以很大程度的增加土壤的防風固沙效果，但是目前大多數的研究都集中于MICP，有關EICP的研究大多數也都集中于巖土工程領域，對于防風固沙領域的研究非常的有限，關于光伏電站內溫濕度的變化對于EICP技術的影響還需進一步開展研究。