張敏霞 劉飛飛 王瑞琦 王樹仁

(河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454150)

裸土風(fēng)蝕揚(yáng)塵已經(jīng)成為城市空氣顆粒物污染的最重要貢獻(xiàn)源之一,因此防治裸土風(fēng)蝕揚(yáng)塵已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)家和社會(huì)的迫切需求。城市及其近郊裸地、無(wú)作物覆蓋的農(nóng)田、未鋪筑道路、建筑空地等裸土由于缺少植被、水或建筑物等的覆蓋，極易發(fā)生風(fēng)蝕，其表面顆粒物在風(fēng)力作用下發(fā)生滾動(dòng)、躍遷、懸浮而擴(kuò)散到大氣中成為裸土風(fēng)蝕揚(yáng)塵[1]。裸土風(fēng)蝕揚(yáng)塵的傳統(tǒng)治理措施主要有鋪設(shè)防塵網(wǎng)、灑水、化學(xué)加固、植被覆蓋、生物結(jié)皮等。防塵網(wǎng)不適于大面積鋪設(shè)，且極易老化損壞，又易造成二次污染[2]；灑水雖然簡(jiǎn)單，但水分蒸發(fā)快，需要浪費(fèi)大量的水資源[3]；化學(xué)加固由于使用水泥、瀝青或化學(xué)抑塵劑等，會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，影響土壤環(huán)境，甚至可能釋放有毒物質(zhì)[4]；植被覆蓋雖是一種環(huán)境友好方法，效果也不錯(cuò)，但植物生長(zhǎng)對(duì)土壤環(huán)境有一定要求，而且植物生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、見效慢[5-7]；生物結(jié)皮目前則還處于研究階段[8]。

微生物在土壤環(huán)境中大量存在，利用微生物的代謝功能誘導(dǎo)形成碳酸鹽沉淀實(shí)現(xiàn)裸土的原位固化，可以改善土體的物理學(xué)、力學(xué)及工程學(xué)性質(zhì)，在土壤表層形成的硬殼可以達(dá)到抗風(fēng)蝕揚(yáng)塵的目的，因此微生物固結(jié)是一種環(huán)境友好、見效快、效果好、適合大面積治理裸土風(fēng)蝕揚(yáng)塵的新方法。

本研究首先總結(jié)了微生物固結(jié)土體技術(shù)的作用機(jī)理及其應(yīng)用現(xiàn)狀；其次介紹了微生物固結(jié)裸土抗風(fēng)蝕揚(yáng)塵的作用機(jī)理、影響因素等方面的研究進(jìn)展。

1 微生物固結(jié)土體技術(shù)

1.1 作用機(jī)理

微生物固結(jié)土體技術(shù)的操作過(guò)程見圖1。向松散土體中灌注微生物、尿素和CaCl2，微生物首先被吸附在土壤顆粒表面，在尿素和CaCl2的誘導(dǎo)下具有膠結(jié)能力的碳酸鈣晶體生成并吸附在土壤顆粒表面，隨著反應(yīng)的進(jìn)行碳酸鈣晶體不斷增多，大量碳酸鈣晶體充斥在土壤顆粒間充當(dāng)橋梁，將松散土體膠結(jié)在一起[25-26]。

1.2 應(yīng) 用

微生物固結(jié)能夠有效影響土體的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、剛度、壓縮性、滲透性等性質(zhì)[27]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開展了大量應(yīng)用研究，利用微生物、尿素和鈣鹽不僅可以將松散砂粒膠結(jié)成為具有一定強(qiáng)度的小型砂柱[28]，還可以通過(guò)在大型砂基中形成膠結(jié)體，顯著提高大型砂基的強(qiáng)度[29-30]。微生物固結(jié)土體的強(qiáng)度和剛度隨方解石含量的增加而增大[31-32]。另有研究表明，應(yīng)用微生物固結(jié)土體技術(shù)對(duì)土體進(jìn)行改良，可以使其具備很好的防滲[33-38]、抗液化[39-41]、抗沖刷和抗侵蝕[42-44]等功能。將微生物固結(jié)土體技術(shù)應(yīng)用于加固地下砂礫土層的工程現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，在加固后的砂礫土層進(jìn)行水平定向鉆孔和天然氣管道鋪設(shè)時(shí)，砂礫土層非常穩(wěn)定[45-46]。將微生物固結(jié)土體技術(shù)應(yīng)用于砂礫巖層滲漏治理的工程現(xiàn)場(chǎng)用于封堵，在不損害周邊生態(tài)環(huán)境的前提下，滲漏處可以被完全封堵[47]。微生物對(duì)土體的加固、改良作用效果主要依賴于微生物種類及其新陳代謝產(chǎn)物和礦化產(chǎn)生的礦物晶體等[48-50]。

GOMEZ等[51]開展了微生物固結(jié)土體技術(shù)固結(jié)松散砂土的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，可形成0.64～2.50 cm厚的表面硬殼層，抗沖蝕試驗(yàn)和長(zhǎng)期的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果確認(rèn)了微生物固結(jié)土體的表面穩(wěn)定性，形成的硬殼層還可以增強(qiáng)土體保濕性能，使其更有利于植被恢復(fù)和生長(zhǎng)。另有研究發(fā)現(xiàn)，微生物固結(jié)土體不僅能有效防塵，而且具備良好的環(huán)境兼容性和經(jīng)濟(jì)性[52-53]。

2 微生物固結(jié)裸土抗風(fēng)蝕揚(yáng)塵研究進(jìn)展

2.1 微生物固結(jié)裸土抗風(fēng)蝕揚(yáng)塵機(jī)理

微生物固結(jié)裸土抗風(fēng)蝕揚(yáng)塵的基本原理就是微生物固結(jié)土體作用機(jī)理，把松散的表層裸土膠結(jié)形成微生物固結(jié)層[54]，改變裸土的表面結(jié)構(gòu)，提高其表面強(qiáng)度及穩(wěn)定性，被稱為“生物架橋”作用；或礦物晶體吸附在土壤顆粒表面，使土壤顆粒粒徑增大[55]，從而增大土體風(fēng)蝕的啟動(dòng)風(fēng)速，被稱為“生物吸附”作用。隨著生物吸附作用的不斷進(jìn)行，土壤顆粒表面碳酸鈣晶體不斷增多，相鄰?fù)寥李w粒也會(huì)被膠結(jié)在一起，又變成“生物架橋”作用。微生物固結(jié)裸土抗風(fēng)蝕揚(yáng)塵機(jī)理示意圖見圖2。

2.2 微生物固結(jié)裸土抗風(fēng)蝕揚(yáng)塵的影響因素

微生物固結(jié)裸土是一個(gè)復(fù)雜的微生物化學(xué)過(guò)程，其抗風(fēng)蝕揚(yáng)塵的效果受多種因素影響。首先，微生物種類不同，分泌的脲酶活性及誘導(dǎo)生成方解石的大小、形狀和質(zhì)量等就存在一定差異，微生物固結(jié)裸土抗風(fēng)蝕揚(yáng)塵的效果也就不同[56]。李馳等[57]選擇沙漠自源葡萄球菌(Staphylocuccus)和傳統(tǒng)巴氏芽孢桿菌(Sporosarcinapasteurii)開展微生物沙漠原位礦化覆膜的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，葡萄球菌誘導(dǎo)生成的礦化覆膜層強(qiáng)度和穩(wěn)定性更好。同時(shí)，微生物濃度增加也可增強(qiáng)微生物固結(jié)裸土抗風(fēng)蝕揚(yáng)塵效果[58]。其次，溫度、濕度等環(huán)境條件和土體本身的性狀等也與微生物固結(jié)裸土抗風(fēng)蝕揚(yáng)塵效果密切相關(guān)，級(jí)配良好的土體，在較低濕度、較高溫度環(huán)境下，微生物固結(jié)后抗風(fēng)蝕揚(yáng)塵效果較佳[59]。當(dāng)然，實(shí)際結(jié)果還具有一定的偶然性。

圖1 微生物固結(jié)土體技術(shù)的操作過(guò)程Fig.1 Practical processing of microbial consolidation technology of soil

圖2 微生物固結(jié)裸土抗風(fēng)蝕揚(yáng)塵機(jī)理Fig.2 Microbial consolidation mechanism of bare soil to resist wind erosion dust

考慮到我國(guó)季節(jié)性凍土區(qū)分布廣泛，且這些地區(qū)四季分明[60]，具有間歇性降雨和晝夜溫差大等自然特征，土壤常處于干濕交替和凍融循環(huán)狀態(tài)[61]，加上當(dāng)?shù)氐臍夂?、水資源等對(duì)土壤酸堿性的影響[62]，都會(huì)關(guān)系到微生物固結(jié)裸土抗風(fēng)蝕揚(yáng)塵在季節(jié)性凍土區(qū)的大面積推廣和工程應(yīng)用。干濕交替是影響土壤團(tuán)聚過(guò)程的重要環(huán)境因素之一，僅一次干濕交替就能使土壤中的大團(tuán)聚體含量顯著減少，隨著干濕交替次數(shù)的增加，盡管團(tuán)聚體抵抗破碎的能力有所增強(qiáng)，但最終大團(tuán)聚體都將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾F(tuán)聚體[63]，且土壤干縮和濕漲過(guò)程都會(huì)劇烈改變土壤團(tuán)聚體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，加劇土壤團(tuán)聚體的破碎[64-65]，致使土體凝聚力減弱，結(jié)構(gòu)遭到破壞[66]。當(dāng)然，也有研究表明，干濕交替對(duì)土壤團(tuán)聚體的破壞作用并不明顯[67]。更準(zhǔn)確地說(shuō)，干濕交替對(duì)不同土體的影響不同，干濕循環(huán)會(huì)使原狀土風(fēng)蝕量增大，但會(huì)使重塑土風(fēng)蝕量減小[68]。凍融循環(huán)是另一個(gè)影響土壤團(tuán)聚過(guò)程的重要環(huán)境因子，凍融循環(huán)會(huì)使土壤顆粒在凍漲、融消交替過(guò)程中發(fā)生位移，從而使大團(tuán)聚體破碎成小團(tuán)聚體[69-73]，風(fēng)蝕程度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而加劇[74-75]?？傊?，干濕交替和凍融循環(huán)通過(guò)對(duì)土壤團(tuán)聚體的破壞而改變土壤顆粒大小和間距，引起土壤結(jié)構(gòu)和形態(tài)變化，最終影響微生物固結(jié)裸土抗風(fēng)蝕揚(yáng)塵效果。因此，干濕交替、凍融循環(huán)也是影響微生物固結(jié)裸土抗風(fēng)蝕揚(yáng)塵效果的重要因素。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié) 論

(1) 微生物固結(jié)土體主要是利用土壤中的微生物在特定條件下生產(chǎn)具有膠結(jié)能力的礦物晶體，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤顆粒的膠結(jié)。尿素水解過(guò)程、反硝化過(guò)程、硫還原過(guò)程、鐵還原過(guò)程等多種MICP過(guò)程都可以生產(chǎn)具有膠結(jié)能力的礦物晶體。微生物對(duì)土體的加固、改良作用效果主要依賴于微生物種類及其新陳代謝產(chǎn)物和礦化產(chǎn)生的礦物晶體等。

(2) 微生物固結(jié)裸土抗風(fēng)蝕揚(yáng)塵的基本原理就是微生物固結(jié)土體作用機(jī)理。微生物種類、溫度、濕度等環(huán)境條件和土體本身的性狀等都是影響微生物固結(jié)裸土抗風(fēng)蝕揚(yáng)塵效果的因素。我國(guó)季節(jié)性凍土區(qū)分布廣泛，這些地區(qū)干濕交替和凍融循環(huán)也是影響微生物固結(jié)裸土抗風(fēng)蝕揚(yáng)塵效果的重要因素。

3.2 展 望

(1) 針對(duì)尿素水解生產(chǎn)碳酸鈣晶體過(guò)程中碳酸鈣以微生物為結(jié)晶核析出碳酸鈣晶體，還是碳酸鈣晶體生成后向微生物靠攏這一爭(zhēng)議，需進(jìn)一步進(jìn)行更為詳細(xì)的研究。

(2) 為建立系統(tǒng)化的微生物固結(jié)裸土理論與技術(shù)，應(yīng)對(duì)微生物固結(jié)裸土抗風(fēng)蝕揚(yáng)塵影響因素開展更全面、更系統(tǒng)的研究。特別是，干濕交替、凍融循環(huán)等對(duì)微生物固結(jié)裸土抗風(fēng)蝕揚(yáng)塵效果的影響，對(duì)于我國(guó)大面積季節(jié)性凍土區(qū)開展微生物固結(jié)裸土抗風(fēng)蝕揚(yáng)塵研究具有重要意義。

(3) 微生物固結(jié)裸土抗風(fēng)蝕揚(yáng)塵目前主要還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，離大面積工程應(yīng)用還有很大距離，需要更多的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證和自然環(huán)境的考驗(yàn)；同時(shí)，如何降低微生物培養(yǎng)成本以及妥善處理微生物反應(yīng)副產(chǎn)物，也是將微生物固結(jié)裸土抗風(fēng)蝕揚(yáng)塵大規(guī)模應(yīng)用于實(shí)際工程所要解決的問(wèn)題。

(4) 微生物固結(jié)裸土抗風(fēng)蝕揚(yáng)塵研究具有學(xué)科交融性，需要微生物學(xué)、巖土工程學(xué)、環(huán)境生物技術(shù)、風(fēng)沙物理學(xué)等眾多領(lǐng)域的合作，因此開展這些學(xué)科間的交叉研究將給微生物固結(jié)裸土抗風(fēng)蝕揚(yáng)塵研究帶來(lái)更廣闊的前景。