微生物地质工程技术及其应用

摘要：随着城市化水平的不断提高，城市水环境受城市化进程的影响愈来愈显著，越来越多的城市污染物被排放到城市河道中，导致城市水体污染日益加剧，严重影响了城市水环境质量和居民的健康。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。阐述了微生物原位修复技术在水环境治理中的应用原理；针对水体中不同污染类型及治理目标对微生物原位修复技术进行了适用性分析。

关键词：微生物；地质工程技术；应用 引言

由于人类生活水平的提升，饮用水卫生与水质安全状况逐渐走进人们的视线，对其的关注也不断增加。水体微生物原位修复技术是通过在水体适当位置添加微生物试剂或（及）营养元素等，并与水体充氧、微生物固定等技术相结合，提高水体土著微生物或外源微生物对污染物的降解能力，从而使水质逐步得到恢复的过程。该技术无须在水体中修建构筑物，可“就地”清除河水污染，削减底泥，快速解决水体突出的黑臭问题，已广泛应用于黑臭水体治理方面。

1固定化微生物技术概述

固定化微生物技术起源于上世纪60年代初，由固定化酶技术发展而来，是指通过物理或化学手段将微生物固定于一块特定的微小区域内或附着于某一载体材料上，从而提高其浓度和重复可回收利用的能力。固定化微生物与游离微生物相比具有更高的活性，有望实现污染物的高效降解。与游离微生物相比，固定化微生物的优势主要体现在：机械强度高的载体材料可为固定化微生物提供良好的“庇护所”，固定化微生物的保存时间长，且对于外界不利环境条件的耐受能力增强；固定化的微生物密度大、活性高、性能稳定，可显著提高污染物降解效率；载体材料可吸附土壤污染物，并且固定化微生物对污染物的选择性更低，从而更彻底的去除污染物；使用少量微生物即可制备产品，可供选择的载体材料多样，

可循环利用且后期维护成本低。一方面，固定化微生物的载体材料大多具有吸附性，可充当吸附剂，将环境中的目标污染物浓缩富集于载体表面，增加了微生物和污染物接触的几率；同时，载体疏松的孔隙也为微生物胞外酶提供了聚集的场所，强化了污染物质的降解；另一方面，载体材料的孔道也为微生物的增殖提供了缓冲场所，使微生物免受外界土壤中复杂因素的直接冲击；最后，一些载体也为微生物的生长提供了碳源等营养物质，其孔隙也便于空气、水分等物质向内输送，利于微生物的物质交换，使之活性增强。因此，固定化微生物与其载体之间起到了相互辅助的作用，为污染物的降解提供了相对有利的条件。

2微生物成矿加固土体工程性质 2.1力学特性

近些年来，微生物成矿土体加固技术在改善土体力学特性方面取得了良好的效果，尤其是以巴氏芽孢八叠球菌为主的MICP土体加固技术广受青睐。通过MICP技术能够将松散的砂土体胶结成强度为几百kPa甚至几个MPa的整体，这给MICP技术带来了良好的工程应用前景。在MICP反应过程中，碳酸钙作为反应生成的胶结介质是决定土体改良效果的关键因素，其含量直接影响改良后土体的力学特性。

2.2渗透特性

在土体性质改良方面，微生物成矿技术除了能够提高土体的强度，其反应生成的碳酸钙还能填充土颗粒之间的孔隙，从而有效降低土体的渗透性，这为岩土体防渗处理提供了新的思路。

2.3抗侵蚀性

经微生物成矿技术加固后的岩土体不仅强度得以提升，渗透性大幅度降低，同时还能具备较强的抵抗风力和水力侵蚀的能力。这使得这项技术在防止水土流失、控制岸坡侵蚀以及抑制风沙扬尘等方面具备良好的应用前景。降雨侵蚀是水力侵蚀最为常见的方式之一。

2.4加固效果的影响因素

微生物从水解尿素开始，到生成具有胶结作用的沉淀物直至完成对土体的改良加固，其过程中涉及一系列生物和离子化学反应，因此最终的加固效果受多种因素制约和影响。近年来国内外学者的研究工作表明，MICP技术的加固效果主要受细菌种类、菌液浓度、环境温度、pH值、胶结液土体性质及灌浆工艺等七项关键因素影响，通过研究上述不同影响因素，可以优化MICP胶结试验，探求最佳的加固效果。

3微生物地质工程技术及其应用 3.1吸附法

吸附法是根据微生物对特定载体的亲和性，直接吸附在其表面的一种方法，是固定化技术中最常见的一种方法。吸附机理包括物理吸附和离子吸附。物理吸附是指微生物通过物理作用吸附在载体表面。离子吸附则通过化学键或者离子引力作用将微生物细胞与载体紧密结合，包括离子选择和离子交换两种。吸附法流程和形式简单，一些天然载体可直接应用于实际处理，不会造成二次污染。常见的吸附材料包括聚乙烯醇、明胶、海藻酸钠和硅藻土等．但该方法仍有一定局限性，如载体与污染物质之间作用力弱，使构成的污染物与载体体系结合不牢固，污染物再次释放．

3.2包埋法

包埋法也是最常用的一种微生物固定化方法，且常常与吸附法、交联法等联合使用。包埋法的主要作用机理是通过高分子材料，将微生物细胞截留在材料内部，使微生物细胞高度集中并且具有较高的活性，同时又能抵御一定外界冲击。包埋法主要分为凝胶包埋和微囊包埋两种方法。凝胶包埋是指在载体材料内部固定微生物，使其免受外界环境干扰，但存在微生物活性易受干扰和传质阻力大等问题．微囊包埋是指通过半透膜组成的微胶囊固定微生物，在免受外界干扰情况下也可以有效防止微生物外溢。包埋法所用材料主要分为天然高分子材料和合成高分子材料．天然高分子材料包括琼脂、明胶、海藻酸钠等。合成高分子材料包括聚乙烯醇、聚丙烯酰胺等，但此类材料可降解性能差、机械强度低，容易对环境造成二次污染。

3.3交联法

交联法也称无载体固定法，即在无载体条件下投加交联剂，根据微生物细胞自身特性聚集成团。该固定法结合强度高、稳定性好，同时微生物聚集形成的微环境有利于微生物细胞的代谢作用。常见的交联剂有戊二醛、壳聚糖和甲苯二异氰酸酯等。但交联剂的投加往往会发生强烈的化学反应，产生一定毒性，破坏微生物的活性．而且交联法的使用还需要微生物自身具有自絮凝成团的特性，因此不适用于大多数微生物。

3.4复合固定法

复合固定法是指将吸附法、包埋法以及交联法联合使用，对各个方法取长补短，构建出新型的微生物固定化方法，如包埋－交联法、吸附－包埋法和吸附－包埋－交联法等。多种方法的联用，能够解决单一固定方法在实际使用过程中的各种不足，如污染物去除率低、针对性差等问题。发现在氨氮水体的处理中，通过包埋－吸附固定法，使基质的运输和扩散变得更加高效，酸碱稳定性和传质性能分别提升55.5%和12.6%以上，氨氮的去除率也有了很大的提升．

结束语

微生物修复技术具有净化污染物、促进生态系统向良性方向演替的功能，在受污染水域中有良好的应用前景。该技术作用的发挥依赖于水体中环境因子的满足及足够的浓度目标微生物的保持。微生物菌群的复配、生物促生剂配方是否合理、高密度发酵技术的应用、菌群活性的保持等因素对于实际应用效果的发挥同样具有关键意义。因此，该技术在具体使用上，一定要遵循微生物生理生态学原理，并与工程措施相结合，因地制宜的选择合适菌群及使用方法，使微生物生态修复技术实现最佳的处理效果。

参考文献

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[2]程晓辉，麻强，杨钻，等.2013.微生物灌浆加固液化砂土地基的动力反应研究[J].岩土工程学报，35(8):1486-1495.