利用生物炭调控微生物诱导碳酸盐沉淀改良砂土中CaCO3空间分布：试验评价与模型验证

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Controlling CaCO 3 spatial distribution in microbially induced carbonate precipitation-improved sandy soils with biochar: Experimental evaluation and model validation

　　

砂土常因岩土稳定性低而需有效加固。微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）是一种有前景的方法，但CaCO3沉淀的空间异质性限制了均匀加固。为缓解该问题，研究人员利用生物炭（BC）的细菌吸附能力，对土体基质进行分层并沿深度方向递增BC掺量。同时，研究人员修订尿素水解动力学方程以纳入细菌附着、脱附与衰减，改进现有迁移-反应模型，并通过溶液试验和砂柱实验验证。结果表明BC增强了细菌滞留与CaCO3沉淀，而均匀掺入BC加剧了细菌与CaCO3的纵向异质性，形成典型“上密下疏”孔隙结构。相反，梯度BC配置促进了细菌与CaCO3更均衡的纵向分布，从而改善孔隙率与渗透性演化的协调性。所有测试条件中，总掺量3 wt%（上、中、下层分别为1.5、3、4.5 wt%）的梯度BC配置表现最佳，CaCO3均匀性指数最高达0.71。实测与模拟的细菌浓度、CaCO3含量及渗透率吻合良好，支持所提模型的适用性。该研究证明梯度BC掺入是提升均匀性的有效内部调控策略，且修订后的迁移-反应模型具备令人满意的预测能力，可支持砂土加固工程中MICP参数选择与工艺设计。

论文解读：《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》刊载的该研究，针对砂土颗粒接触有限、内孔隙大、渗透率高导致的工程失稳问题，指出传统物理压实易破坏土体结构、水泥固化碱性扰动微生物群、聚合物改性难降解且有生态毒性，而微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP，Microbially induced carbonate precipitation）虽环境友好，却受细菌与CaCO₃沉淀空间异质性制约，注浆过程中沿流线细菌浓度递减、近注口优先沉淀堵塞孔隙，形成“上密下疏”非均匀加固。为在不增加复杂注浆工艺前提下内部调控沉淀分布，研究人员提出利用生物炭（BC，biochar）的细菌负载与矿物成核能力，采用沿深度递增的梯度掺量设计，并同步修订迁移-反应模型以显式纳入细菌附着、脱附与衰减过程。

关键技术方法方面，研究人员取自湖北宜昌夷陵区宜兴大道边坡开挖废弃细粒砂土，以玉米秸秆厌氧热解生物炭（450℃氮气氛围）为调控材料，选用Sporosarcina pasteurii（ATCC 11859）分泌脲酶水解尿素；通过PVC砂柱（高90 mm、内径40 mm、三层装填）设置均匀掺BC（BC-E）与梯度掺BC（BC-H）两组、各1.5/3/6 wt%三水平，开展菌液富集—胶结液矿化两阶段恒速顶驱注浆与静置试验；并行开展溶液静置衰变、吸附-脱附穿透、盐酸浸取测CaCO₃含量；数值上基于COMSOL Multiphysics 6.2构建二维轴对称对流-弥散-反应耦合框架，用Langmuir等温式刻画细菌附着/脱附，线性衰减描述单脲酶活性随时间下降，修正Michaelis-Menten尿素水解速率项，以Kozeny-Carman关系更新孔隙率与渗透率。

研究结果部分，首先“Simulation and comparison of bacterial retention”显示，BC-H凭借下层更高吸附容量抵消了流滤衰减，使细菌滞留呈“向下转移富集”，BC-E则上层截留最多、中下层骤减；随BC总量升至6 wt%穿透曲线右移、洗脱左移，但BC-H3（上1.5/中3/下4.5 wt%）各层滞留量最均衡（1.64/2.06/1.84×10⁸ CFU/g）。其次“Evolution of reactant concentrations”表明，梯度配置下尿素与Ca²⁺在各层锯齿状消长更同步，NH₄⁺残留被有效稀释，BC-H缓解了BC-E典型的顶层反应主导、底层响应迟滞现象。再次“Evulsions of CaCO₃”指出，十周期后BC-E6上层CaCO₃达1.379 g/cm³而下层仅0.151 g/cm³，BC-H3形成“中下层富集”（0.687/0.566 g/cm³ vs 上层0.217），BC-H6克服上层优势建立“上渗—中传—下固”协同路径，模拟与实测吻合。模型校核中细菌浓度、CaCO₃含量、渗透率预测均贴近观测值。

讨论与结论翻译：研究人员证实，均匀掺BC虽提升总滞留却放大纵向异质、催生“上密下疏”孔构；梯度BC掺量是简易有效的内部空间调控策略，总掺3 wt%（1.5/3/4.5 wt%分层）取得最高CaCO₃均匀性指数0.71。修订的迁移-反应模型通过显式计入细菌附着、脱附与衰减，准确再现溶液与砂柱演化，具备支持MICP参数筛选与砂土加固工艺设计的预测能力。该研究为MICP砂土改良提供“材料梯度预置+生化过程显式耦合”的双重优化思路，兼具工程均匀加固与环境低扰优势。