Центр Мой бизнес Республики Калмыкия

ОТБОР В ПРОГРАММУ «УМНИК»

Новости / Республика Калмыкия

О проекте Петренко Дарьи

01.08.2021

Петренко Дарья Максимовна – выпускница аграрно-технологического института РУДН.
MICP( микробно-индуцированное карбонатное осаждение) как перспективный способ укрепления почвы в сфере геопластики.

E-mail: petrenkodaria4@yandex.ru

Биоцементация — это технология стабилизации почвы в геотехнических целях, в которой используется микробиологическая активность, улучшающая технические свойства почв. Одним из методов стабилизации почвы является выпадение микробно-индуцированных кальцитовых осадков (MICP), который известен как "биоцемент". Этот метод использует метаболизм бактерий для образования кальцита (〖CaCO〗_3), который связывает частицы почвы вместе, что приводит к повышению прочности и жесткости почвы. Биоцемент является экологически чистым продуктом и может стать лучшей альтернативой химическим цементирующим материалам, таким как известь или цемент. Тем не менее, еще предстоит решить множество задач в будущих исследований, прежде чем этот многообещающий метод будет реально применен на практике. В этой статье описываются и объясняются некоторые существенные химические и физические факторы, влияющие на обработку почвы биогрунтом, а также обсуждаются возможные варианты применения биомассы в геотехнической инженерии.
С целью применения технологии MICP в полевых условиях было проведено исследование физических и химических факторов, влияющих на активность уреазы. Исследование проводилось на трех типах почв: каштановых, серых-лесных и черноземах. Выбор почв для исследования был обусловлен показателями: пористость почв, проницаемость и количество фракций песка в почвенных горизонтах.
Было установлено, что MICP индуцированный гидролизом мочевины, является самой быстрой и эффективной реакцией для получения кристаллов 〖CaCO〗_3. Общий принцип управляемого гидролиза MICP для цементации и стабилизации почвы можно описать следующим образом. Био-цементация почвы достигается путем транспортировки (инъекции, промывки или просачивания) химических реагентов (т.е. мочевины и 〖CaCl〗_2) и уреалитических бактерий в места, где требуется укрепление. Уреалитические бактерии катализируют гидролиз реакции карбамида и вырабатывают ионы аммония и карбоната. Образовавшиеся ионы карбоната вступают в реакцию с ионами кальция, часто хлоридом кальция (〖CaCl〗_2), и образуют кальцитовые осадки по всей матрице почвы. Микробиологически индуцированные кристаллы кальцита связывают соседние частицы почвы, повышая прочность на сдвиг и жесткость почвы при сохранении высокой проницаемости. Активные бактерии с высоким содержанием уреазы обычно культивируются в стерильных условиях для обеспечения постоянной уреазной активности. После культивирования бактерии с высокой уреазной активностью вносят вместе с цементирующим раствором в почву при помощи поверхностной фильтрации.

В рамках исследования был проведен ряд экспериментальных испытаний для определения оптимальной активности уреалитических бактерий (S. pasteurii) с использованием различных параметров температуры, pH, инкубационного периода и концентрации мочевины. Кроме того, был проведен лабораторный биоцементный тест in vitro с использованием процесса MICP для изучения возможности его использования в укреплении и стабилизации слабоградуированного грунта.
На основе однофакторного метода, использованного для исследования эффекта различных параметров по конкретной активности уреазы, оптимальные температуры инкубации составили 25 °C и 30 °C. Оптимальная исходная среда рН составила рН 6,5, рН 7,5 и рН 8,0. Оптимальная концентрация мочевины варьировалась от 6% (v/v) до 8% (v/v). Более того, уреалитические бактерии показали свой оптимальный инкубационный период в 24 часа. Эти данные свидетельствуют о том, что активность мочевины для веществ была благоприятна при щелочной рН, короткого инкубационного периода и высокой концентрации мочевины. Таким образом, для получения биогрунта необходимо доводить среду почвы до щелочной путем добавления 1М NaOH.

Это требуется для почв ненасыщенных основаниями, таких как серые-лесные почвы, которые имеют кислую среду. В меньшей степени требуют добавление NaOH черноземы, так как обладают нейтральной и слабощелочной средой.
Использование метода фильтрации в качестве недорогостоящего и простого процесса MICP для обработки грунтов с низкой жесткостью показало свою эффективность. Результаты подтвердили, что уреалитические бактерии способны вызывать осаждения карбоната кальция, сопоставимые с показателями контрольного штамма (S. pasteurii DSM 33). При этом есть некоторые различия в эффективности процесса MICP среди образцов, которые были обработаны различными изолятами, бактериальными консорциумами и контрольным штаммом.
Прочность опытных колонн почвенного материала, полученных в результате испытания MICP, была измерена пенетрометром. Результат варьировался между максимальным показателем 700 psi и минимальным 533,33 psi. Это может быть связано с концентрацией бактериальных клеток и уреазой, вырабатываемой микробами.

Результаты испытаний, полученные в ходе настоящего исследования, позволяют считать, что полученные показатели бактериальной активности могут служить отправными для применения процесса MICP с целью укрепления грунтов. В частности, концентрация используемых химических веществ должна быть тщательно выверена при проведении MICP. Для большинства образцов проницаемость была снижена до 10% (для образцов 0,25 М) до 30% (для образцов 1 М) от их первоначального значения. Также было установлено, что чем выше концентрация химического раствора, тем быстрее происходит снижение проницаемости, прежде чем он станет постоянным. В среднем, значение проницаемости перестало снижаться примерно на 3%, 1% и 0,5% для образцов 0,25 М, 0,5 М и 1 М, соответственно. Раствор с низкой концентрацией химических веществ может привести к более равномерному распределению осадков. Однако это означает, что требуется больший объем закачки жидкости по сравнению с использованием раствора с более высокой концентрацией химических веществ, что, в свою очередь, может привести к увеличению эксплуатационных расходов.

Технологии MICP развивается динамично. За первое десятилетие ХХI в она прошла путь от лабораторных испытаний до успешных полевых испытаний. Однако проблема побочных продуктов гидролиза карбамида аммиака и энергии, необходимых для производства химических реагентов (бактерии, ферменты, карбамид, хлорид кальция), остается главным препятствием для их широкого применения в геопластике. Вместе с тем, стоит отметить, что в качестве новой экологичной технологии она обеспечивает многообещающие перспективы. Как природосообразная технология, процесс MICP обладает неоспоримым потенциалом решения современных экономико-технологических проблем в сельском хозяйстве экологически приемлемым путем.