بخشی از مقاله
چکیده
رسوبگذاری زیستی کربنات کلسیم - 1MICP - فرآیند سیمانی شدن زیستی ست که اساس این روش فعالیت میکروبی باکتری های ترشح کننده اوره آز می باشد که اوره را به آمونیوم و سپس کربنات کلسیم تبدیل می کنند و کربنات کلسیم به صورت پلی بین ذرات شن رسوب می کند و در نتیجه آن تخلخل و هدایت هیدرولیکی خاک کاهش می یابد.
این مطالعه به بررسی عوامل مختلف موثر بر مقاومت و هدایت هیدرولیکی خاک های شنی در نتیجه رسوب گذاری زیستی کربنات کلسیم می پردازد. در مطالعه ای که در دانشگاه مرداک استرالیا صورت گرفت، میزان سیمانی شدن در سطح و عمق خاک مورد بررسی قرار گرفت که نشان داد میزان سیمانی شدن سطح نسبت به عمق 80 درصد بیشتر بود.
در مطالعه ای دیگر سرمست و همکاران - - 2013 ، عامل غلظت واکنشگر و زمان واکنش را مورد بررسی قرار دادند که این دو تاثیر معنی داری با سیمانی شدن نشان دادند که با گزارش کاهانی و همکاران - - 2012 مطابقت داشت. در تمامی گزارشات تاثیر سیمان زیستی بر مقاومت و هدایت هیدرولیکی خاک معنی دار بود، اما در همه آنها این میزان یکسان نبود که این مقدار اختلاف می تواند ناشی از بافت خاک، نحوه عمل و طریقه سیمانی کردن ذرات شن، غلظت واکنشگر، زمان واکنش و همچنین گونه باکتری باشد.
مقدمه:
در سال های اخیر استفاده از میکروارگانیسم ها جهت بهبود ویژگی های فیزیکی خاک در سراسر جهان مورد توجه قرار گرفته است که از میان میکروارگانیسم ها باکتری ها فراوان ترین و متنوع ترین شکل از فرایندهای متابولیکی را در روی کره زمین در میان موجودات زنده دارا هستند. سیمانی شدن زیستی1 شامل تولید مواد متصل کننده ذرات خاک از طریق فرایندهای میکروبی به صورت درجا می باشد که در نتیجه آن مقاومت و سختی خاک افزایش می یابد
در سال های اخیر به علت سازگاری زیاد این روش با محیط زیست تحقیقات زیادی در این زمینه انجام گرفته است ، از جمله ابتدا در سال 1999 از این روش به منظور ترمیم بناهای قدیمی از جنس سنگ آهک استفاده شد - Tiano et al - 1999 همچنین مطالعاتی با رویکرد تقویت خاک بر مقاومت فشاری تک محوری2 به دست آمده با استفاده از این روش با تزریق تک فازه تحت فشار بالا در دانشگاه مرداک انجام شد
در سال های بعد بر روی تقویت خاک با شرایط تزریق بهتر و با فشار کمتر مطالعاتی انجام گرفت - . - Al- Thawadi 2008 از جمله موارد استفاده آن می توان به بهبود مقاومت فشاری بتن - Dick et al 2006.Jimenez-bopez 2008 - جلوگیری از حرکت شن های روان - به منظور مقاوم سازی سطحی خاک در مناطقی که در آنها خطر گسترش شن های روان و بیابان زدایی وجود دارد - ، تصفیه فاضلاب - Hammes et al 2003 - ،بهبود خاک - Whiffin et al 2007 . Dejong et al 2010 - ساخت و ساز جاده ها و جلوگیری از فرسایش، بهمن خاک، کاهش پتانسیل آماس خاک های رسی در ساخت و ساز کانال ها ،استخر ها و مخازن ،افزایش دوام آجرها - Sarda et al 2009 - افزایش دوام سازها - Ivanov et al 2008 - و ایجاد استخر های پرورش آبزیان در خاک های شنی - Stabinkov et al 2011 - و همچنین در خاک هایی که مستعد تولید غبار و ریز گردها هستند را با این روش می توان به گونه ای اصلاح نمود که پیامدهای زیست محیطی به حداقل برسد، اشاره کرد. از مزایای این روش نسبت به سیمان های معمولی، نیاز به زمان بسیار کوتاه تر، دمای پایین تر، اثرات مخرب زیست محیطی کمتر، صرف انرژی کمتر و میزان Co2 خروجی کمتر اشاره کرد -
در واقع روش میکروبی اصلاح خاک به طور کلی شامل سه مرحله است:
- 1 اوره توسط اوره آز میکروبی به فرم آمونیوم ویونهای کربنات هیدرولیز می شود
- 2 یونهای کربنات تولید شده با یون های کلسیم واکنش نشان میدهند و به صورت بلورهای کربنات کلسیم رسوب میکنند
- 3 کریستالهای کربنات بصورت پلی بین ذرات شن می چسبند
ایوانو3 و همکاران - - 2015 بیان کردند که رایج ترین نوع سیمان زیستی رسوب میکروبی ناشی از کربنات کلسیم یا به اصطلاحMICP می باشد، توانایی افزایش نیروی برشی و کاهش هدایت هیدرولیکی را با استفاده از فرایندهای بیولوژیکی - رسوب کربنات کلسیم توسط باکتری - دارد - - Martinez et al 2013 و سبب تشکیل مواد کربنات کلسیم معدنی مانند کلسیت و واتریت در سطح ذرات خاک می شود که این می تواند به دلایل زیر باشد:
- 1چسپندگی سلول های باکتری تولید کننده اوره آز - UPB - در سطح ذرات.
- 2ایجاد یک شیب میکروغلظتی از کربنات و pH در محل اتصال سلول ها به علت هیدرولیز اوره توسط اوره آز.
اوره آز آنزیمی ست که توسط طیف گسترده ای از میکروارگانیسم ها تولید می شود زیرا اوره محصول نهایی متابولیسم نیتروژن در انسان و دام است ونقش مهمی در تامین نیتروژن برای میکروارگانیسم ها در طبیعت ایفا می کند. آنزیم دیگری که نقش کلیدی در MICP ایفا می کند کربنیک انهیدراز می باشد که کاتالیزوری برای هیدراته کردن CO2 می باشد.
در واقع سیمان زیستی می تواند به عنوان سیمان زیستی جامد از طریق تامین سوسپانسیون باکتریایی با هم و یا بطور جداگانه با محلول کلسیم و اوره بصورت تزریقی یا نفوذ سطحی و یا اسپری کردن برروی سطح انجام گیرد. مطالعات زیادی در مورد تاثیر رسوب میکروبی کربنات کلسیم - MICP - بر بهبود ویژگی های فیزیکی مواد متخلخل انجام شده است .با توجه به مطالعات انجام شده استفاده از باکتری ها ی اوره آزی جهت افزایش اتصال ذرات در شن ها ی روان بسیار مفید است و می تواند به عنوان یک روش بیولوژیکی بر ای تثبیت شنهای روان در نواحی بیابانی ایران که 20 درصد از مساحت کل کشور را شامل می شوند مورد توجه قرار گیرد.
نتایج و بحث :
سرمست و همکاران - - 2014 تاثیر دو گونه باکتری - sporosarcina ureae، - sporosarcina pasteurii، سه غلظت واکنشگر - اوره +کلسیم کلرید - 0,5 ، 1 و 1,5 مولار را در شش زمان واکنش 12 - ، 24، 48، 192،96، 288 ساعت - بر میزان مسدود شدن و سیمانی شدن زیستی از طریق اندازه گیری هدایت هیدرولیکی اشباع و مقاومت مکانیکی در یک خاک شنی در قالب آزمایش فاکتوریل بررسی کردند، مقایسه دوگونه باکتری نشان داد که استفاده از گونه s.pasteurii نسبت به گونه s.ureae موجب کاهش بیشتر هدایت هیدرولیکی نمونه های تیمار شده 11,57 - سانتی متر بر ساعت - نسبت به تیمار شاهد - 41,61 سانتی متر بر ساعت - گردید.
همچنین افزایش زمان واکنش از 12 ساعت تا 288 ساعت و افزایش غلظت واکنشگر ها از 0,5 تا 1,5 مولار به ترتیب سبب کاهش 49 و 16 درصدی هدایت هیدرولیکی شد. گونه s.pasteurii نسبت به گونه s.ureae مقاومت نمونه های تیمار شده را تا فشار 2/6 مگاپاسکال افزایش داد. غلظت واکنشگر ها و زمان واکنش باعث افزایش معنی دار مقاومت خاک شد - به ترتیب 2,13 و 4,1 مگاپاسکال - ، رسوب میکروبی کربنات کلسیم با استفاده از میکروسکوپ پتروگرافی در مقاطع نازک گونه s.pasteurii مشاهده شد، که این رسوب با پر کردن منافذ و اتصال ذرات خاک به یکدیگر موجب کاهش هدایت هیدرولیکی وافزایش مقاومت خاک شده است.
چنگ و همکاران - 2012 - 1 تاثیر نفوذ سطحی2 و جریان غرقاب3 سیمان زیستی را در دو خاک اشباع و غیراشباع در ستون هایی به قطر 4,5 سانتی متر و ارتفاع 30 سانتی متر و1 متر با تعداد لایه های مختلف - 2 تا 12 لایه - در 3 تکرار مورد آزمایش قرار دادند ،آنها غلظت آمونیاک کل ، زی توده ،میزان فعالیت اوره آز ،حجم کربنات کلسیم ،نفوذ پذیری ،مقاومت فشاری محصور نشده و اسکن میکروسکوپ الکترونی4 را اندازه گیری کردند. آنها دو ستون 1 متری
