新兴绿建筑技术:微生物仿生矿物沉积技术


前言

温室效应与全球气候变迁等全球暖化问题已受到国际重视, 1997年联合国气候变化委员会签署「京都议定书」限制各国降低二氧化碳排放量,进行二氧化碳减量管制,其后各国陆续推动年度减量措施。台湾也宣示全面推动绿建筑政策,永续绿建筑于近年逐渐受到国人重视,其中基地保水指标更是绿建筑重要的一环。基地保水性能是指建筑基地内自然土层及人工土层涵养水分及贮留雨水的能力,其保水性能越高,即表示其涵养雨水的能力越好,有益于土壤内的微生物活动,亦可改善土壤的活动,维护自然生态与环境平衡。[1]现阶段各个新兴建筑皆以土壤压实后铺植地砖取代传统水泥灌浆来达到生态环境平衡的效果,但经连日雨水侵蚀使其强度减弱,使土壤需要重新压实,并增加土壤强度,故微生物仿生矿物沉积技术成为新的选择。图一所示为土壤侵蚀后强度减弱,导致地砖凹凸不平情形。

新兴绿建筑技术:微生物仿生矿物沉积技术

图一 土壤侵蚀后强度减弱示意图

微生物仿生矿物沉积技术

微生物碳酸钙沉澱是一种生物性诱导碳酸钙沉澱之原理,依据微生物的活性,在钙离子充足的环境条件下既可发生碳酸钙沉澱之现象。微生物仿生矿物沉积技术是将畜牧废弃物当成探源,以微生物Bacillus pasteurii (B.P)诱导碳酸钙沉积,使土壤固化,其反应方程式如下:

CO(NH2)2 + 2H2O → 2NH4+ + CO32−

Ca2+ + CO32− → CaCO3 ↓

此细菌在新陈代谢时产生尿素酶,可分解尿素产生铵离子及碳酸根离子。分解出的碳酸根离子再与土壤中的钙离子发生反应,产生碳酸钙沉澱,称之为微生物诱导碳酸钙沉积 (microbial induce calcium participation, MICP),它是一种新颖的及环境友好型生物技术 [2]。此方法可使原本鬆散的土体结构,胶结成具有力学性质的土体,不仅土体强度增强,也保有土体原有的渗透性[3]。相较于传统的水泥灌浆,将基地之土壤挖除并灌入化学性碳酸钙,使其丧失良好的吸水、渗透、保水能力,并破坏土体中之生态环境,微生物仿生矿物沉积技术在土壤中加入尿素并使用B.P菌产生生物性碳酸钙,利用碳酸钙结晶将土壤中之颗粒胶结,产生类似砂岩的材料特性,使土壤中的孔隙依然能进行呼吸作用,故不影响其透水及保水能力,且可维持土壤中之环境生态。

微生物仿生矿物沉积之应用

微生物仿生矿物沉积技术之应用如图二所示:

(1)   绿建筑基地土壤强度

如本篇所述,绿建筑之基地土壤经雨水侵蚀后其强度减弱,使土壤需重新压实已增加土壤强度。应用微生物仿生矿物沉积使土壤与碳酸钙结晶产生胶结,增强土壤强度,可以减低土壤重新压实之频率。

(2)   地质敏感区土壤固化

台湾位在地震活跃区,许多地方常发生土壤液化、喷砂等状况。运用微生物仿生矿化技术使土体固化,可有效减低地质灾害的发生。

(3)   微生物土壤复育

在发生土壤所添加之B.P菌进行生物矿化时,污染物被当作电子供给者或电子受者进行利用,可将土壤中之有机汙染物氧化产生水与二氧化碳,达到土壤复育效果。

(4)   混拟土强度的增强

在製作混拟土若加入B.P菌,可使混拟土内之孔隙减低及其透水性降低,修补裂缝,并可增加混拟土之强度。

新兴绿建筑技术:微生物仿生矿物沉积技术

图二 微生物仿生矿物沉积技术之应用

参考文献

[1]内政部建筑研究所绿建筑标章

[2] Whiffin, V.S., 2004. Microbial CaCO3 precipitation for the production of biocement.Ph.D thesis. Murdoch University, Perth,Western Australia,p. 2, p. 4., p. 13

[3] DeJong, J. T., Fritzges, M. B., and Nüsslein, K. (2006) Microbially induced cementation to control sand response to undrained shear. J. Geotech. Geoenv. Eng. 132, 1381-1392.