بیوژئوتکنیک شاخه ای از مهندسی ژئوتکنیک است که به کاربرد روش های زیستی در مهندسی ژئوتکنیک می پردازد. مزیت اصلی روش های بهسازی زیستی، آلودگی زیستی ناچیز است. روش های بهسازی سنتی مثل تزریق سیمان، تراکم و ... عمدتا برای کاربردهای بزرگ مقیاس مناسب نیستند؛ چرا که نیازمند صرف هزینه و انرژی بسیار زیادی می باشند، نرخ بهسازی محدودی دارند و از موادی استفاده می کنند که مضرات قابل توجهی برای محیط زیست دارد. تحقیقات زیادی در سال¬های اخیر برای یافتن راهی جایگزین برای روش های سنتی انجام شده است. در سالهای اخیر تحقیقات زیادی برای یافتن راهی جایگزین برای روش های سنتی انجام شده است.
اگرچه کاربردهای محتمل زیادی برای این روش ها وجود دارد، در حال حاضر تمرکز اصلی این علم بر روش های سیمانتاسیون زیستی ، کلوخه شدن زیستی ، چسباندن زیستی و آب بندی زیستی است. در زیر شرح مختصری از این روش ها ارائه شده است تا دیدی کلی از تفاوت و تعریف هر کدام به دست آید.
کلوخه شدن زیستی :
تولید مواد پرکننده منافذ خاک به وسیله ی فعالیت های میکروبی با هدف کاهش تخلخل و نفوذپذیری هیدرولیکی خاک.
سیمانتاسیون زیستی :
تولید مواد پیوند دهنده ذرات خاک به وسیله فعالیت های میکروبی با هدف افزایش مقاومت خاک، یکی از زیرشاخه های این روش پایدارسازی خاک به وسیله ی رسوب میکروبی کلسیم کربنات است که به تزریق میکروبی مشهور است.
چسباندن زیستی :
تشکیل زنجیره های سلولی پیونددهنده ذرات خاک به وسیله ی فعالیت های میکروبی با هدف افزایش مقاومت خاک.
آب بندی زیستی :
روش بیولوژیکی گرفتن نشتی در سازه های مرتبط با آب.
از میان روش های فوق، بیشتر مطالعات انجام شده در این حوزه پیرامون روش سیمانتاسیون زیستی می باشد.
رسوب میکروبی کربنات برای ترک گیری بتن، تحکیم ماسه، ترمیم مجسمه های آهکی، بهبود مقاومت فشاری بتن، افزایش دوام بتن، افزایش کارایی استخراج نفت، تصفیه فاضلاب و بهسازی خاک کاربرد دارد.
رسوب میکروبی کربنات به وسیله هیدرولیز اوره به علت فراوانی باکتری های ureolytic در طبیعت، امکان بهسازی خاک بدون اضافه کردن میکروارگانیزم های خارجی را دارا می باشد. علاوه بر این استفاده از میکروارگانیزم ها برای افزایش pH، به علت هیدرولیز تدریجی اوره توزیع فضایی بهتری از رسوبات کلسیت نسبت به اضافه کردن باز حاصل می کند و نرخ و کیفیت رسوب کربنات به آسانی قابل کنترل است.
باکتری های ureolytic به خصوص Sporosarcina pasteurii (Bacillus p.) و Bacillus sphaericus به فراوانی مورد مطالعه قرار گرفته اند. این میکروارگانیزم ها در محیط هوازی خارج خاک کشت شده و با محلول اوره و کلسیم کلرید تغذیه می شود. آنزیم اوریاز میکروبی فرایند هیدرولیز اوره به آمونیوم و کربنات را کاتالیز می کند:
CO(NH2)2 + 2 H¬2O → 2NH4+ + CO32-
ین های کربنات در حضور ین کلسیم به شکل بلورهای کلسیک کربنات رسوب می شوند و باعث ایجاد پیوند سیمانی بین دانه های ماسه می شود:
Ca2+ + CO32-→ CaCO3(s)
محلول باقیمانده حاوی آمونیوم کلرید است که به دلیل اثرات منفی زیست محیطی و امکان ایجاد اکسیداسیون آمونیوم و در نتیجه حل شدن رسوب کلسیم کربنات ، باید از بین برود.
معایب و محدودیت های سیمانتاسیون زیستی
سرعت کم فرایندهای میکروبی در بهسازی خاک نسبت به تزریق مواد شیمیایی یکی از معایب این روش ها می باشد. از سوی دیگر طراحی این فرایندها با پیچیدگی های بسیاری همراه است، چرا که فعالیت میکروبی به عوامل محیطی زیادی از جمله دما، pH، تمرکز الکترون دهنده ها و الکترون گیرنده ها و تمرکز و نرخ پخش مواد غذایی و محصولات سوخت و ساز وابسته است. در طراحی کاربردهای میکروبی سیمانتاسیون زیستی نه تنها باید به خصوصیات خاک و محتویات محیط تزریق دقت شود بلکه باید جنبه های میکروبیولوژیکی، بوم شناسی و ژئوتکنیکی مساله نیز در نظر گرفته شود. طراحی فرایندهای سیمانتاسیون زیستی نیازمند اطلاع از فرایندهای زیستی (رشد، بیوسنتز، تجزیه ی زیستی، اکسیداسیون زیستی و فعالیت هاب به خصوص آنزیم ها)؛ معادلات شیمیایی همراه با تشکیل مواد غیرمحلول؛ و فرایندهای فیزیکوشیمیایی از قبیل رسوب، کریستالیزه شدن و چسبندگی (کشش سطحی) می باشد.
اولین کاربرد تزریق میکروبی در هلند: سیمانتاسیون شن برای پایدارسازی گمانه. در تصویر 6 چاه تزریق و 14 چاه استخراج در اطراف آن در محدوده ای 24 در 4 متری نصب شده است
مقایسه مقاومت ژئوالکتریکی قبل (شکل بالا) و در حین عملیات (شکل پایین) محدوده تقریبی متاثر از تزریق میکروبی. تزریق محلول فرعی با غلظت نمک بالا باعث کاهش مشهود مقاومت الکتریکی از 120 اهم (آبی تیره) به 2 اهم (بنفش) شده است.