Comprehensive Analysis of Biological-Chemical-Hydraulic-Mechanical Processes involved in Microbially Induced Calcite Precipitation for Optimal Treatment Design

ABSTRACT: Microbially induced calcite precipitation (MICP) can offer a promising, eco-friendly approach for ground improvement by harnessing the metabolic activities of micro-organisms to produce bio-cement, a natural binding agent. The MICP procedure and the resulting bio-cement production are governed by complex coupled biological-chemical-hydraulic-mechanical (BCHM) processes, which are sensitive to several parameters. This study presents a new in-depth parametric study using a fully-coupled BCHM finite element model to evaluate the impact of three key parameters on bio-cementation, including injection rate, intrinsic permeability, and initial concentrations of chemicals. Results indicate that the injection rate exerts the greatest influence on bio-cementation. Calcium carbonate precipitation is particularly sensitive to the initial urea concentration, highlighting urea’s critical role as the primary reactant driving the biochemical processes involved.

RÉSUMÉ: La précipitation de calcite induite par les micro-organismes (MICP) constitue une approche prometteuse et écologique pour l'amélioration des sols, en tirant parti de l'activité métabolique des micro-organismes pour produire un bio-ciment, un agent liant naturel. Le processus de MICP et la formation du bio-ciment qui en résulte sont régis par des interactions complexes et couplées entre phénomènes biologiques, chimiques, hydrauliques et mécaniques (BCHM), sensibles à plusieurs paramètres. Cette étude présente une nouvelle analyse paramétrique approfondie, basée sur un modèle aux éléments finis entièrement couplé BCHM, afin d’évaluer l’impact de trois paramètres clés sur la biocimentation : le débit d’injection, la perméabilité intrinsèque et les concentrations initiales des réactifs. Les résultats indiquent que le débit d’injection exerce l’influence la plus marquée sur la biocimentation. La précipitation du carbonate de calcium se révèle particulièrement sensible à la concentration initiale en urée, soulignant le rôle essentiel de l’urée en tant que réactif principal dans les processus biochimiques mis en jeu.