微生物抑塵技術在溧陽焦尾琴旅游綜合體隧道應用

潘旭輝，史奇彬，趙蔚蔚，王芮文，3

(1.溧陽市交通工程建設事業發展中心，江蘇 常州 213000；2.江蘇森淼工程質量檢測有限公司，江蘇 鎮江 212028；3.江蘇省交通技師學院，江蘇 鎮江 212028)

1 前 言

近年來，環境保護政策深入人心，環境問題也得到廣泛關注。空氣污染是環境保護體系中最重要的監測對象之一。研究表明，揚塵對空氣中顆粒物的年分擔率為20%左右[1]，是構成空氣污染極其重要的因素之一。對于揚塵所造成影響很多，比如(1)由于風的吹拂作用將塵土顆粒分散到空氣中，并隨空氣流動，這些帶著各種病菌的塵土顆粒，一旦被吸入人體，可能引起諸多疾病，嚴重危及人體健康[2]。(2)揚塵會改變一定范圍內的氣候狀況。由于引起大氣層熱效應，極容易引發氣候異常現象，同時，會增加空氣霧霾的風險，還會出現酸雨以及光化學煙霧等環境污染問題。揚塵的出現，會大大降低能見度，空氣質量難以保證[3]；揚塵飄落在房屋、路面、橋梁以及綠色植物上，不僅僅會影響美觀，還可能會導致綠色植物無法有效地進行光合作用而致死。

以往追求經濟發展和社會發展而忽略環境的思維已經改變，習近平總書記提出的既要金山銀山，又要綠水青山的理念已經貫穿經濟發展的全過程，交通建設也不例外，在交通基礎設施建設中，施工現場揚塵控制已經成為項目管理的一項重要內容和社會各方重點關注的焦點。本研究以溧陽焦尾琴隧道旅游綜合體為例，研究微生物抑塵法的材料特性及其使用效果。

2 微生物抑塵法

2.1 微生物抑塵法研究背景

隨著人們對環境的要求越來越高，對環境污染問題越來越重視，在環保部門加大整治力度的同時，科研院所等研究機構對揚塵危害及防治技術進行了廣泛探索。目前，對于揚塵的防治手段較少，仍然采用傳統的噴霧法、覆蓋法、擋風阻風法、網格防護法等方法，近年來，由于新技術的出現，土壤固化法也隨即成為潮流處理技術。在這些處治方法中，噴霧法因用水量巨大，造成浪費嚴重，其方法已經逐漸退出；而覆蓋法、擋風阻風法以及網格防護會增加大量的處理成本，效率低下，材料用量大，后期處理難度大，而且，這些方法對于已經散落在空氣中的揚塵無法吸附，而在公路工程建設中，通常每天都會產生大量的揚塵，這種方法顯然效果甚微；土壤固化抑塵技術是利用材料的粘聚力，制成物化抑塵劑，將抑塵劑拌和至揚塵發生體中并與之結合，形成膠結物或表面硬殼性，從而抑制塵土飛揚。此技術對揚塵有較好的抑制性，研發以來受到廣泛關注。然而，這種處理方法中使用的材料品牌雜亂、成本高，有些抑塵物質中還有腐蝕性和毒性充分，且這些有害成份降解困難，極易導致對土壤和空氣的二次污染[4]。故此，需要一種能有效降解、對環境無破壞以及抑塵效果又好的新材料和技術對揚塵進行有效處理。而微生物抑塵法就是在這一背景下產生和發展起來的具有前沿性的抑塵處理方法。

2.2 微生物抑塵原理

微生物抑塵原理的實質是利用微生物誘導沉積作用讓一些特定的微生物誘導礦化沉積成具有強粘結性的礦物質，這些礦物質與微塵顆粒結合而生成較大的顆粒體，從而改善土體的硬度、強度和風蝕度等[5]。這種微生物與微塵形成的具有一定強度的微顆粒體也稱為微生物水泥。這些利用微生物誘導礦化沉積作用生成的微生物水泥有非常良好的環境適應性，而且生產周期短，效率高，強度控制措施簡單。

本世紀初，東南大學圍繞微生物礦化建筑材料開展了系統深入的研究，形成了產業化和工程應用技術，推廣應用于揚塵治理、鋼渣處置、土壤重金屬鈍化等環境領域及自修復混凝土、裝配式建筑部品、清水混凝土等建設工程。在揚塵抑制方面，積累了豐富的經驗，相關研究成果已經在一些領域內得以實踐應用。

揚塵是造成空氣污染極其重要的因素之一，危害人類健康、影響空氣質量、影響城市景觀和植物生長，同時會阻礙植物光合作用，破壞生態平衡。將微生物抑塵劑用于建筑工地施工現場、沙漠治理、碼頭港口堆場等，可將松散介質膠結成具有一定力學性的一個整體，從而達到抑塵目的。

2.3 微生物抑塵法的基本材料

微生物抑塵法揚塵處理方案是利用微生物抑塵劑誘導礦化沉積的特性使微生物沉積物與土固化成具有強度的顆粒體從而達到抑塵目的，此方法起主要抑塵作用的材料是微生物抑塵劑中的活性物質[6]。微生物抑塵劑是微生物誘導礦化沉積具有一定膠凝特性的礦物，該礦化可將松散顆粒膠結成為一個整體，有效改善土體的工程性質。

微生物為遴選自廣泛分布在土壤或巖石中的一類芽孢桿菌，革蘭氏染色為陽性菌，菌落表面粗糙不透明，污白色或微黃色，生長繁殖能力強。用微生物材料在建筑工地施工現場、沙漠、碼頭港口堆場的表層噴灑，可形成具有一定厚度、一定力學性能的膠結體，從而實現抑塵目標。

2.4 抑塵劑質量指標

抑塵劑按微生物形態可分為液態抑塵劑和固態抑塵劑，分別用代號YT和GT表示。微生物抑塵劑的各項物理特性歸納匯總見表1，技術指標見表2。

表1 微生物抑塵劑的物理特性

表2 微生物抑塵劑技術指標

根據微生物抑塵法的常規處理工藝，還可將抑塵劑分成噴灑式抑塵法和拌和式抑塵法兩種。抑塵劑材料的標記方法為：如果微生物抑塵劑的形態為液態，施工處理工藝為噴灑式抑塵法，固結層厚度為10.0 mm，此時，將其標記做YT-PS-10.0；如果微生物抑塵劑的形態為固態，施工處理工藝為拌合式抑塵法，固結層厚度為10.0 mm，此時將其標記做GT-BH-10.0。

2.5 微生物抑塵法技術要求

在容易揚塵的環境中，將液態微生物抑塵劑噴灑于揚塵發生體表面，經養生后，微生物抑塵劑與揚塵發生體固結，或者將固態抑塵劑與揚塵發生體按一定比例拌和，經養生后，微生物抑塵劑與揚塵發生體固結，這種方法，叫微生物抑塵法。

用微生物抑塵法處理的土體或抑塵發生體，當由松散變為凝結體后，其性質發生了改變，所形成的固結層需具有一定的厚度、硬度、強度、抗風蝕性和抗雨水沖刷性，其基本要求應符合表3。

表3 微生物抑塵固結層性能統計方法評價指標

3 溧陽焦尾琴旅游綜合體隧道微生物抑塵方案選擇

3.1 溧陽焦尾琴隧道環境簡介

溧陽焦尾琴旅游綜合體隧道項目路線起于104國道與長山路交叉口，向北以隧道形式穿越西圣山后，終于平陵西路與泓盛路交叉口，路線全長1.70 km，其中一般路段長1.07 km，隧道段長0.63 km。根據現場外業調查成果及相關意見，焦尾琴隧道路線主要控制因素為現狀道路104國道和平陵西路、規劃焦尾琴公園等。

本隧道按小凈距形式進行布置，左右洞凈距約17～24 m。其中，隧道左線長630 m，右線長625 m，屬于中隧道，最大埋深約62 m。按設計速度為60 km/h的雙向四車道城市主干路標準設計，隧道單洞建筑限界凈寬為10.0 m，凈高為5.0 m，全隧道共設置1處車行橫洞和1處人行橫洞。

隧道所處位置為巖質土，周圍為細粒土，易揚塵。

3.2 生物抑塵劑的選用

固體抑塵劑一般用于顆粒較大的土壤，且經拌和使用。液體抑塵劑一般用于細粒土，可以按一定比例噴灑于土體表面。焦尾琴旅游綜合體隧道附近揚塵主要來自與開挖后的粉塵以及沿線便道的灰塵，而便道經過的位置為細粒土，易揚塵，因此，選擇液體抑塵劑進行施工。

3.3 抑塵劑室內基礎試驗

微生物抑塵劑必須滿足質量要求，保證抑塵效果，因此，對抑塵劑應進行全面性能試驗。

外觀與感官特征測定。把微生物抑塵劑處理樣品放置于透明玻璃器皿中，并透過光亮仔細查看其顏色、光澤以及摻雜物情況，并辨識其氣味。經觀測查驗，外觀與感官特征滿足產品質量要求。

微生物測定。取10 g液體微生物抑塵劑溶于100 ml去離子水中制備微生物菌液，再分別稀釋至原來濃度的1/10、1/102、1/103、1/104、1/105、1/106，把微生物真菌溶液稀釋后，各取1 mL然后加入瓊脂培養基液，放置在除去細菌的表面器皿中培養。待表面皿上菌液明顯可見時，可根據菌落個數來推算原始菌液中活菌的個數。

在進行試驗時，把已經活化的微生物菌株從表面器皿中接種到培養基液里，并且把最先的pH調整到7.0，在連續振蕩器中培養24 h，直到培養基液由清澈變為混濁為止。取1 mL培養好的菌液置于無菌試管中，稀釋至初始濃度的1/107，取其中0.1 mL加入固體培養基并置于無菌表面皿中，繼續培養至出現明顯菌落，根據菌落個數推算得出原始菌液濃度。

本試驗得到的結果是樣品微生物數量為1.0×107CFU/ml。滿足要求。

鈣源濃度測定。試驗在封閉環境下進行，取質量為μ(一般取100 g)液體微生物抑塵劑溶于100 ml去離子水中制備鈣源溶液，通過滴定方式向溶液中滴加碳酸氫鈉溶液，直至不產生白色沉淀為止，碳酸氫鈉可以過量。對產生的白色沉淀物進行漂洗、濾紙過濾、并烘干，稱量其不含水的質量，記為m。按式(1)計算鈣源濃度

(1)

式中，n為鈣源濃度，mol/g；m為白色沉淀物碳酸鈣的無水時質量，g；MCaCO3為碳酸鈣單位物質的無水時摩爾量，g/mol。

經測定，本產品的鈣源濃度為0.43 mol/g，符合要求。

pH值測定。pH值測定時，應按《膠黏劑的pH值測定》(GB/T 14518)給定的方法進行樣品的準備，采用酸度計測定樣品的pH值。實測pH值為7.5。滿足要求。

腐蝕性測定。按國家標準《硫化橡膠或熱塑橡膠耐液體試驗方法》(GB/T 1690)給出的腐蝕性試驗的方法，測試出抑塵劑的滲透系數，經測試，滲透系數為1×10-8，滿足要求。

皮膚刺激性測定。按GB/T 21604規定的方法進行測試，皮膚刺激性等級為1.5，符合標準要求。

急性經口毒性試驗。根據GB15193.3進行急性毒性試驗。經測定，動物每千克體重用藥量為113 mL/kgBW才出現中毒現象，滿足要求。

3.4 現場試驗方法

在距隧道開挖面外300 m范圍內進行土壤或土層調查，取典型土壤編號面作為試驗段，噴灑液體微生物抑塵劑，檢測處理路段固結層厚度、硬度、強度。

把液體微生物抑塵劑按一定比例稀釋后，利用機械設備緩慢均勻地噴灑在土壤表面，應適當養護后會形成一層表層非常致密的殼，稱為固結層。而固結體的測量厚度是有效評價抑制揚塵效果的主要參數。測量固結體表層固結厚度使用的主要工具是游標卡尺，其精度較高，可以精確地測量厚度。參考GB/T12334中厚度測量方法，首先選取試模中心測量點，以該測量點為圓心、半徑50 mm做圓形，在該圓形上等距離選取8個點，同時測量中心點及圓形上8個點的厚度，取其平均值作為該固結體的厚度。

固結體表層硬度是有效評價抑塵法效果的又一項參數。這個參數采用邵氏硬度計檢測。其方法是將硬度測試器平行壓在試件的上部，直到硬度器底面和試樣表面全部接觸，此時，指針所對準的刻度就是該試樣的邵氏硬度值，為了使測試結果穩定、可靠，必須保證其測試精度，多次測量的位置需有一定的間隔。

固結體表層強度是評價抑塵效果的另一項重要指標，其測試方法是采用高精度低量程的伺服式電腦控制萬能試驗機進行，萬能試驗機測量精度為Ⅰ級，試驗采用位移控制，加載的速率必須小于每分鐘1 mm。樣品底部支撐點必須采用球形支架以減小測量偏差，在放置樣品時，需調整角度偏差，使得樣品軸線與受力方向一致。

抗風蝕性測定。將微生物抑塵劑固結松散介質形成固結層稱重，記為W1，隨后將固結層放入風洞試驗機中，設置吹蝕風速為12 m/s、角度為0°吹角、吹蝕時間為1 h，風洞試驗結束后對固結層稱重，記為W2。抗風蝕性可按公式(2)計算

(2)

式中：E1是處理范圍內，單位面積固結層的風蝕量，g/m2；W1為固結體在風洞試驗前測量的質量，g；W2為固結體在風洞試驗后材料的質量，g；S為風蝕盤的面積，m2。

抗雨水沖刷性測定。將微生物抑塵劑固結松散介質形成固結層稱重，記為W1，隨后將固結層放入人工模擬降雨系統中，設置降雨強度為2 mm/h、角度為0°、時間為1 h，隨后將固結層置于烘箱60 ℃條件下烘至恒重，重量記為W3。按公式(3)計算抗雨水沖刷性

(3)

式中：E2為單位面積固結層的雨水沖蝕量，g/m2；W3為抑塵處理路段，抗雨水沖刷試驗前固結體稱量的質量，g；W4為抑塵處理路段，抗雨水沖刷試驗后固結層稱量的質量，g；S2為抑塵處理路段雨水沖刷的面積，m2。

4 微生物抑塵施工

4.1 材料進場檢驗

微生物抑塵劑在進場后，必須進行試驗檢測，檢驗項目包括外觀與感官特征、微生物、鈣源、pH值、腐蝕性、皮膚刺激性、急性經口毒性等。同一品種的固態微生物抑塵劑按每進場100 kg檢測一次，不足100 kg時，按100 kg計；液態微生物抑塵劑進場按每1 m3檢測一次，不足1 m3時，按1 m3計。

固態、液態微生物抑塵劑的外觀質量應逐袋、逐桶檢查，其他出廠檢驗項目隨機抽取，試樣的抽取位置應分布整個生產批次。

判定與復驗規則。按各指標參數重要性判斷材料是否合格：(1)如果外觀質量與規范要求不一致，可判為產品缺陷；(2)抑塵劑中的微生物、鈣源指標如果出現不合格，則該批次不合格；(3)pH值、腐蝕性、皮膚刺激性、急性經口毒性中如果有一項指標檢測結果出現不合格，則判定不合格。如果檢測其它性能結果有某一項或一項以上不合格，應中加倍抽樣復檢，復檢仍有不合格，則判定不合格。

微生物抑塵劑需進行單元包裝，其包裝標志中，必須體現如下信息：(1)廠家(2)標記(3)批號及生產日(4)顏色(5)商標(6)數量(7)合格證。

4.2 施工

以微生物抑塵劑與水的質量比例1∶50配合形成溶液，沿隧道周遭進行噴灑，噴灑遍數為2遍。

4.3 現場檢測驗證

(1)試驗數據

在微生物抑塵劑進場之初，都已經做了大量的試驗，技術要求中，微生物、鈣源、pH值、腐蝕性、固結層厚度、硬度、強度、抗風蝕性、抗雨水沖刷性能等指標均滿足規范要求。

抑塵法施工完成后，在隧道位置附近的典型位置取樣進行固結層硬度、固結層的強度、抗風蝕性能等試驗。

針對焦尾琴隧道附近復雜的土壤情況，對施工的不同地點采集經處理的土壤進行驗證，固結層硬度、強度和抗風蝕性各取13個數據進行試驗，得到的結果及平均值見表4。

檢測標準為固結層硬度平均值統計數據Y0≥18°、強度平均值統計數據Q0≥0.4 MPa、風蝕量平均值統計數據F0≤25g/m2。用假設檢驗的方法進行分析是否符合規范要求。

表4 驗證試驗結果

(2)假設檢驗

因規范規定，固結層硬度、強度平均值、風蝕量均是以統計方法給出的規范，因此，必須對試驗結果進行統計判斷，本研究主要基于假設檢驗技術分析微生物抑塵劑是否合格。

采用假設檢驗進行結果判斷，設風蝕量試驗均值為F，固結強度試驗均值為Q，固結應對的均值為Y。建立原假設和備擇假設，通過Minitab軟件[7-9]運算得到的結果如表5。在輸出結果中，如果P值>0.05，則接受原假設，否則應拒絕原假設[10-11]。以F與F0均值對比為例，Minitab假設檢驗輸出結果的P值=0.027<0.05，說明原假設中，加入微生物抑塵劑后的風蝕量F與規定值F0不相等，因此，拒絕原假設，選擇備擇假設，即加入微生物抑塵劑后的風蝕量F比規定值F0還要小，因此得出合格結論。

經統計推斷，各項指標均合格，見表5。

表5 法均值假設檢驗過程及結果輸出表

5 結 語

微生物抑塵法經驗證是一種良好的揚塵處理方法，其效果明顯，成本低廉。微生物抑塵劑主要用于建筑工地施工現場揚塵控制、沙漠治理、碼頭港口堆場粉塵抑制，有良好的使用推廣價值。僅以2021年我國建筑工地使用抑塵塑料網為例，2021年全國使用抑塵塑料網1.4×10 m2，如全部使用微生物水泥，以每平米材料節約費用3元計算，可節約材料費超過40億元，經濟效益顯著。