基于MICP 的固化粉塵微生物抑塵劑試驗研究

高廣義

（中鐵隧道勘察設計研究院有限公司，廣東 廣州 511458）

露天煤礦生產中產生的粉塵對礦區環境、職工健康、作業效率和安全生產經營造成了極大的影響，制約著我國露天煤礦的發展，同時影響我國綠色礦山的生態文明建設[1]。因此，粉塵防治成為礦區安全、健康、綠色生產的重要需求。目前，國內外常用濕式抑塵技術來達到露天煤礦抑塵的目的，譬如噴霧除塵、濕式除塵器等。但煤塵和巖塵都有一定的疏水性，導致水難以快速有效地進行捕捉，導致抑塵效果并不明顯。抑塵劑可增強水對煤塵的濕潤、黏結和保水的功能。但是部分抑塵劑制品或原材料具有一定的揮發性、毒性等特性，會危害人類和環境。因此，研制新型環保的高效抑塵劑成為粉塵治理的熱點之一。

傳統型的抑塵劑主要分為4 種類型：潤濕型抑塵劑、黏結型抑塵劑、凝聚型抑塵劑、復合型抑塵劑。早期化學抑塵劑是以潤濕型和黏結型化學抑塵劑為代表，對控制粉塵的污染起到了很大的作用，但存在成本高、易造成二次污染等缺點。隨著化學抑塵劑向環保、功能多元化發展，其抑塵效果也得到了提高。曹麗瓊等[2]成功地從廢棄的可口可樂瓶中提取乙二醇，并開發了一種環保性的粉塵抑制劑；梁文俊等[3]利用農用秸稈作環保抑塵劑，試驗證明，這種抑塵劑對粘黏微粒有很好的抑制作用，有很好的推廣應用前景；李斌等[4]將明膠與殼聚糖交聯，采用的交聯劑是轉谷酰胺酶，并與十二烷基磺酸鈉協同反應，研制出一種環保抑塵劑；曹水靜等[5]利用十八醇與玉米淀粉進行接枝反應，合成了一種新型的泡沫降塵劑。隨著聚合物材料的迅速發展，聚合物抑塵劑的生產成本持續下降，聚合物抑塵劑得到了廣泛的應用。陳曦等[6]研究了表面活性劑溶液濃度和表面活性劑類型對相互作用力的影響；楊樹瑩等[7]選擇了瓜爾豆膠聚合物單體作大分子抑塵劑，并對其進行了試驗，證明其對粉塵的抑制作用顯著，是一種原材料易得，環保高效的抑塵劑。

已有研究表明：微生物礦化即微生物誘導碳酸 鈣 沉 淀（microbial induced calcite precipitation，MICP）是一種普遍的自然現象，微生物可以通過自身的代謝作用來改變礦物的沉積狀態，從而加速沉淀，使煤顆粒發生膠結，提高煤體的物理機械性能[8]。微生物會在煤層顆粒的表面上進行吸附，從而使礦物結晶能夠在煤層的顆粒表面生長，產生膠結作用，然后是在微生物的表面上形成碳酸鈣結晶[9-10]。碳酸鈣逐漸在煤粉表面沉積，從而達到抑制煤塵的目的。錢春香等[11]將菌液和營養鹽注入松軟砂土，通過微生物的礦化，能夠快速沉淀在沙粒間的方解石，從而改善土壤的物理機械性能，這種方法可以有效地改善地基的強度、剛度和抗液化能力，在地基加固方面具有很好的應用前景；王安輝等[12]通過對建筑粉塵顆粒環境下微生物的篩選，從微生物抑塵劑的制備、性能測試和大規模應用等幾個方面入手，為其進行大規模推廣提供了有效的指導；OKWADHA 等[13]、Al Qabany 等[14]發現，細菌濃度、膠結液濃度、環境pH、環境溫度等因素都會影響微生物活性，從而影響沉淀后的碳酸鈣的質量；KEYKHA 等[15]通過設置不同范圍的菌液pH 值，探究不同細菌對pH 值的敏感性不同，實驗證明，巴氏芽孢桿對酸堿性環境具有良好的耐受性，在pH 為6～9 范圍內能保持較好的生長及脲酶高活性狀態。

MICP 固化煤粉是一種十分復雜的生化反應，反應時間、細菌數量、活性、環境條件（pH、溫度）等因素均會對其產生影響。該反應產物無毒，且具有良好的黏結性能，但其在煤礦現場的應用效果卻不太理想，主要原因是：①研究的成果沒有考慮到環境因素的影響；②缺乏微生物抑塵劑成分的優化配比，這極大地限制了微生物抑塵技術在煤炭行業的開發和應用。鑒于此，基于MICP固化粉塵技術，分析環境因素（溫度、pH）對巴氏芽孢桿菌生長的影響，通過測定CaCO3的產量來評估細菌濃度、膠結液濃度和營養液濃度對固化效果的影響，進而開展MICP 微生物抑塵劑成分優化研究，以期為該技術在露天煤礦排土場粉塵治理提供理論依據和技術支持。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

研究所用巴氏芽孢桿菌凍干粉（Sporosarcina pasteurii）（編號為ATCC 11859）購買于上海北諾生物科技有限公司。培養基是指將多種營養物質混合在一起，從而為微生物提供營養，促進其生長和繁衍；利用蛋白胨培養基進行培養，以酪蛋白胨、大豆蛋白胨、氯化鈉、尿素等為主要成分，純水為溶劑，pH 值調為7，其中瓊脂僅在固體培養基中添加；試驗中以純水為溶劑，將營養物質與培養基的溶質完全溶于水中，使之成為混合液，所用的純水來自超純水機（北京湘順源科技有限公司，型號XYE2-60-H）。巴氏芽孢桿菌培養基成分見表1，各成分消毒方式：尿素采用過濾，其余采用高壓蒸汽滅菌。

表1 巴氏芽孢桿菌培養基成分Table 1 Ingredients of Bacillus pasteuri culture medium

試驗所用煤樣取自內蒙古黑岱溝露天煤礦，采集完煤樣后，篩取粒徑0.074～0.200 mm 煤樣，依照MT/T 1087—2008《煤的工業分析方法》進行工業分析。將煤塊使用碎煤機將小塊狀的煤炭進行破碎，成粉末狀過0.15 mm 篩網，用于抑塵劑性能測試煤樣。煤樣工業分析結果為：煤種為無煙煤，水分為2.18%，灰分為17.97%，揮發分為6.56%。

1.2 試驗方法

1.2.1 微生物活化與培養

1）玻璃器材滅菌。試驗采用全自動立式壓力蒸氣殺菌設備（型號為YXQ-LS-75S Ⅱ），對培養過程中使用的玻璃器材進行高溫、高壓消毒。

2）培養基配置及滅菌。①用電子分析天平稱取1.25 g NaCl、1.25 g 大 豆 蛋 白 胨（Pepton from soymeal）和3.75 g 酪蛋白胨（Pepton from casein）于100 mL 燒杯，倒入適量純水，用玻璃棒攪動，直至溶解；②將溶液倒入250 mL 的錐形瓶中，用5% NaOH 或5% HCl 溶液調pH 值為7，采用Sartorius PB-10 型pH 計對pH 進行測定；③用純水定容至250 mL，使用脫脂棉、紗布、牛皮紙封住瓶口；④將培養液進行滅菌處理，滅菌結束后，將其移出置于無菌操作臺上冷卻。

3）微生物活化。配制好若干瓶固體培養基與液體培養基，滅菌后放入無菌操作臺中進行冷卻，加標準菌株溶液1 mL 于菌株疫苗瓶內，待溶解混勻后，用無菌移液槍吸取100 μL 溶解后的微生物到液體培養基中，搖晃混勻。將錐形瓶置于30 ℃，130 r/min 的恒溫氣浴搖床中，培養24～48 h。取出后觀察，發現液體培養基中出現暗黃色渾濁，表明巴氏芽孢桿菌活化成功。

1.2.2 環境因素對微生物的影響

環境因素對微生物生長的影響主要通過細菌濃度和脲酶活性來表征。

細菌濃度可以通過比濁法測定，是微生物濃度檢測常用的方法之一，計算方法見式（1）：

式中：Y為溶液中細菌濃度，cells/mL；Z為OD600數值。

由于尿素經脲酶水解后，溶液中的產生的導電離子增多，通過測定溶液電導率的變化利用式（2）得到脲酶活性。

式中：U為單位脲酶活性，mM urea hydrolysed/min/OD； σ為每分鐘電導率，S/（m·min）；w為稀釋倍數，取10；i為系數，取11.11。

試驗預先配置好一系列滅菌的液體培養基，以體積分數為1%的接種量接種活化成功的菌液，置于恒溫水浴鍋中培養。通過設定水浴鍋的溫度，來改變微生物生長的溫度環境，采用5% HCl 和5% NaOH 對液體培養基的pH 進行調節。環境因素對微生物的影響具體試驗方案為：

1）溫度的影響。溶液調pH 值為，溫度環境分別為20、25、30、35、40 ℃，每隔12 h 測定各組培養基的OD600 值和脲酶活性。

2）pH 的影響。溫度環境為30 ℃，溶液調pH值分別為6、7、7.5、8、9、10，每隔12 h 測定各組培養基的OD600 值和脲酶活性。

1.2.3 微生物抑塵劑成分濃度對MICP 過程的影響

尿素水解MICP 固化煤塵是一種復雜的生物化學反應，尿素水解MICP 反應分為2 個階段，即：尿素水解和碳酸鈣沉淀。在研究微生物催化尿素水解MICP 應用于固化煤塵之前，首先需要明確菌液濃度、膠結液濃度、反應時間、營養物質濃度這些因素對MICP 過程的影響。為了確定相關影響因素和各因素的適宜取值范圍，采用測定CaCO3的產量來評估抑塵劑的固化效果。微生物抑塵劑由膠結液（尿素和氯化鈣）、細菌（巴氏芽孢桿菌菌液）、營養物質（酪蛋白胨、大豆蛋白胨和氯化鈉混合液）等物質組成。

微生物抑塵劑各成分濃度對MICP 過程的影響具體試驗方案為：

1）營養液濃度因素的影響。30 ℃、pH=7.0，膠結液1 mol/L、細菌OD600值1.5 條件下，營養液濃度分別為20、10、5、2、1 g/L（進行6 組不同濃度平行試驗）對MICP 過程的影響。

2）膠結液濃度因素的影響。30 ℃、pH=7.0，營養液5 g/L、細菌OD600值1.5 條件下，膠結液濃度分別為2.5、2.0、1.0、0.5、0.25 mol/L（進行5組不同濃度平行試驗）對MICP 過程的影響。

3）細菌濃度因素的影響。30 ℃、pH=7.0，營養液5 g/L、膠結液0.5 mol/L 條件下，細菌OD600值分別為0.1、0.2、0.5、1.2、1.5、2（進行1 組不同細菌OD600值平行試驗）對MICP 過程的影響。

試驗步驟如下：①將活化后的巴氏芽孢桿菌菌液進行擴增，在進行48 h 震蕩培養后，取出菌液待用；②按試驗方案表配置抑塵劑各成分濃度；③準備若干50 mL 離心管，按試驗方案依此加入營養液、膠結液、活化的巴氏芽孢桿菌菌液，輕輕蓋上離心管蓋，注意不要擰緊，確保細菌在有氧條件下培養，試驗在室內恒溫30℃、pH 為7.0條件下進行試驗；④當試驗進行48 h 時，取出離心管，用離心機離心，轉速設置為4 000 r/min，10 min 后將上層的清液去除，然后將離心管放入50 ℃的烘箱中進行烘干；⑤稱量烘干后離心管及生成碳酸鈣的質量，減去對應離心管的質量即為碳酸鈣的生成質量。

1.2.4 微生物抑塵劑配比優化

根據試驗得到的營養物質濃度、膠結液濃度、菌液濃度等抑塵劑配制適宜范圍，在最佳濃度范圍取各因素3 個濃度水平，設計9 組正交試驗，試驗48 h 后測定不同成分濃度配比對抑塵劑應用性能的影響，其中各性能指標選用純水作為對照組試驗。通過對正交試驗結果進行極差分析，進而采用矩陣分析法找到抑塵劑最優組合及最優水平。

抑塵劑應用性能試驗指標主要是滲透速度、抗風性能、抗蒸發性、保水性能、抑塵效率、抗雨淋性。計算如下：

式中：Et為蒸發率，g/（m2·s）；w1蒸發前玻璃皿總質量，g；w2蒸發后玻璃皿總質量，g；S為玻璃皿面積， m2；t為蒸發時間，s。

式中：Q為失水率，%；m1為玻璃皿的質量，g；m2為玻璃皿與抑塵劑質量，g；m2-2為2 d 后玻璃皿與抑塵劑的質量，g。

式中： η為抑塵效率，%；m1為玻璃皿的質量，g；n1為添加抑塵劑后玻璃皿的質量，g；n2為15 d 后玻璃皿的質量，g。

式中：p為質量損失率，%；M1為培養皿質量，g；M2抑塵劑固化后成膜，煤粉與培養皿的質量，g；M3煤粉干燥后，煤粉與培養皿的質量，g。

取10 個規格相同的玻璃皿，其質量為m1，編號為M1～M10,前9 組為試驗組，分別向其中稱取20 g 煤粉，并噴灑20 mL 對應抑塵劑，M10為對照試驗組，添加同劑量的純水，噴灑后玻璃皿質量記為m2，將測試數據分別代入上述公式中即可得到抑塵劑的應用性能。

其中，抗風性能測試采用多翼式噪聲離心式通風機，將其正對玻璃皿并保持1 m 距離，測試吹風前后玻璃皿的質量差，計算得到其抗風指數。

抗蒸發性通過測量單位時間內和單位面積抑塵劑溶液的蒸發量，即得到蒸發率。將M1～M10置于35 ℃的烘箱中14 h，然后測試烘干前后的質量差，計算得到抗蒸發性能。

失水率是指在室溫下抑塵劑的保水性，將M1～M10置于室溫環境2 d，用樣品的質量變化來衡量抑塵劑保水性能的優劣。

抑塵效率抑塵劑性能的關鍵指標。將經過干燥處理后的M1～M10放置于室外自然環境中，每隔一段時間測定并記錄質量，計算得到抑塵效率。

質量損失率能確定抑塵劑的抗雨淋性能。利用氣液兩相流噴嘴模擬自然降雨，然后將M1～M10置于烘干箱，稱量經干燥處理后的質量，計算得出質量損失率。

矩陣分析法是一種獨特的正交試驗分析方法，其分析過程具有客觀性和嚴格性，能夠將各個因素對試驗指標的影響用權重的方式表達，通過比較權重大小得到影響因素的優先次序和最佳方案，避免主觀判斷的影響。為了綜合上述不同應用性能的試驗結果，優化抑塵劑的成分配比，首先建立如下矩陣分析模型，結構模型如圖1。

圖1 結構模型Fig.1 Data structure model

基于設計的正交試驗內容，構建3 層結構模型和層結構矩陣。第1 層是試驗考察指標層，第2 層是因素層，第3 層是水平層；然后利用各層級矩陣的乘積，求出各指標的權矩陣，因此得到各因素在不同水平上的權重；在此基礎上，根據權重的大小，確定最佳方案及各因素對正交試驗指標的影響次序。同時，在每一層次上，給出如下的矩陣定義。

定義1—指標層矩陣：如果正交試驗中有i個因素，各因素有m個水平時，kij表示因素Ai在第j個水平上試驗指標的平均值，如果試驗結果的考察指標是越小越有利，則令Kij=1/kij，如果考察指標越大越有利，那么令Kij=kij，建立指標層矩陣M。

2 試驗結果

由微生物活化使用說明書可知，培養48 h 左右細菌數量較多，且處于穩定期。因此在細菌培養48 h 后，測定不同溫度和pH 環境下的細菌濃度和酶活性。溫度對微生物生長的影響如圖2，pH 對微生物生長的影響如圖3，抑塵劑各成分對MICP 過程的影響如圖4。

圖2 溫度對微生物生長的影響Fig.2 The effect of temperature on microbial growth

圖3 pH 對微生物生長的影響Fig.3 The effect of pH on microbial growth

圖4 抑塵劑各成分對MICP 過程的影響Fig.4 Effects of dust suppressant components on MICP process

由圖2 可知：細菌濃度隨培養環境溫度升高呈先增大后減小的趨勢，在30 ℃左右細菌濃度最大；菌液的脲酶活性變化情況與細菌濃度的變化情況基本一致，20～35 ℃時，微生物的脲酶活力隨溫度升高而升高，35 ℃時巴氏芽孢桿菌的脲酶活性最高為1.11 mM urea hydrolysed/min，因此，30～35 ℃是微生物最適宜的培養溫度。

由圖3 可知：細菌濃度和酶活性隨著pH 增大呈先增大后減小的趨勢，pH 值在7.5 左右時，二者最大，說明巴氏芽孢桿菌更適用于中堿性環境。露天礦高溫、高粉塵的環境狀況，為巴士芽孢桿菌生長提供了良好的環境基礎。此外，煤礦粉塵多為中性或弱堿性，而巴氏芽孢桿菌對酸堿環境具有很好的耐受性，尿素連續水解，溶液中的pH值會繼續上升，因此，微生物對酸堿的適應性為其工程應用創造了良好的條件。

由圖4 可知：CaCO3的生成量隨營養物質濃度逐漸增加而增加時，營養物質對于MICP 過程起到積極的促進作用；營養物質濃度為1～2 g/L 時，產生的CaCO3沉淀相差不大；當營養物質濃度為20 g/L 時，在試驗濃度范圍內產生的沉淀最多，但是考慮到營養物質的成本與實際效果，后續試驗選用濃度為2～10 g/L 的營養物質溶液作為抑塵劑濃度配比范圍。還可看出，CaCO3的生成量隨膠結液濃度增大呈先增加后減小的趨勢，當膠結液濃度超過2 mol/L 以后，CaCO3的生成量明顯降低。已有研究表明，高濃度鈣離子會抑制脲酶活性[10]。隨著培養液鈣離子濃度增加，脲酶活性受到抑制，尿素的水解速率降低，反應不能提供充足的離子，進而使CaCO3的生成量變低。因此，選用0.5～2 mol/L 膠結液濃度作為抑塵劑濃度配比范圍。OD600值可直接反映了細菌的濃度，由圖4 可知：隨著菌液濃度的增加，CaCO3生成量逐漸增加，適當增加菌液濃度，可以積極催化MICP 反應，有效提高固化煤塵的工程性能。因此考慮抑塵劑的經濟性，選用OD600值在0.5～1.5 作為抑塵劑濃度配比范圍。

為對微生物抑塵劑各成分在應用性能方面優化配比。首先將抑塵劑3 種成分作為3 因素，在上文研究所得各成分濃度選用范圍內，每個因素均取3 個濃度水平，根據正交法則選取L9（3×3）正交表，得到9 種試驗方案。因素水平表見表2，正交試驗方案見表3。

表2 因素水平表Table 2 Factor level table

表3 正交試驗方案Table 3 Orthogonal test schemes

將9 種試驗方案的抑塵劑濃度配比進行應用性能指標測試；隨后將試驗指標數據進行極差分析，建立試驗指標極差分析表。正交試驗極差分析表見表4。

表4 正交試驗極差分析表Table 4 Orthogonal test range analysis table

從表4 可知：不同因素、不同濃度水平的抑塵劑各性能指標均值都優于純水；微生物抑塵劑滲透速度下限值高于純水0.54 mm/min、抗風指數下限值高于純水0.095、蒸發率最大值低于純水2.58 g/（m2·s）、失水率最大值低于純水11.82%、抑塵效率下限值高于純水25.12%、抑塵效率最大值低于純水8.37%。

根據矩陣分析法的定義，計算6 個應用性能指標的權重，最終得到9 種正交試驗3 種因素3個水平下的權重。權重矩陣分析結果如下：

1）因素A水平1。權重A1為0.089 1，其中：滲透速度、抗風性能、抗蒸發性、保水性能、抑塵效率、抗雨淋性的權重分別為0.138 9、0.062 5、0.103 8、0.081 1、0.056 8、0.091 5。

2）因素A水平2。權重A2為0.092 7，其中：滲透速度、抗風性能、抗蒸發性、保水性能、抑塵效率、抗雨淋性的權重分別為0.135 4、0.057 1、0.135 1、0.081 1、0.056 0、0.091 5。

3）因素A水平3。權重A3為0.097 4，其中：滲透速度、抗風性能、抗蒸發性、保水性能、抑塵效率、抗雨淋性的權重分別為0.130 5、0.067 9、0.152 8、0.101 3、0.057 1、0.074 8。

4）因素B水平1。權重B1為0.164 6，其中：滲透速度、抗風性能、抗蒸發性、保水性能、抑塵效率、抗雨淋性的權重分別為0.138 0、0.163 7、0.114 7、0.179 0、0.154 1、0.238 1。

5）因素B水平2。權重B2為0.169 3，其中：滲透速度、抗風性能、抗蒸發性、保水性能、抑塵效率、抗雨淋性的權重分別為0.137 0、0.229 2、0.144 1、0.179 0、0.152 1、0.174 6。

6）因素B水平3。權重B3為0.184 7，其中：滲透速度、抗風性能、抗蒸發性、保水性能、抑塵效率、抗雨淋性的權重分別為0.129 7、0.294 6、0.170 4、0.223 7、0.146 6、0.142 9。

7）因素C水平1。權重C1為0.068 4，其中：滲透速度、抗風性能、抗蒸發性、保水性能、抑塵效率、抗雨淋性的權重分別為0.064 1、0.038 6、0.054 9、0.058 7、0.125 7、0.068 6。

8）因素C水平2。權重C2為0.071 8，其中：滲透速度、抗風性能、抗蒸發性、保水性能、抑塵效率、抗雨淋性的權重分別為0.064 1、0.042 3、0.059 5、0.058 7、0.130 5、0.075 4。

9）因素C水平3。權重C3為0.070 6，其中：滲透速度、抗風性能、抗蒸發性、保水性能、抑塵效率、抗雨淋性的權重分別為0.062 3、0.044 1、0.065 4、0.058 7、0.131 3、0.061 7。

從矩陣法分析結果可以看出：各因素對正交試驗指標的影響的次序是BAC；因素A的3 個水平計算得到的A3的權重最大，因素B的3 個水平計算得到的B3的權重最大，因素C的3 個水平計算得到的C2的權重最大；因此A3B3C2是正交試驗的優化方案，即營養物質濃度為2 g/L，膠結液濃度為0.5 mol/L，菌液OD600值為1。

3 結 語

1）通過對巴氏芽孢桿菌的活化培養試驗，探討了環境因素（溫度、pH 等）對巴氏芽孢桿菌的生長及脲酶活性的影響，結果表明：巴氏芽孢桿菌的適宜培養條件為30～35 ℃、pH7.5 左右。因此微生物抑塵劑在偏高溫、中堿性環境下的露天煤礦排土場防塵工作上，更益于發揮作用。

2）MICP 過程CaCO3的生成量與營養物質濃度和菌液濃度呈正相關關系。隨膠結液濃度（尿素、氯化鈣）增大CaCO3的生成量呈增大后減小的趨勢。

3）巴氏芽孢桿菌微生物抑塵劑具有良好的滲透性、抗強風、保水、抗雨淋等性能。15 d 后不同配比的微生物抑塵劑的抑塵效率保持在80.2%～90.2%之間，具有較好的綜合抑塵性能

4）利用矩陣分析法全面分析各因素各水平的綜合權重，得到巴氏芽孢桿菌微生物抑塵劑成分配比優化方案為：巴氏芽孢桿菌菌液OD600值為1，尿素、氯化鈣混合溶液取0.5 mol/L，營養物質溶液取2 g/L。