基于MICP 的固化粉尘微生物抑尘剂试验研究

2024-04-13高广义

煤矿安全 2024年3期

高广义

（中铁隧道勘察设计研究院有限公司，广东广州 511458）

露天煤矿生产中产生的粉尘对矿区环境、职工健康、作业效率和安全生产经营造成了极大的影响，制约着我国露天煤矿的发展，同时影响我国绿色矿山的生态文明建设[1]。因此，粉尘防治成为矿区安全、健康、绿色生产的重要需求。目前，国内外常用湿式抑尘技术来达到露天煤矿抑尘的目的，譬如喷雾除尘、湿式除尘器等。但煤尘和岩尘都有一定的疏水性，导致水难以快速有效地进行捕捉，导致抑尘效果并不明显。抑尘剂可增强水对煤尘的湿润、黏结和保水的功能。但是部分抑尘剂制品或原材料具有一定的挥发性、毒性等特性，会危害人类和环境。因此，研制新型环保的高效抑尘剂成为粉尘治理的热点之一。

传统型的抑尘剂主要分为4 种类型：润湿型抑尘剂、黏结型抑尘剂、凝聚型抑尘剂、复合型抑尘剂。早期化学抑尘剂是以润湿型和黏结型化学抑尘剂为代表，对控制粉尘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点。随着化学抑尘剂向环保、功能多元化发展，其抑尘效果也得到了提高。曹丽琼等[2]成功地从废弃的可口可乐瓶中提取乙二醇，并开发了一种环保性的粉尘抑制剂；梁文俊等[3]利用农用秸秆作环保抑尘剂，试验证明，这种抑尘剂对粘黏微粒有很好的抑制作用，有很好的推广应用前景；李斌等[4]将明胶与壳聚糖交联，采用的交联剂是转谷酰胺酶，并与十二烷基磺酸钠协同反应，研制出一种环保抑尘剂；曹水静等[5]利用十八醇与玉米淀粉进行接枝反应，合成了一种新型的泡沫降尘剂。随着聚合物材料的迅速发展，聚合物抑尘剂的生产成本持续下降，聚合物抑尘剂得到了广泛的应用。陈曦等[6]研究了表面活性剂溶液浓度和表面活性剂类型对相互作用力的影响；杨树莹等[7]选择了瓜尔豆胶聚合物单体作大分子抑尘剂，并对其进行了试验，证明其对粉尘的抑制作用显著，是一种原材料易得，环保高效的抑尘剂。

已有研究表明：微生物矿化即微生物诱导碳酸钙沉淀（microbial induced calcite precipitation，MICP）是一种普遍的自然现象，微生物可以通过自身的代谢作用来改变矿物的沉积状态，从而加速沉淀，使煤颗粒发生胶结，提高煤体的物理机械性能[8]。微生物会在煤层颗粒的表面上进行吸附，从而使矿物结晶能够在煤层的颗粒表面生长，产生胶结作用，然后是在微生物的表面上形成碳酸钙结晶[9-10]。碳酸钙逐渐在煤粉表面沉积，从而达到抑制煤尘的目的。钱春香等[11]将菌液和营养盐注入松软砂土，通过微生物的矿化，能够快速沉淀在沙粒间的方解石，从而改善土壤的物理机械性能，这种方法可以有效地改善地基的强度、刚度和抗液化能力，在地基加固方面具有很好的应用前景；王安辉等[12]通过对建筑粉尘颗粒环境下微生物的筛选，从微生物抑尘剂的制备、性能测试和大规模应用等几个方面入手，为其进行大规模推广提供了有效的指导；OKWADHA 等[13]、Al Qabany 等[14]发现，细菌浓度、胶结液浓度、环境pH、环境温度等因素都会影响微生物活性，从而影响沉淀后的碳酸钙的质量；KEYKHA 等[15]通过设置不同范围的菌液pH 值，探究不同细菌对pH 值的敏感性不同，实验证明，巴氏芽孢杆对酸碱性环境具有良好的耐受性，在pH 为6～9 范围内能保持较好的生长及脲酶高活性状态。

MICP 固化煤粉是一种十分复杂的生化反应，反应时间、细菌数量、活性、环境条件（pH、温度）等因素均会对其产生影响。该反应产物无毒，且具有良好的黏结性能，但其在煤矿现场的应用效果却不太理想，主要原因是：①研究的成果没有考虑到环境因素的影响；②缺乏微生物抑尘剂成分的优化配比，这极大地限制了微生物抑尘技术在煤炭行业的开发和应用。鉴于此，基于MICP固化粉尘技术，分析环境因素（温度、pH）对巴氏芽孢杆菌生长的影响，通过测定CaCO3的产量来评估细菌浓度、胶结液浓度和营养液浓度对固化效果的影响，进而开展MICP 微生物抑尘剂成分优化研究，以期为该技术在露天煤矿排土场粉尘治理提供理论依据和技术支持。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

研究所用巴氏芽孢杆菌冻干粉（Sporosarcina pasteurii）（编号为ATCC 11859）购买于上海北诺生物科技有限公司。培养基是指将多种营养物质混合在一起，从而为微生物提供营养，促进其生长和繁衍；利用蛋白胨培养基进行培养，以酪蛋白胨、大豆蛋白胨、氯化钠、尿素等为主要成分，纯水为溶剂，pH 值调为7，其中琼脂仅在固体培养基中添加；试验中以纯水为溶剂，将营养物质与培养基的溶质完全溶于水中，使之成为混合液，所用的纯水来自超纯水机（北京湘顺源科技有限公司，型号XYE2-60-H）。巴氏芽孢杆菌培养基成分见表1，各成分消毒方式：尿素采用过滤，其余采用高压蒸汽灭菌。

表1 巴氏芽孢杆菌培养基成分Table 1 Ingredients of Bacillus pasteuri culture medium

试验所用煤样取自内蒙古黑岱沟露天煤矿，采集完煤样后，筛取粒径0.074～0.200 mm 煤样，依照MT/T 1087—2008《煤的工业分析方法》进行工业分析。将煤块使用碎煤机将小块状的煤炭进行破碎，成粉末状过0.15 mm 筛网，用于抑尘剂性能测试煤样。煤样工业分析结果为：煤种为无烟煤，水分为2.18%，灰分为17.97%，挥发分为6.56%。

1.2 试验方法

1.2.1 微生物活化与培养

1）玻璃器材灭菌。试验采用全自动立式压力蒸气杀菌设备（型号为YXQ-LS-75S Ⅱ），对培养过程中使用的玻璃器材进行高温、高压消毒。

2）培养基配置及灭菌。①用电子分析天平称取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 烧杯，倒入适量纯水，用玻璃棒搅动，直至溶解；②将溶液倒入250 mL 的锥形瓶中，用5% NaOH 或5% HCl 溶液调pH 值为7，采用Sartorius PB-10 型pH 计对pH 进行测定；③用纯水定容至250 mL，使用脱脂棉、纱布、牛皮纸封住瓶口；④将培养液进行灭菌处理，灭菌结束后，将其移出置于无菌操作台上冷却。

3）微生物活化。配制好若干瓶固体培养基与液体培养基，灭菌后放入无菌操作台中进行冷却，加标准菌株溶液1 mL 于菌株疫苗瓶内，待溶解混匀后，用无菌移液枪吸取100 µL 溶解后的微生物到液体培养基中，摇晃混匀。将锥形瓶置于30 ℃，130 r/min 的恒温气浴摇床中，培养24～48 h。取出后观察，发现液体培养基中出现暗黄色浑浊，表明巴氏芽孢杆菌活化成功。

1.2.2 环境因素对微生物的影响

环境因素对微生物生长的影响主要通过细菌浓度和脲酶活性来表征。

细菌浓度可以通过比浊法测定，是微生物浓度检测常用的方法之一，计算方法见式（1）：

式中：Y为溶液中细菌浓度，cells/mL；Z为OD600数值。

由于尿素经脲酶水解后，溶液中的产生的导电离子增多，通过测定溶液电导率的变化利用式（2）得到脲酶活性。

式中：U为单位脲酶活性，mM urea hydrolysed/min/OD； σ为每分钟电导率，S/（m·min）；w为稀释倍数，取10；i为系数，取11.11。

试验预先配置好一系列灭菌的液体培养基，以体积分数为1%的接种量接种活化成功的菌液，置于恒温水浴锅中培养。通过设定水浴锅的温度，来改变微生物生长的温度环境，采用5% HCl 和5% NaOH 对液体培养基的pH 进行调节。环境因素对微生物的影响具体试验方案为：

1）温度的影响。溶液调pH 值为，温度环境分别为20、25、30、35、40 ℃，每隔12 h 测定各组培养基的OD600 值和脲酶活性。

2）pH 的影响。温度环境为30 ℃，溶液调pH值分别为6、7、7.5、8、9、10，每隔12 h 测定各组培养基的OD600 值和脲酶活性。

1.2.3 微生物抑尘剂成分浓度对MICP 过程的影响

尿素水解MICP 固化煤尘是一种复杂的生物化学反应，尿素水解MICP 反应分为2 个阶段，即：尿素水解和碳酸钙沉淀。在研究微生物催化尿素水解MICP 应用于固化煤尘之前，首先需要明确菌液浓度、胶结液浓度、反应时间、营养物质浓度这些因素对MICP 过程的影响。为了确定相关影响因素和各因素的适宜取值范围，采用测定CaCO3的产量来评估抑尘剂的固化效果。微生物抑尘剂由胶结液（尿素和氯化钙）、细菌（巴氏芽孢杆菌菌液）、营养物质（酪蛋白胨、大豆蛋白胨和氯化钠混合液）等物质组成。

微生物抑尘剂各成分浓度对MICP 过程的影响具体试验方案为：

1）营养液浓度因素的影响。30 ℃、pH=7.0，胶结液1 mol/L、细菌OD600值1.5 条件下，营养液浓度分别为20、10、5、2、1 g/L（进行6 组不同浓度平行试验）对MICP 过程的影响。

2）胶结液浓度因素的影响。30 ℃、pH=7.0，营养液5 g/L、细菌OD600值1.5 条件下，胶结液浓度分别为2.5、2.0、1.0、0.5、0.25 mol/L（进行5组不同浓度平行试验）对MICP 过程的影响。

3）细菌浓度因素的影响。30 ℃、pH=7.0，营养液5 g/L、胶结液0.5 mol/L 条件下，细菌OD600值分别为0.1、0.2、0.5、1.2、1.5、2（进行1 组不同细菌OD600值平行试验）对MICP 过程的影响。

试验步骤如下：①将活化后的巴氏芽孢杆菌菌液进行扩增，在进行48 h 震荡培养后，取出菌液待用；②按试验方案表配置抑尘剂各成分浓度；③准备若干50 mL 离心管，按试验方案依此加入营养液、胶结液、活化的巴氏芽孢杆菌菌液，轻轻盖上离心管盖，注意不要拧紧，确保细菌在有氧条件下培养，试验在室内恒温30℃、pH 为7.0条件下进行试验；④当试验进行48 h 时，取出离心管，用离心机离心，转速设置为4 000 r/min，10 min 后将上层的清液去除，然后将离心管放入50 ℃的烘箱中进行烘干；⑤称量烘干后离心管及生成碳酸钙的质量，减去对应离心管的质量即为碳酸钙的生成质量。

1.2.4 微生物抑尘剂配比优化

根据试验得到的营养物质浓度、胶结液浓度、菌液浓度等抑尘剂配制适宜范围，在最佳浓度范围取各因素3 个浓度水平，设计9 组正交试验，试验48 h 后测定不同成分浓度配比对抑尘剂应用性能的影响，其中各性能指标选用纯水作为对照组试验。通过对正交试验结果进行极差分析，进而采用矩阵分析法找到抑尘剂最优组合及最优水平。

抑尘剂应用性能试验指标主要是渗透速度、抗风性能、抗蒸发性、保水性能、抑尘效率、抗雨淋性。计算如下：

式中：Et为蒸发率，g/（m2·s）；w1蒸发前玻璃皿总质量，g；w2蒸发后玻璃皿总质量，g；S为玻璃皿面积， m2；t为蒸发时间，s。

式中：Q为失水率，%；m1为玻璃皿的质量，g；m2为玻璃皿与抑尘剂质量，g；m2-2为2 d 后玻璃皿与抑尘剂的质量，g。

式中： η为抑尘效率，%；m1为玻璃皿的质量，g；n1为添加抑尘剂后玻璃皿的质量，g；n2为15 d 后玻璃皿的质量，g。

式中：p为质量损失率，%；M1为培养皿质量，g；M2抑尘剂固化后成膜，煤粉与培养皿的质量，g；M3煤粉干燥后，煤粉与培养皿的质量，g。

取10 个规格相同的玻璃皿，其质量为m1，编号为M1～M10,前9 组为试验组，分别向其中称取20 g 煤粉，并喷洒20 mL 对应抑尘剂，M10为对照试验组，添加同剂量的纯水，喷洒后玻璃皿质量记为m2，将测试数据分别代入上述公式中即可得到抑尘剂的应用性能。

其中，抗风性能测试采用多翼式噪声离心式通风机，将其正对玻璃皿并保持1 m 距离，测试吹风前后玻璃皿的质量差，计算得到其抗风指数。

抗蒸发性通过测量单位时间内和单位面积抑尘剂溶液的蒸发量，即得到蒸发率。将M1～M10置于35 ℃的烘箱中14 h，然后测试烘干前后的质量差，计算得到抗蒸发性能。

失水率是指在室温下抑尘剂的保水性，将M1～M10置于室温环境2 d，用样品的质量变化来衡量抑尘剂保水性能的优劣。

抑尘效率抑尘剂性能的关键指标。将经过干燥处理后的M1～M10放置于室外自然环境中，每隔一段时间测定并记录质量，计算得到抑尘效率。

质量损失率能确定抑尘剂的抗雨淋性能。利用气液两相流喷嘴模拟自然降雨，然后将M1～M10置于烘干箱，称量经干燥处理后的质量，计算得出质量损失率。

矩阵分析法是一种独特的正交试验分析方法，其分析过程具有客观性和严格性，能够将各个因素对试验指标的影响用权重的方式表达，通过比较权重大小得到影响因素的优先次序和最佳方案，避免主观判断的影响。为了综合上述不同应用性能的试验结果，优化抑尘剂的成分配比，首先建立如下矩阵分析模型，结构模型如图1。

图1 结构模型Fig.1 Data structure model

基于设计的正交试验内容，构建3 层结构模型和层结构矩阵。第1 层是试验考察指标层，第2 层是因素层，第3 层是水平层；然后利用各层级矩阵的乘积，求出各指标的权矩阵，因此得到各因素在不同水平上的权重；在此基础上，根据权重的大小，确定最佳方案及各因素对正交试验指标的影响次序。同时，在每一层次上，给出如下的矩阵定义。

定义1—指标层矩阵：如果正交试验中有i个因素，各因素有m个水平时，kij表示因素Ai在第j个水平上试验指标的平均值，如果试验结果的考察指标是越小越有利，则令Kij=1/kij，如果考察指标越大越有利，那么令Kij=kij，建立指标层矩阵M。

2 试验结果

由微生物活化使用说明书可知，培养48 h 左右细菌数量较多，且处于稳定期。因此在细菌培养48 h 后，测定不同温度和pH 环境下的细菌浓度和酶活性。温度对微生物生长的影响如图2，pH 对微生物生长的影响如图3，抑尘剂各成分对MICP 过程的影响如图4。

图2 温度对微生物生长的影响Fig.2 The effect of temperature on microbial growth

图3 pH 对微生物生长的影响Fig.3 The effect of pH on microbial growth

图4 抑尘剂各成分对MICP 过程的影响Fig.4 Effects of dust suppressant components on MICP process

由图2 可知：细菌浓度随培养环境温度升高呈先增大后减小的趋势，在30 ℃左右细菌浓度最大；菌液的脲酶活性变化情况与细菌浓度的变化情况基本一致，20～35 ℃时，微生物的脲酶活力随温度升高而升高，35 ℃时巴氏芽孢杆菌的脲酶活性最高为1.11 mM urea hydrolysed/min，因此，30～35 ℃是微生物最适宜的培养温度。

由图3 可知：细菌浓度和酶活性随着pH 增大呈先增大后减小的趋势，pH 值在7.5 左右时，二者最大，说明巴氏芽孢杆菌更适用于中碱性环境。露天矿高温、高粉尘的环境状况，为巴士芽孢杆菌生长提供了良好的环境基础。此外，煤矿粉尘多为中性或弱碱性，而巴氏芽孢杆菌对酸碱环境具有很好的耐受性，尿素连续水解，溶液中的pH值会继续上升，因此，微生物对酸碱的适应性为其工程应用创造了良好的条件。

由图4 可知：CaCO3的生成量随营养物质浓度逐渐增加而增加时，营养物质对于MICP 过程起到积极的促进作用；营养物质浓度为1～2 g/L 时，产生的CaCO3沉淀相差不大；当营养物质浓度为20 g/L 时，在试验浓度范围内产生的沉淀最多，但是考虑到营养物质的成本与实际效果，后续试验选用浓度为2～10 g/L 的营养物质溶液作为抑尘剂浓度配比范围。还可看出，CaCO3的生成量随胶结液浓度增大呈先增加后减小的趋势，当胶结液浓度超过2 mol/L 以后，CaCO3的生成量明显降低。已有研究表明，高浓度钙离子会抑制脲酶活性[10]。随着培养液钙离子浓度增加，脲酶活性受到抑制，尿素的水解速率降低，反应不能提供充足的离子，进而使CaCO3的生成量变低。因此，选用0.5～2 mol/L 胶结液浓度作为抑尘剂浓度配比范围。OD600值可直接反映了细菌的浓度，由图4 可知：随着菌液浓度的增加，CaCO3生成量逐渐增加，适当增加菌液浓度，可以积极催化MICP 反应，有效提高固化煤尘的工程性能。因此考虑抑尘剂的经济性，选用OD600值在0.5～1.5 作为抑尘剂浓度配比范围。

为对微生物抑尘剂各成分在应用性能方面优化配比。首先将抑尘剂3 种成分作为3 因素，在上文研究所得各成分浓度选用范围内，每个因素均取3 个浓度水平，根据正交法则选取L9（3×3）正交表，得到9 种试验方案。因素水平表见表2，正交试验方案见表3。

表2 因素水平表Table 2 Factor level table

表3 正交试验方案Table 3 Orthogonal test schemes

将9 种试验方案的抑尘剂浓度配比进行应用性能指标测试；随后将试验指标数据进行极差分析，建立试验指标极差分析表。正交试验极差分析表见表4。

表4 正交试验极差分析表Table 4 Orthogonal test range analysis table

从表4 可知：不同因素、不同浓度水平的抑尘剂各性能指标均值都优于纯水；微生物抑尘剂渗透速度下限值高于纯水0.54 mm/min、抗风指数下限值高于纯水0.095、蒸发率最大值低于纯水2.58 g/（m2·s）、失水率最大值低于纯水11.82%、抑尘效率下限值高于纯水25.12%、抑尘效率最大值低于纯水8.37%。

根据矩阵分析法的定义，计算6 个应用性能指标的权重，最终得到9 种正交试验3 种因素3个水平下的权重。权重矩阵分析结果如下：

1）因素A水平1。权重A1为0.089 1，其中：渗透速度、抗风性能、抗蒸发性、保水性能、抑尘效率、抗雨淋性的权重分别为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。权重A2为0.092 7，其中：渗透速度、抗风性能、抗蒸发性、保水性能、抑尘效率、抗雨淋性的权重分别为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。权重A3为0.097 4，其中：渗透速度、抗风性能、抗蒸发性、保水性能、抑尘效率、抗雨淋性的权重分别为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。权重B1为0.164 6，其中：渗透速度、抗风性能、抗蒸发性、保水性能、抑尘效率、抗雨淋性的权重分别为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。权重B2为0.169 3，其中：渗透速度、抗风性能、抗蒸发性、保水性能、抑尘效率、抗雨淋性的权重分别为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。权重B3为0.184 7，其中：渗透速度、抗风性能、抗蒸发性、保水性能、抑尘效率、抗雨淋性的权重分别为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。权重C1为0.068 4，其中：渗透速度、抗风性能、抗蒸发性、保水性能、抑尘效率、抗雨淋性的权重分别为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。权重C2为0.071 8，其中：渗透速度、抗风性能、抗蒸发性、保水性能、抑尘效率、抗雨淋性的权重分别为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。权重C3为0.070 6，其中：渗透速度、抗风性能、抗蒸发性、保水性能、抑尘效率、抗雨淋性的权重分别为0.062 3、0.044 1、0.065 4、0.058 7、0.131 3、0.061 7。

从矩阵法分析结果可以看出：各因素对正交试验指标的影响的次序是BAC；因素A的3 个水平计算得到的A3的权重最大，因素B的3 个水平计算得到的B3的权重最大，因素C的3 个水平计算得到的C2的权重最大；因此A3B3C2是正交试验的优化方案，即营养物质浓度为2 g/L，胶结液浓度为0.5 mol/L，菌液OD600值为1。