微生物抑塵劑的研制方法探討

王安輝 范凌志

(1.商丘工學院土木工程學院，河南 商丘 476000； 2.東南大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 211189)

微生物抑塵劑的研制方法探討

王安輝1范凌志2

(1.商丘工學院土木工程學院，河南 商丘 476000； 2.東南大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 211189)

基于微生物礦化技術(shù)，研制了經(jīng)濟高效的綠色環(huán)保型微生物抑塵劑，通過篩選在建筑揚塵顆粒環(huán)境中具有優(yōu)異礦化性能的微生物菌株，從微生物抑塵劑的制備方法、性能測試方法以及規(guī)?；瘧?yīng)用等方面展開探討，以期對微生物抑塵劑的研制及推廣應(yīng)用提供借鑒作用。

建筑揚塵，微生物抑塵劑，抑塵特性，制備方法

0 引言

2013年以來，我國先后有30個省份遭受霧霾天氣侵襲，據(jù)相關(guān)報告顯示，我國較大的500個城市中，僅有不到1%的城市能達到世界衛(wèi)生組織推薦的空氣質(zhì)量標準[1]，為此，國家減災(zāi)辦、民政部首次將嚴重危害健康的霧霾天氣納入自然災(zāi)情。霧霾天氣的主要成分中50%～80%為粒徑小于10 μm的可吸入顆粒物(PM10和PM2.5)，而在可吸入顆粒物中，建筑揚塵貢獻率通常達到50%左右[2]。這是因為我國城市化進程加快，城市基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)、拆遷以及工程施工過程中物料的裝卸、堆存、運輸、轉(zhuǎn)移等不斷增多，使得建筑施工揚塵成為城市環(huán)境空氣中顆粒物的主要污染源之一。因此，治理建筑施工的揚塵污染問題已迫在眉睫。

目前，建筑揚塵防治措施主要有灑水防塵法、防塵網(wǎng)(布)覆蓋法和表面固化防塵技術(shù)等[3]。灑水防塵是通過將揚塵中細小顆粒潤濕，增加粉塵含濕量，使其凝結(jié)成較大顆粒粉塵，以達到抑制揚塵目的，但該方法不但會浪費大量水資源，還存在著夏季氣溫高，蒸發(fā)快，冬季氣溫低，易結(jié)冰等問題。防塵網(wǎng)(布)覆蓋法是在散料堆場加蓋防塵網(wǎng)或塑料布來阻擋建筑揚塵，但這種方法成本高，浪費材料，且不能捕捉漂浮在空氣中的粉塵，對于不斷有新粉塵產(chǎn)生的作業(yè)區(qū)，其抑塵能力有限。表面固化防塵技術(shù)是在揚塵表面噴灑各種類型的抑塵劑，利用其粘著性、凝固成膜性或者潤濕機理將粉塵顆粒粘結(jié)在一起或增加粉塵顆粒間的粘結(jié)強度，使得粉塵成團或表面固化結(jié)殼，從而達到抑塵作用，由于該技術(shù)抑塵效果好、生產(chǎn)工藝相對簡單、綜合效益高等優(yōu)點而受到國內(nèi)外研究機構(gòu)的青睞。

Amato等[4]制備了Triton X-100吸濕性無機鹽抑塵劑，并對其降低周圍PM的效果進行了分析。Medeiros等[5]利用丙三醇在酸或堿的催化下，合成了一種新型抑塵劑，其粘性是丙三醇的160倍，抑塵效果明顯優(yōu)于丙三醇低聚物或丙三醇類抑塵劑。Yan等[6]介紹了一種以甘油為主要原料的抑塵劑產(chǎn)品，并對其單獨使用以及與表面活性劑、聚合物或其他化學品結(jié)合使用的抑塵效果進行了評價。杜翠鳳等[7]研制了一種由高分子成膜劑、高分子多糖類物料以及其他一些助劑組成的粘結(jié)型抑塵劑，將其噴灑在粉塵表面，能形成一層較厚的固化殼，從而有效地抑制粉塵飛揚。孫三祥等[8]研制了以高聚物為基料，并配以其他增塑劑、填料等物質(zhì)組成的抑塵劑，并通過抗風、雨淋試驗以及汽車模擬試驗對其應(yīng)用效果進行了檢驗。盡管表面固化抑塵劑種類繁多，但普遍存在著組分復(fù)雜、價格昂貴、功能單一，甚至具有毒性、腐蝕性、不易降解以及二次污染等一系列弊端[9]。因而，研究降解性好、無二次污染、抑塵效果優(yōu)良且價格低廉的新型抑塵劑意義重大。

自2004年澳大利亞默多克大學的Whiffin博士研究“Microbial CaCO3precipitation for the production of biocement”開始，國內(nèi)外研究機構(gòu)開始嘗試利用特定微生物的礦化作用對松散砂顆?；蛲寥李w粒進行固化研究?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明，利用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積技術(shù)，通過向土體中灌注菌液及營養(yǎng)鹽，可在土顆粒間快速析出方解石凝膠，從而將松散土顆粒膠結(jié)成為整體，并有效提高土體的強度、剛度、抗侵蝕及抗凍性能[10]。由于微生物礦化產(chǎn)物具有無毒、易降解、粘結(jié)性能優(yōu)良、生態(tài)相容性好等特點，屬于經(jīng)濟高效的綠色環(huán)保材料，因此，研究基于微生物礦化作用的建筑施工揚塵防治技術(shù)，具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

1 微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉積

2 微生物抑塵劑的實驗室制備方法

2.1 建筑揚塵顆粒的物化特征研究方法

引起建筑施工揚塵的因素很多，包括施工類型、施工規(guī)模、持續(xù)時間、施工機械、施工方式、風速、濕度、建筑材料屬性等，明確工地內(nèi)主要起塵材料的粒徑分布、比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)、表面官能團、ζ電位和化學組成特征，是有效防治揚塵的重要前提和手段。

鑒于此，選擇典型的建筑工地，采集工地上下風向揚塵顆粒，分析其化學組成(離子色譜儀、碳元素分析儀)，粒徑分布(激光粒度儀)、比表面積(N2，CO2吸附法)、表面官能團(紅外光譜分析儀)、ζ電位(微電泳儀)等一系列性質(zhì)，并采用掃描電鏡、透射電鏡、原子力顯微鏡等較為先進的微觀測試技術(shù)對揚塵顆粒微觀結(jié)構(gòu)進行分析，為礦化微生物的選擇、微生物抑塵劑抑塵效果的改善提供理論基礎(chǔ)和試驗數(shù)據(jù)。

2.2 微生物菌株的篩選方法

在確定微生物抑塵劑的基本配方之前，應(yīng)對微生物菌株種類、生理生化特性、生長繁殖規(guī)律、產(chǎn)酶種類、產(chǎn)酶方式進行系統(tǒng)研究，以期獲得礦化微生物的最適生長條件和酶解能力，并為抑制建筑揚塵的應(yīng)用條件提供試驗和理論基礎(chǔ)。

基于建筑工地揚塵環(huán)境以及微生物生理生化特性，篩選出適宜于在建筑揚塵顆粒環(huán)境中生存，且具有優(yōu)異礦化作用的微生物菌株，并采用微生物鑒定系統(tǒng)確定礦化微生物的種類。通過對C源、H源、N源、添加劑等因素進行正交試驗，確定礦化微生物最佳生長繁殖的營養(yǎng)源。通過紫外分光光度計和多功能酶標儀定性，定量分析微生物的生長繁殖能力(微生物濃度OD值)與環(huán)境溫度、pH值、底物種類和濃度的關(guān)系，以及礦化微生物生長繁殖情況隨時間、酶活性的變化發(fā)展規(guī)律，以確定目標微生物的最適生長繁殖條件、繁殖規(guī)律和酶活性，為其在建筑工地揚塵顆粒環(huán)境中的生長繁殖提供可控制技術(shù)。同時，通過試驗研究環(huán)境溫度、pH值、鈣源種類和濃度等因素對微生物產(chǎn)酶能力的影響，并確定影響酶促反應(yīng)動力學的參數(shù)，以保證礦化微生物的最佳生長條件和產(chǎn)酶條件，為其快速分解底物、形成微生物礦化產(chǎn)物提供理論和試驗基礎(chǔ)。

2.3 微生物抑塵特性研究方法

微生物抑塵劑(即微生物礦化產(chǎn)物)的粘度、表面張力以及所形成的生物晶體礦物種類、形貌、尺寸等參數(shù)與其抑塵性能密切相關(guān)。粘度是揚塵顆粒粘結(jié)、凝聚效果的決定因素，可采用旋轉(zhuǎn)粘度計對微生物抑塵劑的粘度性質(zhì)進行分析，以判定揚塵顆粒間粘結(jié)力的大小；表面張力高低直接影響抑塵劑抑塵效果，可采用表面張力儀對微生物抑塵劑表面張力性質(zhì)進行測試，以初步確定抑塵劑抑塵效果；采用原子力顯微鏡、納米壓痕等測試技術(shù)研究礦化微生物分泌的有機基質(zhì)種類、濃度對體外環(huán)境中微生物礦化產(chǎn)物三維形貌、粘結(jié)強度、粗糙度等性質(zhì)的影響；從微生物種類、濃度、用量、揚塵顆粒物理特性(礦物組成、粒徑分布、比表面積)、鈣源種類、環(huán)境溫濕度等角度研究微生物抑塵劑在揚塵顆粒內(nèi)部環(huán)境中礦化形成的產(chǎn)物類型、尺寸、形貌、礦化過程及礦化率。通過掃描電鏡、透射電鏡、紅外光譜分析、熱重分析、X射線衍射等測試技術(shù)對微生物抑塵劑礦化得到的晶體類型、形貌、尺寸、官能團、分解溫度、活化能等性質(zhì)進行分析，以期揭示微生物抑塵劑的抑塵機理，確定微生物抑塵劑與揚塵顆粒之間發(fā)生的相互作用。

3 微生物抑塵劑的性能測試方法

3.1 實驗室性能測試方法

微生物抑塵劑的實驗室性能測試主要包括力學性能(強度、固結(jié)層硬度)和耐久性能(抗風蝕性、抗水沖刷性、抗凍性、吸水保水性、抗老化性等)，并可利用掃描電鏡和X射線斷層掃描儀(X-CT)對揚塵顆粒微觀結(jié)構(gòu)演化過程以及微生物礦化產(chǎn)物的宏觀性質(zhì)進行系統(tǒng)研究，以進一步評價微生物抑塵劑的抑塵效果。此外，針對混合噴灑、分開噴灑等多種應(yīng)用工藝，通過掃描電鏡分析、強度測試、抗風蝕性以及抗水沖刷性測試等對揚塵顆粒處理前后的微觀與宏觀性質(zhì)進行對比分析，可確定微生物抑塵性能的最佳噴灑工藝。同時，通過多種室內(nèi)性能測試手段，分別對單種微生物礦化形成的礦物、兩種微生物復(fù)配形成的礦物和其他種類抑塵劑(無機類、有機類、無機—有機復(fù)合類)的抑塵機理和抑塵效果進行比較研究，并分析探討微生物種類與濃度、鈣源種類與濃度、底物種類與濃度、揚塵顆粒組成等對其抑塵效果的影響，以進一步完善微生物抑塵劑的配方比例，并為微生物抑塵劑的抑塵機理提供試驗和理論基礎(chǔ)。

3.2 施工現(xiàn)場性能測試方法

對于施工現(xiàn)場微生物抑塵劑的防治效果檢測，可采用表面固結(jié)層強度性能測試與揚塵顆粒對光線散射強度的光散射強度測試相結(jié)合的現(xiàn)場測試方法。微生物抑塵劑噴灑在揚塵顆粒表面后，若形成較厚的固結(jié)層或固結(jié)強度較高，則粉塵風蝕量顯著減少，抗雨水沖刷能力大幅度提高，可保持長時間的抑塵效果。因此，通過對揚塵表層進行強度性能測試，可以間接地體現(xiàn)微生物抑塵劑的性能效果。而利用便攜式氣體濁度計對施工現(xiàn)場揚塵顆粒的光散射衰減程度進行分析，可以直接地、實時地獲得其抑塵效果數(shù)據(jù)。同時，通過建立微生物抑塵劑的單位用量與其抑塵性能效果的關(guān)系模型，用以指導(dǎo)微生物抑塵劑的單位面積用量及用法，從而達到較高的性價比，即在滿足抑塵需求的同時，降低使用成本。

4 微生物抑塵劑的規(guī)?；瘧?yīng)用

在微生物抑塵劑的生產(chǎn)方面，根據(jù)實驗室對菌種培育及優(yōu)選的結(jié)果進行逐級放大試驗研究。首先從菌液的錐形瓶振蕩培養(yǎng)向?qū)嶒炇倚⌒桶l(fā)酵罐培養(yǎng)進行轉(zhuǎn)化研究，然后在此基礎(chǔ)上，開展工廠級別的連續(xù)恒定化發(fā)酵罐培養(yǎng)技術(shù)研究。通過對菌種在連續(xù)性生產(chǎn)過程中的退化特性、雜菌感染率以及營養(yǎng)利用率等指標進行研究，以不斷改進與調(diào)整菌種的連續(xù)性生產(chǎn)技術(shù)，從而為工業(yè)化生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。在儲運技術(shù)方面，由于微生物抑塵劑本身的多組元復(fù)雜特性與不穩(wěn)定性，因此必須對菌液的離心條件、真空干燥冷卻工藝以及凍干保護劑進行研究，以確定最佳儲運方法，為微生物抑塵劑的推廣解決關(guān)鍵問題。在現(xiàn)場應(yīng)用技術(shù)方面，通過實驗室小規(guī)模測試得到微生物抑塵劑的最優(yōu)配方、最佳噴灑工藝和單位面積使用量，以此來指導(dǎo)現(xiàn)場工程應(yīng)用，并根據(jù)具體施工土方量、揚塵顆粒類別、現(xiàn)場空氣濕度和溫度等一系列參數(shù)對微生物抑塵劑配方及單位用量進行調(diào)整，形成較為成熟的微生物抑塵劑工程應(yīng)用范例，以指導(dǎo)微生物抑塵劑的現(xiàn)場應(yīng)用。

5 結(jié)語

建筑施工揚塵已成為影響城市環(huán)境和空氣質(zhì)量的重要因素，鑒于現(xiàn)有的建筑工地抑塵劑普遍存在著組分復(fù)雜、成本高、功能單一、不易降解和污染環(huán)境等缺陷，通過技術(shù)創(chuàng)新研制出能耗小、污染少、經(jīng)濟高效的新型抑塵劑勢在必行?；谖⑸锏V化技術(shù)研制的微生物抑塵劑，噴灑在揚塵表面可形成具有一定強度的固結(jié)層，使建筑工地粉塵顆粒具有良好的抗風蝕性、抗水流沖刷性以及抗老化性。微生物抑塵劑是一種真正意義上的綠色環(huán)保型抑塵劑，通過探討微生物抑塵劑的制備方法、性能測試方法以及規(guī)?；瘧?yīng)用技術(shù)，可有效推動微生物抑塵劑的制備及其性能研究工作，并為其大面積推廣應(yīng)用提供有效指導(dǎo)。

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Discussion on the preparation and application of microbial dust suppressants

Wang Anhui1Fan Lingzhi2

(1.SchoolofCivilEngineering,ShangqiuInstituteofTechnology,Shangqiu476000,China;2.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing211189,China)

Based on microbial mineralization technology, a type of cost-effective and green-environmental microbial dust suppressant is developed. Through screening of microbial strains with excellent mineralization in the construction dust environment, the preparation methods, performance testing methods and application of microbial dust suppressants were discussed. This paper aims to develop and promote the preparation and use of the microbial dust suppressants.

construction dust， microbial dust suppressants, dust suppression performance, preparation method

2015-08-28

王安輝(1989- )，男，碩士，助教

1009-6825(2015)31-0179-03

X513

A