MICP固化石墨尾礦對其抑塵能力及環(huán)境的影響

華陽 李智民

摘? 要：我國石墨尾礦產(chǎn)量大，堆積而成的尾礦庫在沒有有效處理的情況下會造成揚塵。微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）作為新型的巖土工程技術(shù)可以治理尾礦揚塵。MICP固化石墨尾礦影響因素眾多，該文選取3種因素，對固化后的石墨尾礦進(jìn)行風(fēng)洞試驗，酸堿度試驗和易溶鹽試驗，研究各因素對微生物固化石墨尾礦的抑塵能力和環(huán)境的影響。從結(jié)果上看，MICP固化后的石墨尾礦試樣抑塵能力好，且固化試樣后的酸堿度與易溶鹽含量變化不大。

關(guān)鍵詞：MICP；石墨尾礦；風(fēng)洞試驗；酸堿度試驗；易溶鹽試驗

中圖分類號：TU521.5? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）05-0065-04

Abstract： The output of graphite tailings is large in our country， and the accumulated tailings reservoir will cause dust without effective treatment. Mmicrobially induced calcium carbonate precipitation （MICP）， as a new geotechnical engineering technology， can control tailings dust. There are many factors affecting MICP solidified graphite tailings. In this paper， three factors were selected to carry out wind tunnel test， pH test and soluble salt test of solidified graphite tailings to study the effects of various factors on dust suppression ability and environment of microorganism solidified graphite tailings. The results show that the graphite tailings cured by MICP has good dust suppression ability， and the pH and soluble salt content of the cured samples have little change.

Keywords： MICP; graphite tailings; wind tunnel test; pH test; soluble salt test

我國是最大的石墨產(chǎn)出國，占世界總產(chǎn)量比重達(dá)60%[1]。隨著大量石墨的開采加工，其產(chǎn)生的固體廢物石墨尾礦數(shù)量龐大。針對石墨尾礦利用的研究主要在建筑材料上，如Kathirvel等[2]用石墨尾礦替代混凝土中的砂粒，吳建鋒等[3]利用石墨尾礦燒制陶瓷仿古磚。然而，石墨尾礦的利用率僅有30%，其余均堆積在尾礦庫中。在尾礦庫沒有得到有效覆蓋的情況下，表面的礦砂會在風(fēng)力作用下產(chǎn)生揚塵，對生態(tài)環(huán)境造成影響。

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）是一種新興的巖土工程技術(shù)。相較于傳統(tǒng)加固方法，MICP具有節(jié)能，綠色等優(yōu)點[4]。其原理是利用微生物分泌的脲酶將尿素分解生成碳酸根，并與環(huán)境中的鈣離子結(jié)合生成碳酸鈣，以填充孔隙和粘結(jié)土顆粒，最終提高土體的強度[5]。利用MICP的原理，可以使微生物生成的碳酸鈣與石墨尾礦在尾礦庫表面形成硬殼，提高其抗風(fēng)蝕揚塵的能力。Lei等[6]用MICP方法處理沙漠砂并進(jìn)行了風(fēng)洞試驗，試驗結(jié)果表明，MICP處理后的試樣表面穿透阻力隨著溫度和膠結(jié)液濃度的升高而增加，風(fēng)蝕質(zhì)量損失逐漸降低，試樣的抗風(fēng)蝕能力增強。

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的影響因素較多，如鈣源[7]、鈣離子濃度[8-9]、溫度[10]、菌液濃度[11]等。目前關(guān)于微生物固化的研究大多集中在強度上，對抗風(fēng)蝕能力和環(huán)境的影響研究較少。因此，本文選取pH、膠結(jié)液濃度及菌液濃度3個因素固化石墨尾礦，然后進(jìn)行風(fēng)洞試驗，酸堿度試驗和易溶鹽試驗。通過試驗結(jié)果對比，分析不同因素下MICP固化石墨尾礦對抑塵能力和環(huán)境的影響。

1? 試驗材料與方法

1.1? 試驗材料

1.1.1? 石墨尾礦

試驗用砂選自雞西市石墨尾礦庫的石墨尾礦，其顆粒級配如圖1所示。

1.1.2? 巴氏芽孢桿菌

試驗菌種選用巴氏芽孢桿菌。巴氏芽孢桿菌是一種具有較高脲酶活性的細(xì)菌，外形為桿狀，長度為2～3 μm。將該菌種活化后，在恒溫?fù)u床35 ℃、160 r/min環(huán)境下培養(yǎng)30 h，得到擴大培養(yǎng)后的菌液。微生物培養(yǎng)基見表1。

1.1.3? 膠結(jié)液

膠結(jié)液為微生物生成碳酸鈣所需的鈣離子和營養(yǎng)物質(zhì)，由尿素、氯化鈣和蒸餾水配制而成。尿素與氯化鈣的摩爾比為1∶1。溶液濃度按照相應(yīng)試驗要求確定。

1.2? 試驗方法

1.2.1? 試樣制備

風(fēng)蝕試樣模具采用長寬高165 mm×120 mm×40 mm的鐵盒，如圖2所示。試樣制備將砂土填滿模具。本次試驗采用噴灑法進(jìn)行微生物固化試樣。先后噴灑菌液和膠結(jié)液，用量分別為40 mL和60 mL，室溫下放置72 h。制備好的試件放入60 ℃烘箱48 h，清除微生物對后續(xù)試驗的干擾。

本次試驗選取膠結(jié)液pH、膠結(jié)液濃度和菌液吸光度OD600 3個因素，其中菌液吸光度OD600是表征菌液濃度的數(shù)值，可由紫外分光光度計測出。試驗設(shè)計表見表2。

1.2.2? 風(fēng)洞試驗

風(fēng)洞試驗采用小型風(fēng)洞試驗機，如圖3所示。本次試驗設(shè)置3、6、9、12 m/s 4個風(fēng)速，分別對應(yīng)3～6級風(fēng)。每個風(fēng)速下試驗時間為10 min。記錄風(fēng)蝕前后的質(zhì)量，質(zhì)量差代表風(fēng)蝕質(zhì)量損失，反映該試件的抗風(fēng)蝕揚塵能力。

1.2.3? 酸堿度試驗

土壤酸堿度的變化會對植物生長和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。因此，本試驗就MICP固化試樣進(jìn)行酸堿度試驗。

試驗采用GB/T 50123—2019《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中酸堿度試驗方法，測定微生物固化后土樣的pH。操作步驟如下。

1）將試樣風(fēng)干后，稱取過篩2 mm的10 g土樣于廣口瓶中，加50 mL蒸餾水，振蕩3 min，靜止30 min，待測。

2）取土懸液于小燒杯中，攪拌懸液1 min后，將pH計插入杯中，測定懸液pH，精確至0.01，記錄數(shù)據(jù)。

1.2.4? 易溶鹽試驗

易溶鹽是土壤中可溶于水中的一些鹽類。這些鹽類會對土壤水理性質(zhì)和工程特性有著較大影響，因此，本試驗就MICP固化試樣進(jìn)行易溶鹽試驗。

試驗采用GB/T 50123—2019《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中易溶鹽試驗方法，測定微生物固化后土樣的易溶鹽總量。操作步驟如下。

1）將試樣風(fēng)干后，稱取過篩2 mm的M（g）土樣于廣口瓶中，加V1（mL）蒸餾水，振蕩3 min，靜止30 min。

2）使用真空抽濾泵將振蕩后的土懸液抽氣過濾，當(dāng)發(fā)現(xiàn)濾液渾濁時，需反復(fù)過濾土懸液至透明狀態(tài)，所得透明濾液即為土樣浸出液，貯于細(xì)口瓶中備用。

3）用移液槍吸取V2（mL）浸出液，注射到m1（g）的已烘干的蒸發(fā)皿中，將蒸發(fā)皿放入105 ℃的烘箱中，烘干至水分完全蒸發(fā)，稱取蒸發(fā)皿質(zhì)量m2（g）。

微生物固化試樣的易溶鹽含量w（%）為

2? 結(jié)果與分析

2.1? 風(fēng)洞試驗

未經(jīng)MICP處理的試樣風(fēng)蝕質(zhì)量損失如圖4所示。由圖4可知，試樣在3 m/s的風(fēng)速下質(zhì)量損失較小。隨著風(fēng)速的增加，質(zhì)量損失越來越大，在12 m/s風(fēng)速下的質(zhì)量損失達(dá)到近800 g，原試樣砂近1 000 g，風(fēng)蝕質(zhì)量損失率達(dá)80%。被風(fēng)吹揚的顆粒大小與風(fēng)速有關(guān)，風(fēng)速越大，風(fēng)吹動的顆粒越粗。

試樣A～C組風(fēng)蝕質(zhì)量損失如圖5所示。

由圖5（a）中可知，在3 m/s和6 m/s風(fēng)速時，pH的改變對風(fēng)蝕質(zhì)量損失影響較小。而在9 m/s和12 m/s風(fēng)速下，呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。這是因為酸性和堿性環(huán)境會削弱微生物的固化效果，酸性環(huán)境下碳酸鈣的生成會受到阻礙；堿性較高的環(huán)境會將膠結(jié)液中的鈣離子變?yōu)闅溲趸}沉淀，降低鈣離子的濃度，碳酸鈣生成量減少。

由圖5（b）中可知，膠結(jié)液濃度在0.25 mol/L時，風(fēng)蝕質(zhì)量損失最大，而膠結(jié)液濃度在1 mol/L時，試樣僅在12 m/s風(fēng)速下有較小的質(zhì)量損失。同時，膠結(jié)液中的氯化鈣本身也可以作為一種抑塵劑，過高的膠結(jié)液濃度不會與微生物全部反應(yīng)，試樣中殘留的氯化鈣和微生物生成的碳酸鈣起到聯(lián)合固化的作用，提升試樣的抗風(fēng)蝕能力。

由圖5（c）中可知，菌液吸光度在1.5時，風(fēng)蝕質(zhì)量損失最高達(dá)到31 g。隨著菌液吸光度的提高，風(fēng)蝕質(zhì)量損失逐漸降低。菌液濃度越高，產(chǎn)生的脲酶越多，進(jìn)而生成更多的碳酸根，促進(jìn)碳酸鈣的生成，試樣的抗風(fēng)蝕能力越強。

從整體風(fēng)速上看，MICP固化試樣在3 m/s下無質(zhì)量損失，大部分的試樣啟動風(fēng)速在6 m/s，最大的風(fēng)蝕質(zhì)量損失率不超過3.5%。并且，在試驗過程中，發(fā)現(xiàn)試樣表面粗顆粒被吹走的較多，如圖6所示。原因是噴灑的菌液和膠結(jié)液在向土層下入滲過程中，遇到大顆粒、大孔隙的情況下流速過快，菌液與膠結(jié)液不能充分反應(yīng)，不能對大粒徑的土粒進(jìn)行有效的固化[12]。

2.2? 酸堿度試驗

未經(jīng)MICP處理土樣的pH為7.46。按1.2.3中測定MICP固化土樣pH見表3。由表3可知，MICP固化土樣的同時，會使其pH升高，但變化幅度不大，最大達(dá)到8.17不會明顯改變土壤的酸堿度。

2.3? 易溶鹽試驗

未經(jīng)MICP處理土樣的易溶鹽含量為1.01%。按1.2.4中測定MICP固化土樣易溶鹽含量見表4。由表4可知，A組中膠結(jié)液pH過大和過小，會使土樣的易溶鹽含量降低。其余試驗條件下均提升了土樣的易溶鹽含量，但變化幅度不超過1%。

3? 結(jié)論

本文通過MICP固化石墨尾礦進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論。

1）經(jīng)MICP固化后的試樣能有效抵抗3～4級風(fēng)，并且在5～6級風(fēng)下也能保持較好的抑塵能力。

2）MICP固化石墨尾礦與膠結(jié)液pH、膠結(jié)液濃度和菌液濃度有關(guān)。最優(yōu)的固化條件為膠結(jié)液pH取7，膠結(jié)液濃度取1 mol/L，菌液吸光度取3.0。

3）MICP固化石墨尾礦后的酸堿度和易溶鹽含量變化不大，對原有土壤環(huán)境影響小。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孟兆磊.我國天然石墨行業(yè)可持續(xù)發(fā)展問題研究[D].北京：北京科技大學(xué)，2021.

[2] KATHIRVEL P， KWON S J， LEE H S， et al. GrapHite ore tailings as partial replacement of sand in concrete[J]. ACI Mater J， 2018，115（3）：481-192.

[3] 吳建鋒，金昊，徐曉虹，等.利用石墨尾礦研制陶瓷仿古磚[J].硅酸鹽學(xué)報，2019，47（12）：1760-1767.

[4] 朱衛(wèi)國，范一，何志強.微生物在地基處理中的應(yīng)用綜述[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2019（10）：104-105.

[5] 吳尚彬，賈蒼琴，王貴和.微生物土體改良技術(shù)研究綜述[J].桂林理工大學(xué)學(xué)報，2023，43（2）：224-238.

[6] LEI H， ENJIE Y，YUNDONG Z， et al. Microbially induced calcite precipitation （MICP） for stabilization of desert sand against the wind-induced erosion： A parametric study[J]. Sustainability，2022，14（18）.

[7] 梁仕華，牛九格，房采杏，等.鈣源對微生物沉積碳酸鈣固化砂土的試驗研究[J].工業(yè)建筑，2018，48（7）：10-15.

[8] 孫瀟昊，繆林昌，童天志，等.微生物沉積碳酸鈣固化砂土試驗研究[J].巖土力學(xué)，2017，38（11）：3225-3230.

[9] 崔明娟，鄭俊杰，章榮軍，等.化學(xué)處理方式對微生物固化砂土強度影響研究[J].巖土力學(xué)，2015，36（S1）：392-396.

[10] 孫瀟昊，繆林昌，吳林玉，等.低溫條件下微生物誘導(dǎo)固化對比研究[J].巖土力學(xué)，2018，39（S2）：224-230.

[11]? MURUGAN R， SURAISHKUMAR G K， MUKHERJEE A ，et al. Insights into the influence of cell concentration in design and development of microbially induced calcium carbonate precipitation （MICP） process[J].PLoS ONE， 2021， 16（7）：e0254536.

[12] 白龍威，李向東，馮聰睿，等.粒徑對微生物固化砂土抗風(fēng)蝕揚塵能力的影響[J].路基工程，2023（1）：83-88.