基于MICP 的固化粉塵微生物抑塵劑試驗(yàn)研究

高廣義

（中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 511458）

露天煤礦生產(chǎn)中產(chǎn)生的粉塵對(duì)礦區(qū)環(huán)境、職工健康、作業(yè)效率和安全生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)造成了極大的影響，制約著我國(guó)露天煤礦的發(fā)展，同時(shí)影響我國(guó)綠色礦山的生態(tài)文明建設(shè)[1]。因此，粉塵防治成為礦區(qū)安全、健康、綠色生產(chǎn)的重要需求。目前，國(guó)內(nèi)外常用濕式抑塵技術(shù)來(lái)達(dá)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(dǎo)致水難以快速有效地進(jìn)行捕捉，導(dǎo)致抑塵效果并不明顯。抑塵劑可增強(qiáng)水對(duì)煤塵的濕潤(rùn)、黏結(jié)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(fā)性、毒性等特性，會(huì)危害人類(lèi)和環(huán)境。因此，研制新型環(huán)保的高效抑塵劑成為粉塵治理的熱點(diǎn)之一。

傳統(tǒng)型的抑塵劑主要分為4 種類(lèi)型：潤(rùn)濕型抑塵劑、黏結(jié)型抑塵劑、凝聚型抑塵劑、復(fù)合型抑塵劑。早期化學(xué)抑塵劑是以潤(rùn)濕型和黏結(jié)型化學(xué)抑塵劑為代表，對(duì)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(diǎn)。隨著化學(xué)抑塵劑向環(huán)保、功能多元化發(fā)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(lè)瓶中提取乙二醇，并開(kāi)發(fā)了一種環(huán)保性的粉塵抑制劑；梁文俊等[3]利用農(nóng)用秸稈作環(huán)保抑塵劑，試驗(yàn)證明，這種抑塵劑對(duì)粘黏微粒有很好的抑制作用，有很好的推廣應(yīng)用前景；李斌等[4]將明膠與殼聚糖交聯(lián)，采用的交聯(lián)劑是轉(zhuǎn)谷酰胺酶，并與十二烷基磺酸鈉協(xié)同反應(yīng)，研制出一種環(huán)保抑塵劑；曹水靜等[5]利用十八醇與玉米淀粉進(jìn)行接枝反應(yīng)，合成了一種新型的泡沫降塵劑。隨著聚合物材料的迅速發(fā)展，聚合物抑塵劑的生產(chǎn)成本持續(xù)下降，聚合物抑塵劑得到了廣泛的應(yīng)用。陳曦等[6]研究了表面活性劑溶液濃度和表面活性劑類(lèi)型對(duì)相互作用力的影響；楊樹(shù)瑩等[7]選擇了瓜爾豆膠聚合物單體作大分子抑塵劑，并對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)，證明其對(duì)粉塵的抑制作用顯著，是一種原材料易得，環(huán)保高效的抑塵劑。

已有研究表明：微生物礦化即微生物誘導(dǎo)碳酸 鈣 沉 淀（microbial induced calcite precipitation，MICP）是一種普遍的自然現(xiàn)象，微生物可以通過(guò)自身的代謝作用來(lái)改變礦物的沉積狀態(tài)，從而加速沉淀，使煤顆粒發(fā)生膠結(jié)，提高煤體的物理機(jī)械性能[8]。微生物會(huì)在煤層顆粒的表面上進(jìn)行吸附，從而使礦物結(jié)晶能夠在煤層的顆粒表面生長(zhǎng)，產(chǎn)生膠結(jié)作用，然后是在微生物的表面上形成碳酸鈣結(jié)晶[9-10]。碳酸鈣逐漸在煤粉表面沉積，從而達(dá)到抑制煤塵的目的。錢(qián)春香等[11]將菌液和營(yíng)養(yǎng)鹽注入松軟砂土，通過(guò)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(jī)械性能，這種方法可以有效地改善地基的強(qiáng)度、剛度和抗液化能力，在地基加固方面具有很好的應(yīng)用前景；王安輝等[12]通過(guò)對(duì)建筑粉塵顆粒環(huán)境下微生物的篩選，從微生物抑塵劑的制備、性能測(cè)試和大規(guī)模應(yīng)用等幾個(gè)方面入手，為其進(jìn)行大規(guī)模推廣提供了有效的指導(dǎo)；OKWADHA 等[13]、Al Qabany 等[14]發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌濃度、膠結(jié)液濃度、環(huán)境pH、環(huán)境溫度等因素都會(huì)影響微生物活性，從而影響沉淀后的碳酸鈣的質(zhì)量；KEYKHA 等[15]通過(guò)設(shè)置不同范圍的菌液pH 值，探究不同細(xì)菌對(duì)pH 值的敏感性不同，實(shí)驗(yàn)證明，巴氏芽孢桿對(duì)酸堿性環(huán)境具有良好的耐受性，在pH 為6～9 范圍內(nèi)能保持較好的生長(zhǎng)及脲酶高活性狀態(tài)。

MICP 固化煤粉是一種十分復(fù)雜的生化反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間、細(xì)菌數(shù)量、活性、環(huán)境條件（pH、溫度）等因素均會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。該反應(yīng)產(chǎn)物無(wú)毒，且具有良好的黏結(jié)性能，但其在煤礦現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用效果卻不太理想，主要原因是：①研究的成果沒(méi)有考慮到環(huán)境因素的影響；②缺乏微生物抑塵劑成分的優(yōu)化配比，這極大地限制了微生物抑塵技術(shù)在煤炭行業(yè)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。鑒于此，基于MICP固化粉塵技術(shù)，分析環(huán)境因素（溫度、pH）對(duì)巴氏芽孢桿菌生長(zhǎng)的影響，通過(guò)測(cè)定CaCO3的產(chǎn)量來(lái)評(píng)估細(xì)菌濃度、膠結(jié)液濃度和營(yíng)養(yǎng)液濃度對(duì)固化效果的影響，進(jìn)而開(kāi)展MICP 微生物抑塵劑成分優(yōu)化研究，以期為該技術(shù)在露天煤礦排土場(chǎng)粉塵治理提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

研究所用巴氏芽孢桿菌凍干粉（Sporosarcina pasteurii）（編號(hào)為ATCC 11859）購(gòu)買(mǎi)于上海北諾生物科技有限公司。培養(yǎng)基是指將多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)混合在一起，從而為微生物提供營(yíng)養(yǎng)，促進(jìn)其生長(zhǎng)和繁衍；利用蛋白胨培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng)，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(diào)為7，其中瓊脂僅在固體培養(yǎng)基中添加；試驗(yàn)中以純水為溶劑，將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與培養(yǎng)基的溶質(zhì)完全溶于水中，使之成為混合液，所用的純水來(lái)自超純水機(jī)（北京湘順源科技有限公司，型號(hào)XYE2-60-H）。巴氏芽孢桿菌培養(yǎng)基成分見(jiàn)表1，各成分消毒方式：尿素采用過(guò)濾，其余采用高壓蒸汽滅菌。

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

試驗(yàn)所用煤樣取自內(nèi)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(yè)分析方法》進(jìn)行工業(yè)分析。將煤塊使用碎煤機(jī)將小塊狀的煤炭進(jìn)行破碎，成粉末狀過(guò)0.15 mm 篩網(wǎng)，用于抑塵劑性能測(cè)試煤樣。煤樣工業(yè)分析結(jié)果為：煤種為無(wú)煙煤，水分為2.18%，灰分為17.97%，揮發(fā)分為6.56%。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 微生物活化與培養(yǎng)

1）玻璃器材滅菌。試驗(yàn)采用全自動(dòng)立式壓力蒸氣殺菌設(shè)備（型號(hào)為YXQ-LS-75S Ⅱ），對(duì)培養(yǎng)過(guò)程中使用的玻璃器材進(jìn)行高溫、高壓消毒。

2）培養(yǎng)基配置及滅菌。①用電子分析天平稱(chēng)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(dòng)，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(diào)pH 值為7，采用Sartorius PB-10 型pH 計(jì)對(duì)pH 進(jìn)行測(cè)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(yǎng)液進(jìn)行滅菌處理，滅菌結(jié)束后，將其移出置于無(wú)菌操作臺(tái)上冷卻。

3）微生物活化。配制好若干瓶固體培養(yǎng)基與液體培養(yǎng)基，滅菌后放入無(wú)菌操作臺(tái)中進(jìn)行冷卻，加標(biāo)準(zhǔn)菌株溶液1 mL 于菌株疫苗瓶?jī)?nèi)，待溶解混勻后，用無(wú)菌移液槍吸取100 μL 溶解后的微生物到液體培養(yǎng)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(yǎng)24～48 h。取出后觀察，發(fā)現(xiàn)液體培養(yǎng)基中出現(xiàn)暗黃色渾濁，表明巴氏芽孢桿菌活化成功。

1.2.2 環(huán)境因素對(duì)微生物的影響

環(huán)境因素對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響主要通過(guò)細(xì)菌濃度和脲酶活性來(lái)表征。

細(xì)菌濃度可以通過(guò)比濁法測(cè)定，是微生物濃度檢測(cè)常用的方法之一，計(jì)算方法見(jiàn)式（1）：

式中：Y為溶液中細(xì)菌濃度，cells/mL；Z為OD600數(shù)值。

由于尿素經(jīng)脲酶水解后，溶液中的產(chǎn)生的導(dǎo)電離子增多，通過(guò)測(cè)定溶液電導(dǎo)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(dǎo)率，S/（m·min）；w為稀釋倍數(shù)，取10；i為系數(shù)，取11.11。

試驗(yàn)預(yù)先配置好一系列滅菌的液體培養(yǎng)基，以體積分?jǐn)?shù)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(yǎng)。通過(guò)設(shè)定水浴鍋的溫度，來(lái)改變微生物生長(zhǎng)的溫度環(huán)境，采用5% HCl 和5% NaOH 對(duì)液體培養(yǎng)基的pH 進(jìn)行調(diào)節(jié)。環(huán)境因素對(duì)微生物的影響具體試驗(yàn)方案為：

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

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

1.2.3 微生物抑塵劑成分濃度對(duì)MICP 過(guò)程的影響

尿素水解MICP 固化煤塵是一種復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)，尿素水解MICP 反應(yīng)分為2 個(gè)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(yīng)用于固化煤塵之前，首先需要明確菌液濃度、膠結(jié)液濃度、反應(yīng)時(shí)間、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度這些因素對(duì)MICP 過(guò)程的影響。為了確定相關(guān)影響因素和各因素的適宜取值范圍，采用測(cè)定CaCO3的產(chǎn)量來(lái)評(píng)估抑塵劑的固化效果。微生物抑塵劑由膠結(jié)液（尿素和氯化鈣）、細(xì)菌（巴氏芽孢桿菌菌液）、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（酪蛋白胨、大豆蛋白胨和氯化鈉混合液）等物質(zhì)組成。

微生物抑塵劑各成分濃度對(duì)MICP 過(guò)程的影響具體試驗(yàn)方案為：

1）營(yíng)養(yǎng)液濃度因素的影響。30 ℃、pH=7.0，膠結(jié)液1 mol/L、細(xì)菌OD600值1.5 條件下，營(yíng)養(yǎng)液濃度分別為20、10、5、2、1 g/L（進(jìn)行6 組不同濃度平行試驗(yàn)）對(duì)MICP 過(guò)程的影響。

2）膠結(jié)液濃度因素的影響。30 ℃、pH=7.0，營(yíng)養(yǎng)液5 g/L、細(xì)菌OD600值1.5 條件下，膠結(jié)液濃度分別為2.5、2.0、1.0、0.5、0.25 mol/L（進(jìn)行5組不同濃度平行試驗(yàn)）對(duì)MICP 過(guò)程的影響。

3）細(xì)菌濃度因素的影響。30 ℃、pH=7.0，營(yíng)養(yǎng)液5 g/L、膠結(jié)液0.5 mol/L 條件下，細(xì)菌OD600值分別為0.1、0.2、0.5、1.2、1.5、2（進(jìn)行1 組不同細(xì)菌OD600值平行試驗(yàn)）對(duì)MICP 過(guò)程的影響。

試驗(yàn)步驟如下：①將活化后的巴氏芽孢桿菌菌液進(jìn)行擴(kuò)增，在進(jìn)行48 h 震蕩培養(yǎng)后，取出菌液待用；②按試驗(yàn)方案表配置抑塵劑各成分濃度；③準(zhǔn)備若干50 mL 離心管，按試驗(yàn)方案依此加入營(yíng)養(yǎng)液、膠結(jié)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(xì)菌在有氧條件下培養(yǎng)，試驗(yàn)在室內(nèi)恒溫30℃、pH 為7.0條件下進(jìn)行試驗(yàn)；④當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行48 h 時(shí)，取出離心管，用離心機(jī)離心，轉(zhuǎn)速設(shè)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(jìn)行烘干；⑤稱(chēng)量烘干后離心管及生成碳酸鈣的質(zhì)量，減去對(duì)應(yīng)離心管的質(zhì)量即為碳酸鈣的生成質(zhì)量。

1.2.4 微生物抑塵劑配比優(yōu)化

根據(jù)試驗(yàn)得到的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度、膠結(jié)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(gè)濃度水平，設(shè)計(jì)9 組正交試驗(yàn)，試驗(yàn)48 h 后測(cè)定不同成分濃度配比對(duì)抑塵劑應(yīng)用性能的影響，其中各性能指標(biāo)選用純水作為對(duì)照組試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，進(jìn)而采用矩陣分析法找到抑塵劑最優(yōu)組合及最優(yōu)水平。

抑塵劑應(yīng)用性能試驗(yàn)指標(biāo)主要是滲透速度、抗風(fēng)性能、抗蒸發(fā)性、保水性能、抑塵效率、抗雨淋性。計(jì)算如下：

式中：Et為蒸發(fā)率，g/（m2·s）；w1蒸發(fā)前玻璃皿總質(zhì)量，g；w2蒸發(fā)后玻璃皿總質(zhì)量，g；S為玻璃皿面積， m2；t為蒸發(fā)時(shí)間，s。

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

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

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

取10 個(gè)規(guī)格相同的玻璃皿，其質(zhì)量為m1，編號(hào)為M1～M10,前9 組為試驗(yàn)組，分別向其中稱(chēng)取20 g 煤粉，并噴灑20 mL 對(duì)應(yīng)抑塵劑，M10為對(duì)照試驗(yàn)組，添加同劑量的純水，噴灑后玻璃皿質(zhì)量記為m2，將測(cè)試數(shù)據(jù)分別代入上述公式中即可得到抑塵劑的應(yīng)用性能。

其中，抗風(fēng)性能測(cè)試采用多翼式噪聲離心式通風(fēng)機(jī)，將其正對(duì)玻璃皿并保持1 m 距離，測(cè)試吹風(fēng)前后玻璃皿的質(zhì)量差，計(jì)算得到其抗風(fēng)指數(shù)。

抗蒸發(fā)性通過(guò)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)和單位面積抑塵劑溶液的蒸發(fā)量，即得到蒸發(fā)率。將M1～M10置于35 ℃的烘箱中14 h，然后測(cè)試烘干前后的質(zhì)量差，計(jì)算得到抗蒸發(fā)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(huán)境2 d，用樣品的質(zhì)量變化來(lái)衡量抑塵劑保水性能的優(yōu)劣。

抑塵效率抑塵劑性能的關(guān)鍵指標(biāo)。將經(jīng)過(guò)干燥處理后的M1～M10放置于室外自然環(huán)境中，每隔一段時(shí)間測(cè)定并記錄質(zhì)量，計(jì)算得到抑塵效率。

質(zhì)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(chēng)量經(jīng)干燥處理后的質(zhì)量，計(jì)算得出質(zhì)量損失率。

矩陣分析法是一種獨(dú)特的正交試驗(yàn)分析方法，其分析過(guò)程具有客觀性和嚴(yán)格性，能夠?qū)⒏鱾€(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響用權(quán)重的方式表達(dá)，通過(guò)比較權(quán)重大小得到影響因素的優(yōu)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(yīng)用性能的試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化抑塵劑的成分配比，首先建立如下矩陣分析模型，結(jié)構(gòu)模型如圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Data structure model

基于設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)內(nèi)容，構(gòu)建3 層結(jié)構(gòu)模型和層結(jié)構(gòu)矩陣。第1 層是試驗(yàn)考察指標(biāo)層，第2 層是因素層，第3 層是水平層；然后利用各層級(jí)矩陣的乘積，求出各指標(biāo)的權(quán)矩陣，因此得到各因素在不同水平上的權(quán)重；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)權(quán)重的大小，確定最佳方案及各因素對(duì)正交試驗(yàn)指標(biāo)的影響次序。同時(shí)，在每一層次上，給出如下的矩陣定義。

定義1—指標(biāo)層矩陣：如果正交試驗(yàn)中有i個(gè)因素，各因素有m個(gè)水平時(shí)，kij表示因素Ai在第j個(gè)水平上試驗(yàn)指標(biāo)的平均值，如果試驗(yàn)結(jié)果的考察指標(biāo)是越小越有利，則令Kij=1/kij，如果考察指標(biāo)越大越有利，那么令Kij=kij，建立指標(biāo)層矩陣M。

2 試驗(yàn)結(jié)果

由微生物活化使用說(shuō)明書(shū)可知，培養(yǎng)48 h 左右細(xì)菌數(shù)量較多，且處于穩(wěn)定期。因此在細(xì)菌培養(yǎng)48 h 后，測(cè)定不同溫度和pH 環(huán)境下的細(xì)菌濃度和酶活性。溫度對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響如圖2，pH 對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響如圖3，抑塵劑各成分對(duì)MICP 過(guò)程的影響如圖4。

圖2 溫度對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響Fig.2 The effect of temperature on microbial growth

圖3 pH 對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響Fig.3 The effect of pH on microbial growth

圖4 抑塵劑各成分對(duì)MICP 過(guò)程的影響Fig.4 Effects of dust suppressant components on MICP process

由圖2 可知：細(xì)菌濃度隨培養(yǎng)環(huán)境溫度升高呈先增大后減小的趨勢(shì)，在30 ℃左右細(xì)菌濃度最大；菌液的脲酶活性變化情況與細(xì)菌濃度的變化情況基本一致，20～35 ℃時(shí)，微生物的脲酶活力隨溫度升高而升高，35 ℃時(shí)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(yǎng)溫度。

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

由圖4 可知：CaCO3的生成量隨營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度逐漸增加而增加時(shí)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)于MICP 過(guò)程起到積極的促進(jìn)作用；營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度為1～2 g/L 時(shí)，產(chǎn)生的CaCO3沉淀相差不大；當(dāng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度為20 g/L 時(shí)，在試驗(yàn)濃度范圍內(nèi)產(chǎn)生的沉淀最多，但是考慮到營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的成本與實(shí)際效果，后續(xù)試驗(yàn)選用濃度為2～10 g/L 的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)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(jié)液濃度增大呈先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)膠結(jié)液濃度超過(guò)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(huì)抑制脲酶活性[10]。隨著培養(yǎng)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(yīng)不能提供充足的離子，進(jìn)而使CaCO3的生成量變低。因此，選用0.5～2 mol/L 膠結(jié)液濃度作為抑塵劑濃度配比范圍。OD600值可直接反映了細(xì)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(dāng)增加菌液濃度，可以積極催化MICP 反應(yīng)，有效提高固化煤塵的工程性能。因此考慮抑塵劑的經(jīng)濟(jì)性，選用OD600值在0.5～1.5 作為抑塵劑濃度配比范圍。

為對(duì)微生物抑塵劑各成分在應(yīng)用性能方面優(yōu)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(nèi)，每個(gè)因素均取3 個(gè)濃度水平，根據(jù)正交法則選取L9（3×3）正交表，得到9 種試驗(yàn)方案。因素水平表見(jiàn)表2，正交試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表2 因素水平表Table 2 Factor level table

表3 正交試驗(yàn)方案Table 3 Orthogonal test schemes

將9 種試驗(yàn)方案的抑塵劑濃度配比進(jìn)行應(yīng)用性能指標(biāo)測(cè)試；隨后將試驗(yàn)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，建立試驗(yàn)指標(biāo)極差分析表。正交試驗(yàn)極差分析表見(jiàn)表4。

表4 正交試驗(yàn)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(biāo)均值都優(yōu)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(fēng)指數(shù)下限值高于純水0.095、蒸發(fā)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(jù)矩陣分析法的定義，計(jì)算6 個(gè)應(yīng)用性能指標(biāo)的權(quán)重，最終得到9 種正交試驗(yàn)3 種因素3個(gè)水平下的權(quán)重。權(quán)重矩陣分析結(jié)果如下：

1）因素A水平1。權(quán)重A1為0.089 1，其中：滲透速度、抗風(fēng)性能、抗蒸發(fā)性、保水性能、抑塵效率、抗雨淋性的權(quán)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(quán)重A2為0.092 7，其中：滲透速度、抗風(fēng)性能、抗蒸發(fā)性、保水性能、抑塵效率、抗雨淋性的權(quán)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(quán)重A3為0.097 4，其中：滲透速度、抗風(fēng)性能、抗蒸發(fā)性、保水性能、抑塵效率、抗雨淋性的權(quán)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(quán)重B1為0.164 6，其中：滲透速度、抗風(fēng)性能、抗蒸發(fā)性、保水性能、抑塵效率、抗雨淋性的權(quán)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(quán)重B2為0.169 3，其中：滲透速度、抗風(fēng)性能、抗蒸發(fā)性、保水性能、抑塵效率、抗雨淋性的權(quán)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(quán)重B3為0.184 7，其中：滲透速度、抗風(fēng)性能、抗蒸發(fā)性、保水性能、抑塵效率、抗雨淋性的權(quán)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(quán)重C1為0.068 4，其中：滲透速度、抗風(fēng)性能、抗蒸發(fā)性、保水性能、抑塵效率、抗雨淋性的權(quán)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(quán)重C2為0.071 8，其中：滲透速度、抗風(fēng)性能、抗蒸發(fā)性、保水性能、抑塵效率、抗雨淋性的權(quán)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(quán)重C3為0.070 6，其中：滲透速度、抗風(fēng)性能、抗蒸發(fā)性、保水性能、抑塵效率、抗雨淋性的權(quán)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(jié)果可以看出：各因素對(duì)正交試驗(yàn)指標(biāo)的影響的次序是BAC；因素A的3 個(gè)水平計(jì)算得到的A3的權(quán)重最大，因素B的3 個(gè)水平計(jì)算得到的B3的權(quán)重最大，因素C的3 個(gè)水平計(jì)算得到的C2的權(quán)重最大；因此A3B3C2是正交試驗(yàn)的優(yōu)化方案，即營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度為2 g/L，膠結(jié)液濃度為0.5 mol/L，菌液OD600值為1。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）通過(guò)對(duì)巴氏芽孢桿菌的活化培養(yǎng)試驗(yàn)，探討了環(huán)境因素（溫度、pH 等）對(duì)巴氏芽孢桿菌的生長(zhǎng)及脲酶活性的影響，結(jié)果表明：巴氏芽孢桿菌的適宜培養(yǎng)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(huán)境下的露天煤礦排土場(chǎng)防塵工作上，更益于發(fā)揮作用。

2）MICP 過(guò)程CaCO3的生成量與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度和菌液濃度呈正相關(guān)關(guān)系。隨膠結(jié)液濃度（尿素、氯化鈣）增大CaCO3的生成量呈增大后減小的趨勢(shì)。

3）巴氏芽孢桿菌微生物抑塵劑具有良好的滲透性、抗強(qiáng)風(fēng)、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(quán)重，得到巴氏芽孢桿菌微生物抑塵劑成分配比優(yōu)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)溶液取2 g/L。