MICP固化石墨尾礦對其抑塵能力及環境的影響

華陽 李智民

摘? 要：我國石墨尾礦產量大，堆積而成的尾礦庫在沒有有效處理的情況下會造成揚塵。微生物誘導碳酸鈣沉淀（MICP）作為新型的巖土工程技術可以治理尾礦揚塵。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行風洞試驗，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境的影響。從結果上看，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。

關鍵詞：MICP；石墨尾礦；風洞試驗；酸堿度試驗；易溶鹽試驗

中圖分類號：TU521.5? ? ? 文獻標志碼：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出國，占世界總產量比重達60%[1]。隨著大量石墨的開采加工，其產生的固體廢物石墨尾礦數量龐大。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，表面的礦砂會在風力作用下產生揚塵，對生態環境造成影響。

微生物誘導碳酸鈣沉淀（MICP）是一種新興的巖土工程技術。相較于傳統加固方法，MICP具有節能，綠色等優點[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，并與環境中的鈣離子結合生成碳酸鈣，以填充孔隙和粘結土顆粒，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，提高其抗風蝕揚塵的能力。Lei等[6]用MICP方法處理沙漠砂并進行了風洞試驗，試驗結果表明，MICP處理后的試樣表面穿透阻力隨著溫度和膠結液濃度的升高而增加，風蝕質量損失逐漸降低，試樣的抗風蝕能力增強。

微生物誘導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。目前關于微生物固化的研究大多集中在強度上，對抗風蝕能力和環境的影響研究較少。因此，本文選取pH、膠結液濃度及菌液濃度3個因素固化石墨尾礦，然后進行風洞試驗，酸堿度試驗和易溶鹽試驗。通過試驗結果對比，分析不同因素下MICP固化石墨尾礦對抑塵能力和環境的影響。

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菌，外形為桿狀，長度為2～3 μm。將該菌種活化后，在恒溫搖床35 ℃、160 r/min環境下培養30 h，得到擴大培養后的菌液。微生物培養基見表1。

1.1.3? 膠結液

膠結液為微生物生成碳酸鈣所需的鈣離子和營養物質，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。溶液濃度按照相應試驗要求確定。

1.2? 試驗方法

1.2.1? 試樣制備

風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行微生物固化試樣。先后噴灑菌液和膠結液，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，清除微生物對后續試驗的干擾。

本次試驗選取膠結液pH、膠結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值，可由紫外分光光度計測出。試驗設計表見表2。

1.2.2? 風洞試驗

風洞試驗采用小型風洞試驗機，如圖3所示。本次試驗設置3、6、9、12 m/s 4個風速，分別對應3～6級風。每個風速下試驗時間為10 min。記錄風蝕前后的質量，質量差代表風蝕質量損失，反映該試件的抗風蝕揚塵能力。

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系統的穩定性產生重要影響。因此，本試驗就MICP固化試樣進行酸堿度試驗。

試驗采用GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》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，記錄數據。

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和工程特性有著較大影響，因此，本試驗就MICP固化試樣進行易溶鹽試驗。

試驗采用GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》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，當發現濾液渾濁時，需反復過濾土懸液至透明狀態，所得透明濾液即為土樣浸出液，貯于細口瓶中備用。

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

微生物固化試樣的易溶鹽含量w（%）為

2? 結果與分析

2.1? 風洞試驗

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

試樣A～C組風蝕質量損失如圖5所示。

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

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

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

從整體風速上看，MICP固化試樣在3 m/s下無質量損失，大部分的試樣啟動風速在6 m/s，最大的風蝕質量損失率不超過3.5%。并且，在試驗過程中，發現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，菌液與膠結液不能充分反應，不能對大粒徑的土粒進行有效的固化[12]。

2.2? 酸堿度試驗

未經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，最大達到8.17不會明顯改變土壤的酸堿度。

2.3? 易溶鹽試驗

未經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? 結論

本文通過MICP固化石墨尾礦進行研究，得到如下結論。

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

2）MICP固化石墨尾礦與膠結液pH、膠結液濃度和菌液濃度有關。最優的固化條件為膠結液pH取7，膠結液濃度取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，對原有土壤環境影響小。

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