微生物抑尘剂的研制方法探讨

王安辉 范凌志

(1.商丘工学院土木工程学院，河南 商丘 476000； 2.东南大学材料科学与工程学院，江苏 南京 211189)

微生物抑尘剂的研制方法探讨

王安辉1范凌志2

(1.商丘工学院土木工程学院，河南 商丘 476000； 2.东南大学材料科学与工程学院，江苏 南京 211189)

基于微生物矿化技术，研制了经济高效的绿色环保型微生物抑尘剂，通过筛选在建筑扬尘颗粒环境中具有优异矿化性能的微生物菌株，从微生物抑尘剂的制备方法、性能测试方法以及规模化应用等方面展开探讨，以期对微生物抑尘剂的研制及推广应用提供借鉴作用。

建筑扬尘，微生物抑尘剂，抑尘特性，制备方法

0 引言

2013年以来，我国先后有30个省份遭受雾霾天气侵袭，据相关报告显示，我国较大的500个城市中，仅有不到1%的城市能达到世界卫生组织推荐的空气质量标准[1]，为此，国家减灾办、民政部首次将严重危害健康的雾霾天气纳入自然灾情。雾霾天气的主要成分中50%～80%为粒径小于10 μm的可吸入颗粒物(PM10和PM2.5)，而在可吸入颗粒物中，建筑扬尘贡献率通常达到50%左右[2]。这是因为我国城市化进程加快，城市基础设施的建设、拆迁以及工程施工过程中物料的装卸、堆存、运输、转移等不断增多，使得建筑施工扬尘成为城市环境空气中颗粒物的主要污染源之一。因此，治理建筑施工的扬尘污染问题已迫在眉睫。

目前，建筑扬尘防治措施主要有洒水防尘法、防尘网(布)覆盖法和表面固化防尘技术等[3]。洒水防尘是通过将扬尘中细小颗粒润湿，增加粉尘含湿量，使其凝结成较大颗粒粉尘，以达到抑制扬尘目的，但该方法不但会浪费大量水资源，还存在着夏季气温高，蒸发快，冬季气温低，易结冰等问题。防尘网(布)覆盖法是在散料堆场加盖防尘网或塑料布来阻挡建筑扬尘，但这种方法成本高，浪费材料，且不能捕捉漂浮在空气中的粉尘，对于不断有新粉尘产生的作业区，其抑尘能力有限。表面固化防尘技术是在扬尘表面喷洒各种类型的抑尘剂，利用其粘着性、凝固成膜性或者润湿机理将粉尘颗粒粘结在一起或增加粉尘颗粒间的粘结强度，使得粉尘成团或表面固化结壳，从而达到抑尘作用，由于该技术抑尘效果好、生产工艺相对简单、综合效益高等优点而受到国内外研究机构的青睐。

Amato等[4]制备了Triton X-100吸湿性无机盐抑尘剂，并对其降低周围PM的效果进行了分析。Medeiros等[5]利用丙三醇在酸或碱的催化下，合成了一种新型抑尘剂，其粘性是丙三醇的160倍，抑尘效果明显优于丙三醇低聚物或丙三醇类抑尘剂。Yan等[6]介绍了一种以甘油为主要原料的抑尘剂产品，并对其单独使用以及与表面活性剂、聚合物或其他化学品结合使用的抑尘效果进行了评价。杜翠凤等[7]研制了一种由高分子成膜剂、高分子多糖类物料以及其他一些助剂组成的粘结型抑尘剂，将其喷洒在粉尘表面，能形成一层较厚的固化壳，从而有效地抑制粉尘飞扬。孙三祥等[8]研制了以高聚物为基料，并配以其他增塑剂、填料等物质组成的抑尘剂，并通过抗风、雨淋试验以及汽车模拟试验对其应用效果进行了检验。尽管表面固化抑尘剂种类繁多，但普遍存在着组分复杂、价格昂贵、功能单一，甚至具有毒性、腐蚀性、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、无二次污染、抑尘效果优良且价格低廉的新型抑尘剂意义重大。

自2004年澳大利亚默多克大学的Whiffin博士研究“Microbial CaCO3precipitation for the production of biocement”开始，国内外研究机构开始尝试利用特定微生物的矿化作用对松散砂颗粒或土壤颗粒进行固化研究。现有研究结果表明，利用微生物诱导碳酸钙沉积技术，通过向土体中灌注菌液及营养盐，可在土颗粒间快速析出方解石凝胶，从而将松散土颗粒胶结成为整体，并有效提高土体的强度、刚度、抗侵蚀及抗冻性能[10]。由于微生物矿化产物具有无毒、易降解、粘结性能优良、生态相容性好等特点，属于经济高效的绿色环保材料，因此，研究基于微生物矿化作用的建筑施工扬尘防治技术，具有重要的理论意义和应用价值。

1 微生物诱导碳酸盐沉积

2 微生物抑尘剂的实验室制备方法

2.1 建筑扬尘颗粒的物化特征研究方法

引起建筑施工扬尘的因素很多，包括施工类型、施工规模、持续时间、施工机械、施工方式、风速、湿度、建筑材料属性等，明确工地内主要起尘材料的粒径分布、比表面积、孔隙结构、表面官能团、ζ电位和化学组成特征，是有效防治扬尘的重要前提和手段。

鉴于此，选择典型的建筑工地，采集工地上下风向扬尘颗粒，分析其化学组成(离子色谱仪、碳元素分析仪)，粒径分布(激光粒度仪)、比表面积(N2，CO2吸附法)、表面官能团(红外光谱分析仪)、ζ电位(微电泳仪)等一系列性质，并采用扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜等较为先进的微观测试技术对扬尘颗粒微观结构进行分析，为矿化微生物的选择、微生物抑尘剂抑尘效果的改善提供理论基础和试验数据。

2.2 微生物菌株的筛选方法

在确定微生物抑尘剂的基本配方之前，应对微生物菌株种类、生理生化特性、生长繁殖规律、产酶种类、产酶方式进行系统研究，以期获得矿化微生物的最适生长条件和酶解能力，并为抑制建筑扬尘的应用条件提供试验和理论基础。

基于建筑工地扬尘环境以及微生物生理生化特性，筛选出适宜于在建筑扬尘颗粒环境中生存，且具有优异矿化作用的微生物菌株，并采用微生物鉴定系统确定矿化微生物的种类。通过对C源、H源、N源、添加剂等因素进行正交试验，确定矿化微生物最佳生长繁殖的营养源。通过紫外分光光度计和多功能酶标仪定性，定量分析微生物的生长繁殖能力(微生物浓度OD值)与环境温度、pH值、底物种类和浓度的关系，以及矿化微生物生长繁殖情况随时间、酶活性的变化发展规律，以确定目标微生物的最适生长繁殖条件、繁殖规律和酶活性，为其在建筑工地扬尘颗粒环境中的生长繁殖提供可控制技术。同时，通过试验研究环境温度、pH值、钙源种类和浓度等因素对微生物产酶能力的影响，并确定影响酶促反应动力学的参数，以保证矿化微生物的最佳生长条件和产酶条件，为其快速分解底物、形成微生物矿化产物提供理论和试验基础。

2.3 微生物抑尘特性研究方法

微生物抑尘剂(即微生物矿化产物)的粘度、表面张力以及所形成的生物晶体矿物种类、形貌、尺寸等参数与其抑尘性能密切相关。粘度是扬尘颗粒粘结、凝聚效果的决定因素，可采用旋转粘度计对微生物抑尘剂的粘度性质进行分析，以判定扬尘颗粒间粘结力的大小；表面张力高低直接影响抑尘剂抑尘效果，可采用表面张力仪对微生物抑尘剂表面张力性质进行测试，以初步确定抑尘剂抑尘效果；采用原子力显微镜、纳米压痕等测试技术研究矿化微生物分泌的有机基质种类、浓度对体外环境中微生物矿化产物三维形貌、粘结强度、粗糙度等性质的影响；从微生物种类、浓度、用量、扬尘颗粒物理特性(矿物组成、粒径分布、比表面积)、钙源种类、环境温湿度等角度研究微生物抑尘剂在扬尘颗粒内部环境中矿化形成的产物类型、尺寸、形貌、矿化过程及矿化率。通过扫描电镜、透射电镜、红外光谱分析、热重分析、X射线衍射等测试技术对微生物抑尘剂矿化得到的晶体类型、形貌、尺寸、官能团、分解温度、活化能等性质进行分析，以期揭示微生物抑尘剂的抑尘机理，确定微生物抑尘剂与扬尘颗粒之间发生的相互作用。

3 微生物抑尘剂的性能测试方法

3.1 实验室性能测试方法

微生物抑尘剂的实验室性能测试主要包括力学性能(强度、固结层硬度)和耐久性能(抗风蚀性、抗水冲刷性、抗冻性、吸水保水性、抗老化性等)，并可利用扫描电镜和X射线断层扫描仪(X-CT)对扬尘颗粒微观结构演化过程以及微生物矿化产物的宏观性质进行系统研究，以进一步评价微生物抑尘剂的抑尘效果。此外，针对混合喷洒、分开喷洒等多种应用工艺，通过扫描电镜分析、强度测试、抗风蚀性以及抗水冲刷性测试等对扬尘颗粒处理前后的微观与宏观性质进行对比分析，可确定微生物抑尘性能的最佳喷洒工艺。同时，通过多种室内性能测试手段，分别对单种微生物矿化形成的矿物、两种微生物复配形成的矿物和其他种类抑尘剂(无机类、有机类、无机—有机复合类)的抑尘机理和抑尘效果进行比较研究，并分析探讨微生物种类与浓度、钙源种类与浓度、底物种类与浓度、扬尘颗粒组成等对其抑尘效果的影响，以进一步完善微生物抑尘剂的配方比例，并为微生物抑尘剂的抑尘机理提供试验和理论基础。

3.2 施工现场性能测试方法

对于施工现场微生物抑尘剂的防治效果检测，可采用表面固结层强度性能测试与扬尘颗粒对光线散射强度的光散射强度测试相结合的现场测试方法。微生物抑尘剂喷洒在扬尘颗粒表面后，若形成较厚的固结层或固结强度较高，则粉尘风蚀量显著减少，抗雨水冲刷能力大幅度提高，可保持长时间的抑尘效果。因此，通过对扬尘表层进行强度性能测试，可以间接地体现微生物抑尘剂的性能效果。而利用便携式气体浊度计对施工现场扬尘颗粒的光散射衰减程度进行分析，可以直接地、实时地获得其抑尘效果数据。同时，通过建立微生物抑尘剂的单位用量与其抑尘性能效果的关系模型，用以指导微生物抑尘剂的单位面积用量及用法，从而达到较高的性价比，即在满足抑尘需求的同时，降低使用成本。

4 微生物抑尘剂的规模化应用

在微生物抑尘剂的生产方面，根据实验室对菌种培育及优选的结果进行逐级放大试验研究。首先从菌液的锥形瓶振荡培养向实验室小型发酵罐培养进行转化研究，然后在此基础上，开展工厂级别的连续恒定化发酵罐培养技术研究。通过对菌种在连续性生产过程中的退化特性、杂菌感染率以及营养利用率等指标进行研究，以不断改进与调整菌种的连续性生产技术，从而为工业化生产打下基础。在储运技术方面，由于微生物抑尘剂本身的多组元复杂特性与不稳定性，因此必须对菌液的离心条件、真空干燥冷却工艺以及冻干保护剂进行研究，以确定最佳储运方法，为微生物抑尘剂的推广解决关键问题。在现场应用技术方面，通过实验室小规模测试得到微生物抑尘剂的最优配方、最佳喷洒工艺和单位面积使用量，以此来指导现场工程应用，并根据具体施工土方量、扬尘颗粒类别、现场空气湿度和温度等一系列参数对微生物抑尘剂配方及单位用量进行调整，形成较为成熟的微生物抑尘剂工程应用范例，以指导微生物抑尘剂的现场应用。

5 结语

建筑施工扬尘已成为影响城市环境和空气质量的重要因素，鉴于现有的建筑工地抑尘剂普遍存在着组分复杂、成本高、功能单一、不易降解和污染环境等缺陷，通过技术创新研制出能耗小、污染少、经济高效的新型抑尘剂势在必行。基于微生物矿化技术研制的微生物抑尘剂，喷洒在扬尘表面可形成具有一定强度的固结层，使建筑工地粉尘颗粒具有良好的抗风蚀性、抗水流冲刷性以及抗老化性。微生物抑尘剂是一种真正意义上的绿色环保型抑尘剂，通过探讨微生物抑尘剂的制备方法、性能测试方法以及规模化应用技术，可有效推动微生物抑尘剂的制备及其性能研究工作，并为其大面积推广应用提供有效指导。

[1] 钟南山.雾霾危害甚过非典[J].健康管理,2013(10):16-17.

[2] 高 勇.浅谈建筑施工中水泥扬尘的危害及防治[J].西部交通科技,2013(8):44-46.

[3] 曹晓锋.固尘抑尘剂的研制[D].呼和浩特:内蒙古工业大学,2009.

[4] Amato F, Querol X, Johansson C, et al. A review on the effectiveness of street sweeping, washing and dust suppressants as urban PM control methods[J]. Science of the Total Environment,2010,408(16):3070-3084.

[5] Medeiros M A, Leite C M M, Lago R M. Use of glycerol by-product of biodiesel to produce an efficient dust suppressant [J]. Chemical Engineering Journal,2012,180(1):364-369.

[6] Yan W, Hoekman S K. Dust suppression with glycerin from bio-diesel production: A Review [J]. Journal of Environmental Protect, 2012,3(2):218-224.

[7] 杜翠凤,蒋仲安,许 彦,等.粘结性抑尘剂抑制露天煤场扬尘的工业试验[J].金属矿山,2005(3):55-57.

[8] 孙三祥,常 青,李 杰,等.大秦线运煤列车煤扬尘防治技术研究[J].铁道学报,2006,28(2):21-25.

[9] 王 萌.矿用高效抑尘剂的制备及表征[D].西安:西安科技大学,2012.

[10] 钱春香,王安辉,王 欣.微生物灌浆加固土体研究进展[J].岩土力学,2015,36(6):1537-1548.

[11] DeJong J T, Mortensen B M, Martinez B C. Bio-mediated soil improvement[J]. Ecological Engineering,2010,36(2):197-210.

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

王安辉(1989- )，男，硕士，助教

1009-6825(2015)31-0179-03

X513

A