MICP固化石墨尾矿对其抑尘能力及环境的影响

华阳 李智民

摘  要：我国石墨尾矿产量大，堆积而成的尾矿库在没有有效处理的情况下会造成扬尘。微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）作为新型的岩土工程技术可以治理尾矿扬尘。MICP固化石墨尾矿影响因素众多，该文选取3种因素，对固化后的石墨尾矿进行风洞试验，酸碱度试验和易溶盐试验，研究各因素对微生物固化石墨尾矿的抑尘能力和环境的影响。从结果上看，MICP固化后的石墨尾矿试样抑尘能力好，且固化试样后的酸碱度与易溶盐含量变化不大。

关键词：MICP；石墨尾矿；风洞试验；酸碱度试验；易溶盐试验

中图分类号：TU521.5      文献标志码：A          文章编号：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

我国是最大的石墨产出国，占世界总产量比重达60%[1]。随着大量石墨的开采加工，其产生的固体废物石墨尾矿数量庞大。针对石墨尾矿利用的研究主要在建筑材料上，如Kathirvel等[2]用石墨尾矿替代混凝土中的砂粒，吴建锋等[3]利用石墨尾矿烧制陶瓷仿古砖。然而，石墨尾矿的利用率仅有30%，其余均堆积在尾矿库中。在尾矿库没有得到有效覆盖的情况下，表面的矿砂会在风力作用下产生扬尘，对生态环境造成影响。

微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）是一种新兴的岩土工程技术。相较于传统加固方法，MICP具有节能，绿色等优点[4]。其原理是利用微生物分泌的脲酶将尿素分解生成碳酸根，并与环境中的钙离子结合生成碳酸钙，以填充孔隙和粘结土颗粒，最终提高土体的强度[5]。利用MICP的原理，可以使微生物生成的碳酸钙与石墨尾矿在尾矿库表面形成硬壳，提高其抗风蚀扬尘的能力。Lei等[6]用MICP方法处理沙漠砂并进行了风洞试验，试验结果表明，MICP处理后的试样表面穿透阻力随着温度和胶结液浓度的升高而增加，风蚀质量损失逐渐降低，试样的抗风蚀能力增强。

微生物诱导碳酸钙沉淀的影响因素较多，如钙源[7]、钙离子浓度[8-9]、温度[10]、菌液浓度[11]等。目前关于微生物固化的研究大多集中在强度上，对抗风蚀能力和环境的影响研究较少。因此，本文选取pH、胶结液浓度及菌液浓度3个因素固化石墨尾矿，然后进行风洞试验，酸碱度试验和易溶盐试验。通过试验结果对比，分析不同因素下MICP固化石墨尾矿对抑尘能力和环境的影响。

1  試验材料与方法

1.1  试验材料

1.1.1  石墨尾矿

试验用砂选自鸡西市石墨尾矿库的石墨尾矿，其颗粒级配如图1所示。

1.1.2  巴氏芽孢杆菌

试验菌种选用巴氏芽孢杆菌。巴氏芽孢杆菌是一种具有较高脲酶活性的细菌，外形为杆状，长度为2～3 μm。将该菌种活化后，在恒温摇床35 ℃、160 r/min环境下培养30 h，得到扩大培养后的菌液。微生物培养基见表1。

1.1.3  胶结液

胶结液为微生物生成碳酸钙所需的钙离子和营养物质，由尿素、氯化钙和蒸馏水配制而成。尿素与氯化钙的摩尔比为1∶1。溶液浓度按照相应试验要求确定。

1.2  试验方法

1.2.1  试样制备

风蚀试样模具采用长宽高165 mm×120 mm×40 mm的铁盒，如图2所示。试样制备将砂土填满模具。本次试验采用喷洒法进行微生物固化试样。先后喷洒菌液和胶结液，用量分别为40 mL和60 mL，室温下放置72 h。制备好的试件放入60 ℃烘箱48 h，清除微生物对后续试验的干扰。

本次试验选取胶结液pH、胶结液浓度和菌液吸光度OD600 3个因素，其中菌液吸光度OD600是表征菌液浓度的数值，可由紫外分光光度计测出。试验设计表见表2。

1.2.2  风洞试验

风洞试验采用小型风洞试验机，如图3所示。本次试验设置3、6、9、12 m/s 4个风速，分别对应3～6级风。每个风速下试验时间为10 min。记录风蚀前后的质量，质量差代表风蚀质量损失，反映该试件的抗风蚀扬尘能力。

1.2.3  酸碱度试验

土壤酸碱度的变化会对植物生长和生态系统的稳定性产生重要影响。因此，本试验就MICP固化试样进行酸碱度试验。

试验采用GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》中酸碱度试验方法，测定微生物固化后土样的pH。操作步骤如下。

1）将试样风干后，称取过筛2 mm的10 g土样于广口瓶中，加50 mL蒸馏水，振荡3 min，静止30 min，待测。

2）取土悬液于小烧杯中，搅拌悬液1 min后，将pH计插入杯中，测定悬液pH，精确至0.01，记录数据。

1.2.4  易溶盐试验

易溶盐是土壤中可溶于水中的一些盐类。这些盐类会对土壤水理性质和工程特性有着较大影响，因此，本试验就MICP固化试样进行易溶盐试验。

试验采用GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》中易溶盐试验方法，测定微生物固化后土样的易溶盐总量。操作步骤如下。

1）将试样风干后，称取过筛2 mm的M（g）土样于广口瓶中，加V1（mL）蒸馏水，振荡3 min，静止30 min。

2）使用真空抽滤泵将振荡后的土悬液抽气过滤，当发现滤液浑浊时，需反复过滤土悬液至透明状态，所得透明滤液即为土样浸出液，贮于细口瓶中备用。

3）用移液枪吸取V2（mL）浸出液，注射到m1（g）的已烘干的蒸发皿中，将蒸发皿放入105 ℃的烘箱中，烘干至水分完全蒸发，称取蒸发皿质量m2（g）。

微生物固化试样的易溶盐含量w（%）为

2  结果与分析

2.1  风洞试验

未经MICP处理的试样风蚀质量损失如图4所示。由图4可知，试样在3 m/s的风速下质量损失较小。随着风速的增加，质量损失越来越大，在12 m/s风速下的质量损失达到近800 g，原试样砂近1 000 g，风蚀质量损失率达80%。被风吹扬的颗粒大小与风速有关，风速越大，风吹动的颗粒越粗。

试样A～C组风蚀质量损失如图5所示。

由图5（a）中可知，在3 m/s和6 m/s风速时，pH的改变对风蚀质量损失影响较小。而在9 m/s和12 m/s风速下，呈现先下降后上升的趋势。这是因为酸性和碱性环境会削弱微生物的固化效果，酸性环境下碳酸钙的生成会受到阻碍；碱性较高的环境会将胶结液中的钙离子变为氢氧化钙沉淀，降低钙离子的浓度，碳酸钙生成量减少。

由图5（b）中可知，胶结液浓度在0.25 mol/L时，风蚀质量损失最大，而胶结液浓度在1 mol/L时，试样仅在12 m/s风速下有较小的质量损失。同时，胶结液中的氯化钙本身也可以作为一种抑尘剂，过高的胶结液浓度不會与微生物全部反应，试样中残留的氯化钙和微生物生成的碳酸钙起到联合固化的作用，提升试样的抗风蚀能力。

由图5（c）中可知，菌液吸光度在1.5时，风蚀质量损失最高达到31 g。随着菌液吸光度的提高，风蚀质量损失逐渐降低。菌液浓度越高，产生的脲酶越多，进而生成更多的碳酸根，促进碳酸钙的生成，试样的抗风蚀能力越强。

从整体风速上看，MICP固化试样在3 m/s下无质量损失，大部分的试样启动风速在6 m/s，最大的风蚀质量损失率不超过3.5%。并且，在试验过程中，发现试样表面粗颗粒被吹走的较多，如图6所示。原因是喷洒的菌液和胶结液在向土层下入渗过程中，遇到大颗粒、大孔隙的情况下流速过快，菌液与胶结液不能充分反应，不能对大粒径的土粒进行有效的固化[12]。

2.2  酸碱度试验

未经MICP处理土样的pH为7.46。按1.2.3中测定MICP固化土样pH见表3。由表3可知，MICP固化土样的同时，会使其pH升高，但变化幅度不大，最大达到8.17不会明显改变土壤的酸碱度。

2.3  易溶盐试验

未经MICP处理土样的易溶盐含量为1.01%。按1.2.4中测定MICP固化土样易溶盐含量见表4。由表4可知，A组中胶结液pH过大和过小，会使土样的易溶盐含量降低。其余试验条件下均提升了土样的易溶盐含量，但变化幅度不超过1%。

3  结论

本文通过MICP固化石墨尾矿进行研究，得到如下结论。

1）经MICP固化后的试样能有效抵抗3～4级风，并且在5～6级风下也能保持较好的抑尘能力。

2）MICP固化石墨尾矿与胶结液pH、胶结液浓度和菌液浓度有关。最优的固化条件为胶结液pH取7，胶结液浓度取1 mol/L，菌液吸光度取3.0。

3）MICP固化石墨尾矿后的酸碱度和易溶盐含量变化不大，对原有土壤环境影响小。

参考文献：

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