CN106979029B - 一种利用微生物及地下盐水防止露天煤矿粉尘散逸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用微生物及地下盐水防止露天煤矿粉尘散逸的方法，首先从露天煤矿地表环境中分离筛选耐盐的尿素水解细菌；然后将细菌置于盐度为1‑10％，尿素质量浓度为1‑15％，钙离子质量浓度为0.1‑2％的地下盐水中培养1‑3天；最后，将富集得到的细菌菌液均匀喷洒于煤粉尘表面，并将喷有菌液的粉尘置于自然干燥环境下数天后终止实验，细菌利用地下盐水通过固化作用将粉尘表面的颗粒胶结固定，使得表层粉尘不会随风发生迁移；该方法绿色环保、成本低，可广泛用于干旱半干旱区露天煤矿采煤粉尘的散逸性控制。
Description
技术领域
本发明涉及微生物煤矿粉尘固化领域，特别涉及一种利用微生物及地下盐水防止露天煤矿粉尘散逸的方法。
背景技术
煤炭作为当今世界经济中与石油、天然气并存的三大支柱能源之一，在未来相当长的时期内，以煤炭为主的能源供应格局难以改变。煤炭是我国能源供应的主要渠道之一，我国的煤炭生产规模和消费水平在世界各国中均排在第1位，在煤炭生产中，露天煤矿生产占主要地位。由于煤炭储运、粉碎以及燃烧的不完全，导致在使用过程中产生大量的粉尘，粉尘也是煤矿整个露天开采(露采)过程中最严重的污染物，对釆矿地区的气象、地表、大气环境会产生不同程度的影响。
煤矿露采粉尘主要来自采掘、运输、剥离物堆放、回填及修复等活动。粉尘组成包括大部分粒径大于l0μm的颗粒和小部分粒径小于l0μm的可吸入颗粒，粒径较大的易散粉尘颗粒很容易在大气中自然沉降，造成周边区域环境的污染。据报道，一个年产1.0×108t的煤矿，如不加控制，易散粉尘年排放量可达1750t，其中有265t是可吸入人体的。已有研究表明，矿区粉尘对环境的影响可以归纳为以下3个方面：(1)易散粉尘对人类的危害。易散粉尘中微小的颗粒(5-25μm)很容易吸入肺中，而引起呼吸道疾病，长期与煤尘接触容易导致尘肺病的发生；(2)易散粉尘对植物的危害。易散煤尘覆盖在植物的叶片上，可减少植物进行光合作用所需要的光，尘粒会堵住叶片的气孔，阻碍叶片透气性，进而削弱植物生长，减弱光合作用；(3)易散粉尘对土壤环境的危害。粉尘中含有大量的碳、硫、氮及重金属等元素，降落在土壤上，长期积累可导致土壤酸化、重金属污染等问题。
随着露天煤矿采煤工艺不断创新及开采设备的大型化、现代化，开采强度不断增加，则使整个工作面弥漫着大量浮游煤尘。煤矿粉尘的污染强度受季节变化的影响较大。秋季时，开采强度大起主要作用；夏季中，开采强度较大，且在自重型车辆行驶过程中，很容易造成扬尘，但因为夏季气温较高，平均温度为30℃，这时使用洒水抑尘的作用也不能较有效体现；春季时，开采强度很小，并且风速很大，PM10扩散较好，使得浓度较低；冬日，粉尘的平均浓度小，主要集中在排土场堆煤场周围，可见冬季由于煤炭量开采减少，主要粉尘污染由风蚀堆场造成。
综上，易散性粉尘是贯穿露天煤矿整个剥采过程排放量最多的重要污染物，如不加以控制，不仅影响采矿工作面，而且还会造成矿区周围环境的污染，并进而威胁人体健康。特别是在干旱多风、植被匮乏的矿区，采矿粉尘污染可殃及数百公顷土地。煤炭资源开采引起的粉尘污染势必对矿区居民的人体健康，矿区生态环境造成巨大的安全威胁。国内外已经有一些关于露天煤矿粉尘污染的各种较为成熟的技术和经验措施，但是由于干旱区特殊的气候、水文、地理条件，和技术应用的可操作性，露天煤矿粉尘污染控制存在技术和成本方面的巨大挑战。消除煤矿开采过程中，粉尘对自然环境的影响，提高矿区周围生态与环境质量，是保护自然、恢复自然资源再生产不可分割的一部分。因此，迫切需要研发经济有效、对环境友好，适用于干旱荒漠区的粉尘控制技术。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种利用微生物及地下盐水防止露天煤矿粉尘散逸的方法，将一种对煤粉尘毒性具有耐受性的细菌通过诱导固化作用固定粉尘堆积区表面从而防止粉尘散逸的方法。它是将能够在质量浓度为10-50％的煤粉尘淋滤液中生长良好且具有诱导固化作用的细菌置于含有质量浓度为1-15％的尿素、质量浓度为0.1-2％的钙离子，pH值为4-11的NB培养基中富集培养，然后以每100克粉尘加入20-100毫升菌液的比例均匀喷洒在煤粉尘表面。将喷洒菌液后的粉尘置于日常干燥环境下培养，培养期间菌液的喷洒频率为1-5次，菌液喷洒完毕自然风干后终止实验，细菌通过诱导矿化作用得以固定煤粉尘表层。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种利用微生物及地下盐水防止露天煤矿粉尘散逸的方法，于煤田矿区盐碱土中分离出一种耐盐的尿素水解细菌，在质量浓度为10-50％的煤粉尘淋滤液中进一步分离纯化得到单一菌株，将相应细菌在尿素和钙离子存在的条件下，利用地下盐水，通过矿化作用将露天煤矿地表堆积粉尘表层固定，减少煤粉尘的可移动性。
进一步的，所述的细菌分离于新疆准东煤田五彩湾矿区盐碱土，在质量浓度为10-50％的煤粉尘淋滤液中进一步分离纯化得到单一菌株，经16S rDNA分子生物学鉴定为葡萄球菌(Staphylococcus succinus)。
进一步的，将所述纯化后的细菌转接置于盐度为1-10％，尿素质量浓度为1-15％，钙离子质量浓度为0.1-2％营养肉汤培养液中，培养液的pH调节为4-11，然后将菌液置于转速为130转每分、温度为30摄氏度的条件下培养24小时，得到驯化富集后的细菌菌液。
进一步的，将所述驯化富集后的细菌置于盐度为1-10％，尿素质量浓度为1-15％，钙离子质量浓度为0.1-2％的地下盐水中，其中菌密度为104-108CFU每毫升，得到耐盐且具有诱导固化作用的细菌菌液，菌液pH调节为4-11。
进一步的，利用所述的具有固化作用的细菌固定松散煤粉尘表面时；先将在地下盐水中培养的细菌菌液均匀喷洒在煤粉尘表面，喷洒浓度为0.2-1ml/g；将喷洒菌液后的粉尘置于日常干燥环境下培养，菌液喷洒时间间隔为7天，喷洒次数1-5次。
进一步的，细菌通过固化作用得以固定松散煤粉尘表层，阻止粉尘在风力作用下迁移，使得粉尘堆积物表层的可耐风速为15-50米每秒。
进一步的，具体工艺步骤是：
步骤一、细菌筛选及培养：将煤粉尘过60目筛，称取1g粉尘置于含有120ml营养汤培养基的锥形瓶中，置于转速为130转每分、温度为30摄氏度的条件下振荡24小时；取2毫升悬浮液，加入到质量含量为1-10％的氯化钠、1-15％的尿素的营养肉汤培养基中，培养24小时得到具有诱导固化作用的耐盐菌液；吸取1毫升耐盐菌液，采用十倍逐级稀释和平板划线方法得到单一耐盐固化菌株；将菌株置于含有50毫升营养汤培养基的锥形瓶中，pH调节为4-11，然后将锥形瓶置于转速为130转每分、温度为30摄氏度的条件下培养48小时，得到细菌菌液；
步骤二、具有诱导固化作用菌液的制备：将富集得到的细菌置于质量含量为1-15％的尿素、钙离子质量浓度为0.1-2％的地下盐水中，培养1-3天，制得具有诱导固化作用的菌液，其中菌液菌密度为104-108CFU每毫升，pH为4-11；
步骤三、菌液固化粉尘：将步骤二制备的具有固化作用的细菌菌液按照每100克粉尘加入20-100毫升菌液的比例喷洒在粉尘表面，其中菌液中菌密度为104-108CFU每毫升，菌液喷洒间隔时间为7天，喷洒次数为1-5次，将喷洒菌液后的粉尘置于自然干燥环境下培养自然风干后终止实验，细菌通过固化作用得以固定粉尘，阻止表层粉尘颗粒在风力作用下迁移。
本发明中的方法中所选用的细菌培养基为营养肉汤培养基和含有尿素与钙离子的地下盐水；所选用的采煤粉尘为新疆准东露天煤矿五彩湾矿区地表堆积煤粉尘，粉尘经过细菌固化作用后表层可形成一层坚硬的外壳，可耐风速为15-50米每秒；所选用的菌种为能够分解尿素且具有固化能力的耐盐细菌。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
①该方法用到的水资源是地下盐水，这是本发明的最大优点，相对于其他露天煤矿抑尘方法，节约成本，操作简单，可广泛用于控制露天煤矿粉煤堆积区及运输过程中煤粉尘的扩散和迁移；②该方法采用具有耐盐和固化作用的尿素水解细菌固定煤粉尘表面，其作用过程为细菌诱导矿物沉淀将粉尘颗粒胶结形成坚硬稳定的结壳，经过固化后粉尘表面可耐风速为15-50米每秒。利用微生物矿化作用进行煤粉尘表面固化，无二次污染，成本低效果好，操纵简易，只需要喷洒菌液即可，在露天煤矿具有很好的应用前景，值得大范围推广。
附图说明
图1为本发明诱导固化作用细菌固化前后的煤粉尘表层效果图，其中左图为洒水后煤粉尘，右图为细菌固化作用后的煤粉尘。
图2为本发明所选取的耐盐的尿素水解细菌经16S rDNA分子生物学鉴定图谱，其中J-3为目标细菌。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案做进一步详细描述：
如图1所示，一种利用微生物及地下盐水防止露天煤矿粉尘散逸的方法，于煤田矿区盐碱土中分离出一种耐盐的尿素水解细菌，在质量浓度为10-50％的煤粉尘淋滤液中进一步分离纯化得到单一菌株，将相应细菌在尿素和钙离子存在的条件下，利用地下盐水，通过矿化作用将露天煤矿地表堆积粉尘表层固定，减少煤粉尘的可移动性。
进一步的，所述的细菌分离于新疆准东煤田五彩湾矿区盐碱土，在质量浓度为10-50％的煤粉尘淋滤液中进一步分离纯化得到单一菌株，如图2所示，经16S rDNA分子生物学鉴定为葡萄球菌(Staphylococcus succinus)。
进一步的，将所述纯化后的细菌转接置于盐度为1-10％，尿素质量浓度为1-15％，钙离子质量浓度为0.1-2％营养肉汤培养液中，培养液的PH调节为4-11，然后将菌液置于转速为130转每分、温度为30摄氏度的条件下培养24小时，得到驯化富集后的细菌菌液。
进一步的，将所述驯化富集后的细菌置于盐度为1-10％，尿素质量浓度为1-15％，钙离子质量浓度为0.1-2％的地下盐水中，其中菌密度为104-108CFU每毫升，得到耐盐且具有诱导固化作用的细菌菌液，菌液pH调节为4-11。
进一步的，利用所述的具有固化作用的细菌固定松散煤粉尘表面时；先将在地下盐水中培养的细菌菌液均匀喷洒在煤粉尘表面，喷洒浓度为0.2-1ml/g；将喷洒菌液后的粉尘置于日常干燥环境下培养，菌液喷洒时间间隔为7天，喷洒次数1-5次。
进一步的，细菌通过固化作用得以固定松散煤粉尘表层，阻止粉尘在风力作用下迁移，使得粉尘堆积物表层的可耐风速为15-50米每秒。
进一步的，具体工艺步骤是：
步骤一、细菌筛选及培养：将煤粉尘过60目筛，称取1g粉尘置于含有120ml营养汤培养基的锥形瓶中，置于转速为130转每分、温度为30摄氏度的条件下振荡24小时；取2毫升悬浮液，加入到质量含量为1-10％的氯化钠、1-15％的尿素的营养肉汤培养基中，培养24小时得到具有诱导固化作用的耐盐菌液；吸取1毫升耐盐菌液，采用十倍逐级稀释和平板划线方法得到单一耐盐固化菌株；将菌株置于含有50毫升营养汤培养基的锥形瓶中，pH调节为4-11，然后将锥形瓶置于转速为130转每分、温度为30摄氏度的条件下培养48小时，得到细菌菌液；
步骤二、具有诱导固化作用菌液的制备：将富集得到的细菌置于质量含量为1-15％的尿素、钙离子质量浓度为0.1-2％的地下盐水中，培养1-3天，制得具有诱导固化作用的菌液，其中菌液菌密度为104-108CFU每毫升，pH为4-11；
步骤三、菌液固化粉尘：将步骤二制备的具有固化作用的细菌菌液按照每100克粉尘加入20-100毫升菌液的比例喷洒在粉尘表面，其中菌液中菌密度为104-108CFU每毫升，菌液喷洒间隔时间为7天，喷洒次数为1-5次，将喷洒菌液后的粉尘置于自然干燥环境下培养自然风干后终止实验，细菌通过固化作用得以固定粉尘，阻止表层粉尘颗粒在风力作用下迁移。
本发明中的方法中所选用的细菌培养基为营养肉汤培养基和含有尿素与钙离子的地下盐水；所选用的采煤粉尘为新疆准东露天煤矿五彩湾矿区地表堆积煤粉尘，粉尘经过细菌固化作用后表层可形成一层坚硬的外壳，可耐风速为15-50米每秒；所选用的菌种为能够分解尿素且具有固化能力的耐盐细菌。
实验例：
表1是诱导固化作用的细菌固化煤粉尘的方法的具体实施例：
从表1可以看出，不同的接种次数，尿素质量含量及钙离子浓度均会影响最终固化后的煤粉尘耐受风力能力，尤其以第六组接种次数5次，尿素质量含量6％，钙离子浓度0.025摩尔/升和第八组接种次数3次，尿素质量含量10％，钙离子浓度0.05摩尔/升效果最佳，耐受风力均达到了50米/秒。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种利用微生物及地下盐水防止露天煤矿粉尘散逸的方法，其特征在于，于煤田矿区盐碱土中分离出一种耐盐的尿素水解细菌，在质量浓度为10-50％的煤粉尘淋滤液中进一步分离纯化得到单一菌株，将相应细菌在尿素和钙离子存在的条件下，利用地下盐水，通过矿化作用将露天煤矿地表堆积粉尘表层固定，减少煤粉尘的可移动性；
所述的细菌分离于新疆准东煤田五彩湾矿区盐碱土，在质量浓度为10-50％的煤粉尘淋滤液中进一步分离纯化得到单一菌株，经16SrDNA分子生物学鉴定为葡萄球菌(Staphylococcus succinus)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述纯化后的细菌转接置于盐度为1-10％，尿素质量浓度为1-15％，钙离子质量浓度为0.1-2％营养肉汤培养液中，培养液的PH调节为4-11，然后将菌液置于转速为130转每分、温度为30摄氏度的条件下培养24小时，得到驯化富集后的细菌菌液。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述驯化富集后的细菌置于盐度为1-10％，尿素质量浓度为1-15％，钙离子质量浓度为0.1-2％的地下盐水中，其中菌密度为104-108CFU每毫升，得到耐盐且具有诱导固化作用的细菌菌液，菌液pH调节为4-11。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用具有固化作用的细菌固定松散煤粉尘表面时；先将在地下盐水中培养的细菌菌液均匀喷洒在煤粉尘表面，喷洒浓度为0.2-1ml/g；将喷洒菌液后的粉尘置于日常干燥环境下培养，菌液喷洒时间间隔为7天，喷洒次数1-5次。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，细菌通过固化作用得以固定松散煤粉尘表层，阻止粉尘在风力作用下迁移，使得粉尘堆积物表层的可耐风速为15-50米每秒。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具体工艺步骤是：
步骤一、细菌筛选及培养：将煤粉尘过60目筛，称取1g粉尘置于含有120ml营养汤培养基的锥形瓶中，置于转速为130转每分、温度为30摄氏度的条件下振荡24小时；取2毫升悬浮液，加入到质量含量为1-10％的氯化钠、1-15％的尿素的营养肉汤培养基中，培养24小时得到具有诱导固化作用的耐盐菌液；吸取1毫升耐盐菌液，采用十倍逐级稀释和平板划线方法得到单一耐盐固化菌株；将菌株置于含有50毫升营养汤培养基的锥形瓶中，pH调节为4-11，然后将锥形瓶置于转速为130转每分、温度为30摄氏度的条件下培养48小时，得到细菌菌液；
步骤二、具有诱导固化作用菌液的制备：将富集得到的细菌置于质量含量为1-15％的尿素、钙离子质量浓度为0.1-2％的地下盐水中，培养1-3天，制得具有诱导固化作用的菌液，其中菌液菌密度为104-108CFU每毫升，pH为4-11；
步骤三、菌液固化粉尘：将步骤二制备的具有固化作用的细菌菌液按照每100克粉尘加入20-100毫升菌液的比例喷洒在粉尘表面，其中菌液中菌密度为104-108CFU每毫升，菌液喷洒间隔时间为7天，喷洒次数为1-5次，将喷洒菌液后的粉尘置于自然干燥环境下培养自然风干后终止实验，细菌通过固化作用得以固定粉尘，阻止表层粉尘颗粒在风力作用下迁移。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法中所选用的细菌培养基为营养肉汤培养基和含有尿素与钙离子的地下盐水；所选用的采煤粉尘为新疆准东露天煤矿五彩湾矿区地表堆积煤粉尘，粉尘经过细菌固化作用后表层可形成一层坚硬的外壳，可耐风速为15-50米每秒；所选用的菌种为能够分解尿素且具有固化能力的耐盐细菌。
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