CN113355052A - 一种微生物煤尘固结剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种微生物煤尘固结剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微生物煤尘固结剂及其制备方法和应用，微生物煤尘固结剂包括：矿化底物溶液，用以向煤尘中喷洒；表面活性剂，用以溶入所述矿化底物中向煤尘中喷洒；菌液，用以在所述矿化底物之后向所述煤尘中喷洒；所述菌液中的细菌为非无菌条件下从活性污泥中富集得到的产脲酶菌菌群。本发明通过在非无菌条件下富集活性污泥中的产脲酶菌，节省了灭菌成本，操作简易，做到了活性污泥的废物利用，降低了煤尘固结剂的使用成本，有利于其大范围应用；无毒害的表面活性剂提高了煤尘的润湿性，增大了菌液和矿化底物的渗透，增加了煤尘固结层的厚度；细菌矿化形成的碳酸钙，能有效胶结煤粉，绿色环保，无污染。

Description

一种微生物煤尘固结剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种微生物煤尘固结剂及其制备方法和应用，属于煤矿抑尘技术领域。
背景技术
煤炭作为重要的基础能源和工业原料，为中国的经济发展做出了突出贡献，并且在中国煤炭工业的快速发展和机械化水平不断提高的带动下，开采、利用规模越来越大。但是，煤矿开采、加工、运输等过程中会产生大量粉尘，不仅会对环境产生污染，还会使矿山工人暴露于高浓度粉尘环境，严重威胁工人的身体健康和生命安全。为防治煤尘的危害，很多防尘固尘技术和方法被开发出来。然而，传统方式如洒水、苫布苫盖、防尘网等，成本高、抑尘能力有限。化学抑尘剂抑尘相对高效，但也存在有效期短，易出现二次扬尘，对环境有一定污染，开发难度大等缺点。
大量研究表明，利用微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)技术的生物胶结作用可以很好地固结微小颗粒物，目前虽然已对微生物抑尘剂进行了一定的研究，但这些微生物抑尘剂均用于固结扬尘或沙土，而且由于成本因素和潜在的环境问题，目前对微生物抑尘剂应用的探索仅限于小型实验室规模。
基于以上化学抑尘剂和微生物抑尘剂存在的弊端，为了促进大规模应用，迫切需要研制一种制备简单、成本低廉、绿色环保的微生物煤尘固结剂及其使用方法。
发明内容
本发明针对上述问题，提供了一种微生物煤尘固结剂及其制备方法和应用，具体为来自活性污泥的非无菌富集产脲酶菌制备的微生物煤尘固结剂，本发明利用微生物的矿化特性，提供了一种制备简单、经济、绿色环保的微生物煤尘固结剂。本发明的技术方案如下：
一种微生物煤尘固结剂，包括：
矿化底物溶液，用以向煤尘中喷洒；
表面活性剂，用以溶入所述矿化底物中向煤尘中喷洒；
菌液，用以在所述矿化底物之后向所述煤尘中喷洒；
所述菌液中的细菌为非无菌条件下从活性污泥中富集得到的产脲酶菌菌群。
进一步地，所述矿化底物溶液由尿素和钙源组成的水溶液，尿素和钙源中钙离子的摩尔比为1:1，尿素和钙离子浓度均为0.25-1.5mol/L。
进一步地，所述钙源选自氯化钙、乳酸钙、硝酸钙、甲酸钙、乙酸钙中的至少一种。
进一步地，所述表面活性剂的加入量为矿化底物溶液的0.1-1.0％(质量分数)；加入表面活性剂的矿化底物溶液和菌液的体积比为1:1。
进一步地，所述表面活性剂选自烷基糖苷、十二烷基硫酸钠、椰油酰胺丙基甜菜碱、十六烷基三甲基溴化铵中至少一种。
进一步地，所述菌液的制备方法，步骤为：
按如下配方制备培养基，酵母浸粉5g/L，蛋白胨10g/L，NaCl 5g/L，10g/L尿素；然后将活性污泥与培养基按1:9的比例混合在非无菌条件下于25±1℃、150rpm的恒温摇床中振荡培养24h富集产脲酶菌，得到产脲酶菌菌群。
进一步地，将珊瑚砂和菌液在搅拌机内搅拌300s，然后采用负压吸附，将搅拌后的珊瑚砂和菌液放入抽滤瓶中，将抽滤瓶与负压管道连接，通过真空泵抽真空达到一定真空度，使细菌吸附到珊瑚砂孔隙中得到含菌载体。含菌载体中营养物质有限，载体逐渐干燥，细菌变为休眠体。
进一步地，按如下配方制备培养基，酵母浸粉5g/L，蛋白胨10g/L，NaCl5g/L，10g/L尿素。将含菌载体浸泡于上述培养基中，于25±1℃、150rpm的恒温摇床中振荡培养24h后细菌复苏，得到微生物煤尘固结剂所需菌液。
本发明还包括，微生物煤尘固结剂的使用方法，步骤如下：
步骤一、将表面活性剂溶于矿化底物溶液中；
步骤二、向煤尘中喷洒加入表面活性剂的矿化底物溶液；
步骤三、喷洒后，向煤尘中喷洒菌液；
进一步地，重复进行步骤一、二、三，1-5次。
进一步地，所述微生物煤尘固结剂的喷洒量为4-10L/m3。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)在非无菌条件下富集活性污泥中的产脲酶菌，节省了灭菌成本，操作简易，做到了活性污泥的废物利用，降低了煤尘固结剂的使用成本，有利于其大范围应用；
(2)将细菌负载于珊瑚砂孔隙中得到含菌载体，解决了菌液不易运输、不易储存的问题；
(3)在该煤尘固结剂中加入对微生物无毒害的表面活性剂，提高煤尘的润湿性，增大菌液和矿化底物的渗透，增加了煤尘固结层的厚度；
(4)细菌矿化形成的碳酸钙，能有效胶结煤粉，绿色环保，无污染。
附图说明
图1为不同处理方式对煤尘抗风蚀性和抗雨蚀性的影响；
图2为微生物煤尘固结剂喷洒前后煤粉的微观结构(a:胶结前；b:胶结后)；
图3为煤尘固结体的XRD图谱；
图4为微生物煤尘固结剂室外应用情况(a:喷洒前；b:一天；c:三天；d:五天；e:十天；f:十五天)。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
实施例1：细菌的负载及复苏
(1)菌液制备：按如下配方制备培养基，酵母浸粉5g/L，蛋白胨10g/L，NaCl 5g/L，10g/L尿素。然后将活性污泥与培养基按1:9的比例混合在非无菌条件下于25±1℃、150rpm的恒温摇床中振荡培养24h富集产脲酶菌。将培养后的菌液在4000r/min转速下离心20min获得细菌菌泥，将其重悬于去离子水中得到浓度为1×107～1×1010cells/mL的菌液。
(2)载体预处理：珊瑚砂使用前用淡水冲洗并浸泡，是处理后珊瑚砂中氯离子含量低于0.03％(wt％)；
(3)细菌负载：先将珊瑚砂和菌液在搅拌机内搅拌300s，然后采用负压吸附，将搅拌后的珊瑚砂和菌液放入抽滤瓶中，将抽滤瓶与负压管道连接，通过真空泵抽真空达到一定真空度，使细菌吸附到珊瑚砂孔隙中得到含菌载体。含菌载体中营养物质有限，载体逐渐干燥，细菌变为休眠体。将细菌进行负载形成含菌载体后，有利于菌液的运输、储存，将细菌再次复苏即可使用，操作便捷；
(4)细菌复苏：按如下配方制备培养基，酵母浸粉5g/L，蛋白胨10g/L，NaCl 5g/L，10g/L尿素。将含菌载体浸泡于上述培养基中，于25±1℃、150rpm的恒温摇床中振荡培养24h后细菌复苏，得到微生物煤尘固结剂所需菌液。
实施例2：一种微生物煤尘固结剂及其使用方法
(1)菌液制备：按如下配方制备培养基，酵母浸粉5g/L，蛋白胨10g/L，NaCl 5g/L，10g/L尿素。然后将活性污泥与培养基按1:9的比例混合在非无菌条件下于25±1℃、150rpm的恒温摇床中振荡培养24h富集产脲酶菌。将珊瑚砂和菌液在搅拌机内搅拌300s，然后采用负压吸附，将搅拌后的珊瑚砂和菌液放入抽滤瓶中，将抽滤瓶与负压管道连接，通过真空泵抽真空达到一定真空度，使细菌吸附到珊瑚砂孔隙中得到含菌载体。将含菌载体浸泡于上述培养基中，于25±1℃、150rpm的恒温摇床中振荡培养24h后细菌复苏，得到微生物煤尘固结剂所需菌液；
(2)矿化底物制备：配制由尿素和氯化钙组成的水溶液(矿化底物)，其中尿素和氯化钙的摩尔浓度均为0.5mol/L；
(3)将十二烷基硫酸钠按质量分数为0.1％溶于矿化底物溶液中；加入表面活性剂的矿化底物溶液和菌液的体积比为1:1。
然后取煤粉样品过80目筛，称取过筛后煤粉20g均匀放置在直径为10cm的培养皿中，然后将配制好的菌液和加入表面活性剂的矿化底物溶液分别置于喷壶中，微生物煤尘固结剂的使用方法，步骤如下：
步骤一、将表面活性剂溶于矿化底物溶液中；
步骤二、向煤尘中喷洒加入表面活性剂的矿化底物溶液；
步骤三、喷洒后，向煤尘中喷洒菌液；
进一步地，重复进行步骤一、二、三，3次。
微生物煤尘固结剂的喷洒量为4L/m3。
将喷洒微生物煤尘固结剂的煤粉置于室温下自然风干，3d后再次按上述方式喷洒微生物固尘剂，同样将处理的煤粉置于室温下自然风干3d。
另外，为了考察不同方式处理对防尘效果的影响，对煤粉处理方式如下：a:喷洒水(W处理)；b:喷洒吸湿型无机盐抑尘剂(H处理)；c:喷洒化学抑尘剂(C处理)；d:喷洒单一菌种制备的微生物抑尘剂(M处理)；e:喷洒非无菌条件下从活性污泥中富集得到的产脲酶菌菌群制备的微生物煤尘固结剂(A处理)。以上各处理方式中喷洒溶液的体积相同，处理相同时间后对其进行抗风蚀性和抗雨蚀性测试，测试结果如附图1所示。
从附图1可以看出，在5种不同的处理方式中，喷洒水、吸湿型无机盐抑尘剂处理的煤尘在抗风蚀实验和抗雨蚀实验后，其质量损失均在90％以上，结果表明这两种处理方式均不能达到很好的抑尘效果。而喷洒化学抑尘剂的煤尘虽然在抗风蚀实验中质量损失降低到38.13％，但在抗雨蚀实验中质量损失约为70％，仍然不能很好地固结煤尘。将单一菌种制备的微生物抑尘剂和非无菌条件下从活性污泥中富集得到的产脲酶菌菌群制备的微生物煤尘固结剂喷洒作用于煤粉时，从图中可以看出，抗风蚀实验质量损失仅为1.18％和0.135％，这说明，采用微生物煤尘固结剂可以有效抑制煤尘。在抗雨蚀实验中，单一菌种制备的微生物抑尘剂和非无菌条件下从活性污泥中富集得到的产脲酶菌菌群制备的微生物煤尘固结剂处理后的质量损失分别为46.45％和31.75％，可见微生物煤尘固结剂的煤尘固结性能更强。
微生物煤尘固结剂喷洒前后煤粉的微观结构如图2所示，从图中可以看出，喷洒微生物煤尘固结剂前，煤尘颗粒堆积松散，相邻粒子之间的空间很大。当喷洒微生物煤尘固结剂后，微生物分泌脲酶分解尿素产生的碳酸根与钙离子进行生物矿化生成碳酸钙沉淀，碳酸钙晶体能附着在煤尘颗粒表面或在内部充填孔隙，对将煤尘颗粒相互粘结，并将煤粉颗粒胶结形成一个整体，从而增加了煤尘的抗风蚀性和抗雨蚀性。煤尘固结体的XRD图谱如图3所示，喷洒微生物煤尘固结剂后的煤粉中产生了矿化产物—碳酸钙，它的存在对煤尘固结起到了关键作用，说明本发明增加了煤尘的抗风蚀性和抗雨蚀性。
实施例3：微生物煤尘固结剂的室外应用
(1)菌液制备：按如下配方制备培养基，酵母浸粉5g/L，蛋白胨10g/L，NaCl 5g/L，10g/L尿素。然后将活性污泥与培养基按1:9的比例混合在非无菌条件下于25±1℃、150rpm的恒温摇床中振荡培养24h富集产脲酶菌。将珊瑚砂和菌液在搅拌机内搅拌300s，然后采用负压吸附，将搅拌后的珊瑚砂和菌液放入抽滤瓶中，将抽滤瓶与负压管道连接，通过真空泵抽真空达到一定真空度，使细菌吸附到珊瑚砂孔隙中得到含菌载体。将含菌载体浸泡于上述培养基中，于25±1℃、150rpm的恒温摇床中振荡培养24h后细菌复苏，得到微生物煤尘固结剂所需菌液；
(2)矿化底物制备：配制由尿素和乙酸钙组成的水溶液(矿化底物)，其中尿素和乙酸钙的摩尔浓度均为1.2mol/L；
(3)将椰油酰胺丙基甜菜碱按质量分数为0.8％溶于矿化底物溶液中；加入表面活性剂的矿化底物溶液和菌液的体积比为1:1。
然后在室外取过80目筛的煤粉将其制为直径15cm高15cm的圆锥形煤堆，将配制好的两种溶液分别置于喷壶中，微生物煤尘固结剂的使用方法，步骤如下：
步骤一、将表面活性剂溶于矿化底物溶液中；
步骤二、向煤尘中喷洒加入表面活性剂的矿化底物溶液；
步骤三、喷洒后，向煤尘中喷洒菌液；
进一步地，重复进行步骤一、二、三，2次。
微生物煤尘固结剂的喷洒量为10L/m3。均匀喷洒到煤堆表面，观察十五天内微生物煤尘固结剂的室外应用情况。
表1为十五天内室外天气及风速统计表，从表1和图4可以看出，经微生物煤尘固结剂处理后的煤粉在日常风速及连续降雨时能够保持煤堆的完整性，未在风吹时产生煤尘或被雨水冲散，具有良好的耐风蚀性和耐雨蚀性。
表1 十五天内室外天气及风速统计表
Figure BDA0003083935120000071

Claims (9)

1.一种微生物煤尘固结剂，其特征在于，所述微生物煤尘固结剂包括：
矿化底物溶液，用以向煤尘中喷洒；
表面活性剂，用以溶入所述矿化底物中向煤尘中喷洒；
菌液，用以在所述矿化底物之后向所述煤尘中喷洒；
所述菌液中的细菌为非无菌条件下从活性污泥中富集得到的产脲酶菌菌群。
2.根据权利要求1所述的微生物煤尘固结剂，其特征在于，所述矿化底物溶液由尿素和钙源组成的水溶液，尿素和钙源中钙离子的摩尔比为1:1，尿素和钙离子浓度均为0.25-1.5mol/L。
3.根据权利要求1所述的微生物煤尘固结剂，其特征在于，所述钙源选自氯化钙、乳酸钙、硝酸钙、甲酸钙、乙酸钙中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的微生物煤尘固结剂，其特征在于，所述表面活性剂的加入量为矿化底物溶液的0.1-1.0％；加入表面活性剂的矿化底物溶液和菌液的体积比为1:1。
5.根据权利要求1所述的微生物煤尘固结剂，其特征在于，所述表面活性剂选自烷基糖苷、十二烷基硫酸钠、椰油酰胺丙基甜菜碱、十六烷基三甲基溴化铵中至少一种。
6.根据权利要求1所述的微生物煤尘固结剂，其特征在于，所述产脲酶菌菌群的制备方法，步骤为：
按如下配方制备培养基，酵母浸粉5g/L，蛋白胨10g/L，NaCl 5g/L，10g/L尿素；然后将活性污泥与培养基按1:9的比例混合在非无菌条件下于25±1℃、150rpm的恒温摇床中振荡培养24h富集产脲酶菌，得到产脲酶菌菌群。将培养后的产脲酶菌菌液在4000r/min转速下离心20min获得细菌菌泥，将其重悬于去离子水中得到浓度为1×107～1×1010cells/mL的菌液。
7.根据权利要求1所述的微生物煤尘固结剂，其特征在于，所述菌液的制备方法，步骤为：
先将珊瑚砂和菌液在搅拌机内搅拌300s，然后采用负压吸附，将搅拌后的珊瑚砂和菌液放入抽滤瓶中，将抽滤瓶与负压管道连接，通过真空泵抽真空达到一定真空度，使细菌吸附到珊瑚砂孔隙中得到含菌载体。含菌载体中营养物质有限，载体逐渐干燥，细菌变为休眠体。
按如下配方制备培养基，酵母浸粉5g/L，蛋白胨10g/L，NaCl 5g/L，10g/L尿素。将含菌载体浸泡于上述培养基中，于25±1℃、150rpm的恒温摇床中振荡培养24h后细菌复苏，得到微生物煤尘固结剂所需菌液。
8.如权利要求1-6任一项所述微生物煤尘固结剂的使用方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一、将表面活性剂溶于矿化底物溶液中；
步骤二、向煤尘中喷洒加入表面活性剂的矿化底物溶液；
步骤三、喷洒后，向煤尘中喷洒菌液；
进一步地，重复进行步骤一、二、三，1-5次。
9.如权利要求1-6任一项所述微生物煤尘固结剂喷洒量为4-10L/m3。
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