MICP-MISP耦合生物技术强化煤矿抑尘与铵回收的协同机制研究

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Coupled MICP–MISP Biotechnologies for Eco-Friendly Dust Control in Open-Pit Coal Mines: Strength Enhancement and Ammonium Recycling

本研究针对露天煤矿粉尘污染控制中微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术存在的氨氮污染问题，创新性地引入微生物诱导鸟粪石沉淀(MISP)技术构建协同抑尘体系。通过正交试验优化胶结液配比，证实MICP-MISP协同矿化可使煤样硬度达77.7 HA，平均风蚀率降至757 g/m2/min，同时显著降低氨氮排放，为绿色矿山建设提供新技术路径。

　　

在露天煤矿的开采过程中，粉尘污染始终是困扰行业发展的环境难题。传统洒水降尘方式虽然成本低廉、见效快，但作用时间短，水分蒸发后容易造成二次扬尘，无法实现长期有效的粉尘固化。更严重的是，矿工长期吸入矿物粉尘可能引发呼吸道炎症，甚至导致尘肺病。据统计，煤矿尘肺病占我国职业病的55%以上，每年因尘肺病死亡的人数远超同期生产事故死亡人数。

面对这一严峻挑战，微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术因其高效、环保的特点被视为潜在解决方案。该技术利用尿素分解菌产生的脲酶将尿素水解为铵离子和碳酸根离子，碳酸根与钙离子结合形成碳酸钙晶体，从而固化粉尘。然而，MICP技术在实际应用中也暴露出不可忽视的缺陷：尿素水解过程中会产生大量氨氮，一部分以氨气形式直接排放，另一部分残留于溶液中造成二次污染。

正是在这样的背景下，山东科技大学矿业灾害预防与控制国家重点实验室的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》上发表了创新性研究成果。该研究将MICP与微生物诱导鸟粪石沉淀(MISP)技术相结合，构建了协同矿化体系，不仅有效固化了煤矿粉尘，还实现了氨氮资源的循环利用。

研究人员采用的主要技术方法包括：利用巴氏孢子菌(Sporosarcina pasteurii)控制胶结液成分，通过正交试验优化浓度配比，运用X射线衍射(XRD)分析矿化产物物相组成，并系统监测反应过程中氨氮含量的动态变化。同时，通过硬度测试和风蚀实验评估抑尘性能，结合微观表征手段分析矿化机理。

矿物化反应过程与产物表征

研究发现，在MICP-MISP协同体系中，胶结液与菌液混合后立即出现沉淀现象。XRD分析证实了碳酸钙和鸟粪石(MgNH₄PO₄·6H₂O)的共同矿化，形成的复合矿物材料硬度与单一MICP材料相当，但氨氮含量显著降低。通过优化胶结液组成，在特定配比下获得的煤样硬度达到77.7 HA，三种风速下的平均风蚀率仅为757 g/m²/min。

胶结液组分对矿化产物性能的影响

正交试验结果表明，胶结液各组分的浓度比例对矿化效果具有重要影响。当尿素浓度为1.0 mol/L，钙镁离子比例为1:1，磷酸根浓度为0.5 mol/L时，协同体系的抑尘性能最优。值得注意的是，MISP过程能够有效固定MICP产生的铵离子，使其参与鸟粪石的形成，从而大幅降低氨氮排放。

抑尘性能测试

风洞实验显示，经MICP-MISP处理的煤样表面形成了致密的矿化层，能有效抵抗风力侵蚀。与单一MICP技术相比，协同体系在保持良好机械性能的同时，将氨氮排放量降低了60%以上。微观表征表明，碳酸钙与鸟粪石晶体相互交织，形成了更加稳定的三维网络结构。

氨氮含量监测

动态监测数据显示，协同体系中氨氮浓度始终维持在较低水平。这是由于MICP过程产生的铵离子被及时转化为鸟粪石沉淀，既避免了氨气挥发，又减少了水相中的氨氮残留。这种"以废治废"的思路实现了污染物的资源化利用。

该研究通过系统比较单一MICP、单一MISP和MICP-MISP协同体系的性能差异，证实了协同矿化技术的优越性。研究结论表明，MICP-MISP协同技术不仅能够有效固化煤矿粉尘，还能显著降低氨氮污染，实现了抑尘效果与环境友好性的统一。这项技术为露天煤矿粉尘控制提供了创新解决方案，既解决了MICP技术的氨氮污染问题，又克服了单一MISP体系强度不足的缺陷，对推动煤炭行业绿色低碳转型具有重要实践意义。