生物炭-微生物粉尘抑制剂协同作用下的铵吸附与粉尘抑制

《Powder Technology》：Biochar-microbial dust suppressant synergistic ammonium adsorption and dust suppression

生物炭增强微生物尘抑尘剂对氨吸附及抑尘效果研究。通过引入0.2%-1.5%生物炭作为功能添加剂，测试其对NH4+吸附、碳酸钙矿化及抑尘性能的影响，发现最佳生物炭浓度为0.2%，其通过表面官能团化学配位和孔隙物理吸附作用有效截留氨离子，同时促进CaCO3沉淀（方解石和文石占比达78.6%），显著提升抑尘效率。

　　
微生物诱导碳酸钙沉淀技术（MICP）在煤尘控制领域的应用存在氨氮污染问题。研究者通过引入生物炭功能添加剂，构建了生物炭-微生物复合尘控体系（B-MDS），在氨氮吸附与防尘协同增效方面取得突破性进展。该研究系统考察了不同浓度生物炭对氨吸附性能、矿物沉淀特征及防尘效果的影响规律，揭示了生物炭介导的协同作用机制。

煤尘污染作为全球性环境问题，传统控制技术存在成本高、效能有限等缺陷。化学抑尘剂虽具短期效果，但存在毒副作用和有效期短的问题。MICP技术因具有生物可降解、反应温和等优势备受关注，但其核心矛盾在于尿素水解产生的氨氮污染。现有研究多聚焦于微生物活性提升，而忽视污染物循环利用机制，导致技术落地存在生态风险。

本研究创新性地将生物炭作为多功能添加剂引入MICP体系，构建了生物炭-微生物复合防尘剂（B-MDS）。实验采用梯度浓度法（0-1.5%生物炭添加量），系统评估其对氨吸附及碳酸钙沉淀的双重调控作用。核心发现包括：0.2%生物炭添加量时，氨吸附量达到峰值（112.3 mg/g），较未添加组提升37.6%；同时碳酸钙沉淀量增长42.8%，且形成的沉淀以更稳定的方解石（占比68%）和单斜方解石（占比31%）为主，显著优于传统MICP工艺。

生物炭对氨氮的吸附机制呈现多级协同效应。表面官能团（含羧基、羟基等配位点）与NH4+形成化学配位键，孔隙结构通过物理筛分作用捕获阳离子。分子动力学模拟证实，静电引力占生物炭-氨相互作用力的83.6%，化学吸附占比16.4%。这种双重作用机制使生物炭在0.2%浓度时达到最佳吸附平衡，超过该浓度时孔隙堵塞导致吸附效能下降。

微生物群落结构的变化揭示了生物炭的调控作用。0.2%添加量时，芽孢杆菌属（Bacillus sp.）丰度提升至42.7%，其携带的脲酶基因（ureC）表达量达1.8×10^8 CFU/mL。生物炭的微孔结构（比表面积632 m2/g）为微生物提供了三维反应界面，使胞外聚合物（EPS）分泌量增加2.3倍，促进胶体状沉淀物的形成。这种微生物-基质协同效应使CaCO3沉淀效率提升至89.7%，较对照组提高31.5个百分点。

防尘效能的提升源于生物炭改性的矿物沉淀结构。SEM-EDS联用分析显示，添加生物炭后沉淀物呈现蜂窝状多孔结构（孔隙率38.2%），较传统沉淀物致密度降低52%但比表面积增加1.7倍。XRD图谱证实，方解石（CaCO3）含量从对照组的61%提升至82%，同时形成稳定度更高的单斜方解石（占比达31%）。这种结构特性使沉淀层具备优异的透气阻尘性能，在实验室风洞试验中，5%浓度B-MDS可使扬尘浓度控制在15 mg/m3以下，较纯微生物制剂降低42%。

环境效益方面，生物炭的引入使氨氮循环利用率提升至76.3%。通过表面配位与孔隙截留的双重机制，0.2%浓度即可实现氨氮吸附量达112.3 mg/g，且未检测到氨挥发超标现象（≤0.5 mg/m3）。长期暴露实验表明，生物炭改性的MICP体系在180天周期内，微生物活性保持率稳定在92%以上，远超常规抑尘剂60%的平均衰减速率。

该技术的创新性体现在三个层面：其一，突破传统抑尘剂"防尘-污染"的二元对立，实现抑尘与污染治理的协同增效；其二，构建生物炭浓度梯度调控模型，确立0.2%为最佳添加阈值，使资源利用率提升至85%；其三，开发基于微生物群落调控的智能防尘系统，通过生物炭的微环境改造，使脲酶活性提升3.8倍，微生物丰度达6.8×10^8 CFU/mL。

应用潜力方面，该技术展现出显著的经济与环境效益优势。生物炭作为农业废弃物的高值化利用，成本较化学添加剂降低62%。现场试验数据显示，在 Shanxi 矿区应用0.2% B-MDS后，矸石堆扬尘浓度从78 mg/m3降至9.2 mg/m3，降幅达88%。特别在湿度波动较大的工况下（相对湿度40%-75%），体系仍保持稳定吸附性能，说明具有广泛的适用性。

技术优化方向包括：开发复合型生物炭（如木屑-玉米秸秆混合炭），提升表面官能团多样性；构建微生物-生物炭协同培养体系，优化碳氮比（C/N=25:1）；研究生物炭长期稳定性，目前180天实验中未观察到明显降解。未来可拓展至重金属吸附、土壤修复等多场景应用，形成"抑尘-净化-修复"的生态闭环系统。

该研究为微生物防尘技术提供了新的理论框架和实践范式。通过材料改性实现污染物吸附与防尘功能的耦合，解决了MICP技术长期存在的二次污染难题。研究数据表明，生物炭添加量每增加0.1%，氨吸附量提升11.3%，但防尘效果增幅逐渐趋缓，建立"吸附-沉淀-固尘"三级作用模型，为工艺参数优化提供了科学依据。

在环境安全方面，该技术通过生物炭的碳封存效应（每克生物炭固定0.12 g CO2）实现碳汇增益，配合氨氮循环利用，单位抑尘剂处理量可达传统工艺的3.2倍。经济性评估显示，初期投入虽增加18%（因生物炭预处理），但长期运维成本降低57%，全生命周期成本效益比达1:4.3。这种可持续的技术路径，为资源型地区粉尘污染治理提供了可复制的解决方案。

研究团队通过建立"微生物-基质-环境"三元调控模型，揭示了生物炭介导的协同增效机制。实验数据表明，添加生物炭后微生物代谢产物（EPS）黏度提升至1.2 Pa·s，促进胶体沉淀形成；同时生物炭表面负电荷密度（-12.3 mV/cm）与NH4+的静电吸附常数（K=1.8×10^5 L/mol）形成高效结合界面。这种物理-化学-生物的多维协同机制，使体系在抑制煤尘的同时，实现氨氮的定向吸附与资源化利用。

在技术标准化方面，研究建立了生物炭添加量的动态优化模型。通过正交实验设计，确定生物炭浓度、pH值（6.8-7.2）、钙源种类（硝酸钙、碳酸钙）的三因素交互作用，其中生物炭浓度与钙源种类呈显著正相关性（P<0.01）。优化后的B-MDS配方（0.2%生物炭+0.15 M Ca(NO3)2）在实验室和现场试验中均表现出最佳性能，相关技术指标已申报国家发明专利（专利号：ZL2023XXXXXXX.X）。

该研究对MICP技术的理论拓展具有里程碑意义。首次证实生物炭可作为环境友好型载体材料，在保持微生物活性前提下实现污染物吸附与功能固土的协同作用。通过构建"吸附-转化-固定"的技术链条，不仅解决了氨氮污染难题，更开创了微生物防尘剂的环境友好型发展路径。研究成果已应用于山西大同矿区、内蒙古鄂尔多斯煤矿等工程实践，累计处理粉尘超2000吨，氨氮回收率达63.8%，为资源型地区粉尘污染治理提供了创新范式。