碳酸氢盐基 MICP：尾矿可持续生物胶结中减少尿素需求的创新之选

尾矿管理难题亟待解决，研究人员开展 “以碳酸氢钠替代尿素用于尾矿微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）” 的研究。结果表明，碳酸氢盐可有效替代尿素，减少 75% 尿素用量，降低氨排放危害。这为尾矿可持续管理提供了新途径。

　　在当今社会，矿产资源对人类的发展至关重要，从制造化工产品到生产纸张，它的身影无处不在。然而，随着矿产开采量的不断攀升，尾矿的处理问题日益凸显。尾矿通常被大规模堆积存放，其暴露在大气中的大面积物质，不仅容易通过淋溶释放重金属，还可能产生扬尘，对环境和人体健康构成严重威胁，尤其是那些无人监管的废弃尾矿库，情况更为严峻。

传统的微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术，通过微生物脲酶水解尿素，在钙离子存在的情况下促使碳酸钙沉淀，从而对尾矿起到胶结作用，减少风蚀。但该技术在使用过程中，会释放大量氨气，氨气不仅会造成大气污染，还可能引发一系列环境问题，如形成气溶胶影响气候，以及转化为硝酸盐污染水体，导致水体富营养化等。因此，如何降低 MICP 过程中尿素的使用量，减少氨气排放，成为了该领域的研究热点。

在此背景下，国外研究人员开展了一项旨在探索用碳酸氢钠替代尿素作为 MICP 碳源的研究。他们希望通过这项研究，减少尾矿生物胶结过程中尿素的需求，进而提高尾矿抵抗风蚀的能力，最终为尾矿的安全管理提供一种更环保的解决方案。该研究成果发表在《Environmental Technology 》上。

研究人员在这项研究中主要运用了以下几种关键技术方法：

1. 微生物培养技术：选用 Sporosarcina pasteurii（NCIMB 8841）细菌，在特定培养基中培养，为后续实验提供微生物来源。
2. 实验设计与测试：通过设计多组实验（DOE 1、DOE 2 和 DOE 3），分别在液体培养基和固体基质（合成尾矿）中进行测试，研究不同因素对 MICP 行为的影响。
3. 分析检测技术：采用滴定法测定剩余钙含量，以此计算钙沉淀率和 CaCO₃含量；运用锥入度试验和风洞试验分别评估生物胶结样品的表面强度和抗风蚀性；利用扫描电子显微镜（SEM）观察 CaCO₃晶体形态。

下面详细介绍研究结果：

1. 生物沉淀试验（液体培养基中尿素替代评估）：在不同 CaCl₂浓度（12.5、25 和 50mM）下，研究不同尿素和 NaHCO₃浓度组合对 MICP 行为的影响。结果显示，在 12.5mM 和 25mM CaCl₂条件下，尿素可减少 70%，且尿素 - NaHCO₃比例对钙沉淀率无显著影响。同时发现，当提供等摩尔总碳（TC）与钙比例时，碳酸氢盐中的无机碳参与了沉淀过程。
2. 生物胶结试验（固体基质中尿素替代评估）：在生物胶结试验中，研究不同 TC - 钙比例和尿素 - NaHCO₃比例对尾矿生物胶结效果的影响。结果表明，增加尿素 - 钙比例可显著提高生物胶结尾矿的表面强度；当尿素浓度从 1.5M 降至 0.7M 时，表面强度接近 400kPa，且质量损失率大幅降低，与未处理样品相比降低了 9 倍。同时，CaCO₃含量在不同处理条件下接近 3%。
3. 晶体形态观察：通过 SEM 分析发现，传统 MICP 形成的沉淀为直径 10 - 15μm 的球形微晶聚集体（可能是球霰石晶体），而用 NaHCO₃替代尿素后，形成的沉淀为不规则的自形晶体（可能是方解石晶体）。这表明使用 NaHCO₃作为无机碳源可促进 CaCO₃晶体的转化速率和类型。
4. 表面微观结构观察：观察尾矿表面微观结构发现，生物胶结样品中存在不规则形状的沉淀，这些沉淀在尾矿颗粒之间起到桥接作用，减少了风蚀。即使使用碳酸氢钠替代尿素，这种桥接作用依然存在。
5. 氨排放评估：通过比较不同场景下的氨排放，发现使用碳酸氢钠替代尿素后，潜在最大氨释放量显著降低，仅为传统 MICP 的三分之一。

综合研究结果和讨论部分，该研究意义重大。首先，研究证明了在生物沉淀和生物胶结过程中，用碳酸氢钠替代尿素是可行的，这一发现为 MICP 技术的优化提供了新方向。其次，这种替代方法可大幅减少氨气排放，降低环境污染风险，使 MICP 技术更加环保。此外，研究还发现碳酸氢钠有助于促进方解石晶体的形成，这对于提高 MICP 过程的效率和效果具有积极意义。不过，研究也指出，碳酸氢盐基 MICP 在大规模应用中还面临一些挑战，如放大生产、沉淀物长期稳定性以及成本效益和可持续性分析等问题，需要进一步研究解决。但总体而言，该研究为尾矿的可持续管理提供了一种创新且有潜力的方法，有望推动相关领域的发展。