揚塵是造成空氣污染極其重要的因素之一，國內(nèi)外科研工作者對其防治技術(shù)開展了大量的研究工作，研制了多類無機的、有機的及復(fù)合抑塵劑，但普遍存在功能單一、價格昂貴、甚至具有毒性、腐蝕性、難降解以及二次污染等一系列弊端。微生物水泥是基于微生物誘導(dǎo)礦化形成無機礦物從而膠結(jié)松散顆粒的一類新型膠凝材料，具有制備過程快速高效、容易控制和環(huán)境友好等諸多優(yōu)勢，在揚塵控制、沙漠治理、地基加固、邊坡穩(wěn)定等領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景。
目前，尿酶類微生物水泥研究較為廣泛，但在膠結(jié)過程中有氨釋放，對生態(tài)環(huán)境有一定的負(fù)面影響。本文篩選、培育出通過捕獲空氣中二氧化碳作為碳源并礦化沉積碳酸鹽礦物的微生物，研制了生態(tài)性更好、適合淺層膠結(jié)的新型抑塵微生物水泥。本文首先創(chuàng)新提出了微生物捕碳淺層礦化膠結(jié)沙土抑塵的技術(shù)路線，圍繞微生物水泥的配方優(yōu)化和應(yīng)用方法兩個關(guān)鍵問題，深入開展了模擬沙土孔溶液中微生物捕碳礦化機理和沙土中微生物淺層礦化的膠結(jié)機理研究，優(yōu)化了抑塵微生物水泥的配方，并系統(tǒng)研究了微生物水泥淺層膠結(jié)沙土性能和微觀結(jié)構(gòu)的表征方法及影響因素，提煉了微生物水泥的應(yīng)用方法。針對微生物水泥低溫環(huán)境膠結(jié)效果差的問題，遴選了耐低溫微生物，研制了適用于低溫環(huán)境的微生物水泥。
最后，結(jié)合三個實際工程施工現(xiàn)場的三類土壤，驗證了微生物水泥的揚塵抑制效果和生態(tài)相容性。
本文主要研究內(nèi)容和研究結(jié)論包括以下四個方面:
(1)揭示了模擬沙土孔溶液中微生物捕碳礦化機理從熱激、萌發(fā)劑、營養(yǎng)物出發(fā)，提高微生物芽孢萌發(fā)率，獲取最適的熱激溫度為70℃、熱激時間為10 min，最佳的萌發(fā)劑為丙氨酸、萌發(fā)劑濃度為6 mmol/L，而營養(yǎng)物對改善微生物芽孢萌發(fā)率無明顯促進作用；從微生物生長所需的碳源、氮源、無機鹽及生長因子出發(fā)，促進微生物營養(yǎng)體生長繁殖，菌液OD_(400)值由0.43增至0.83，提高93.0%左右。采用電泳儀和凝膠成像系統(tǒng)鑒別微生物分泌酶蛋白表達形式，明確了微生物菌液中主要酶蛋白為碳酸酐酶；對比分析了模擬溶液、微生物培養(yǎng)液、分泌液對礦化過程中離子形成速率的影響，探明了酶促反應(yīng)作用、微生物細菌體作為成核位點及加速反應(yīng)的作用；通過X射線衍射(XRD)、能譜(EDS)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)分析手段，確定了微生物誘導(dǎo)礦化產(chǎn)物為類球狀的方解石。基于微生物生長繁殖特性和礦化產(chǎn)物形成過程，建立了微生物礦化機理模型。
(2)闡明了微生物捕碳淺層膠結(jié)沙土的機理采用SEM、TEM分析了礦化產(chǎn)物與松散沙土顆粒間的微觀結(jié)構(gòu)，闡明了不同方法膠結(jié)效果的差異，論證了微生物捕碳淺層膠結(jié)沙土的可行性；采用傅立葉紅外光譜(FTIR)、熱重差熱(TG/DSC)、核磁共振(NMR)分析微生物誘導(dǎo)礦化產(chǎn)物與松散沙土顆粒間的作用，揭示了微生物水泥膠結(jié)松散沙土顆粒的本質(zhì)原因是形成了分子間氫鍵；研究了微生物、鈣源對膠結(jié)性能的影響，優(yōu)化了微生物水泥的配方。
(3)明確了微生物捕碳淺層膠結(jié)沙土的表征方法和影響因素深入研究了膠結(jié)工藝、pH值、環(huán)境溫度、土壤類型對膠結(jié)效果的影響，結(jié)果表明無壓噴灑工藝膠結(jié)強度更高、結(jié)構(gòu)更密實、操作便捷；微生物水泥較為適宜pH環(huán)境為中性和弱堿性；隨著環(huán)境溫度的升高，膠結(jié)效果明顯改善，低溫環(huán)境下膠結(jié)效果最差；微生物水泥用量相同時，膠結(jié)粘土效果最好，膠結(jié)粉土次之，膠結(jié)沙土最差。從液限、塑限、塑性指數(shù)、滲透系數(shù)、壓縮固結(jié)、直接剪切等方面研究了土壤的工程性能，明確了微生物水泥對土壤的工程性能基本無影響。研究了不同深度膠結(jié)體組成、方解石含量、表面硬度及微觀形貌，結(jié)果表明由表層到深層均發(fā)現(xiàn)膠結(jié)產(chǎn)物方解石的形成、方解石的含量逐漸降低、斷面硬度逐漸下降，且斷面微觀孔隙和缺陷逐漸增多；采用X射線計算機斷層掃描(X-CT)研究膠結(jié)體三維立體結(jié)構(gòu)和二維斷面孔隙分布，隨著微生物水泥用量的增加，膠結(jié)體整體孔隙數(shù)量和尺寸逐漸降低，膠結(jié)效果逐漸增強；在噴灑不同用量微生物水泥的情況下，膠結(jié)體表層處斷面的孔隙數(shù)量和尺寸均最低，均呈現(xiàn)最優(yōu)的膠結(jié)效果。針對低溫環(huán)境膠結(jié)效果差的問題，選育了耐低溫微生物，研制了適用于低溫的微生物水泥，論證了膠結(jié)效果。
(4)論證了微生物水泥現(xiàn)場應(yīng)用的抑塵效果針對不同的土壤類型，分別遴選了相應(yīng)的工程進行現(xiàn)場應(yīng)用?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明微生物水泥可將三類土壤膠結(jié)形成具有一定力學(xué)性能的膠結(jié)體，膠結(jié)體具有良好的抗風(fēng)蝕性、抗雨水沖刷性、保濕性、抗老化性、抗凍融性和生態(tài)相容性；在處理不同類型土壤時，可適當(dāng)調(diào)整微生物水泥的用量，如膠結(jié)沙土可適當(dāng)增加微生物水泥的用量，而在膠結(jié)粘土?xí)r可適當(dāng)減少微生物水泥的用量。與傳統(tǒng)的抑塵方法相比，微生物水泥具有更優(yōu)越的經(jīng)濟性和生態(tài)性。
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