《Process Safety and Environmental Protection》：Hydrodynamic Regulation of MICP-Treated Coal Dust: Trade-offs between Surface Erosion Resistance and Structural Homogeneity
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風蝕雨蝕協同抑制中微生物誘導碳酸沉淀的梯度礦化策略研究。通過系統調控注射速率與體積，揭示流體動力學對礦化均勻性的影響機制，提出低速率骨架構建與高速率表面包覆的分級注射方案，使風蝕率降至4.0%、雨蝕率降低至9.1%，實現復雜礦山環境的結構均勻礦化。
作者：張迪、趙彥云、胡向明、馮月、劉金迪、于曉牛、姜寧軍
單位：山東科技大學安全與環境工程學院，中國山東省青島市黃島區前旺崗路579號
摘要
在利用微生物誘導的碳酸鹽沉淀（MICP）技術抑制煤塵的過程中，實現結構均勻性仍然是一個關鍵瓶頸。本研究系統地探討了注入速率和反應物體積如何調節MICP的效果，以平衡風蝕和雨蝕的抵抗力。定量分析揭示了流體傳輸與反應動力學之間的相互作用所帶來的明顯權衡：高注入速率會引發亞穩態的文石富集表面堵塞，使風蝕率（η_wind）降至4.2%，同時導致明顯的垂直分層；相反，低注入速率則促進以碳酸鈣為主的穩定橋接，從而增強深層固結效果，使雨蝕率（η_rain）降至8.4%。為了解決生物堵塞問題，我們提出了一種分級礦化策略，結合了低速率的骨架構建和高速率的表面加固。該序貫方案使風蝕率（η_wind）降至約4.0%，雨蝕率（η_rain）降至約9.1%，表明在風蝕和雨蝕共同作用下整體抗性得到了提升。這種功能分級的結殼方法為復雜采礦環境中的粉塵抑制提供了一種基于機制的解決方案。
引言
露天采礦和散料處理過程中產生的逃逸粉塵排放對環境和職業健康構成了嚴重威脅，可能導致呼吸系統疾病乃至生態系統退化（Song等人，2025年；Zhou等人，2024a年；Yang等人，2024年；Ding等人，2025a年）。隨著公眾對環境質量問題的關注日益增加，基于生物的粉塵抑制技術作為傳統化學抑制劑的可持續替代方案受到了廣泛關注（Ha等人，2024年；Jiang等人，2024年；Zhang等人，2024a年；Zhou等人，2023年）。其中，微生物誘導的碳酸鹽沉淀（MICP）技術作為一種可持續的生物膠結技術被用于粉塵抑制（Zhou等人，2024b年；DeJong等人，2010年；Yin等人，2024年；Yang等人，2023年；Xue等人，2023年；Rajasekar等人，2025年；Ding等人，2025a年）。然而，其在大規模應用中的可靠性常常受到一個關鍵瓶頸的限制：即在復雜、異質性基質中實現空間均勻的礦化（Ma等人，2025a年）。
目前尚未建立起適用于工程規模均勻膠結的通用最佳方案。以往的研究探索了多種輸送方法來提高膠結均勻性。雖然浸漬和機械混合能夠成功結合顆粒基質，但由于其不適用于大規模表面粉塵控制，因此表面噴涂成為主要選擇（Konstantinou等人，2021年；Cheng等人，2021年）。然而，傳統表面噴涂通常會導致不均勻的滲透，從而在施用表面附近引發過早的沉淀，形成一層局部硬殼，阻礙了更深層次的基質滲透，進而降低了整體抑制效果（Dubey等人，2023年；Wang等人，2023a年；Faeli等人，2023年；Ding等人，2025b年）。因此，注入速率和反應物體積如何獨立影響表層堵塞和深層滲透仍不清楚（Baek等人，2024年）。
在工程實踐中，固結質量受到微生物和膠結流體的流體動力學調控的強烈影響（Zhang等人，2023年；Feng等人，2024年）。注入體積和速率是控制反應物傳輸和孔隙尺度分布的主要可控參數（Zhang等人，2023年）。研究表明，流動狀態決定了細菌附著、溶質傳輸和結晶動力學之間的平衡（Fu等人，2023年）。從流體動力學的角度來看，注入速率決定了溶質對流和結晶動力學之間的平衡，過高的注入速率可能導致局部過飽和和嚴重的孔隙堵塞（Baek等人，2024年）。同時，總注入體積決定了基質的飽和度和毛細連續性（Lai等人，2023年）。注入體積不足會導致液滴因表面張力而聚集，阻礙了連貫、相互連接的晶體網絡的形成（Xu等人，2024年）。因此，固結質量不僅僅是生物學結果，還是流體動力學、毛細相互作用和蒸發動力學的復雜函數（Wang等人，2024a年；Sawada等人，2025年）。
早期的MICP研究主要集中在親水性硅砂上，但生物技術的前沿最近已轉向復雜的疏水性人工基底。最近的研究開始闡明這些非理想基質中的生物膠結機制。例如，Ding等人強調了表面潤濕性在利用電解質促進的生物大分子聚集煤顆粒過程中的關鍵作用（Ding等人，2025a年）。同樣，Zhang等人發現，在疏水性礦渣中，高界面張力經常阻礙碳酸鈣的均勻分布，從而限制了膠結流體的滲透，進而影響CaCO3的均勻分布（Maureira等人，2024年）。
這一知識空白在抑制逃逸煤塵方面尤為突出，因為煤塵的疏水性顯著影響了水體的滲透和細菌的分布（Wang等人，2024a年；Cai等人，2023年；Ding等人，2025c年）。富含芳香族的煤塵本身的疏水性導致與親水性S. pasteurii之間的界面能量不匹配，阻礙了細菌的附著和深層溶液的滲透（Zhang等人，2022年）。在傳統的噴涂應用中，液體供應速率與疏水性粉塵的滲透能力之間的不匹配常常阻止了深層滲透（Zhai等人，2025年）。這通常會導致表面形成分層的結殼-基底結構，由于快速表面蒸發導致毛細液橋的不穩定和破裂，從而產生嚴重的垂直礦化梯度（An等人，2023年）。這種結構在風切應力作用下機械不穩定，容易發生分層（Yin等人，2024年；Lemboye等人，2021年）。盡管取得了這些進展，但注入速率和反應物體積在控制細粒疏水性煤塵礦化模式中的獨立作用仍缺乏足夠的量化研究（Ding等人，2025a年；Maureira等人，2024年）。
基于此背景，本研究系統地分離了注入速率和體積對MICP處理煤塵固結效果的影響，具體目標包括：（i）確定最大化長期風蝕抵抗力的最佳流體動力學操作窗口；（ii）闡明流體動力學參數對礦化均勻性的調控機制；（iii）通過實驗驗證序貫注入方案在協調抗蝕性和結構完整性之間的沖突方面的有效性。通過結合風蝕和雨蝕指標、空間礦化分布以及微觀結構觀察，本研究旨在為大規模粉塵抑制應用提供基于機制的基礎和實用指導。
微生物菌株與培養
選擇尿素分解菌Sporosarcina pasteurii（ATCC 11859）是因為其具有強大的尿素酶活性。該菌株在含有20 g·L^-1酵母提取物、10 g·L^-1 NH4Cl、2.4 mg·L^-1 NiCl2·6H2O和1.2 mg·L^-1 MgSO4·H2O的滅菌液體培養基中繁殖。使用1 M NaOH將pH調節至8.5后進行高壓滅菌。培養物在35°C和121 rpm的條件下進行有氧培養。在指數生長期后期（大約12小時）收獲細胞，此時OD600 = 1.20 ± 0.05，尿素酶活性為...
對風蝕和水蝕應力的不同響應
通過風蝕率（η_wind）、雨蝕率（η_rain）、表面硬度和結殼厚度來評估宏觀固結性能（Zhou等人，2023年）。如圖2所示，無生物處理組的表面硬度接近零，侵蝕率很高。如圖2a所示，增加注入體積顯著降低了風蝕率（η_wind），當注入體積達到飽和閾值（30 mL）時，性能趨于穩定。
結論
為了闡明注入流體動力學如何調控粉塵固結，本研究在不同注入體積和速率下進行了系統研究。從多尺度表征中得出以下關鍵結論：
- 1. 流體動力學的時空權衡：注入速率本質上決定了表層硬度和內部結構完整性之間的折中。快速注入會使系統進入非線性、反應主導的狀態（Da >> 1），從而導致...
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文所述的工作。
致謝
本研究得到了國家自然科學基金（項目編號：52274217、42077444、51874193和52274216）、泰山學者青年專家計劃（TS202103073）、泰山學者杰出教授計劃（TS20190935）、山東省自然科學優秀青年基金（ZR202102220886）、山東省自然科學基金（ZR2021QE159和ZR2021QE296）、山東省青創科技計劃（2019KJG008）以及國家重點項目的支持。
