潘旭輝,史奇彬,趙蔚蔚,王芮文,3
(1.溧陽市交通工程建設(shè)事業(yè)發(fā)展中心,江蘇 常州 213000;2.江蘇森淼工程質(zhì)量檢測有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212028;3.江蘇省交通技師學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212028)
近年來,環(huán)境保護(hù)政策深入人心,環(huán)境問題也得到廣泛關(guān)注??諝馕廴臼黔h(huán)境保護(hù)體系中最重要的監(jiān)測對象之一。研究表明,揚(yáng)塵對空氣中顆粒物的年分擔(dān)率為20%左右[1],是構(gòu)成空氣污染極其重要的因素之一。對于揚(yáng)塵所造成影響很多,比如(1)由于風(fēng)的吹拂作用將塵土顆粒分散到空氣中,并隨空氣流動,這些帶著各種病菌的塵土顆粒,一旦被吸入人體,可能引起諸多疾病,嚴(yán)重危及人體健康[2]。(2)揚(yáng)塵會改變一定范圍內(nèi)的氣候狀況。由于引起大氣層熱效應(yīng),極容易引發(fā)氣候異?,F(xiàn)象,同時,會增加空氣霧霾的風(fēng)險,還會出現(xiàn)酸雨以及光化學(xué)煙霧等環(huán)境污染問題。揚(yáng)塵的出現(xiàn),會大大降低能見度,空氣質(zhì)量難以保證[3];揚(yáng)塵飄落在房屋、路面、橋梁以及綠色植物上,不僅僅會影響美觀,還可能會導(dǎo)致綠色植物無法有效地進(jìn)行光合作用而致死。
以往追求經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會發(fā)展而忽略環(huán)境的思維已經(jīng)改變,習(xí)近平總書記提出的既要金山銀山,又要綠水青山的理念已經(jīng)貫穿經(jīng)濟(jì)發(fā)展的全過程,交通建設(shè)也不例外,在交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中,施工現(xiàn)場揚(yáng)塵控制已經(jīng)成為項(xiàng)目管理的一項(xiàng)重要內(nèi)容和社會各方重點(diǎn)關(guān)注的焦點(diǎn)。本研究以溧陽焦尾琴隧道旅游綜合體為例,研究微生物抑塵法的材料特性及其使用效果。
隨著人們對環(huán)境的要求越來越高,對環(huán)境污染問題越來越重視,在環(huán)保部門加大整治力度的同時,科研院所等研究機(jī)構(gòu)對揚(yáng)塵危害及防治技術(shù)進(jìn)行了廣泛探索。目前,對于揚(yáng)塵的防治手段較少,仍然采用傳統(tǒng)的噴霧法、覆蓋法、擋風(fēng)阻風(fēng)法、網(wǎng)格防護(hù)法等方法,近年來,由于新技術(shù)的出現(xiàn),土壤固化法也隨即成為潮流處理技術(shù)。在這些處治方法中,噴霧法因用水量巨大,造成浪費(fèi)嚴(yán)重,其方法已經(jīng)逐漸退出;而覆蓋法、擋風(fēng)阻風(fēng)法以及網(wǎng)格防護(hù)會增加大量的處理成本,效率低下,材料用量大,后期處理難度大,而且,這些方法對于已經(jīng)散落在空氣中的揚(yáng)塵無法吸附,而在公路工程建設(shè)中,通常每天都會產(chǎn)生大量的揚(yáng)塵,這種方法顯然效果甚微;土壤固化抑塵技術(shù)是利用材料的粘聚力,制成物化抑塵劑,將抑塵劑拌和至揚(yáng)塵發(fā)生體中并與之結(jié)合,形成膠結(jié)物或表面硬殼性,從而抑制塵土飛揚(yáng)。此技術(shù)對揚(yáng)塵有較好的抑制性,研發(fā)以來受到廣泛關(guān)注。然而,這種處理方法中使用的材料品牌雜亂、成本高,有些抑塵物質(zhì)中還有腐蝕性和毒性充分,且這些有害成份降解困難,極易導(dǎo)致對土壤和空氣的二次污染[4]。故此,需要一種能有效降解、對環(huán)境無破壞以及抑塵效果又好的新材料和技術(shù)對揚(yáng)塵進(jìn)行有效處理。而微生物抑塵法就是在這一背景下產(chǎn)生和發(fā)展起來的具有前沿性的抑塵處理方法。
微生物抑塵原理的實(shí)質(zhì)是利用微生物誘導(dǎo)沉積作用讓一些特定的微生物誘導(dǎo)礦化沉積成具有強(qiáng)粘結(jié)性的礦物質(zhì),這些礦物質(zhì)與微塵顆粒結(jié)合而生成較大的顆粒體,從而改善土體的硬度、強(qiáng)度和風(fēng)蝕度等[5]。這種微生物與微塵形成的具有一定強(qiáng)度的微顆粒體也稱為微生物水泥。這些利用微生物誘導(dǎo)礦化沉積作用生成的微生物水泥有非常良好的環(huán)境適應(yīng)性,而且生產(chǎn)周期短,效率高,強(qiáng)度控制措施簡單。
本世紀(jì)初,東南大學(xué)圍繞微生物礦化建筑材料開展了系統(tǒng)深入的研究,形成了產(chǎn)業(yè)化和工程應(yīng)用技術(shù),推廣應(yīng)用于揚(yáng)塵治理、鋼渣處置、土壤重金屬鈍化等環(huán)境領(lǐng)域及自修復(fù)混凝土、裝配式建筑部品、清水混凝土等建設(shè)工程。在揚(yáng)塵抑制方面,積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),相關(guān)研究成果已經(jīng)在一些領(lǐng)域內(nèi)得以實(shí)踐應(yīng)用。
揚(yáng)塵是造成空氣污染極其重要的因素之一,危害人類健康、影響空氣質(zhì)量、影響城市景觀和植物生長,同時會阻礙植物光合作用,破壞生態(tài)平衡。將微生物抑塵劑用于建筑工地施工現(xiàn)場、沙漠治理、碼頭港口堆場等,可將松散介質(zhì)膠結(jié)成具有一定力學(xué)性的一個整體,從而達(dá)到抑塵目的。
微生物抑塵法揚(yáng)塵處理方案是利用微生物抑塵劑誘導(dǎo)礦化沉積的特性使微生物沉積物與土固化成具有強(qiáng)度的顆粒體從而達(dá)到抑塵目的,此方法起主要抑塵作用的材料是微生物抑塵劑中的活性物質(zhì)[6]。微生物抑塵劑是微生物誘導(dǎo)礦化沉積具有一定膠凝特性的礦物,該礦化可將松散顆粒膠結(jié)成為一個整體,有效改善土體的工程性質(zhì)。
微生物為遴選自廣泛分布在土壤或巖石中的一類芽孢桿菌,革蘭氏染色為陽性菌,菌落表面粗糙不透明,污白色或微黃色,生長繁殖能力強(qiáng)。用微生物材料在建筑工地施工現(xiàn)場、沙漠、碼頭港口堆場的表層噴灑,可形成具有一定厚度、一定力學(xué)性能的膠結(jié)體,從而實(shí)現(xiàn)抑塵目標(biāo)。
抑塵劑按微生物形態(tài)可分為液態(tài)抑塵劑和固態(tài)抑塵劑,分別用代號YT和GT表示。微生物抑塵劑的各項(xiàng)物理特性歸納匯總見表1,技術(shù)指標(biāo)見表2。
表1 微生物抑塵劑的物理特性
表2 微生物抑塵劑技術(shù)指標(biāo)
根據(jù)微生物抑塵法的常規(guī)處理工藝,還可將抑塵劑分成噴灑式抑塵法和拌和式抑塵法兩種。抑塵劑材料的標(biāo)記方法為:如果微生物抑塵劑的形態(tài)為液態(tài),施工處理工藝為噴灑式抑塵法,固結(jié)層厚度為10.0 mm,此時,將其標(biāo)記做YT-PS-10.0;如果微生物抑塵劑的形態(tài)為固態(tài),施工處理工藝為拌合式抑塵法,固結(jié)層厚度為10.0 mm,此時將其標(biāo)記做GT-BH-10.0。
在容易揚(yáng)塵的環(huán)境中,將液態(tài)微生物抑塵劑噴灑于揚(yáng)塵發(fā)生體表面,經(jīng)養(yǎng)生后,微生物抑塵劑與揚(yáng)塵發(fā)生體固結(jié),或者將固態(tài)抑塵劑與揚(yáng)塵發(fā)生體按一定比例拌和,經(jīng)養(yǎng)生后,微生物抑塵劑與揚(yáng)塵發(fā)生體固結(jié),這種方法,叫微生物抑塵法。
用微生物抑塵法處理的土體或抑塵發(fā)生體,當(dāng)由松散變?yōu)槟Y(jié)體后,其性質(zhì)發(fā)生了改變,所形成的固結(jié)層需具有一定的厚度、硬度、強(qiáng)度、抗風(fēng)蝕性和抗雨水沖刷性,其基本要求應(yīng)符合表3。
表3 微生物抑塵固結(jié)層性能統(tǒng)計方法評價指標(biāo)
溧陽焦尾琴旅游綜合體隧道項(xiàng)目路線起于104國道與長山路交叉口,向北以隧道形式穿越西圣山后,終于平陵西路與泓盛路交叉口,路線全長1.70 km,其中一般路段長1.07 km,隧道段長0.63 km。根據(jù)現(xiàn)場外業(yè)調(diào)查成果及相關(guān)意見,焦尾琴隧道路線主要控制因素為現(xiàn)狀道路104國道和平陵西路、規(guī)劃焦尾琴公園等。
本隧道按小凈距形式進(jìn)行布置,左右洞凈距約17~24 m。其中,隧道左線長630 m,右線長625 m,屬于中隧道,最大埋深約62 m。按設(shè)計速度為60 km/h的雙向四車道城市主干路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,隧道單洞建筑限界凈寬為10.0 m,凈高為5.0 m,全隧道共設(shè)置1處車行橫洞和1處人行橫洞。
隧道所處位置為巖質(zhì)土,周圍為細(xì)粒土,易揚(yáng)塵。
固體抑塵劑一般用于顆粒較大的土壤,且經(jīng)拌和使用。液體抑塵劑一般用于細(xì)粒土,可以按一定比例噴灑于土體表面。焦尾琴旅游綜合體隧道附近揚(yáng)塵主要來自與開挖后的粉塵以及沿線便道的灰塵,而便道經(jīng)過的位置為細(xì)粒土,易揚(yáng)塵,因此,選擇液體抑塵劑進(jìn)行施工。
微生物抑塵劑必須滿足質(zhì)量要求,保證抑塵效果,因此,對抑塵劑應(yīng)進(jìn)行全面性能試驗(yàn)。
外觀與感官特征測定。把微生物抑塵劑處理樣品放置于透明玻璃器皿中,并透過光亮仔細(xì)查看其顏色、光澤以及摻雜物情況,并辨識其氣味。經(jīng)觀測查驗(yàn),外觀與感官特征滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。
微生物測定。取10 g液體微生物抑塵劑溶于100 ml去離子水中制備微生物菌液,再分別稀釋至原來濃度的1/10、1/102、1/103、1/104、1/105、1/106,把微生物真菌溶液稀釋后,各取1 mL然后加入瓊脂培養(yǎng)基液,放置在除去細(xì)菌的表面器皿中培養(yǎng)。待表面皿上菌液明顯可見時,可根據(jù)菌落個數(shù)來推算原始菌液中活菌的個數(shù)。
在進(jìn)行試驗(yàn)時,把已經(jīng)活化的微生物菌株從表面器皿中接種到培養(yǎng)基液里,并且把最先的pH調(diào)整到7.0,在連續(xù)振蕩器中培養(yǎng)24 h,直到培養(yǎng)基液由清澈變?yōu)榛鞚釣橹?。? mL培養(yǎng)好的菌液置于無菌試管中,稀釋至初始濃度的1/107,取其中0.1 mL加入固體培養(yǎng)基并置于無菌表面皿中,繼續(xù)培養(yǎng)至出現(xiàn)明顯菌落,根據(jù)菌落個數(shù)推算得出原始菌液濃度。
本試驗(yàn)得到的結(jié)果是樣品微生物數(shù)量為1.0×107CFU/ml。滿足要求。
鈣源濃度測定。試驗(yàn)在封閉環(huán)境下進(jìn)行,取質(zhì)量為μ(一般取100 g)液體微生物抑塵劑溶于100 ml去離子水中制備鈣源溶液,通過滴定方式向溶液中滴加碳酸氫鈉溶液,直至不產(chǎn)生白色沉淀為止,碳酸氫鈉可以過量。對產(chǎn)生的白色沉淀物進(jìn)行漂洗、濾紙過濾、并烘干,稱量其不含水的質(zhì)量,記為m。按式(1)計算鈣源濃度
(1)
式中,n為鈣源濃度,mol/g;m為白色沉淀物碳酸鈣的無水時質(zhì)量,g;MCaCO3為碳酸鈣單位物質(zhì)的無水時摩爾量,g/mol。
經(jīng)測定,本產(chǎn)品的鈣源濃度為0.43 mol/g,符合要求。
pH值測定。pH值測定時,應(yīng)按《膠黏劑的pH值測定》(GB/T 14518)給定的方法進(jìn)行樣品的準(zhǔn)備,采用酸度計測定樣品的pH值。實(shí)測pH值為7.5。滿足要求。
腐蝕性測定。按國家標(biāo)準(zhǔn)《硫化橡膠或熱塑橡膠耐液體試驗(yàn)方法》(GB/T 1690)給出的腐蝕性試驗(yàn)的方法,測試出抑塵劑的滲透系數(shù),經(jīng)測試,滲透系數(shù)為1×10-8,滿足要求。
皮膚刺激性測定。按GB/T 21604規(guī)定的方法進(jìn)行測試,皮膚刺激性等級為1.5,符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
急性經(jīng)口毒性試驗(yàn)。根據(jù)GB15193.3進(jìn)行急性毒性試驗(yàn)。經(jīng)測定,動物每千克體重用藥量為113 mL/kgBW才出現(xiàn)中毒現(xiàn)象,滿足要求。
在距隧道開挖面外300 m范圍內(nèi)進(jìn)行土壤或土層調(diào)查,取典型土壤編號面作為試驗(yàn)段,噴灑液體微生物抑塵劑,檢測處理路段固結(jié)層厚度、硬度、強(qiáng)度。
把液體微生物抑塵劑按一定比例稀釋后,利用機(jī)械設(shè)備緩慢均勻地噴灑在土壤表面,應(yīng)適當(dāng)養(yǎng)護(hù)后會形成一層表層非常致密的殼,稱為固結(jié)層。而固結(jié)體的測量厚度是有效評價抑制揚(yáng)塵效果的主要參數(shù)。測量固結(jié)體表層固結(jié)厚度使用的主要工具是游標(biāo)卡尺,其精度較高,可以精確地測量厚度。參考GB/T12334中厚度測量方法,首先選取試模中心測量點(diǎn),以該測量點(diǎn)為圓心、半徑50 mm做圓形,在該圓形上等距離選取8個點(diǎn),同時測量中心點(diǎn)及圓形上8個點(diǎn)的厚度,取其平均值作為該固結(jié)體的厚度。
固結(jié)體表層硬度是有效評價抑塵法效果的又一項(xiàng)參數(shù)。這個參數(shù)采用邵氏硬度計檢測。其方法是將硬度測試器平行壓在試件的上部,直到硬度器底面和試樣表面全部接觸,此時,指針?biāo)鶎?zhǔn)的刻度就是該試樣的邵氏硬度值,為了使測試結(jié)果穩(wěn)定、可靠,必須保證其測試精度,多次測量的位置需有一定的間隔。
固結(jié)體表層強(qiáng)度是評價抑塵效果的另一項(xiàng)重要指標(biāo),其測試方法是采用高精度低量程的伺服式電腦控制萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行,萬能試驗(yàn)機(jī)測量精度為Ⅰ級,試驗(yàn)采用位移控制,加載的速率必須小于每分鐘1 mm。樣品底部支撐點(diǎn)必須采用球形支架以減小測量偏差,在放置樣品時,需調(diào)整角度偏差,使得樣品軸線與受力方向一致。
抗風(fēng)蝕性測定。將微生物抑塵劑固結(jié)松散介質(zhì)形成固結(jié)層稱重,記為W1,隨后將固結(jié)層放入風(fēng)洞試驗(yàn)機(jī)中,設(shè)置吹蝕風(fēng)速為12 m/s、角度為0°吹角、吹蝕時間為1 h,風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)束后對固結(jié)層稱重,記為W2。抗風(fēng)蝕性可按公式(2)計算
(2)
式中:E1是處理范圍內(nèi),單位面積固結(jié)層的風(fēng)蝕量,g/m2;W1為固結(jié)體在風(fēng)洞試驗(yàn)前測量的質(zhì)量,g;W2為固結(jié)體在風(fēng)洞試驗(yàn)后材料的質(zhì)量,g;S為風(fēng)蝕盤的面積,m2。
抗雨水沖刷性測定。將微生物抑塵劑固結(jié)松散介質(zhì)形成固結(jié)層稱重,記為W1,隨后將固結(jié)層放入人工模擬降雨系統(tǒng)中,設(shè)置降雨強(qiáng)度為2 mm/h、角度為0°、時間為1 h,隨后將固結(jié)層置于烘箱60 ℃條件下烘至恒重,重量記為W3。按公式(3)計算抗雨水沖刷性
(3)
式中:E2為單位面積固結(jié)層的雨水沖蝕量,g/m2;W3為抑塵處理路段,抗雨水沖刷試驗(yàn)前固結(jié)體稱量的質(zhì)量,g;W4為抑塵處理路段,抗雨水沖刷試驗(yàn)后固結(jié)層稱量的質(zhì)量,g;S2為抑塵處理路段雨水沖刷的面積,m2。
微生物抑塵劑在進(jìn)場后,必須進(jìn)行試驗(yàn)檢測,檢驗(yàn)項(xiàng)目包括外觀與感官特征、微生物、鈣源、pH值、腐蝕性、皮膚刺激性、急性經(jīng)口毒性等。同一品種的固態(tài)微生物抑塵劑按每進(jìn)場100 kg檢測一次,不足100 kg時,按100 kg計;液態(tài)微生物抑塵劑進(jìn)場按每1 m3檢測一次,不足1 m3時,按1 m3計。
固態(tài)、液態(tài)微生物抑塵劑的外觀質(zhì)量應(yīng)逐袋、逐桶檢查,其他出廠檢驗(yàn)項(xiàng)目隨機(jī)抽取,試樣的抽取位置應(yīng)分布整個生產(chǎn)批次。
判定與復(fù)驗(yàn)規(guī)則。按各指標(biāo)參數(shù)重要性判斷材料是否合格:(1)如果外觀質(zhì)量與規(guī)范要求不一致,可判為產(chǎn)品缺陷;(2)抑塵劑中的微生物、鈣源指標(biāo)如果出現(xiàn)不合格,則該批次不合格;(3)pH值、腐蝕性、皮膚刺激性、急性經(jīng)口毒性中如果有一項(xiàng)指標(biāo)檢測結(jié)果出現(xiàn)不合格,則判定不合格。如果檢測其它性能結(jié)果有某一項(xiàng)或一項(xiàng)以上不合格,應(yīng)中加倍抽樣復(fù)檢,復(fù)檢仍有不合格,則判定不合格。
微生物抑塵劑需進(jìn)行單元包裝,其包裝標(biāo)志中,必須體現(xiàn)如下信息:(1)廠家(2)標(biāo)記(3)批號及生產(chǎn)日(4)顏色(5)商標(biāo)(6)數(shù)量(7)合格證。
以微生物抑塵劑與水的質(zhì)量比例1∶50配合形成溶液,沿隧道周遭進(jìn)行噴灑,噴灑遍數(shù)為2遍。
(1)試驗(yàn)數(shù)據(jù)
在微生物抑塵劑進(jìn)場之初,都已經(jīng)做了大量的試驗(yàn),技術(shù)要求中,微生物、鈣源、pH值、腐蝕性、固結(jié)層厚度、硬度、強(qiáng)度、抗風(fēng)蝕性、抗雨水沖刷性能等指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。
抑塵法施工完成后,在隧道位置附近的典型位置取樣進(jìn)行固結(jié)層硬度、固結(jié)層的強(qiáng)度、抗風(fēng)蝕性能等試驗(yàn)。
針對焦尾琴隧道附近復(fù)雜的土壤情況,對施工的不同地點(diǎn)采集經(jīng)處理的土壤進(jìn)行驗(yàn)證,固結(jié)層硬度、強(qiáng)度和抗風(fēng)蝕性各取13個數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn),得到的結(jié)果及平均值見表4。
檢測標(biāo)準(zhǔn)為固結(jié)層硬度平均值統(tǒng)計數(shù)據(jù)Y0≥18°、強(qiáng)度平均值統(tǒng)計數(shù)據(jù)Q0≥0.4 MPa、風(fēng)蝕量平均值統(tǒng)計數(shù)據(jù)F0≤25g/m2。用假設(shè)檢驗(yàn)的方法進(jìn)行分析是否符合規(guī)范要求。
表4 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果
(2)假設(shè)檢驗(yàn)
因規(guī)范規(guī)定,固結(jié)層硬度、強(qiáng)度平均值、風(fēng)蝕量均是以統(tǒng)計方法給出的規(guī)范,因此,必須對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計判斷,本研究主要基于假設(shè)檢驗(yàn)技術(shù)分析微生物抑塵劑是否合格。
采用假設(shè)檢驗(yàn)進(jìn)行結(jié)果判斷,設(shè)風(fēng)蝕量試驗(yàn)均值為F,固結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)均值為Q,固結(jié)應(yīng)對的均值為Y。建立原假設(shè)和備擇假設(shè),通過Minitab軟件[7-9]運(yùn)算得到的結(jié)果如表5。在輸出結(jié)果中,如果P值>0.05,則接受原假設(shè),否則應(yīng)拒絕原假設(shè)[10-11]。以F與F0均值對比為例,Minitab假設(shè)檢驗(yàn)輸出結(jié)果的P值=0.027<0.05,說明原假設(shè)中,加入微生物抑塵劑后的風(fēng)蝕量F與規(guī)定值F0不相等,因此,拒絕原假設(shè),選擇備擇假設(shè),即加入微生物抑塵劑后的風(fēng)蝕量F比規(guī)定值F0還要小,因此得出合格結(jié)論。
經(jīng)統(tǒng)計推斷,各項(xiàng)指標(biāo)均合格,見表5。
表5 法均值假設(shè)檢驗(yàn)過程及結(jié)果輸出表
微生物抑塵法經(jīng)驗(yàn)證是一種良好的揚(yáng)塵處理方法,其效果明顯,成本低廉。微生物抑塵劑主要用于建筑工地施工現(xiàn)場揚(yáng)塵控制、沙漠治理、碼頭港口堆場粉塵抑制,有良好的使用推廣價值。僅以2021年我國建筑工地使用抑塵塑料網(wǎng)為例,2021年全國使用抑塵塑料網(wǎng)1.4×10 m2,如全部使用微生物水泥,以每平米材料節(jié)約費(fèi)用3元計算,可節(jié)約材料費(fèi)超過40億元,經(jīng)濟(jì)效益顯著。