金尾矿是一种典型的危险废弃物，既含有重金属，也含有氰化物剧毒物质。微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）技术能同步实现金尾矿的固化/稳定化、重金属钝化以及氰化物的生物降解。然而，MICP应用中的一项主要挑战是实现“细菌自由”，因为该过程通常需要大量的菌液，无论是现场培养菌体，还是运输菌液，均存在效率低下的问题。本研究提出采用干粉形式的菌体，便于现场快速激活，并可获得较高的脲酶活性。本文以金尾矿为研究对象，开展了MICP固化试验，并引入钢渣作为添加剂。研究结果表明，菌粉的使用能有效去除重金属、降解氰化物和固化尾矿，大幅降低菌体培养及菌液运输成本，对MICP技术的工程化应用具有重要促进作用。

主要内容

     金尾矿是金矿开采后产生的含有重金属和氰化物的危险废弃物，极易对周围土壤和水体造成污染，因此其无害化处理亟需解决。传统MICP中菌液的培养、运输过程复杂、成本高、易堵塞，限制了其工程化应用。为解决上述问题，本研究采用具高产脲能力的Sporosarcina pasteurii制备菌粉，结合钢渣增强剂对金尾矿进行大规模固化试验。菌粉具有良好的耐高温、耐干燥及耐化学腐蚀性能，显著提升了MICP的适应性和便捷性。

     本研究现场试验在内蒙古包头市的一处金尾矿库中开展，设计了一个容积为800 m³的固化模具，首先，将菌粉以0.083 g/L/h的速率在水中活化。随后，将混合均匀5 min后的尾矿浆输送至模具中，通过振动棒排除空气气泡，并整平表面。经过90天的养护后，拆除模具，获得了完整固化体（见图1）。

Sporosarcina pasteurii是一种革兰氏阳性细菌，当营养条件匮乏时，该菌可形成休眠状态的芽孢，呈球形或椭圆形结构。其强耐逆性的芽孢能够在恶劣环境中存活，使其成为MICP技术实际应用中的理想菌种。图2展示了其在小规模发酵条件下观察细菌的形态变化与芽孢形成过程。

图3显示了在不同发酵体积条件下，菌液的 OD₆₀₀ 值、溶解氧浓度以及 pH 值的变化。随着发酵体积的增加，菌液OD₆₀₀值显著上升，表明较大体积发酵系统可提供更优的营养和环境条件，促进菌体生长。所制得菌粉经干燥后活菌数达到1.82 × 10¹¹ CFU·g⁻¹，SEM观察显示其具有典型杆状芽孢形貌。在矿化实验中，最佳沉淀效果出现在菌粉浓度为2 g/L、CaCl₂为20 g/L、尿素为50 g/L的条件下，且LB培养基中生成的沉淀量高于去离子水体系。FT-IR、XRD和SEM结果表明，菌粉可诱导生成具有规整结构的方解石晶体，有机质和胞外多糖作为成核模板在矿化过程中起关键作用。结果证明，该菌粉具有良好的激活性能和矿化能力，可作为MICP工程化应用的高效生物添加剂。

图4展示了不同注入工艺对金尾矿固化效果的影响。尽管所有MICP工艺下尾矿中的碳酸钙含量范围均为6.8%~15.5%，但不同工艺的分布均匀性存在显著差异：在自由渗透条件下，溶液从高处向低处流动，导致固化体表面不平整、碳酸钙分布不均（图4A）；在浆液注入法中，碳酸钙集中分布在注浆孔附近，且由于尾矿颗粒细小，浆液难以扩散（图4B）；相比之下，搅拌工艺制备的固化体碳酸钙分布更为均匀（图4C）。

     后续的大规模现场试验采用了搅拌方式的MICP固化工艺（见图5）。经 MICP 固化后，原本松散的尾矿被胶结为稳定坚固的整体，脱模后固化体的平均无侧限抗压强度达到 0.51 MPa；在引入钢渣作为增强剂后，UCS 提升至 0.71 MPa。

后续的大规模现场试验采用了搅拌方式的MICP固化工艺（图5）。经 MICP 固化后，原本松散的尾矿被胶结为稳定坚固的整体，脱模后固化体的平均无侧限抗压强度达到 0.51 MPa；在引入钢渣作为增强剂后，UCS 提升至 0.71 MPa。

    图6展示了MICP处理前后重金属与氰化物的淋滤特性及其形貌变化。未经处理的Cu、Pb、Cr、Zn和氰化物的平均淋滤浓度分别为1.31、0.011、0.117、0.027和7.26 mg/L；MICP处理后分别降低至0.019、0、0.034、0.011和0.1432 mg/L；加入钢渣后进一步降至0.016、0、0.014、0.0074和0.0993 mg/L，去除率最高达98.77%。MICP通过碳酸钙的生成包裹重金属，或通过离子交换使重金属沉淀为碳酸盐结合态，从而有效固定其迁移性。同时，MICP处理还降低了重金属的可交换态比例，提高了碳酸盐结合态。钢渣与CaCO₃之间的协同作用与部分粘土矿物类似，能够在颗粒间形成桥联结构，有效提升固化体的均匀性与强度。

未处理的GMT颗粒形态不规则，表面较光滑，主要呈松散状态。经过MICP及MICP+钢渣处理后，颗粒表面变得粗糙，并附着明显的晶体沉淀（见图8）。根据2 μm尺度下的SEM图像，可观察到大量梭形、杆状及少量球形的碳酸钙晶体聚集分布，填充于颗粒之间，显著降低了孔隙尺寸。

结论

本研究成功制备了Sporosarcina pasteurii菌粉，并在实际工程中以菌粉替代菌液，开展了金尾矿的大规模现场固化试验。研究结果表明，菌粉在实现尾矿固化与重金属去除方面表现出优异性能，显著降低了菌液培养与运输成本，为MICP技术的工程化应用提供了可行方案。主要结论如下：

 1.通过大规模放大培养与发酵技术，成功制备出活菌数达 1.82 × 10¹¹ CFU·g⁻¹ 的微生物菌粉，该菌粉在经培养基活化处理后表现出良好的矿化能力，显著提升MICP反应效率。

2.大规模现场试验表明，MICP与MICP+钢渣处理后尾矿固化体的平均无侧限抗压强度分别达到 0.51 MPa 和 0.71 MPa；MICP处理后Cu、Pb、Cr、Zn及总氰化物的淋滤去除率分别为 98.54%、100%、70.94%、59.25% 和 98.02%，在MICP+钢渣处理下进一步提升至 98.77%、100%、88.03%、72.59% 和 98.63%。

3.MICP处理过程中生成的方解石型碳酸钙可有效填充尾矿颗粒之间的孔隙，而钢渣与碳酸钙在其中共同起到“桥梁”作用，将尾矿颗粒胶结在一起，显著提升了其结构完整性和力学性能。

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作者简介

About Biogeotechnics

名誉主编：

Edward Kavazanjian 美国工程院院士，亚利桑那州立大学

主编：

刘汉龙  中国工程院院士，重庆大学

CHU Jian  新加坡工程院院士，南洋理工大学

执行副主编：

肖   杨  国家杰青，重庆大学

编委会：

自中国、美国、新加坡、英国、澳大利亚、德国、日本等20多个国家和地区的100余位业内顶尖学者与年轻学科骨干组成编委会。

收录数据库：

ESCI, DOAJ, Scopus, NASA ADS, GeoRef, CAS, EBSCO，GEOBASE, 维普等

发表范围：

涵盖生物矿化菌群激发与培育、生物矿化机理与理论、生物岩土仿生原理与理论、植物岩土相互作用、生物岩土材料特性、生物固化岩土与地基工程特性与理论以及液化灾害防治、文物保护、沙漠修复、土壤/水污染治理、碳封层等领域的相关研究进展及工程实践成果，推动全球绿色生态建设，服务国家 “双碳”战略，世界范围内第一本专注于该领域的英文期刊。

文章类型：

Full Length Article, Research Paper, Review Article, Sparking Points, Technical Note, Discussion, Editorial, Case Report, Short Review, etc.

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