甲烷氧化菌混合菌群對煤樣瓦斯吸附特性影響試驗(yàn)研究

楊小彬 韓心星 王洪凱 廖 山

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.鐵法能源公司小青礦，遼寧省調(diào)兵山市，112700)

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★ 煤礦安全 ★

甲烷氧化菌混合菌群對煤樣瓦斯吸附特性影響試驗(yàn)研究

楊小彬1韓心星1王洪凱2廖 山1

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.鐵法能源公司小青礦，遼寧省調(diào)兵山市，112700)

隨煤礦采掘深度增加，瓦斯治理越來越困難，利用合理的微生物來進(jìn)行礦井瓦斯治理是一種新的嘗試和思路。本文選取自主培養(yǎng)的甲烷氧化菌混合菌群液浸泡后的煤樣、浸水煤樣及原煤開展煤樣瓦斯吸附解吸試驗(yàn)，試驗(yàn)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過甲烷氧化菌混合菌群液浸泡后的煤樣的瓦斯吸附量大于原煤的瓦斯吸附量，大于浸水煤樣的瓦斯吸附量，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到代表煤樣極限吸附量的瓦斯吸附常數(shù)a值也存在相同的規(guī)律。

瓦斯治理 甲烷氧化菌群 吸附解吸 瓦斯吸附常數(shù)

瓦斯一直是困擾我國煤礦安全高效生產(chǎn)的重要問題之一，隨著煤礦開采深度的不斷增加，瓦斯治理所面臨的困難也將越來越嚴(yán)重。利用微生物治理礦井瓦斯是治理瓦斯的一種思路和方法，國外對于微生物治理礦井瓦斯的研究比較早，并且在利用甲烷氧化菌氧化甲烷方面的應(yīng)用已經(jīng)有了不錯的進(jìn)展。國內(nèi)研究人員對于利用微生物治理礦井瓦斯的研究主要集中在近十年內(nèi)，對于甲烷氧化菌工程應(yīng)用的研究領(lǐng)域主要集中在石油化工、環(huán)保、甲烷處理、甲烷轉(zhuǎn)化甲醇等方面，對于微生物治理礦井瓦斯的研究相對較少。毛飛利用從土壤中篩選培養(yǎng)出的甲烷氧化菌進(jìn)行煤礦現(xiàn)場試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示甲烷氧化菌能夠大大降解煤層中的瓦斯含量；魏聰從采集自衛(wèi)河、牧野湖附近的土壤中成功篩選培養(yǎng)出甲烷氧化菌，并通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在高壓缺氧的煤層中該菌能夠氧化煤層中的瓦斯；任學(xué)清通過從土壤篩選培養(yǎng)出甲烷氧化菌并將其用于煤礦風(fēng)流試驗(yàn)，結(jié)果顯示培養(yǎng)出來的甲烷氧化菌能夠降低煤礦回風(fēng)系統(tǒng)中的瓦斯?jié)舛取?/p>

通過文獻(xiàn)調(diào)研得知，甲烷氧化菌的篩選、分離純化、鑒定、基因解析等過程需要大量的人力物力，對于工程應(yīng)用而言存在一定的難度?；诖?，本文通過常規(guī)方法培育甲烷氧化菌群，并利用甲烷氧化菌群液對煤樣進(jìn)行浸泡后進(jìn)行瓦斯吸附試驗(yàn)，比較甲烷氧化菌液浸泡后的煤樣與原煤樣的吸附特性，得到其吸附常數(shù)，為工程實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行探討性研究。

1 試樣制備

通過采集稻田、污水處理廠土壤、沼氣池土壤、煤礦土壤進(jìn)行甲烷氧化菌混合菌群的培養(yǎng)，得到了D1、D2、D3、C1、Z1、Y1等6份甲烷菌群，各菌群的甲烷氧化效率分別達(dá)到52.1803%、61.7430%、56.2272%、64.7945%、45.8633%、48.0660%。

煤樣采集自陽煤五礦8421綜放工作面，將采集來的煤樣處理成60～80目備用。在每個裝有35 mL新鮮培養(yǎng)基的培養(yǎng)瓶中加入10 g煤樣，再加入20 mL培養(yǎng)好的菌液，抽出瓶中50 mL空氣并注入50 mL甲烷，密封培養(yǎng)瓶，并做好標(biāo)記。為了進(jìn)行對比試驗(yàn)，另取加入55 mL無菌水、10 g煤樣的培養(yǎng)瓶做好標(biāo)記。將培養(yǎng)瓶置于30℃、120 r/min的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h，然后將所有培養(yǎng)瓶取出，自然風(fēng)干1個月后，進(jìn)行煤樣瓦斯吸附解吸試驗(yàn)研究。

2 煤樣瓦斯吸附試驗(yàn)分析

對制備的煤樣進(jìn)行瓦斯吸附解吸試驗(yàn)，本文選取了D3、C1、原煤和浸泡水后的煤樣進(jìn)行試驗(yàn)分析。

利用北京金埃譜科技有限公司生產(chǎn)的H-sorb2600型高溫高壓吸附儀進(jìn)行上述4個煤樣在不同壓力下的瓦斯吸附、解吸試驗(yàn)，35℃恒溫條件下瓦斯吸附、解吸試驗(yàn)各煤樣的吸附解吸平衡點(diǎn)數(shù)據(jù)分別如表1、表2所示。

表1 各煤樣瓦斯吸附平衡點(diǎn)數(shù)據(jù)

表2 各煤樣瓦斯解吸平衡點(diǎn)數(shù)據(jù)

根據(jù)表1與表2中的數(shù)據(jù)繪制各煤樣吸附解吸曲線，如圖1所示。

圖1 各煤樣吸附解吸曲線

由表1、表2和圖1可以得出：

(1)隨著壓力升高，各煤樣的瓦斯吸附量都在增加。

(2)4種煤樣吸附量大小依次為：D3煤樣>C1煤樣>原煤樣>浸水煤樣。D3和C1菌液處理的煤樣瓦斯吸附量相較于原煤樣增加，而浸水煤樣的吸附量相較于原煤樣減小，這表明，經(jīng)過菌液處理過的煤樣其甲烷氧化菌混合菌在其中起著重要作用，但是甲烷氧化菌對于煤樣的具體作用還需要進(jìn)一步研究。

(3)較低壓力條件下，累積吸附量變化較大，當(dāng)達(dá)到較高壓力時，累積吸附量增加量變小。

(4)每個煤樣的解吸曲線都在吸附曲線上面。這是由于煤在解吸過程中，會有一部分瓦斯吸附在煤中，并不能被完全的解吸出來，所以呈現(xiàn)出解吸曲線在吸附曲線上面的現(xiàn)象。

通過上述35℃條件下各煤樣的瓦斯吸附平衡點(diǎn)數(shù)據(jù)來計算各煤樣的a、b值。將Langmuir單分子層吸附等溫式通過變換得到式(1)：

(1)

式中：a——煤層瓦斯極限吸附量，cm3/g；

b——與吸附速率有關(guān)的參數(shù)，MPa-1；

P——?dú)怏w壓力，MPa；

Q——吸附量，cm3/g。

取1/P=X，1/Q=Y，將其變換成一階線性方程：

(2)

根據(jù)表2中各煤樣瓦斯解吸平衡點(diǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過變換，將X、Y生成散點(diǎn)圖，并且添加趨勢線，如圖2所示。通過趨勢線所導(dǎo)出的方程來確定a、b值的大小。

圖2 4種煤樣1/P與1/Q曲線

最終得出各煤樣的a、b值及擬合度R2如表3所示。

根據(jù)表3，可以得到以下結(jié)論：

(1)D3煤樣與C1煤樣的a值都比原煤樣a值大，而水處理煤樣的a值比原煤樣a值小。

(2)浸水煤樣b值與原煤樣b值相差不大，D3煤樣b值小于原煤樣b值，而C1煤樣b值大于原煤樣b值。

表3 4種煤樣a、b值和R2數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

(1)隨瓦斯壓力增大，不同處理?xiàng)l件下的煤樣的吸附量逐漸增大，但增加幅度逐漸減小。

(2)經(jīng)過甲烷氧化菌群液浸泡后的煤樣瓦斯吸附量大于原煤樣的瓦斯吸附量，水浸泡后的煤樣瓦斯吸附量最小。

(3)經(jīng)過甲烷氧化菌群液浸泡后的煤樣其瓦斯吸附常數(shù)a值最大，原煤的a值次之，水處理煤樣的a值最小，而吸附常數(shù)b值卻沒有明顯的規(guī)律。

[1] Hanson R S, Hanson T E.Methanotrophic bacteria[J]. Microbiological reviews, 1996(2)

[2] 姚有利.煤中瓦斯吸附滲透理論及實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國煤炭, 2014(8)

[3] 柯為. 治理煤礦瓦斯爆炸的微生物技術(shù)[J]. 生物工程學(xué)報, 2005(3)

[4] Park S, Hanna L, Taylor R T, et al. Batch cultivation of Methylosinus trichosporium OB3b. I: Production of soluble methane monooxygenase[J]. Biotechnology and bioengineering, 1991(4)

[5] Park S, Shah NN, Taylor R T, et al. Batch cultivation of Methylosinus trichosporium OB3b: II. Production of particulate methane monooxygenase[J]. Biotechnology and bioengineering, 1992(1)

[6] Min H, Zhao Y H, Chen M C, et al. Methanogens in paddy ricesoil[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 1997(1-3)

[7] Dalton H. Biological methane activation-lessons for thechemists[J]. Catalysis today, 1992(2-3)

[8] 毛飛. 微生物技術(shù)治理煤層瓦斯理論及應(yīng)用研究[D]. 重慶大學(xué), 2013

[9] 魏聰. 甲烷氧化菌分離鑒定及其對煤樣中甲烷降解能力的研究[D]. 河南師范大學(xué), 2013

[10] 任學(xué)清. 甲烷氧化菌降解煤礦風(fēng)流瓦斯試驗(yàn)研究[D]. 河南理工大學(xué), 2014

(責(zé)任編輯 張艷華)

Experimental study on the effect of methane-oxidizing mixed microbial consortium on the gas adsorption properties of coal samples

Yang Xiaobin1, Han Xinxing1, Wang Hongkai2, Liao Shan1

(1. College of Resources and Safety Engineering， China University of Mining and Technology, Beijing， Haidian, Beijing 100083， China；2. Xiaoqing Mine, Tiefa Energy Company， Diaobingshan, Liaoning 112700, China)

With the increase of coal mining depth, gas control is becoming more and more difficult, and it is a new idea and method to use reasonable microorganism to deal with mine gas. The gas adsorption and desorption experiments were carried out by using the coal samples soaked by self-cultured methane-oxidizing mixed microbial consortium and water and raw coal. The research results showed that the gas adsorption capacity of coal samples soaked by methane-oxidizing mixed microbial consortium was greater than that of raw coal and the gas absorption capacity of coal sample soaked by water was the smallest. The gas adsorption constanta, which represents the ultimate adsorption capacity of coal samples, also had the same laws.

gas control, methane-oxidizing mixed microbial consortium, adsorption and desorption, gas adsorption constant

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51274207,50904071)

楊小彬，韓心星，王洪凱等.甲烷氧化菌混合菌群對煤樣瓦斯吸附特性影響試驗(yàn)研究[J].中國煤炭，2017,43(7)：123-125，172. Yang Xiaobin, Han Xinxing, Wang Hongkai,et.al. Experimental study on the effect of methane-oxidizing mixed microbial consortium on the gas adsorption properties of coal samples [J]. China Coal, 2017，43(7):123-125，172.

TD712

A

楊小彬(1976-)，男，重慶合川，博士，副教授，主要從事煤礦動力災(zāi)害防治、數(shù)值仿真等方面的研究工作。