H2O2 預(yù)處理聯(lián)合生物厭氧降解對(duì)煙煤孔隙的影響

成雅彤，寧舒苗，郭紅光，張攀攀

（1.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原030024；2.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030024）

生物成因煤層氣是現(xiàn)存煤層氣的重要組成部分，在世界上各大煤層氣田均有發(fā)現(xiàn)，更是部分盆地煤層氣的主要來(lái)源[1]?；谏锍梢蛎簩託獾男纬蓹C(jī)制，微生物增產(chǎn)煤層氣技術(shù)通過(guò)人工提速煤層原位生物甲烷生成，具有綠色、無(wú)污染、增加煤層氣儲(chǔ)量、能夠產(chǎn)生新的煤層氣以及增加煤層滲透性等優(yōu)勢(shì)[2]。然而，直接以煤為底物的生物甲烷產(chǎn)量較低，不能滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。因此，如何增強(qiáng)煤的厭氧生物降解效率，是微生物增產(chǎn)煤層氣亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。為此，研究學(xué)者采取了一系列增產(chǎn)生物甲烷措施，如物理預(yù)處理、化學(xué)預(yù)處理、生物預(yù)處理、外加碳源等。其中，化學(xué)預(yù)處理主要利用過(guò)氧化氫、氫氧化鈉、硝酸、高錳酸鉀[3-4]等化學(xué)試劑對(duì)煤進(jìn)行預(yù)處理，破壞煤分子間的化學(xué)鍵，有效實(shí)現(xiàn)煤的轉(zhuǎn)化和改性，部分化學(xué)試劑還可以增強(qiáng)煤的氧化程度，有利于微生物對(duì)煤的降解作用。其中，過(guò)氧化氫氧化性較強(qiáng)，且在發(fā)生氧化還原反應(yīng)后主要產(chǎn)物為不影響微生物生長(zhǎng)且對(duì)地下環(huán)境無(wú)污染的水，增產(chǎn)效果也較為顯著，而被廣泛研究[5-6]。煤是一種具有復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)[7]，其孔隙特征會(huì)直接影響煤體的吸附和滲流能力，這對(duì)煤層氣的開(kāi)采具有重要影響。然而，當(dāng)前對(duì)生物降解后煤孔隙的變化了解較少[8-9]。過(guò)氧化氫作為一種強(qiáng)氧化劑預(yù)處理煤樣，除了可以顯著增加甲烷產(chǎn)量外，也會(huì)影響煤的孔隙類型，對(duì)生物降解產(chǎn)生一定的影響。因此，課題組前期利用H2O2預(yù)處理中/高階煤顯著提高了生物甲烷產(chǎn)量，并提出了H2O2直接注入煤層或地面預(yù)處理煤后將液相產(chǎn)物注入煤層實(shí)現(xiàn)煤層氣增產(chǎn)的2 種思路[10]?；诖?，利用H2O2預(yù)處理煙煤，將所得固液混合產(chǎn)物（H2O2直接注入煤層）、液相產(chǎn)物聯(lián)合原煤（預(yù)處理后液相產(chǎn)物注入煤層）進(jìn)行厭氧降解，觀察甲烷產(chǎn)量變化情況，利用低溫液氮吸附分析H2O2在這2 種注入方式下對(duì)煤孔隙的影響，以期對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中的生物甲烷增產(chǎn)提供理論依據(jù)與實(shí)踐指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)所用煙煤樣品取自山西呂梁屯蘭礦8 號(hào)煤層，在煤礦井下獲得新鮮煤樣后用自封袋密封處理，在冰塊的包裹下立即運(yùn)往實(shí)驗(yàn)室。按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30732—2014 進(jìn)行煤樣的工業(yè)分析，其中煙煤水分含量為0.91 %，灰分含量為4.97 %，揮發(fā)分含量為23.91 %，固定碳含量為70.21 %。煤樣在實(shí)驗(yàn)前用粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，并利用200 目（＜0.075 mm）的篩網(wǎng)進(jìn)行篩分，在60 ℃條件下干燥6 h。

實(shí)驗(yàn)所用菌種為以煙煤為唯一碳源，對(duì)沁水盆地南部煤層氣井采出水進(jìn)行富集得到，在35 ℃條件下培養(yǎng)15 d，達(dá)到最大甲烷產(chǎn)量179.97 μmol。實(shí)驗(yàn)所用厭氧培養(yǎng)基包括100 mL/L 基礎(chǔ)培養(yǎng)基、5 mL/L微量元素溶液和5 mL/L 維生素溶液[11]。

選取濃度為0.05%的H2O2溶液在體積為140 mL 的厭氧瓶中對(duì)煙煤進(jìn)行預(yù)處理，煤與H2O2溶液固液之比為1∶5。預(yù)處理12 h 后厭氧瓶中氣體不再發(fā)生變化，預(yù)處理過(guò)程結(jié)束，得到固液混合產(chǎn)物（命名為HM）待用。進(jìn)一步地將部分厭氧瓶中預(yù)處理的混合產(chǎn)物，通過(guò)真空過(guò)濾裝置，經(jīng)0.7 μm 濾膜（Whatman，日本）進(jìn)行固液分離，收集濾液，并不斷加入MnO2進(jìn)行攪拌至無(wú)氣泡產(chǎn)生以除去殘余的過(guò)氧化氫，再次通過(guò)真空過(guò)濾裝置進(jìn)行固液分離，收集液相產(chǎn)物（命名為HL）待用。

使用140 mL 厭氧瓶作為厭氧降解的生物反應(yīng)器，反應(yīng)體系為30 mL。實(shí)驗(yàn)組底物分為2 種組合：15 mL 固液混合產(chǎn)物+3 mL 微生物菌群（HMC0M），15 mL 液相產(chǎn)物+3 g 原始煙煤+3 mL 微生物菌群（HLC1M）。對(duì)照組底物包括：15 mL 固液混合產(chǎn)物（HMC0）或15 mL 液相產(chǎn)物+3 g 原始煙煤（HLC1）或3 g 原始煙煤（C）。另外，將水代替過(guò)氧化氫對(duì)煤進(jìn)行相同時(shí)間的處理后，再進(jìn)行厭氧降解（WMC0M）作為陽(yáng)性對(duì)照。每組實(shí)驗(yàn)設(shè)置3 個(gè)平行對(duì)照。所有瓶子在35 ℃下培養(yǎng)，沒(méi)有搖晃。定期檢測(cè)甲烷含量。

使用1 mL 注射器向待測(cè)瓶中抽取1 mL 頂空氣體，通過(guò)GC112A 氣相色譜儀分析該采樣氣體中的甲烷含量。檢測(cè)過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)如下：進(jìn)樣器溫度150 ℃，柱箱溫度120 ℃，檢測(cè)器溫度150 ℃。色譜儀檢測(cè)器選擇的是TCD 熱導(dǎo)檢測(cè)器。載氣為99.999%的高純氮?dú)?，流?0 mL/min，壓力4 MPa。

厭氧降解實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，利用真空過(guò)濾裝置經(jīng)0.7 μm 濾膜（Whatman，日本）進(jìn)行固液分離，收集殘煤。利用Micromeritics ASAP2020 物理吸附儀對(duì)原煤、預(yù)處理后殘煤、實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組厭氧降解殘煤進(jìn)行低溫液氮等溫吸附實(shí)驗(yàn)。測(cè)試前在105 ℃下抽真空處理，直至測(cè)試環(huán)境壓力達(dá)到0.25 Pa。隨后在77 K 下測(cè)量不同相對(duì)壓力下的吸附和脫附等溫線。采用霍多特分類法提出的孔隙孔徑劃分：超微孔（＜2 nm）、微孔（2～10 nm）、過(guò)渡孔（＞10～100 nm）、中孔（＞100～1 000 nm）以及大孔（＞1 000 nm）[12]。

2 結(jié)果與討論

2.1 H2O2 預(yù)處理煙煤對(duì)生物甲烷產(chǎn)量的影響

煙煤經(jīng)H2O2預(yù)處理后，厭氧降解的實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組甲烷產(chǎn)量變化情況如圖1。實(shí)驗(yàn)組HMC0M 與HLC1M 的甲烷產(chǎn)量變化趨勢(shì)相近且較高。在厭氧降解前6 d 甲烷產(chǎn)量增長(zhǎng)速度較慢，第6 d 至第15 d為甲烷的快速增長(zhǎng)期，且均在第15 d 達(dá)到最大甲烷產(chǎn)量，分別為232.96、224.70 μmol，分別比原煤?jiǎn)为?dú)厭氧降解的最大甲烷產(chǎn)量（179.97 μmol）高29.44 %和24.85 %。未添加微生物菌群的對(duì)照組（WMCOM、HMCO、HLC1、C）幾乎沒(méi)有甲烷生成。水處理煙煤所得固液混合產(chǎn)物厭氧降解的甲烷產(chǎn)量與原煤?jiǎn)为?dú)降解的甲烷產(chǎn)量相近，在厭氧降解第15 d 達(dá)到最大甲烷產(chǎn)量184.97 μmol。這表明H2O2預(yù)處理主要促進(jìn)了煤中生物有效底物的液化，從而促進(jìn)煤的生物降解，顯著提高甲烷產(chǎn)量。同時(shí)，研究結(jié)果也進(jìn)一步證實(shí)了通過(guò)直接注入H2O2和注入H2O2處理液2 種注入方式實(shí)現(xiàn)原位煤層氣增產(chǎn)是可行的[10]。

圖1 實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組甲烷產(chǎn)量變化情況Fig.1 Methane production in the experimental groups and the control groups

2.2 H2O2 預(yù)處理煙煤對(duì)煤孔隙的影響

2.2.1 對(duì)煤孔隙類型的影響

不同條件下煤的吸附-脫附曲線圖如圖2，圖2為原煤RC、預(yù)處理后殘煤HC、預(yù)處理后厭氧降解所得殘煤HMC0M、HLC1M 和原煤?jiǎn)为?dú)降解后殘煤C 的吸附-脫附曲線圖。圖中p 為氣體平衡壓力，p0為氣體飽和蒸汽壓力。

整體來(lái)看，煤樣在相對(duì)壓力為0.2～1.0 范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的吸附回線，根據(jù)國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）[13]對(duì)吸附回線與吸附等溫線的分類結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組煤樣的等溫吸附回線均為H3 型，表明煤樣中存在部分片層結(jié)構(gòu)，孔隙發(fā)育主要以狹縫狀孔隙為主。同時(shí)，所有樣品的脫附分支在相對(duì)壓力為0.5 時(shí)出現(xiàn)較小的拐點(diǎn)，這表明在所有樣品中均存在少量的墨水瓶形孔。當(dāng)相對(duì)壓力接近1.0 時(shí)吸附量急劇增大，表明樣品中存在部分的單面開(kāi)口狹縫狀平行板孔。以上結(jié)果顯示，預(yù)處理及微生物厭氧降解對(duì)煤孔隙類型沒(méi)有顯著影響，其殘煤仍以狹縫狀孔隙為主，并存在少量的墨水瓶形孔。

圖2 不同條件下煤的吸附-脫附曲線圖Fig.2 Adsorption and desorption isotherm of raw coal,residual coal under different conditions

在吸附量方面，H2O2預(yù)處理后殘煤HC、實(shí)驗(yàn)組厭氧降解后殘煤HMC0M 和HLC1M、原煤C 單獨(dú)降解后殘煤吸附量分別為1.40、1.20、1.16、1.21 cm3/g，比原煤RC 吸附量（1.42 cm3/g）分別減少了1.41 %、15.49 %、18.31 %和14.79 %。可以看出，預(yù)處理后煤樣的吸附量幾乎無(wú)變化，但生物降解后殘煤的吸附量明顯減少，其中液體產(chǎn)物與煤聯(lián)合生物降解后殘煤的吸附量降低的最多。因此，生物降解降低了煤對(duì)甲烷的吸附量[14-15]，生物降解所生成的新甲烷更容易被抽采出來(lái)。

2.2.2 對(duì)煤孔隙孔容和比表面積的影響

低溫液氮孔容和比表面積測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。孔容采用BJH 理論計(jì)算，比表面積采用BET 理論計(jì)算。根據(jù)霍多特分類法，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的孔隙分為微孔、過(guò)渡孔和中孔3 類。與原煤相比，預(yù)處理后殘煤的總孔容和比表面積變化不明顯。具體地，預(yù)處理后微孔和中孔有所增加，分別增加了36.94%和42.17%，過(guò)渡孔減少了14.02%。小分子化合物主要以游離態(tài)、微孔嵌入態(tài)和網(wǎng)絡(luò)嵌入態(tài)3 種形態(tài)賦存于煤大分子骨架中[16]。吸附在煤表面的自由態(tài)分子相比吸附在微孔內(nèi)的小分子總是首先被溶解出來(lái)，因?yàn)槿軇┻M(jìn)入微孔需要更多的時(shí)間[17]。在H2O2預(yù)處理煙煤過(guò)程中，煤表面的小分子被分解出來(lái)，如產(chǎn)生有機(jī)碳和有機(jī)酸（甲酸、乙酸、草酸、丙二酸和琥珀酸）[18]，從而使得煤樣中孔孔容增加，但同時(shí)這可能會(huì)導(dǎo)致一部分物質(zhì)停留在煤顆粒的表面，原煤中存在的一些過(guò)渡孔甚至可能被堵塞變?yōu)槲⒖?，造成預(yù)處理后過(guò)渡孔孔容減少，而微孔孔容增加。煤的厭氧降解需要多種微生物菌群通過(guò)分泌一系列胞外酶協(xié)同厭氧降解。已有研究在煤組分代表性化合物的微生物厭氧降解中會(huì)獲得多種胞外酶，如琥珀酸芐酯合成酶、萘基-2-甲基-琥珀酸酯合成酶、苯乙烷脫氫酶、苯厭氧羧化酶[1]。因此，微孔和中孔的增加，可能會(huì)提高煤與胞外酶的接觸面積，從而促進(jìn)生物厭氧降解產(chǎn)甲烷。

表1 低溫液氮孔容和比表面積測(cè)試結(jié)果Table 1 Results of pore volume and specific surface area by low-temperature nitrogen adsorption

以原煤C、固液混合產(chǎn)物HMC0M、液體產(chǎn)物與煤HLC1M 為底物厭氧降解后殘煤的總孔容分別降低了9.07 %、10.66 %、13.09 %，比表面積分別降低了37.20 %、35.54 %、34.52 %。這與課題組先前研究相一致，在微生物厭氧降解過(guò)程中，隨著大部分可溶性有機(jī)質(zhì)的溶解，尤其是芳香族含氧衍生物在煤中會(huì)發(fā)生滯留積累，堵塞煤孔隙，導(dǎo)致厭氧降解后殘煤總孔容及比表面積降低[19]。

2.2.3 對(duì)煤孔徑分布的影響

利用BJH 理論計(jì)算得到的實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組殘煤的孔徑分布曲線，原煤和殘煤的孔徑分布曲線如圖3。不同條件處理下的殘煤和原煤的孔徑分布趨勢(shì)總體相似，煤樣的納米孔隙分布大致呈雙峰型，主要集中在4 nm（微孔）和70 nm（過(guò)渡孔）附近。一般來(lái)說(shuō)，微孔和過(guò)渡孔對(duì)煤體吸附能力起主要作用，而中孔和大孔對(duì)煤體滲流能力作用更為明顯。實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組殘煤的孔徑主要為過(guò)渡孔，這與表1 中的過(guò)渡孔孔容占總孔容比例較大的結(jié)果相一致。結(jié)合表1 可以看出，與原煤相比，實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組殘煤的過(guò)渡孔孔容均有所降低，分別降低了14.02 %（HC）、10.60 %（HMC0M）、16.25 %（HLC1M）和10.88 %（C）。

3 結(jié) 論

圖3 原煤和殘煤的孔徑分布曲線Fig.3 Pore size distribution of raw coal and residual coal under different conditions

1）利用H2O2預(yù)處理煙煤能顯著提高生物甲烷的產(chǎn)量。其中固液混合產(chǎn)物進(jìn)行厭氧降解、液體產(chǎn)物與原煤聯(lián)合厭氧降解的最大甲烷產(chǎn)量分別為232.96、224.70 μmol。

2）煤孔隙結(jié)果顯示，預(yù)處理對(duì)煤孔隙類型沒(méi)有顯著影響，但殘煤的吸附量減少，有利于原位煤層氣的抽采。經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，煤樣的微孔和中孔孔容增加，過(guò)渡孔孔容減少。微孔和中孔孔容增加，可能會(huì)提高煤與胞外酶的接觸面積，從而促進(jìn)生物厭氧降解產(chǎn)甲烷。而過(guò)渡孔孔容的降低可能是由于有機(jī)物質(zhì)的堵塞引起。經(jīng)過(guò)生物降解后，殘煤的總孔容和比表面積均顯著降低，可能是微生物代謝產(chǎn)生的可溶有機(jī)質(zhì)滯留積累在煤中，從而堵塞了煤孔隙所導(dǎo)致。研究結(jié)果為H2O2預(yù)處理聯(lián)合生物降解增產(chǎn)煤層氣奠定了理論基礎(chǔ)。