生物預(yù)處理促進褐煤制甲烷的內(nèi)在原因分析*

宋 博 郭紅玉 張洺潞 趙國俊 沈 野 許小凱 劉小磊

(1.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,454000 河南焦作;2.河南理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,454000 河南焦作;3.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,454000 河南焦作)

0 引 言

煤的生物氣化是實現(xiàn)煤的清潔利用和節(jié)能減排的重要途徑,也是微生物強化開采煤層氣(MECBM)關(guān)注的焦點。煤被水解為可溶性有機中間體是煤轉(zhuǎn)化為生物甲烷的限制步驟[1]。通過物理、化學(xué)和生物等多種措施可促進煤中有機物質(zhì)水解,提高生物甲烷產(chǎn)量[2-4]。物理預(yù)處理可提高菌群對煤的親和性,促進煤的溶解和降解。光氧化、超聲波處理、溶脹為常用的物理預(yù)處理方法。化學(xué)預(yù)處理(利用硝酸、雙氧水、高錳酸鉀、氫氧化鈉等)主要通過打斷煤大分子間化學(xué)鍵及破壞氫鍵,使煤的結(jié)構(gòu)變得稀疏[5-6]。與物理和化學(xué)預(yù)處理相比,生物預(yù)處理也可促進煤的液化或氣化,且具有工藝簡單、條件溫和、能耗低、環(huán)境污染小等優(yōu)點[7-8]。

關(guān)于微生物降解煤的研究,多為真菌、細菌及放線菌對煤的降解[9-10]。真菌主要通過堿性物質(zhì)、螯合劑、表面活性劑和酶實現(xiàn)對煤的降解[11-12],如白腐真菌產(chǎn)生的酶可將煤中芳香結(jié)構(gòu)的支鏈、側(cè)鏈斷裂,產(chǎn)生羧酸和醇等小分子物質(zhì)[13]。有些細菌可以產(chǎn)生堿性物質(zhì)、表面活性劑和酶進而對煤降解[14-16],如假單胞菌屬中的部分菌株可作為纖維素降解的輔助菌,能代謝纖維素分解所得產(chǎn)物及其次級代謝產(chǎn)物[17]。關(guān)于放線菌降解煤的研究較少,有研究[18]表明綠孢鏈霉菌為云南昭通褐煤降解的優(yōu)勢菌,可將煤中的有機大分子物質(zhì)降解為小分子有機物。也有學(xué)者[19-21]利用微生物菌群對煤進行降解研究,發(fā)現(xiàn)煤的降解受到微生物相互作用及群落結(jié)構(gòu)演替等因素影響。

目前,有關(guān)煤的生物降解方面的研究已取得很大進展,而對于不同微生物預(yù)處理促進甲烷產(chǎn)量增加的內(nèi)在機理研究卻并不多見。因此,本研究利用綠孢鏈霉菌(Streptomyces viridospor us)、黃孢原毛平革菌(Phaner ochaete chr ysosporiu m)和類產(chǎn)堿假單胞菌(Pseudomonas pseudoalcaligenes)三類菌種對煤進行生物預(yù)處理,探討生物預(yù)處理對煤制甲烷的促進效果及其內(nèi)因,研究結(jié)果可為建立煤的生物氣化預(yù)處理技術(shù)提供借鑒。

1 實驗部分

1.1 煤樣采集和菌種培養(yǎng)

煤樣為采自內(nèi)蒙古白音華礦的新鮮褐煤,其工業(yè)分析和元素分析結(jié)果見表1。預(yù)處理生物菌種的來源及培養(yǎng)方案見表2。其中,0038 ISP-2培養(yǎng)基的配制方法為:酵母提取物4 g、麥芽提取物10 g、葡萄糖4 g、瓊脂15 g、蒸餾水1 L,調(diào)節(jié)p H值為7.3;綜合馬鈴薯培養(yǎng)基的配制方法為:20%馬鈴薯汁1 L、葡萄糖20 g、KH2PO43 g、MgSO4·7 H2O 1.5 g、硫胺素微量、瓊脂15 g,調(diào)節(jié)p H值為6;CM0841培養(yǎng)基的配制方法為:蛋白胨5.0 g、牛肉膏10 g、酵母膏5.0 g、葡萄糖5.0 g、NaCl 5.0 g、瓊脂15.0 g、蒸餾水1 L,調(diào)節(jié)p H值為7.2。

表1 煤樣的工業(yè)分析和元素分析Table 1 Proxi mate and ultimate analyses of coal sample

表2 三種菌的來源與培養(yǎng)基Table 2 Source and mediu m of three kinds of bacteria

1.2 實驗方案

1)預(yù)處理及生物產(chǎn)氣實驗:選取粒度為0.2 mm~0.3 mm的褐煤煤樣,用75%乙醇進行滅菌處理,將經(jīng)過高溫滅菌鍋滅菌后的250 mL反應(yīng)瓶移入超凈工作臺后,加入10 g褐煤煤樣和20 mL微生物預(yù)處理菌液進行為期14 d的預(yù)處理實驗,其中采取平板菌落計數(shù)法確定微生物預(yù)處理菌液的菌落數(shù)量及微生物生長曲線,選用菌落數(shù)量相差較小及均處于生長期的菌液。將S.viridospor us(St),P.chr ysosporiu m(Ph)和P.pseudoalcaligenes(Ps)預(yù)處理后煤樣分別記為St-YM,Ph-YM和Ps-Y M,并設(shè)置原煤Y M作為對照組。預(yù)處理實驗結(jié)束后,將反應(yīng)瓶移至厭氧工作站,加入200 mL產(chǎn)甲烷菌富集液并調(diào)節(jié)p H值至7左右進行生物產(chǎn)氣實驗。本研究采用焦作古漢山礦井水作為本源菌,之后置于35℃的恒溫培養(yǎng)箱中進行為期一周的富集培養(yǎng)。

產(chǎn)甲烷菌的富集培養(yǎng):每1 L新鮮礦井水中加入K2HPO40.4 g、Mg Cl22.0 g、KH2PO40.4 g、酵母浸入液1.0 g、NH4Cl 1.0 g、刃天青0.001 g、半胱氨酸鹽0.5 g、Na2S 0.2 g、Na HCO30.2 g、乙酸鈉2.0 g、KCl 0.2 g、NaCl 2.0 g、微量元素液10.0 mL,調(diào)節(jié)p H值為7.0。

微量元素液(1 L):氨基三乙酸1.5 g,MnSO4·2 H2O 0.5 g,MgSO4·7 H2O 3.0 g,FeSO4·7 H2O 0.1 g,Na Cl 1 g,Co Cl2·6 H2O 0.1 g,Ca Cl2·2 H2O 0.1 g,Cu SO4·5 H2O 0.01 g,Zn SO4·7 H2O 0.1 g,H3BO30.01 g,Al K(SO4)20.01 g,Ni Cl2·6 H2O 0.02 g,Na2Mo O40.01 g。

2)化學(xué)需氧量(COD)測試采用6B-200型COD速測儀,設(shè)定溫度范圍為室溫~200℃,控溫精度為(165±1)℃,計時范圍為1 min~199 min,時間誤差為10 min±0.1 s,使用時環(huán)境溫度為-5℃~65℃。COD值可直接反映溶液中有機質(zhì)的含量,測試樣本選用預(yù)處理實驗結(jié)束前后經(jīng)600 r/min固液分離的試樣。

3)三維熒光測試采用日立F-7000熒光分光光度計,以150 W氙燈為光源,光電倍增管電壓為700 V,激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度均為10 n m,掃描速度為1 200 n m/min,激發(fā)光波長范圍及步長分別為200 n m~400 n m和2 n m,發(fā)射光波長范圍及步長分別為240 n m~600 n m和5 n m,以超純水校正拉曼散射。三維熒光光譜可表征可溶性有機質(zhì)(DOM)來源及結(jié)構(gòu)等理化特征,測試樣本選用預(yù)處理實驗結(jié)束后溶液離心后的上清液,采用0.45μm微孔濾膜抽濾,并避光保存于4℃冰箱,備用。

4)XPS測試采用Ther mo Scientific Escalab 250Xi型X射線光電子能譜儀,使用Al Kα陽極激發(fā),寬譜掃描步長為1.0 e V,透過能為100 e V,窄譜掃描步長為0.05 e V,透過能為30 e V。以C1s(284.8 e V)為定標標準進行內(nèi)標校正。XPS測試可對表面元素定性定量并提供其價態(tài)信息,測試樣本選用生物產(chǎn)氣實驗結(jié)束后去雜質(zhì)煤樣,煤樣置于80℃真空干燥24 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同菌種預(yù)處理煤樣的生物產(chǎn)氣分析

原煤和三種菌種預(yù)處理煤樣的生物產(chǎn)氣數(shù)據(jù)見表3。由表3可知,在總產(chǎn)氣量和CH4體積分數(shù)方面,與原煤Y M相比,St-Y M,Ph-Y M與Ps-Y M的產(chǎn)氣效果都有不同程度增加(顯著性差異P<0.05)。其中Ph-YM的產(chǎn)氣量最大,達到288.00 mL,與Y M的產(chǎn)氣量151.50 mL相比,增幅達到90.10%;Ps-YM的CH4體積分數(shù)最大,為51.77%,與YM的CH4體積分數(shù)34.54%相比顯著增加,增幅達到49.88%;在煤的單位CH4產(chǎn)量方面,與YM相比,St-Y M,Ph-Y M和Ps-YM的單位CH4產(chǎn)量都有不同程度增加,增幅各達到了36.90%,165.39%和69.22%。

表3 原煤和三種菌種預(yù)處理煤樣的生物產(chǎn)氣數(shù)據(jù)Table 3 Biogenic gas production data of raw coal and coal samples pretreated by three kinds of bacteria

2.2 預(yù)處理對有機質(zhì)的影響

三種微生物預(yù)處理煤液相的COD變化見表4。由表4可以看出,St,Ph和Ps預(yù)處理前,溶液COD值分別為253.45 mg/L,350.80 mg/L和305.25 mg/L。預(yù)處理后各發(fā)酵液的可溶性有機質(zhì)含量比降解前顯著增加(P<0.05),St-YM,Ph-YM和Ps-YM液相的COD值增幅分別為429.47%,596.94%和446.58%,COD增量來自微生物對煤的生物降解,其中黃孢原毛平革菌預(yù)處理煤后產(chǎn)生的有機物含量最多,而綠孢鏈霉菌相應(yīng)較差。結(jié)合產(chǎn)氣結(jié)果可知,不同微生物預(yù)處理對褐煤產(chǎn)甲烷均有促進作用,預(yù)處理后COD增幅明顯,這些可溶性有機質(zhì)的增加為后期微生物繁殖與利用奠定了基礎(chǔ),有利于后期生物產(chǎn)氣。

表4 預(yù)處理前后褐煤液相的COD變化Table 4 Changes of COD of liquid phase of lignite bef ore and after pretreat ment

2.3 可溶性有機質(zhì)的變化特征

2.3.1 三維熒光光譜特征

根據(jù)熒光分光光度計測試得到樣品的三維熒光光譜(3D-EEM)數(shù)據(jù),熒光峰特征如圖1所示。

根據(jù)圖1,參照文獻[22]可知,在St-YM液相中檢測出色氨酸類蛋白質(zhì)、富里酸類腐殖質(zhì)、含苯環(huán)蛋白質(zhì)、可溶性微生物代謝物和腐植酸類腐殖質(zhì)的熒光強度。Ph-Y M液相所含物質(zhì)的熒光組分與St-Y M液相所含物質(zhì)的熒光組分相似,同樣含有色氨酸類蛋白質(zhì)和富里酸類腐殖質(zhì),也檢測出1~2個環(huán)的芳族化合物和3~5個環(huán)的芳族化合物的熒光強度。在Ps-Y M液相中僅檢測出腐植酸類腐殖質(zhì)和3~5個環(huán)的芳族化合物的熒光強度。在三種菌種預(yù)處理煤的液相中均檢測到類腐植酸物質(zhì),該物質(zhì)可作為產(chǎn)甲烷菌利用的碳源,進而促進煤的生物甲烷化[23-24]。結(jié)果表明在褐煤預(yù)處理過程中不同微生物對有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用存在差異性,在Ph-Y M和St-Y M液相中均檢測到大量的可溶性有機質(zhì),而在Ps-Y M液相中可溶性有機質(zhì)較少,Ph和St預(yù)處理效果優(yōu)于Ps預(yù)處理效果。

圖1 DOM三維熒光光譜特征Fig.1 3Dfluorescence spectral characteristics of DOM a—St-YM;b—Ph-YM;c—Ps-YM

2.3.2 熒光指數(shù)

熒光指數(shù)f450/f500是指激發(fā)波長λEX為370 n m時,熒光發(fā)射波長λEM在450 n m與500 n m處的熒光強度比值,該值越小表明含有的苯環(huán)結(jié)構(gòu)越多或芳香性越強。熒光指數(shù)可作為物質(zhì)來源指標,陸源(外源)和生物源(內(nèi)源)DOM的兩個端源值分別為1.4和1.9[25-26]。不同菌種預(yù)處理的DOM樣品的熒光指數(shù)見表5。由表5可知,St-Y M和Ph-Y M的熒光指數(shù)都接近1.9,表明兩者的DOM主要源于微生物活動,而Ps-YM的熒光指數(shù)值相對較小,表明溶液中含有的苯環(huán)結(jié)構(gòu)較多,芳香性較強,且多來源于外源即煤本身,Ps生物活動的貢獻較低(P<0.05)。

表5 不同菌種預(yù)處理的DOM樣品的熒光指數(shù)Table 5 Fluorescence indexes of DOM samples pretreated by different kinds of bacteria

2.4 預(yù)處理對煤表面元素和化學(xué)賦存狀態(tài)的影響

煤樣的XPS譜如圖2所示,樣品表面元素的原子摩爾濃度比見表6。

圖2 不同煤樣的X射線光電子能譜(XPS)Fig.2 X-ray photoelectron spectroscopy(XPS)of different coal samples a—Y M;b—St-Y M;c—Ph-Y M;d—Ps-Y M

由表6可以看出,各煤樣中C和O元素的相對含量都相對較高,N和S元素的相對含量相對較低(P<0.05)。St-Y M,Ph-Y M和Ps-Y M表面C元素的相對含量相較于對照組Y M表面C元素的相對含量均出現(xiàn)不同程度降低,分別降低了14.36%,5.54%和17.91%,同時O元素的相對含量和O氧元素與C元素的原子摩爾濃度比(cO∶cC)均有不同程度增加,表明預(yù)處理煤中含碳的大分子有機物在預(yù)處理過程中被分解轉(zhuǎn)化為含氧的小分子有機化合物,cO∶cC增加促進了生物產(chǎn)氣。同時,結(jié)合COD數(shù)據(jù),這些小分子有機物為后期厭氧微生物菌群生長與產(chǎn)氣提供底物基礎(chǔ)。

表6 樣品表面元素的原子摩爾濃度比Table 6 Atomic molar concentration ratio of elements on speci men surface

利用Avantage分析軟件分析XPS譜,選擇高分辨掃描圖進行平滑處理,去掉基線之后輸入峰的橫坐標進行調(diào)整,之后在Smart模式下進行擬合[27]。對各峰位結(jié)合能的歸屬進行適當(dāng)選擇,不同煤樣C1s窄掃譜圖分峰擬合過程見圖3和表7。

由圖3可以看出,有機碳在煤表面的存在結(jié)構(gòu)有四種形態(tài),284.8 e V處的峰歸屬于芳香單元及其取代烷烴(C—C,C—H),286.3 e V處的峰歸屬于酚碳或醚碳(C—O),287.5 e V處的峰歸屬于羰基碳(CO),289.0 e V處的峰歸屬于羧基碳(O—CO)。由表7可知,產(chǎn)氣結(jié)束后St-Y M,Ph-YM與Ps-Y M表面芳香單元及其取代烷烴(C—C,C—H)的相對含量較對照組Y M相應(yīng)含量均有不同程度的降低,分別降低了8.56%,11.68%和6.74%,同時含氧有機碳(C—O,CO,O-CO)的總體相對含量上升,增幅分別為77.25%,105.31%和60.92%。由此說明,生物產(chǎn)氣結(jié)束后預(yù)處理煤表面的芳香單元及其取代烷烴被本源微生物菌群降解,使液相中含有大量的揮發(fā)性脂肪酸、酚類和醇類等小分子有機質(zhì),這些小分子物質(zhì)部分能被產(chǎn)甲烷菌利用轉(zhuǎn)化為生物甲烷[28]。

表7 樣品的賦存形態(tài)歸屬Table 7 Occurrence for m ownership of samples

圖3 不同煤樣C1s窄掃譜圖分峰擬合Fig.3 Peak fitting of C1s narrow scan spectra of different coal samples a—Y M;b—St-Y M;c—Ph-Y M;d—Ps-Y M

3 結(jié) 論

1)S.viridospor us,P.chr ysosporiu m和P.pseudoalcaligenes預(yù)處理煤的甲烷產(chǎn)量較原煤的甲烷產(chǎn)量有不同程度增加,分別增加了36.90%,165.39%和69.22%,三種微生物預(yù)處理對煤制甲烷有良好的促進效果,P.chr ysosporiu m預(yù)處理效果明顯優(yōu)于P.pseudoalcaligenes和S.viridospor us的預(yù)處理效果。

2)微生物預(yù)處理煤液相的COD值明顯升高,預(yù)處理煤中的有機物被部分降解,微生物在以煤為碳源的環(huán)境中生長狀況良好。微生物預(yù)處理煤溶液中的大分子有機物以色氨酸類蛋白質(zhì)、腐植酸和富里酸類腐殖質(zhì)為主。

3)產(chǎn)氣結(jié)束后預(yù)處理煤表面含氧有機碳(C—O,CO,O—CO)的相對含量高于對照組含氧有機碳的相對含量,揮發(fā)性脂肪酸、酚類和醇類等小分子有機質(zhì)增多,其C元素和芳香單元及其取代烷烴(C—C,C—H)的相對含量減少,且小分子有機質(zhì)更容易被產(chǎn)甲烷菌利用轉(zhuǎn)化為甲烷。