不同物質(zhì)對(duì)無(wú)煙煤生物轉(zhuǎn)化的影響研究

元雪芳，任恒星，郭 鑫，牛江露

（1.煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 晉城 048000；2.易安藍(lán)焰煤與煤層氣共采技術(shù)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

煤層氣屬于非常規(guī)天然氣，是近年來(lái)在國(guó)際上崛起的潔凈和優(yōu)質(zhì)能源。我國(guó)能源結(jié)構(gòu)正處于一個(gè)轉(zhuǎn)型關(guān)鍵期，在“十四五”規(guī)劃中提出要加快煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此，煤層氣、頁(yè)巖氣等非常規(guī)能源行業(yè)將面臨巨大的發(fā)展機(jī)遇。

我國(guó)是一個(gè)富煤、貧油、少氣的國(guó)家，煤炭作為主要能源直接燃燒會(huì)帶來(lái)很多環(huán)境問(wèn)題，煤的清潔利用成為當(dāng)下國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。煤中含有豐富的有機(jī)物，能夠被微生物利用、降解，煤的生物轉(zhuǎn)化就是微生物將煤分子中的這些可利用有機(jī)物進(jìn)行降解或分解變?yōu)榧淄闅獾倪^(guò)程[1]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤層中生物甲烷的生成過(guò)程和機(jī)理有了較為深入的認(rèn)識(shí)，也證實(shí)煤層微生物能夠降解煤產(chǎn)甲烷[2-3]。煤的生物降解是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，主要分為水解、酸化、產(chǎn)乙酸、產(chǎn)甲烷4個(gè)階段，其中水解階段是厭氧生物降解的限速步驟[4]。很多學(xué)者通過(guò)改變物理?xiàng)l件（如溫度、pH值[5]）、化學(xué)條件（如氧化還原電位、對(duì)煤進(jìn)行預(yù)處理[6]）、生物條件（添加淤泥、沼液等外部菌源[7-8]）來(lái)達(dá)到生物強(qiáng)化產(chǎn)氣的目的。武俐等[9]的研究表明，生物產(chǎn)氣過(guò)程中微量元素的變化與產(chǎn)氣過(guò)程有很強(qiáng)的相關(guān)性。微量元素是微生物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)素，也是微生物生長(zhǎng)和代謝的重要酶成分[10]。

本文以煤層氣井產(chǎn)出水為菌群來(lái)源，以山西太原西山礦區(qū)煤樣為底物，通過(guò)在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中加入不同的物質(zhì)，對(duì)比各實(shí)驗(yàn)組之間的產(chǎn)氣能力，尋找可以提高厭氧體系產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷量的方法，從而達(dá)到生物強(qiáng)化的目的。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

1.1 材料

1.1.1 煤樣

實(shí)驗(yàn)所用煤樣采自西山礦區(qū)。將煤樣表面氧化層用鐵錘剝離，并敲碎成大小為1 cm左右的塊狀，放入?yún)捬跗恐谐涞獨(dú)獗Ｗo(hù)，并將其快速轉(zhuǎn)移至厭氧箱中備用。西山煤樣的工業(yè)分析按照GB/T 30732—2014進(jìn)行，結(jié)果見表1。

表1 西山煤樣的工業(yè)分析結(jié)果 %

1.1.2 主要儀器和設(shè)備

HIRAYAMA HVE-50滅菌鍋，安捷倫7890A氣相色譜，500 mL的厭氧瓶，DWS厭氧操作箱，LRH-500F恒溫培養(yǎng)箱。

1.1.3 基礎(chǔ)培養(yǎng)基的成分

基礎(chǔ)培養(yǎng)基成分（質(zhì)量濃度）NaHCO30.2 g/L，NH4Cl 1.0 g/L，NaH2PO41.3 g/L，KCl 0.5 g/L，MgSO4·7H2O 0.2 g/L，CaCl2·2H2O 0.1g/L，酵 母 抽 提 物0.5 g/L，每升中加入1 mL的刃天青作為氧化還原的指示劑，于121℃滅菌20 min后放入?yún)捬跸渲谐鮽溆谩?/p>

1.1.4 菌源

以山西晉城寺河礦區(qū)121#煤層氣井產(chǎn)出水為菌群來(lái)源，水樣通過(guò)活菌計(jì)數(shù)法測(cè)得每毫升總菌數(shù)為1.52×106個(gè)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)分為6組，每組設(shè)置5個(gè)平行樣，組別設(shè)置見表2。其中，A組僅使用產(chǎn)甲烷基礎(chǔ)培養(yǎng)基（成分見1.1.3節(jié)），作為基礎(chǔ)組；B組中加入啤酒廠生產(chǎn)用的啤酒原液1 mL；N組中加入土壤浸出液20 mL；K組為未添加基礎(chǔ)培養(yǎng)基的空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)組；WE組中加入了麥芽汁20 mL；O組中加入了甘油20 mL。所有操作均在厭氧箱中進(jìn)行。

表2 產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)組設(shè)置

1.3 甲烷氣體組分測(cè)定

甲烷氣體含量采用安捷倫7890A氣相色譜儀進(jìn)行測(cè)定，色譜柱為Agilent Carbonplot（60 m×320 μm），載氣為高純氮?dú)猓畛渲M(jìn)樣口溫度150℃，隔墊吹掃流量3 mL/min，進(jìn)樣量500 μL，柱箱溫度25℃，保持7.5 min，檢測(cè)器為TCD。檢測(cè)溫度200℃，參比流量400 mL/min，尾吹流量8 mL/min。

1.4 產(chǎn)氣量的計(jì)算

采用排水集氣法測(cè)定體系內(nèi)總的產(chǎn)氣量。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加不同物質(zhì)對(duì)產(chǎn)甲烷的影響

各實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)甲烷的對(duì)比如圖1所示。由圖1可知，甲烷的累計(jì)產(chǎn)生量隨時(shí)間的增加而增加，甲烷濃度的變化總體可以分為快速增長(zhǎng)階段、平穩(wěn)增長(zhǎng)階段和穩(wěn)定階段。在產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)考察時(shí)間內(nèi)，只添加基礎(chǔ)培養(yǎng)基的A組產(chǎn)甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)到13%左右，未添加培養(yǎng)基的空白對(duì)照K組產(chǎn)甲烷體積分?jǐn)?shù)為12%左右，說(shuō)明想要降解無(wú)煙煤產(chǎn)甲烷比較困難；B組產(chǎn)甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)到18%左右，N組產(chǎn)甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)到15%左右，說(shuō)明B組和N組添加的有機(jī)質(zhì)可以被微生物利用從而產(chǎn)生甲烷；WE組產(chǎn)甲烷體積分?jǐn)?shù)僅為8%左右，O組產(chǎn)甲烷體積分?jǐn)?shù)為11%左右，和空白組K組以及基礎(chǔ)組A組相比，這兩組添加的物質(zhì)明顯對(duì)系統(tǒng)中的微生物有抑制作用。

圖1 各實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)甲烷體積分?jǐn)?shù)的對(duì)比

2.2 發(fā)酵體系中生物氣的組成

各實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)氣的組成見圖2。從圖2中可以看出，整個(gè)厭氧系統(tǒng)中主要的氣體成分為甲烷、二氧化碳和氫氣，且除了WE組中產(chǎn)生了體積分?jǐn)?shù)10%左右的氫氣、A組和B組中有少量氫氣產(chǎn)生外，其他實(shí)驗(yàn)組未檢測(cè)到氫氣組分，原因可能是整個(gè)厭氧體系中缺乏發(fā)酵性微生物的存在，水解階段是整個(gè)厭氧發(fā)酵過(guò)程的限速步驟[6,11]。

從圖2還可以看出，第10天為甲烷和二氧化碳濃度的關(guān)鍵變化點(diǎn)，產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)前10 d，二氧化碳作為主要產(chǎn)出氣體，其濃度高于甲烷氣體（O組除外），10 d后隨著甲烷含量的增長(zhǎng)，二氧化碳含量呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，兩者含量呈負(fù)相關(guān)性，表明整個(gè)厭氧體系中甲烷的產(chǎn)生主要是通過(guò)了CO2還原途徑[9,12-13]。

圖2 各實(shí)驗(yàn)組氣體組分的組成

2.3 添加不同物質(zhì)對(duì)產(chǎn)氣量的影響

各實(shí)驗(yàn)組總產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷量見圖3。從圖3可以看出，相對(duì)于空白組K組來(lái)說(shuō)，除O組外，其余實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷量都有提高，說(shuō)明加入寺河礦井水中的本源微生物可以降解煤產(chǎn)甲烷；相對(duì)于基礎(chǔ)組A組來(lái)說(shuō)，WE組和B組有明顯產(chǎn)氣優(yōu)勢(shì)，說(shuō)明加入麥芽汁和啤酒原液對(duì)體系中的微生物有明顯促進(jìn)作用，更利于生物氣的產(chǎn)生。

圖3 各實(shí)驗(yàn)組總產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷量

從圖3還可以看出，相對(duì)于A組來(lái)說(shuō)，WE組雖說(shuō)產(chǎn)甲烷量高出55%，但結(jié)合圖1、2來(lái)看，WE組產(chǎn)生的甲烷濃度并不高，其體系中的主要成分為CO2和H2，說(shuō)明整個(gè)體系可能因?yàn)辂溠恐募尤雽?dǎo)致前期發(fā)酵性細(xì)菌過(guò)剩繁殖，使體系內(nèi)出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，從而使甲烷菌無(wú)法利用氫氣和二氧化碳產(chǎn)甲烷。對(duì)于N組來(lái)說(shuō)，總的產(chǎn)氣量雖沒(méi)有A組高，但是產(chǎn)甲烷量卻較A組高5%，可能原因是土壤浸出液的加入稀釋了原有培養(yǎng)基和土壤浸出液中的微量元素是甲烷菌生長(zhǎng)代謝的重要酶組分。對(duì)于B組來(lái)說(shuō)，其產(chǎn)甲烷量較A組提高了78%，結(jié)合圖1、2可以看出，B組在第30天之后又有一個(gè)小的快速產(chǎn)氣期，說(shuō)明甲烷菌對(duì)厭氧體系有一定的適應(yīng)過(guò)程，可以很好地利用前期菌群的產(chǎn)物產(chǎn)甲烷。對(duì)于O組來(lái)說(shuō)，甘油的加入為厭氧發(fā)酵提供了比煤樣更好利用的碳源，但卻表現(xiàn)出了抑制作用，說(shuō)明添加甘油抑制了整個(gè)體系中菌群的活性。

3 結(jié) 論

3.1 在以寺河礦區(qū)煤層水為菌群來(lái)源、以西山礦區(qū)煤樣為底物的產(chǎn)氣體系中，隨著甲烷的產(chǎn)生，二氧化碳含量呈下降趨勢(shì)，兩者濃度呈負(fù)相關(guān)性，表明體系中的菌群主要利用二氧化碳還原途徑產(chǎn)甲烷。

3.2 B組和N組的添加物質(zhì)（啤酒原液和土壤浸出液）有效地提高了體系的產(chǎn)甲烷量，兩者產(chǎn)甲烷量較基礎(chǔ)組A組分別提高了78%和5%；WE組添加物（麥芽汁）提高了整個(gè)厭氧體系總的生物氣產(chǎn)量，但其甲烷濃度較空白組K組有所降低，可能是由于發(fā)酵性細(xì)菌的大量產(chǎn)生導(dǎo)致了厭氧體系的酸化，從而抑制了甲烷的產(chǎn)生；O組的添加物（甘油）可能對(duì)整個(gè)厭氧體系中菌群活性起到抑制作用，導(dǎo)致產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷濃度較空白組基本無(wú)差別。