不同瓦斯菌群對改性煤樣工業分析試驗的影響研究

王倩之 李 悅 張雨晨 王逍遙 楊小彬

(中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083)

甲烷是碳的最高還原態形式，甲烷氧化菌是把甲烷作為唯一碳源的原核生物，在許多普通自然條件環境中分布范圍就已非常廣泛，如眾多無氧類或有氧類環境中都有不同類型甲烷氧化菌的存在，在土壤和水體中的甲烷氧化菌種群密度較高。它們的特殊代謝過程在國外已有多人做過研究，其對瓦斯降解的作用在國內也引起越來越多人的關注。國內外科研人員對甲烷氧化菌進行的研究較多，對于微生物治理礦井瓦斯技術的研究也取得了一定成果。相關研究人員通過向生物環反應器中充入設定好濃度的甲烷，發現反應后甲烷的濃度降低，氧化效應明顯；加拿大學者查克拉沃蒂通過模擬甲烷氧化菌治理礦井瓦斯實驗發現瓦斯濃度能夠降低10～100倍，在甲烷氧化菌氧化甲烷過程中，甲烷最終被氧化為二氧化碳和水，同時獲得能量供其生命活動，而其代謝過程中對含瓦斯煤樣的作用會對煤的理化性質帶來各種影響。

甲烷氧化菌混合菌液對煤樣作用可對煤樣進行改性，然而不同地點取樣培養的甲烷氧化菌混合菌群的活性以及混合菌種等各類指標各不相同，對煤樣的改性效果也有差別，本文采集了4個不同地點的土壤樣本，利用一種低成本的甲烷氧化菌混合菌群培養方法，篩選出適宜中低瓦斯濃度環境生長的瓦斯菌群，并利用菌液浸泡同一煤樣做了工業分析，分析菌群改性煤樣的特性變化，探討利用不同地點土壤培養的菌液對同一煤樣改性的不同效果。國內專家研究了解煤層注入微生物溶液的可行性，實施了煤層注液研究，結果表明采用微生物技術注液可行，但不宜選擇太大的注液壓力，而宜采用中低壓長時間注液，以保證溶液較大程度的滲入煤體，這也為本試驗提供了可行性支撐。

1 試驗試樣制備

由于采取菌株培養成本較高，試驗從5～10 cm深度透氣性好的土壤取樣培養，此深度土壤本身環境穩定，不像表層土壤容易發生改變。5～10 cm深度土壤中甲烷氧化菌的分布比較集中且菌落的數量較多，更容易從這個深度的土壤中篩選出甲烷氧化菌。根據甲烷氧化菌氧化甲烷的特性，試驗所選擇土壤主要集中在稻田土壤、煤礦土壤、泔水區土壤以及北京奧林匹克森林公園濕土等甲烷產生的地方，制成DT、M、G和GY這4組甲烷氧化菌混合菌液，利用pH值為7的無菌MS培養基溶液50 mL，搭配50 mL的甲烷氣體(99.99%)于250 mL容量的密閉容器內，在溫度條件為30℃、轉速為120 r/min的恒溫培養箱內恒溫搖床培養至20期，4組樣本的瓦斯降解率穩定分布在46.0905%～53.7130%內。此方法培養菌群成本低廉且采樣方便，簡化了對細菌培養的高技術要求。

本試驗選取陽煤五礦8421工作面的煤樣，處理為60～80目備用。每份樣本取煤樣6 g，搭配50 mL甲烷氣體密封于250 mL容量的密閉容器內使其達到吸附平衡后，混合菌液15 mL和無菌液體MS培養基溶液5 mL，然后使各樣本在30℃、120 r/min的恒溫培養箱內恒溫振蕩浸泡48 h后取出，自然風干后用GF-A6型自動工業分析儀進行試驗。

2 試驗結果

通過工業試驗，不同樣本對煤樣的工業分析試驗數據見表1。其中對照組煤樣6 g，搭配50 mL甲烷氣體密封于250 mL容量的密閉容器內，無菌液體MS培養基溶液20 mL，不添加混合菌液。

表1 不同樣本對煤樣的工業分析試驗數據 %

由表1可以看出，經過菌液處理及自然風干后的3組煤樣水分含量相比原煤改變了-0.07%～0.23%，比對照組降低了0.02%；對照組揮發分增長0.08%，GY、DT、G和M組揮發分分別增長0.31%、0.89%、1.11%和0.22%，菌液處理煤樣的揮發分增加的幅度在0.22%～1.11%之間，揮發分平均增加了0.6325%；對照組灰分上升0.26%，GY、DT、G和M組灰分分別降低0.64%、0.84%、0.72%和0.23%，減少幅度在 0.23%～0.84%之間；對照組固定碳含量下降0.32%，GY、DT、G和M組固定碳含量分別上升0.35%、下降0.48%、下降0.60%和上升0.04%。

3 結果分析

在水分方面，除自然風干條件存在的不可控影響外，整體水分含量的變化不大，這說明浸泡處理對于煤樣水分含量的影響較小，可忽略不計。

基于表1結果，圖1、圖2和圖3分別為各樣本在揮發分、灰分和固定碳方面含量的分布直方圖，以便于直觀比較。

空干基及干基揮發分試驗結果對比圖如圖1所示。

圖1 各組空干基及干基揮發分含量分布直方圖

由圖1可以看出，與原煤相比，揮發分相比原煤均有所增加，而對照組增長較少，可忽略。這說明甲烷氧化菌混合菌群處理煤樣后，能使煤樣的揮發分少量增加，而其中泔水區土壤培養的菌液增幅最大，其轉化機理有待進一步研究。泔水區樣本來自泔水垃圾區，溫度較高的泔水土壤中經自然條件作用可將餐廚等垃圾變成可燃氣體和生物炭，其中沼氣占比較大，甲烷氧化菌在泔水土壤表層中易滋生且具有繁衍條件，而這也為泔水垃圾的利用提供了新的方向。結果同時也表明，瓦斯菌群能增加含瓦斯煤樣的揮發分，也就是能從一定程度上增加煤的發熱值。

空干基及干基灰分試驗結果對比圖如圖2所示。

圖2 各組空干基及干基灰分含量分布直方圖

由圖2可以看出，與原煤相比，菌群處理的煤樣相比原煤樣灰分均存在不同程度的減少，證明菌液處理的煤樣能夠少量減少煤樣的灰分含量，其中水稻區土壤培養的樣本降低幅度最大。稻田是大氣甲烷的重要排放源，約占全球總排放的 9%～19%，水稻田土壤中存在豐富的甲烷氧化菌。

固定碳含量試驗結果對比圖如圖3所示。

圖3 各組固定碳含量分布直方圖

由圖3可以看出，與原煤相比，各組固定碳變化不同，有升有降，其中北京奧林匹克森林公園濕土培養的菌液增幅最大。說明不同位置點所培養的瓦斯菌群對陽泉含瓦斯煤的作用效果不一，不同含瓦斯煤樣的菌液群選擇性不同。甲烷氧化菌群以甲烷為碳源代謝產生的易熱分解、易氧化的有機質分解或氧化的產物大部分是水和二氧化碳，有機質產生后附著煤粒上，也是煤樣揮發分含量都增加而固定碳含量增加減少并存的原因。

以上所有試驗結果表明了一個有利的趨勢，即在不同采樣環境下培養出菌群對煤樣作用效果方向一致，其差異性體現在各細化指標的定量變化，而其中的轉化機理較為復雜，除與現階段已知的化學機理密切相關，與細菌在不同環境下遷移的活性變化與原有活性基礎均有關，具體問題有待進一步研究。

4 結論

本文通過對不同取樣土壤培養的瓦斯菌群的工業試驗結果分析，可以得到以下結論：

(1)北京奧林匹克森林公園濕土培養的菌液作用使煤樣揮發分增加0.31%，灰分降低0.64%，固定碳含量增加0.35%。

(2)水稻田區土壤培養的菌液作用使煤樣揮發分增加0.89%，灰分降低0.84%，固定碳含量下降0.48%。

(3)泔水區土壤培養的菌液作用使煤樣揮發分增加1.11%，灰分降低0.72%，固定碳下降0.60%。

(4)煤礦區土壤培養的菌液作用使煤樣揮發分增加0.22%，灰分降低0.23%，固定碳增加0.04%。

綜合來看，水稻田區土壤

和泔水區土壤培養的菌液作用煤樣揮發分增幅和灰分降幅最大，而固定碳含量下降較多。北京奧林匹克森林公園濕土和煤礦區土壤培養的菌液作用煤樣揮發分增幅和灰分降幅不大，固定碳含量有升高，其中奧森公園濕土培養的菌液作用灰分降幅和固定碳增幅大于煤礦區土壤培養的菌液作用煤樣。

煤樣的揮發分增加和灰分減少都標志著煤樣的熱值增加，就煤樣工業分析的情況來看，由于揮發分和固定碳可近似代表煤中的有機物，甲烷氧化菌混合菌群作用于煤樣可以提升其有機物的含量。各組數據變化反應了該思路治理礦井瓦斯過程中瓦斯的減少同時在煤中固定附加物的可行性以及可選擇采樣區的廣泛性和低成本性，可根據需求、條件和經濟成本選擇不同的采樣地點。另本文所做實驗樣本劑量選擇較小，改變劑量之后的效果有待進一步證實。

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