生物成氣中離子和微量元素變化特征及健康風險評價

武 俐，王海坡，李 鵬，趙同謙，曹 斌

(1.河南理工大學 資源環境學院，河南 焦作 454000; 2.中原經濟區煤層(頁巖)氣河南省協同創新中心，河南 焦作 454000; 3.中國石油大學(北京) 理學院，北京 102249)

微生物增產煤層氣(MECoM)可從煤中產出新的甲烷，通過微生物消耗煤炭來增加儲層的滲透率[1]。SCOTT[2]最早提出MECoM的概念,即將厭氧菌群及其活動和新陳代謝所需營養物注入煤層，可實現煤層氣的增產。該方法減少了煤炭開采過程中帶來的環境問題，引起學者們的廣泛關注[3]。雖然該方法尚處于基礎研究階段，未實現大規模產業化應用[4]，但在一些礦區已開展了相關研究[5-6]。

選擇不同煤階樣品進行生物成氣模擬實驗，研究成氣過程中營養液中質量濃度較高的常量離子在成氣過程中的變化特征，分析其對環境影響的水平。研究了微量元素質量濃度隨成氣時間的變化特征，采用健康風險評價模型對微量元素的潛在環境風險進行初步評價，確定了微量元素的環境風險源類別，為原位添加營養物刺激微生物產甲烷過程可能存在的潛在環境影響提供參考。

1 實驗材料與方法

1.1 煤樣和菌源

選取河南平煤朝川礦(1號煤，氣煤)，河南義馬耿村礦(2號煤，褐煤)和山西長治常村礦(3號煤，貧煤)3個礦區的煤樣進行生物成氣模擬實驗研究，以某河流底泥為初始外源菌，通過富集與馴化培養得到實驗菌液。煤樣預處理方法，工業分析與元素分析結果，菌源馴化方式和微生物群落組成結構見筆者所在課題組前期研究成果[16]。

1.2 營養液組分

營養液組分[17-18]為:NaH2PO4，1 g;K2HPO4,3 g;NH4Cl,4 g;Na2CO3,2 g;苯甲酸0.2 g;酵母提取物 4 g;FeSO4,0.1 g;超純水1 L。

1.3 實驗方法

1.3.1煤生物成氣模擬實驗

煤生物成氣模擬實驗方法[18]，在2 L反應瓶中加入1 850 mL營養液，150 mL菌液和50 g煤粉(粒徑<140目)，控制組中無煤粉，3種不同煤樣為實驗組，每組設置3個平行。模擬實驗采用自制裝置，裝置如圖1所示。橡膠塞密封反應瓶和集氣瓶并進行蠟封，確保在嚴格厭氧條件下進行模擬實驗。裝置各部分連接完成后，置于37 ℃恒溫培養箱中，采用排水集氣法收集與測定產氣量。整個實驗周期為100 d，取樣時間點分別為0，3，6，9，20，30，40，70，100 d。樣品經濾紙和微孔濾膜(0.45 μm)過濾后待測。

圖1 煤生物成氣模擬實驗裝置Fig.1 Simulation experimental device of biological gas production from coal

1.3.2離子色譜測定陰陽離子實驗

1.3.3電感耦合等離子質譜測定微量元素實驗

采用電感耦合等離子質譜(ICP-MS)測定煤生物成氣過程液相中V，Cr，Mn，Co，Ni，Cu，Zn，As，Se，Ag，Cd，Sb，Ba，Ti，Pb金屬元素質量濃度。ICP-MS工作參數:功率1.40 kW，護套氣流量0.20 L/min，輔助氣流量1.80 L/min，霧化器流量1.00 L/min，等離子體炬氣流流量18.0 L/min。采用多元素混合標準溶液(ICP-MS-6020-CAL-R-1，AccuStandard)做標準曲線，10 mL待測樣品中含200 μL 內標物(Sc，Y，In,Bi)，以超純水為空白，加標回收率在 90%～110%。

1.3.4浸泡實驗

與成氣模擬實驗條件和取樣時間相同，在2 L純水中加入50 g煤粉(粒徑<140目)進行煤浸泡實驗(測試條件與1.3.3節相同)，測定液相中微量元素隨時間的變化趨勢。樣品經0.45 μm濾膜過濾后-45 ℃保存，一周內完成測試。

1.4 健康風險評價

采用美國環境保護署(EPA)推薦的健康風險評價方法對煤生物成氣中微量元素進行化學致癌污染物和化學非致癌污染物所致健康風險[19]進行評價。

化學致癌物所致健康風險模型:

(1)

化學非致癌物所致健康風險模型:

(2)

圖2 產氣量的變化Fig.2 Changes in gas production

2 結果與討論

2.1 產氣量的變化特征

煤生物成氣過程中產氣量的變化特征如圖2所示。實驗組中3種煤樣的產氣周期分為3個階段，快速產氣期(0～10 d)，慢速產氣期(10～40 d)，產氣基本停止期(40 d后);而控制組沒有明顯的快速產氣期。產氣結束時，控制組和3種煤樣的CH4體積分數分別為57.77%，59.71%，68.59%和62.82%;CO2的體積分數分別為16.75%，16.91%，26.02%和15.88%。

由圖2(a)日產氣量可以看出，產氣量在第10天左右達到最大值，之后出現波動變化趨勢，主要與產氣階段和中間產物的變化有關。快速產氣期，中間產物甲基化合物和易揮發性脂肪酸(VFA)質量濃度高[17]，產氣潛力大，微生物能利用小分子酸快速產氣。10 d后，煤中大分子物質被微生物降解后再利用，溶液中小分子酸質量濃度降低，芳香族化合物質量濃度逐漸增加[16]，微生物可利用底物與群落結構的變化[20-21]，造成了產氣量出現一定的波動。由圖2(b)累積產氣量來看，實驗組明顯高于控制組，說明微生物可利用煤為底物進行產氣;3種煤樣累計產氣量差異較小，說明采用馴化培養后的菌源進行褐煤、貧煤和氣煤生物成氣實驗時，成氣效果相當。

2.2 成氣過程中常量離子的變化特征

圖和K+質量濃度的變化Fig.3 Variation of concentration of and K+with time

圖4 Cl-和質量濃度隨時間變化曲線Fig.4 Variation curve of mass concentration of Cl- and

2.2.3成氣過程中溶液pH值的變化情況

成氣過程中溶液pH值的變化情況如圖5所示。由圖5可知，溶液pH值呈弱堿性，基本保持在8左右。成氣過程會生成酸類有機物[17]，但連續測定成氣過程中液相的pH值變化較小，說明酸類物質只是煤降解過程一個步驟中生成的，還將被繼續降解;另外，添加的營養液組分是堿性，在一定程度上起到中和作用，維持了煤生物成氣過程中溶液pH值的穩定。

圖5 pH值的變化Fig.5 Changes of the pH

2.3 煤生物成氣過程中微量元素的風險評價

微量元素具有毒性大、難被生物降解和生物累積的特點，質量濃度過高會對環境和人體產生危害[23]。研究煤生物成氣過程中液相微量元素的類型與質量濃度變化特征，可初步判斷煤生物成氣大規模工業化應用對環境造成的潛在影響。

2.3.1微量元素質量濃度的變化特征

研究考察了煤生物成氣過程液相中15種微量元素V，Cr，Mn，Co，Ni，Cu，Zn，As，Se，Ag，Cd，Sb，Ba，Ti和Pb隨產氣時間的變化情況。其中，V，Ag和Cd 三種微量元素未檢出，控制組和實驗組中Cr，Mn，Zn和Sb 4種微量元素的質量濃度一致，未發生變化。As，Ba，Co，Ni，Pb，Se，Cu和Ti 八種微量元素的質量濃度隨時間的變化曲線如圖6所示。

由圖6可知，整個成氣過程中，As，Ba，Co，Ni和Pb等微量元素的質量濃度均隨產氣時間的增加而升高。實驗組As，Ba，Co，Ni和Cu的質量濃度均高于控制組，說明這些微量元素從原煤中釋放出來，而Pb，Se和Ti質量濃度的變化與煤樣有關。研究表明，As可存在于煤有機質中[23]，在微生物利用有機質產氣時遷移至液相。在快速產氣階段，As，Co和Ni的質量濃度迅速增加，隨后緩慢增長并逐漸穩定。Ni和Co是產甲烷菌生長的必須微量元素，而Ni可影響產甲烷菌輔酶F430的生成[24]，在產氣第10天，Ni和Co質量濃度出現降低趨勢，可能被產甲烷菌利用而造成其值降低。

扣除控制組微量元素質量濃度值后，3種煤樣成氣過程液相中微量元素的最高質量濃度見表1。在整個產氣周期內，Ba質量濃度的動態變化范圍處于較高水平23.88～144.79 μg/L，As和Cu質量濃度變化次之，分別為5.88～25.07，5.47～14.17 μg/L，其他金屬元素質量濃度較低。1號煤樣成氣過程液相中As和Ba質量濃度最高，Cu和Ni質量濃度較高，其他質量濃度較低;2號煤樣成氣過程液相中Ba質量濃度明顯高于其他元素，As和Cu質量濃度較高;3號煤樣成氣過程液相中Ba質量濃度最高，Se和Cu質量濃度較高。成氣過程溶液中微量元素質量濃度的差異性是由不同煤中微量元素質量濃度和賦存形態的差異引起的。

尚水信息成立于2003年，是一家源自清華大學，由“千人計劃”“海聚工程”特聘專家創辦的海歸企業、國家級高新技術和雙軟認證企業，也是新三板掛牌的首家水利軟件企業。公司多年來秉承清華校訓，在水利水運行業測控自動化及三維信息化的研發與應用領域精心耕耘，不斷為水利水運行業用戶提供符合度最高的先進產品和全面解決方案。

2.3.2水溶態微量元素質量濃度的變化特征

研究了煤粉在純水浸泡條件下微量元素質量濃度隨產氣周期的變化趨勢，結果表明微量元素V，Co，As，Cr，Sb，Ag，Cd，Ti和Pb未檢出，Ba，Cu，Ni和Se質量濃度的變化結果如圖7所示。浸泡前10 d，Ba，Cu，Ni和Se的質量濃度逐漸升高，之后基本穩定，除2號煤中Ba元素和3號煤中Se元素質量濃度較高外，其他元素質量濃度均較低。說明煤中水溶態金屬元素會進入液相，需要特別關注前10 d質量濃度的變化情況。

煤分子結構中絡合著大量的無機金屬元素，金屬元素通常與羥基、羰基、羧基等基團結合[25]。研究發現，羥基、羰基等基團是成氣過程中微生物代謝的關鍵位點[26]，在生物酶作用下，金屬元素與基團間的化學鍵斷裂，使煤中無機金屬元素進入溶液中。煤成氣過程中金屬元素質量濃度高于浸泡實驗質量濃度，說明在微生物作用下，煤中非水溶金屬元素會進入液相，影響產氣過程中金屬元素質量濃度。

2.3.3成氣過程中潛在健康風險

按照式(1)和(2)化學致癌物和化學非致癌物健康風險評價模型，對煤生物成氣過程中潛在健康風險進行了評價，模型相關參數[27-28]見表2。

煤生物成氣過程中微量元素引起的健康風險評價結果見表3。從模型評價結果可知，3種煤樣中Co和Se微量元素未檢出;Pb，Ni，Cu和Ba微量元素的非致癌風險值在4.37×10-12～1.48×10-9，均小于1(非致癌風險閾值)，說明在生物成氣過程中微量元素的非致癌風險處于可接受水平;非致癌風險大小依次為Cu>Ba>Ni>Pb，Cu的非致癌風險明顯高于其他金屬。研究表明，3種煤樣總非致癌風險大小依此為3號煤>2號煤>1號煤。致癌風險計算結果表明，As的致癌風險值在4.61×10-5～1.96×10-4，均超過了致癌風險閾值1×10-6，表明As是煤生物成氣過程中對健康危害最大的潛在污染物質，在煤生物成氣過程中需要優先監控。

圖6 微量元素質量濃度隨時間的變化Fig.6 Variation of concentration of trace elements

表1 成氣過程液相中微量元素的質量濃度Table 1 Concentration of trace elements in liquid phase during gas formation μg/L

圖7 浸泡過程中微量元素質量濃度的變化Fig.7 Variation of concentration of trace elements during immersion period

表2 模型參數qm和DRfj值Table 2 Values of qmand DRfj of model parameters mg/(kg·d)

表3 風險評價計算結果Table 3 Calculation results of risk assessment

3 結 論

(1)煤生物成氣過程中常量陰陽離子的質量濃度未發生明顯變化，說明營養液中陰陽離子未被微生物直接利用，其作用是通過維持溶液pH或氧化還原電位的方式為微生物的生長提供合適的環境。在成氣過程中陰陽離子質量濃度的高低與營養液中無機鹽的質量濃度有關。

(2)As，Ba，Co，Ni和Pb等微量元素的質量濃度均隨產氣時間的增加而升高，Pb，Se和Ti質量濃度的變化與煤樣有關;煤浸泡實驗中檢測出Ba，Cu，Ni和Se 四種微量元素，其質量濃度在浸泡前10d隨時間的增加而升高，說明煤中水溶態金屬元素會進入溶液中。成氣過程中金屬元素質量濃度高于浸泡實驗質量濃度，說明了在微生物作用下，煤中非水溶金屬元素會進入液相，影響成氣過程中金屬元素質量濃度的變化。

(3)健康風險評價結果表明，Pb，Ni，Cu和Ba微量元素的非致癌風險值范圍在4.37×10-12～1.48×10-9，低于非致癌風險閾值，非致癌風險處于可接受水平。致癌風險計算結果表明，As的致癌風險值分布范圍在4.61×10-5～1.96×10-4，高于致癌風險閾值1×10-6，表明As是煤生物成氣過程中對健康危害最大的微量元素，在煤生物成氣過程中應重點關注其質量濃度的變化。