淮南次生生物煤層氣形成途徑研究

丁芳芳 李巨峰 李斌蓮 石明杰 冉照寬

(1.中國石油集團安全環保技術研究院有限公司；2.中國石油天然氣集團有限公司環境監測總站)

0 引 言

煤炭占世界化石燃料資源(可開采和不可開采)的88.2%，在目前的生產水平下，這些儲量(可開采)將超過石油和天然氣的總和[1]。煤炭也是最重要的發電能源，占世界需求的40%。據報告，2015年煤炭資源總量(包括可采和不可采)為23 163億t，按現有技術僅可采10 290億t，僅占煤炭資源總量的4.4%[2]。然而，盡管絕大多數的煤在目前的形式下是不可回收的，但其中的一些能源可以通過提高次生生物煤層氣的產量來開發，這是一種燃燒更清潔、污染更少的化石燃料[3-4]。國外學者[5]早在20世紀90年代末就提出生物強化煤層氣的概念：即向煤層中注入營養物質和產甲烷微生物群，通過降解煤中可生物降解的有機質產生甲烷，這不僅能夠提高煤層產甲烷的潛力，而且能消耗煤層基質和烷烴類物質從而增強了煤層孔隙率，使煤層具有更好的含氣性。國外已經有本源菌生物產氣的中試實驗模擬研究，并取得了重要的成果[6-7]。近幾年國內關于次生生物氣形成機理的研究正在起步，研究主要集在氣體同位素示蹤、煤有機地球化學分析、產氣影響因素等[8-9]。煤層次生生物形成甲烷的途徑主要有兩種：乙酸途徑和二氧化碳還原途徑[10]。關于次生生物氣形成途徑的研究，國內尚不多見。結合前人對煤層次生生物氣的研究和厭氧發酵細菌的研究，本研究將通過添加專一性抑制劑，利用反應過程和產物的變化來判斷中國淮南煤層的次生生物氣的主要形成途徑。

1 煤樣特征

本實驗用煤樣采自淮南新莊孜煤礦，采深786 m，A1煤層63301切眼。煤樣的元素分析和灰分分析結果見表1。表1的檢測結果顯示淮南地區的煤樣中水分含量1.20%，揮發分含量29.23%，空氣干燥基碳含量82.72%。實驗用水樣采自礦井的新鮮地下水，收集后密封保存，待實驗用。它主要是用來配制實驗所需的培養體系。

表1 淮南新莊孜煤樣的元素測定值 %

2 培養液制備

主要藥品為產乙酸菌抑制劑：鹽酸萬古霉素CAS號：1404-93-9以及緩沖試劑(N-TES)、輔酶M、刃天青、微量元素、維生素、礦物質。實驗用的反應器體積是250 mL，加入的營養液是200 mL，對應的煤樣10 g左右(煤樣盡量取整塊，因此重量控制在10 g左右)。培養液各礦物質濃度：K2HPO40.1 g/L，NaCl 0.8 g/L，NH4Cl 1.0 g/L，KCl 0.1 g/L，CaCl2·2H2O 0.04 g/L，MgSO4·7 H2O 0.2 g/L；微量元素濃度：次氮基三乙酸10 mg/L，MnSO4·H2O 5 mg/L，(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O 4 mg/L，CoCl2·6H2O 1 mg/L，ZnSO4·7H2O 1 mg/L，CuCl2·2H2O 0.1 mg/L，NiCl2·6H2O 0.1mg/L，Na2WO40.1 mg/L；維生素濃度：VB120.05 mg/L，VB10.05 mg/L，VB20.05 mg/L，VB60.1 mg/L，葉酸0.02 mg/L，對氨基苯甲酸0.05 mg/L，輔酶-M 0.05 mg/L，煙酸0.05 mg/L，泛酸鈣0.05 mg/L，硫辛酸0.05 mg/L，生物素0.02 mg/L；其他：酵母粉50 mg/L；pH緩沖液2.0 g/L。配制好的最終溶液中滴入2滴刃天青作為氧化還原電位的指示劑，氧化還原電位大于-150 mV時顯示粉紅色；氧化還原電位小于-150 mV時無色。產氫產乙酸菌抑制劑：鹽酸萬古霉素10 mmol/L。

3 實驗設置

整個反應器的制備均在厭氧操作箱內完成(見圖1)。實驗采用的反應裝置是一個250 mL玻璃瓶(見圖2)，用異丁基膠塞密封。提前準備好營養液(經過氮氣吹掃30 min)及其他溶液并密封保存；實驗所需的煤樣定量并密封；并將反應器所需的封蓋器密封，最后，一并放入厭氧操作箱，待裝瓶密封。實驗設置3組，對照組：新鮮礦井水中加入新鮮煤樣；產氫產乙酸菌抑制劑組：新鮮礦井水中加入新鮮煤樣和產氫產乙酸菌抑制劑(鹽酸萬古霉素10 mmol/L)；NaOH吸收液組：新鮮礦井水、新鮮煤樣、內置NaOH溶液小管。不同組對應不同反應體系見表2。

圖1 厭氧操作箱

圖2 實驗反應裝置

表2 實驗組反應體系設置情況

4 結果與討論

4.1 淮南煤層產氣可行性及產氣特征

資料顯示淮南煤層具有可生物產氣性，次生生物氣占比在43%～79%[11-12]。實驗對煤層產氣可行性進行研究，通過對照組實驗發現，對照組可以產氣，對照組反應容器累計產氣情況見圖3，實驗的結果表明煤層可以進行生物產氣，每周檢測一次氣體樣品。從圖3中可以看出：氣體的累計濃度隨時間增加，前四周氣體濃度增加較快，從第六周開始增加變得緩慢；厭氧發酵過程復雜，當反應進行一定時間后，由于底物的消耗、pH值變化、氧化還原電位升高等因素，甲烷氣體濃度最終趨于穩定。

為探究煤層生物氣產生的途徑，設置了3組實驗。對照組；鹽酸萬古霉素組(抑制產氫產乙酸菌)通過抑制產乙酸菌來阻止乙酸的產生；NaOH吸收液組主要作用是吸收反應器中產生的二氧化碳。實驗通過阻斷乙酸和二氧化碳，判斷其主要途徑是哪一種。從圖3可以看出對照組實驗周期內累計產甲烷最高，單位質量煤累計產氣量可達到0.36 μL/g煤，其次是NaOH吸收液組，單位質量煤累計產氣量0.28 μL/g煤，鹽酸萬古霉素組累計甲烷濃度0.26 μL/g煤。從圖3可知，NaOH吸收液組與鹽酸萬古霉素組中的累計甲烷產量明顯低于對照組，這是由于乙酸的形成受到抑制，二氧化碳被吸收，產甲烷菌由于底物不足，甲烷的產生被限制。第四周開始NaOH吸收液組與鹽酸萬古霉素組的甲烷產量差值越來越大，NaOH吸收液組產量較鹽酸萬古霉素組高。因此，可以初步推斷反應器中甲烷的形成同時存在兩種途徑，乙酸途徑和CO2/H2途徑，主要形成途徑則是乙酸途徑。

圖3 煤層產氣過程中甲烷累計產氣量

4.2 淮南煤層產氣過程中pH值的變化

厭氧發酵是一個復雜的過程，參與厭氧發酵過程的細菌有很多種，不同的反應階段，其主要作用的細菌不同。厭氧階段一般遵循“三階段四類群”理論：水解、發酵階段：大分子有機物通過水解細菌、發酵類細菌降解成較小的分子脂肪酸和乙醇，pH值開始下降；產氫產乙酸階段：產氫產乙酸菌將丙酸、丁酸等脂肪酸、乙醇轉化為乙酸、H2、CO2，該階段由于小分子的脂肪酸類被消耗，pH值略有上升；產甲烷階段：產甲烷菌利用乙酸或甲酸形成甲烷，體系脂肪酸類物質被消耗，同時由于后期產甲烷菌可利用的底物不足，產甲烷菌開始衰減，最終pH值趨向平衡?；茨厦簩赢a氣過程中pH值的變化見圖4。

圖4 淮南煤層產氣過程中pH值的變化

從圖4可以看出，對照組和實驗組的pH值在7.2～7.9，是厭氧細菌和產甲烷菌適宜的pH值范圍。其中對照組和鹽酸萬古霉素組的pH值變化幅度較小，在7.2～7.4，NaOH吸收液組的pH值變化幅度較大，前四周變化不穩定，第四周開始氧化還原電位降低到-150 mV以下(此時反應液從粉紅色變成無色)，產甲烷菌開始活躍，pH值趨于穩定。

4.3 淮南煤層產氣過程中TOC的變化

實驗組中的唯一碳源都是煤炭，煤炭在水溶液中可以發生一定程度溶解，這種作用可能是物理化學作用、微生物作用或者兩者共同作用，而微生物只能利用溶解在液相中的有機物。利用反應器營養液中TOC的測定來表征水中的有機物總量?；茨厦簩赢a氣過程中液相TOC的變化見圖5。圖5顯示，第一至第四周液相中的TOC濃度呈現降低趨勢，前四周主要是水解細菌、發酵細菌等好養菌作用，煤樣有機物溶解速率比好氧菌降解速率低，液相中TOC呈下降趨勢。第四周以后，反應體系呈現低氧化還原電位，產甲烷菌開始作用，對照組和其他兩組實驗組的TOC整體都在700 mg/L以上，因此整個反應體系都處于足量底物狀態，隨著好氧菌群的衰竭和產甲烷菌活性增強，煤樣中的有機質被轉移至液相和氣相，液相體系中TOC濃度呈上升趨勢。

圖5 淮南煤層產氣過程中液相TOC的變化

5 結 論

首先，淮南煤樣在厭氧環境下可以生物產氣；其次，乙酸氧化途徑和CO2/H2還原途徑同時存在。在不同的實驗條件下，由于反應體系中二氧化碳和乙酸組分的變化，甲烷形成的主要途徑也有所改變；實驗對比中還發現：產甲烷過程中，添加任何一種細菌或古菌抑制劑都能減少甲烷的產量，即次生生物煤層氣的形成是多種細菌共同作用的結果；最后，根據甲烷的累計產氣率結果推斷淮南煤樣中次生甲烷形成的主要生物途徑是乙酸發酵。