煤的生物厭氧降解產(chǎn)氣模擬及現(xiàn)場工業(yè)試驗

宋燕莉，郭 鑫，吳 鵬，韓作穎，牛江露

（1.晉能控股集團有限公司 煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 晉城 048000；2.易安藍焰煤與煤層氣共采技術(shù)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

微生物增產(chǎn)煤層氣技術(shù)是利用煤層的本源微生物原位降解煤來實現(xiàn)產(chǎn)氣的一項技術(shù)，該技術(shù)可產(chǎn)生新生煤層氣，并且綠色安全、有一定的經(jīng)濟潛力，成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點[1]。M.S.GREEN 等[2]對美國粉河盆地煤層氣田產(chǎn)出水中降解煤產(chǎn)甲烷的微生物菌群進行了富集。S.H.HARRIS 等[3]研究了美國粉河盆地和Fort Yukon 地區(qū)煤樣的生物產(chǎn)甲烷情況，發(fā)現(xiàn)影響煤層產(chǎn)甲烷的主要因素是煤中有效生物底物和不同微生物菌群之間的競爭。P.H.FALLGREN 等[4]研究了澳大利亞、印度尼西亞和中國等地的褐煤煤樣被本源微生物降解產(chǎn)甲烷情況，證實了可以通過添加營養(yǎng)物質(zhì)激活本源微生物進行產(chǎn)氣。王愛寬[5]對我國云南昭通褐煤本源菌生氣特征和作用機理進行了研究。與實驗室模擬條件相比，煤層原位情況要復(fù)雜得多。Luca Technologies 公司在美國粉河盆地進行了微生物增產(chǎn)煤層氣的現(xiàn)場試驗，對煤層降解和菌群結(jié)構(gòu)進行了深入研究，并提出相應(yīng)的微生物增產(chǎn)煤層氣實施方案[6]。

趙莊井田位于沁水盆地中段東部，井田低軟松滲、構(gòu)造復(fù)雜，煤層氣地面抽采效果一直不理想，井下抽采投資大、效果差，采用微生物增產(chǎn)煤層氣技術(shù)可增加煤層氣儲量、提高煤層氣采收率、延長煤層氣井服務(wù)年限。為加快微生物轉(zhuǎn)化速率、提高煤層菌活性，需要向煤層補充合適的營養(yǎng)劑。煤與煤層氣共采國家重點實驗室以趙莊115 煤層氣井（zz-115）排采水為水樣，在實驗室厭氧模擬培養(yǎng)及連續(xù)發(fā)酵放大培養(yǎng)的基礎(chǔ)上，進行了zz-115 現(xiàn)場注入培養(yǎng)基增產(chǎn)煤層氣工業(yè)試驗，并檢測了甲烷產(chǎn)量及離子變化情況，現(xiàn)介紹如下。

1 材料與方法

1.1 煤的物化特征

趙莊地區(qū)煤層包括山西組3#煤層和太原組15#煤層，該地區(qū)煤主要為腐植類高變質(zhì)煤，有機煤巖組分以鏡質(zhì)組為主，灰分低，煤層氣吸附較大。趙莊地區(qū)煤樣的工業(yè)分析和元素分析見表1。

表1 趙莊地區(qū)煤樣的工業(yè)分析和元素分析

1.2 水樣厭氧采集菌群的觀察及檢測

將zz-115 排采水樣裝入充滿氮氣的無菌厭氧瓶，并添加還原劑保證厭氧環(huán)境。采用OLYMPUS BX-41熒光顯微鏡在420 nm 波長下觀察水樣里有無產(chǎn)甲烷菌。在無菌條件下，用0.22 μm 的微孔濾膜過濾水樣，將濾膜保存在-80 ℃的冰箱內(nèi)，用于DNA 提取測序。對提取到的基因組DNA 進行瓊脂糖電泳檢測，查看基因組DNA 的完整性與濃度，精準定量PCR 反應(yīng)加入的DNA 量，PCR 引入測序平臺通用引物。PCR 反應(yīng)結(jié)束后，對PCR 產(chǎn)物進行瓊脂糖電泳，對DNA 進行回收，將回收的產(chǎn)物用Qubit2.0 熒光定量儀定量，根據(jù)測得的DNA 濃度回收DNA，可用于后續(xù)樣品的建庫與測序。

通過軟件處理將樣品序列進行物種分類，根據(jù)分類學(xué)分析結(jié)果，直觀地觀測樣品在不同分類水平的菌群結(jié)構(gòu)。

1.3 實驗室厭氧模擬培養(yǎng)及連續(xù)發(fā)酵放大培養(yǎng)

在100 mL 厭氧瓶中放入20 mL 產(chǎn)甲烷菌富集培養(yǎng)基，培養(yǎng)基由2.0 g/L 酵母提取物、2.9 g/L K2HPO4、1.5 g/L KH2PO4、0.4 g/L MgCl2、1.8 g/L NH4Cl、0.5 g/L半胱氨酸、1 mL 復(fù)合維生素和1 mL 微量元素組成，對培養(yǎng)基進行滅菌后，放入DWS 厭氧手套箱中。水富集培養(yǎng)、水煤共富集培養(yǎng)各設(shè)置3 組平行對照，不加培養(yǎng)基的水空白和水煤空白各設(shè)置1 組。除培養(yǎng)基外，水富集培養(yǎng)實驗組還需加入40 mL 水樣，水煤共富集培養(yǎng)實驗組需要加入40 mL 水樣和5 g 破碎成小塊狀的煤。空白組以20 mL 純水代替培養(yǎng)基，水空白實驗組還需加入40 mL 水樣，水煤空白實驗組需加入40 mL水樣和5 g 破碎成小塊狀的煤。培養(yǎng)基、水樣、煤樣分裝均在厭氧手套箱中進行，在25 ℃溫箱培養(yǎng)。持續(xù)監(jiān)測產(chǎn)氣量5 個月。

厭氧菌連續(xù)發(fā)酵放大模擬裝置示意圖見圖1。放大密封罐體比例與厭氧瓶近似，在放大密封罐體中放入40 L 滅菌的產(chǎn)甲烷菌富集培養(yǎng)基、80 L 水樣和10 kg煤，用N2反復(fù)置換罐體，使其保持厭氧環(huán)境，在25 ℃培養(yǎng)觀察。每日取氣，記錄產(chǎn)氣變化。

圖1 厭氧菌連續(xù)發(fā)酵放大模擬裝置示意圖

1.4 培養(yǎng)液現(xiàn)場注入試驗及技術(shù)探討

注入流程：（1）前期準備：關(guān)閉煤層氣井現(xiàn)場原管線閥門，抽出油管。之后重新放入新油管至煤層頂板5 m～10 m，安裝井口法蘭，將注培養(yǎng)液管線連接到法蘭接口。（2）注入階段：在井筒中注滿清水，同時打開井口一側(cè)閥門，排空空氣后關(guān)閉閥門，停止注入清水。注入50 m3培養(yǎng)基和相應(yīng)比例的還原劑Na2S·9H2O、NaHCO3，然后注入20 m3清水，將排采管柱內(nèi)培養(yǎng)基和清水全部注入煤層中后停泵（注入速度控制在2 m3/min）。（3）預(yù)排采：待井內(nèi)壓力下降后，拆除連接管線，安裝好排采設(shè)施。封井3 個月，運行后觀察甲烷產(chǎn)量、水中離子濃度、菌群數(shù)量等的變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 排采水中產(chǎn)甲烷菌觀察

排采水樣的熒光顯微鏡圖（400×）見圖2。由圖2可知，水樣中出現(xiàn)了藍綠色熒光，說明存在產(chǎn)甲烷菌。

圖2 排采水樣的熒光顯微鏡圖（400×）

2.2 注入培養(yǎng)基前后煤層菌群對比

注入培養(yǎng)基前后煤層細菌科類豐度對比見表2。由表2 可知，注入培養(yǎng)基前，細菌的主要門類為變形桿菌門、厚壁菌門、擬桿菌門，分別占比58.84%、8.89%、21.27%。擬桿菌門是降解纖維素的菌群；厚壁菌門的主要作用是糖代謝，如鏈球菌科的乳球菌屬；變形桿菌門是細菌域中的最大一門，含降解芳香化合物、蛋白質(zhì)、脂肪、糖類作用的菌群，一些利用醇、胺類的菌群，硫酸鹽還原菌也屬于該門中的一類，能減少硫酸鹽對產(chǎn)甲烷菌的毒害。從煤層菌群原始結(jié)構(gòu)看，煤層中存在完整的產(chǎn)甲烷菌群生態(tài)系統(tǒng)。在注入培養(yǎng)基六七個月后，水樣中的菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化：厚壁菌門比例增至21.56%，擬桿菌門比例降至10.46%，變形桿菌門降至52.43%，放線菌門增至8.59%；原優(yōu)勢菌種所占比例逐漸降低，物種之間豐度的差距逐漸縮小，同時很多豐度較低的物種在獲得足夠的營養(yǎng)后快速繁殖；菌群多樣性增加，更利于產(chǎn)氣。

表2 注入培養(yǎng)基前后煤層細菌科類豐度對比

注入培養(yǎng)基前廣古菌門的甲烷桿菌科占多數(shù)（99.32%），注入培養(yǎng)基后出現(xiàn)了甲烷螺菌科（占比8.94%）和氫代謝型甲烷菌（占比15.28%）。依據(jù)產(chǎn)甲烷的途徑劃分，這些甲烷菌的類型為H2/CO2型，說明產(chǎn)甲烷的途徑是H2/CO2還原途徑。

2.3 實驗室厭氧瓶發(fā)酵及放大培養(yǎng)模擬結(jié)果

在實驗室厭氧瓶發(fā)酵中，趙莊水富集和水煤共富集產(chǎn)氣趨勢分別見圖3、圖4。由圖3、圖4 可知，水富集和水煤共富集的產(chǎn)氣趨勢均為緩慢上升到穩(wěn)定，水富集最高甲烷產(chǎn)量為0.29 mL/d，水煤共富集最高甲烷產(chǎn)量為4.08 mL/d。加煤的產(chǎn)氣量比不加煤的要高，說明在菌群適宜的營養(yǎng)條件下，煤可被生物利用產(chǎn)氣。水煤共富集放大培養(yǎng)產(chǎn)氣趨勢及壓力見圖5。由圖5可知，水煤共富集放大裝置的產(chǎn)氣趨勢同樣為緩慢上升到平穩(wěn)，甲烷產(chǎn)量可達5.5 m3/d。

圖3 實驗室厭氧瓶水富集產(chǎn)氣趨勢

圖4 實驗室厭氧瓶水煤共富集產(chǎn)氣趨勢

圖5 水煤共富集放大培養(yǎng)產(chǎn)氣趨勢及壓力圖

2.4 現(xiàn)場注入試驗的產(chǎn)氣和水中離子變化

zz-115 井封井結(jié)束開始運行后動液面連續(xù)下降，平均甲烷產(chǎn)量由原來的3 m3/d 增至11 m3/d 左右，菌群數(shù)量穩(wěn)定10-9～10-8數(shù)量級。注入培養(yǎng)液后離子濃度變化見表3。

表3 注入培養(yǎng)液后離子濃度和水質(zhì)指標變化（質(zhì)量濃度） mg/L

由表3 可知，水中陽離子Mg2+、K+、Na+、氨氮和陰離子F-、Cl-濃度先升后降濃度總體下降，濃度整體上升；礦化度、重碳酸鹽、總堿度、硬度總體先升后降。陰陽離子等水質(zhì)監(jiān)測指標基本都隨著培養(yǎng)基的注入、井的正常運轉(zhuǎn)降低，判斷離子濃度的降低或是隨著地下水流失，或是被微生物生長利用。

3 培養(yǎng)液補加循環(huán)系統(tǒng)設(shè)想

培養(yǎng)基一次性注入排采可能存在注入后流向不明、流失較多的問題，為了解決這一問題，提出一種培養(yǎng)基補加循環(huán)裝置的設(shè)想。這種方式可保證培養(yǎng)基的持續(xù)穩(wěn)定供給，對要富集的菌群作用時間長，極大地提高了產(chǎn)氣的可能性，地下注入培養(yǎng)基補加循環(huán)系統(tǒng)示意圖見圖6。補加培養(yǎng)基時打開閥門7，使排采井水流入蓄水池，待井水積累到一定體積時，開啟泵4 將井水泵入培養(yǎng)基罐，啟動泵5 自循環(huán)。打開閥門9、10對培養(yǎng)基罐充氮氣以除氧。培養(yǎng)基罐保持0.1 MPa 微正壓，關(guān)閉閥門7、啟動泵6、打開閥門8，將培養(yǎng)基注入排采井1。之后封井一段時間，然后打開閥門7 排采并檢測排采水濃度，若低于初始培養(yǎng)基濃度，需重新添入培養(yǎng)基，重復(fù)上述循環(huán)。

圖6 地下注入培養(yǎng)基補加循環(huán)系統(tǒng)示意圖

采用地下注入培養(yǎng)基補加循環(huán)系統(tǒng)連續(xù)注入培養(yǎng)基，產(chǎn)氣效果好，經(jīng)濟效益可觀。按一口井多產(chǎn)甲烷50 m3/d、甲烷市價2 元/m3計算，一年可獲得收入3.65 萬元，除去設(shè)備、管線、用料、人力等成本1.5 萬元/a，凈利潤達2.15 萬元/a，而且比盲目重復(fù)一次培養(yǎng)基注入節(jié)省了人力。地下注入培養(yǎng)基補加循環(huán)系統(tǒng)的使用對沁水盆地南部煤層氣增產(chǎn)有實際意義，若能使培養(yǎng)基的某些成分由廉價物替代，原位煤的生物轉(zhuǎn)化就更經(jīng)濟實用。

4 結(jié) 論

4.1 實驗室厭氧瓶模擬結(jié)果表明，煤層水和煤的共富集產(chǎn)氣量高于煤層水的富集產(chǎn)氣量，說明煤在產(chǎn)甲烷中起到一定作用。發(fā)酵罐放大模擬結(jié)果表明，產(chǎn)氣持續(xù)兩個月后，產(chǎn)氣量仍可達5.5 m3/d。

4.2 煤層氣井現(xiàn)場注入培養(yǎng)液后，產(chǎn)氣量增長，陰陽離子等水質(zhì)監(jiān)測指標基本呈下降趨勢，可能是注入后隨著地下水流失或被菌群生長利用。

4.3 從煤層菌群原始結(jié)構(gòu)看，趙莊煤層中存在完整的產(chǎn)甲烷菌群生態(tài)系統(tǒng)，注入培養(yǎng)基后，菌群多樣性增加，更利于產(chǎn)氣。

4.4 培養(yǎng)基一次性注入排采存在弊端，培養(yǎng)基補加循環(huán)系統(tǒng)能有效解決這一問題，并可帶來一定的經(jīng)濟和社會效益。