不同物質對無煙煤生物轉化的影響研究

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有限責任公司，山西 晉城 048000）

煤層氣屬于非常規天然氣，是近年來在國際上崛起的潔凈和優質能源。我國能源結構正處于一個轉型關鍵期，在“十四五”規劃中提出要加快煤層氣產業的發展，因此，煤層氣、頁巖氣等非常規能源行業將面臨巨大的發展機遇。

我國是一個富煤、貧油、少氣的國家，煤炭作為主要能源直接燃燒會帶來很多環境問題，煤的清潔利用成為當下國內外研究的熱點。煤中含有豐富的有機物，能夠被微生物利用、降解，煤的生物轉化就是微生物將煤分子中的這些可利用有機物進行降解或分解變為甲烷氣的過程[1]。

近年來，國內外學者對煤層中生物甲烷的生成過程和機理有了較為深入的認識，也證實煤層微生物能夠降解煤產甲烷[2-3]。煤的生物降解是一個非常復雜的過程，主要分為水解、酸化、產乙酸、產甲烷4個階段，其中水解階段是厭氧生物降解的限速步驟[4]。很多學者通過改變物理條件（如溫度、pH值[5]）、化學條件（如氧化還原電位、對煤進行預處理[6]）、生物條件（添加淤泥、沼液等外部菌源[7-8]）來達到生物強化產氣的目的。武俐等[9]的研究表明，生物產氣過程中微量元素的變化與產氣過程有很強的相關性。微量元素是微生物生長所必需的營養素，也是微生物生長和代謝的重要酶成分[10]。

本文以煤層氣井產出水為菌群來源，以山西太原西山礦區煤樣為底物，通過在基礎培養基中加入不同的物質，對比各實驗組之間的產氣能力，尋找可以提高厭氧體系產氣量和產甲烷量的方法，從而達到生物強化的目的。

1 實驗與方法

1.1 材料

1.1.1 煤樣

實驗所用煤樣采自西山礦區。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，放入厭氧瓶中充氮氣保護，并將其快速轉移至厭氧箱中備用。西山煤樣的工業分析按照GB/T 30732—2014進行，結果見表1。

表1 西山煤樣的工業分析結果 %

1.1.2 主要儀器和設備

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恒溫培養箱。

1.1.3 基礎培養基的成分

基礎培養基成分（質量濃度）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后放入厭氧箱中除氧備用。

1.1.4 菌源

以山西晉城寺河礦區121#煤層氣井產出水為菌群來源，水樣通過活菌計數法測得每毫升總菌數為1.52×106個。

1.2 實驗設計

產氣實驗分為6組，每組設置5個平行樣，組別設置見表2。其中，A組僅使用產甲烷基礎培養基（成分見1.1.3節），作為基礎組；B組中加入啤酒廠生產用的啤酒原液1 mL；N組中加入土壤浸出液20 mL；K組為未添加基礎培養基的空白對照實驗組；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行。

表2 產氣實驗組設置

1.3 甲烷氣體組分測定

甲烷氣體含量采用安捷倫7890A氣相色譜儀進行測定，色譜柱為Agilent Carbonplot（60 m×320 μm），載氣為高純氮氣，填充柱進樣口溫度150℃，隔墊吹掃流量3 mL/min，進樣量500 μL，柱箱溫度25℃，保持7.5 min，檢測器為TCD。檢測溫度200℃，參比流量400 mL/min，尾吹流量8 mL/min。

1.4 產氣量的計算

采用排水集氣法測定體系內總的產氣量。

2 結果與分析

2.1 添加不同物質對產甲烷的影響

各實驗組產甲烷的對比如圖1所示。由圖1可知，甲烷的累計產生量隨時間的增加而增加，甲烷濃度的變化總體可以分為快速增長階段、平穩增長階段和穩定階段。在產氣實驗考察時間內，只添加基礎培養基的A組產甲烷體積分數達到13%左右，未添加培養基的空白對照K組產甲烷體積分數為12%左右，說明想要降解無煙煤產甲烷比較困難；B組產甲烷體積分數達到18%左右，N組產甲烷體積分數達到15%左右，說明B組和N組添加的有機質可以被微生物利用從而產生甲烷；WE組產甲烷體積分數僅為8%左右，O組產甲烷體積分數為11%左右，和空白組K組以及基礎組A組相比，這兩組添加的物質明顯對系統中的微生物有抑制作用。

圖1 各實驗組產甲烷體積分數的對比

2.2 發酵體系中生物氣的組成

各實驗組產氣的組成見圖2。從圖2中可以看出，整個厭氧系統中主要的氣體成分為甲烷、二氧化碳和氫氣，且除了WE組中產生了體積分數10%左右的氫氣、A組和B組中有少量氫氣產生外，其他實驗組未檢測到氫氣組分，原因可能是整個厭氧體系中缺乏發酵性微生物的存在，水解階段是整個厭氧發酵過程的限速步驟[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鍵變化點，產氣實驗前10 d，二氧化碳作為主要產出氣體，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，二氧化碳含量呈現明顯下降趨勢，兩者含量呈負相關性，表明整個厭氧體系中甲烷的產生主要是通過了CO2還原途徑[9,12-13]。

圖2 各實驗組氣體組分的組成

2.3 添加不同物質對產氣量的影響

各實驗組總產氣量和產甲烷量見圖3。從圖3可以看出，相對于空白組K組來說，除O組外，其余實驗組產氣量和產甲烷量都有提高，說明加入寺河礦井水中的本源微生物可以降解煤產甲烷；相對于基礎組A組來說，WE組和B組有明顯產氣優勢，說明加入麥芽汁和啤酒原液對體系中的微生物有明顯促進作用，更利于生物氣的產生。

圖3 各實驗組總產氣量和產甲烷量

從圖3還可以看出，相對于A組來說，WE組雖說產甲烷量高出55%，但結合圖1、2來看，WE組產生的甲烷濃度并不高，其體系中的主要成分為CO2和H2，說明整個體系可能因為麥芽汁的加入導致前期發酵性細菌過剩繁殖，使體系內出現酸化現象，從而使甲烷菌無法利用氫氣和二氧化碳產甲烷。對于N組來說，總的產氣量雖沒有A組高，但是產甲烷量卻較A組高5%，可能原因是土壤浸出液的加入稀釋了原有培養基和土壤浸出液中的微量元素是甲烷菌生長代謝的重要酶組分。對于B組來說，其產甲烷量較A組提高了78%，結合圖1、2可以看出，B組在第30天之后又有一個小的快速產氣期，說明甲烷菌對厭氧體系有一定的適應過程，可以很好地利用前期菌群的產物產甲烷。對于O組來說，甘油的加入為厭氧發酵提供了比煤樣更好利用的碳源，但卻表現出了抑制作用，說明添加甘油抑制了整個體系中菌群的活性。

3 結 論

3.1 在以寺河礦區煤層水為菌群來源、以西山礦區煤樣為底物的產氣體系中，隨著甲烷的產生，二氧化碳含量呈下降趨勢，兩者濃度呈負相關性，表明體系中的菌群主要利用二氧化碳還原途徑產甲烷。

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