煤矿巷道中低浓度甲烷微生物降解效能实验研究*

田坤云　张瑞林　崔学锋

(1.河南工程学院安全工程学院　郑州 451191；　2.河南理工大学安全科学与工程学院　河南焦作 454003)



煤矿巷道中低浓度甲烷微生物降解效能实验研究*

田坤云1张瑞林1崔学锋2

(1.河南工程学院安全工程学院郑州 451191；2.河南理工大学安全科学与工程学院河南焦作 454003)

为了研究煤矿低浓度甲烷微生物降解效能，富集、纯化分离并初步鉴定出可以甲烷作为唯一碳源的高效降解甲烷的好氧型微生物。生理生化实验表明，该菌符合甲烷氧化菌的典型特征。自主设计了模拟巷道中低浓度甲烷微生物降解实验分析系统。实验结果表明，在风速为0.5～1.0 m/s，甲烷体积分数为1%～5%范围内，随着甲烷体积分数的增加，甲烷的降解效果越明显，然而风速越大越不利于甲烷的降解，经过50 min的降解，甲烷体积分数由最高的5%最低降至1.43%；二氧化碳体积分数可由初始的0.031%最大升高到0.075%。实验还发现消耗的甲烷和生成的二氧化碳并非符合1∶1的比例。

低浓度甲烷耗甲烷微生物好氧型降解效能

0　引言

我国煤矿低浓度甲烷排量约占全世界煤矿甲烷排放量的70%[1]，到2010年已达200亿m3[2]，这些甲烷不经处理而直接排放到大气中,不仅造成了资源浪费,同时还破坏了生态碳循环结构,加剧了全球温室效应。科研工作者对煤矿低浓度甲烷的治理展开了大量的研究，主要集中在煤矿乏风瓦斯热逆流氧化[3-5]、变压吸附[6-8]、高温发电[9-10]等方面。设备投资及维护成本较高、使用过程中安全性难以保证以及我国煤矿分布的分散性,是制约其发展的主要因素。

甲烷氧化菌是一类可以甲烷作为唯一碳源和能源的微生物，在常温常压下便可利用自身含有的酶将甲烷氧化为二氧化碳和水，在煤矿低浓度瓦斯治理方面具有广阔的应用前景。本文以煤矿低浓度甲烷为研究对象，考查好氧型甲烷氧化菌对模拟巷道中不同浓度、不同风速条件下甲烷的降解效能，以期为煤矿低浓度甲烷治理提供一点参考。

1　利用微生物治理低浓度甲烷的可行性分析

甲烷氧化菌是甲基氧化菌的一个分支，到目前为止共有17个属100多种甲烷氧化菌相继被发现，其广泛存在于自然界中，在水稻田、矿井排污风口附近土壤、空气、下水道淤泥、垃圾填埋场、油井附近土壤、沼泽地、火山喷发口处，强酸性、强碱性等极端环境中都发现了它们的存在。Conradr理论推算，每克活性干土可使106～107个甲烷氧化菌以100～1 000pmol/(h·g)的氧化速率生存[11]，然而甲烷氧化菌的生长还受到环境的湿度、pH值、供氧量、温度、有机质和甲烷浓度等因素的影响[12]。在干旱、缺O2和缺CH4等营养的情况下，大部分甲烷氧化菌直接进入休眠状态。

根据其特征的相似性、系统发育的相关性和甲烷氧化过程中的甲醛代谢途径及膜结构不同，可将甲烷氧化菌分为Type I型、Type II型和其他。Type I型甲烷氧化菌属变形菌(Proteobacteria)γ纲，通过RuMP途径吸收HCHO，胞质内膜成束状，在富营养的环境下生长良好；Type II型甲烷氧化菌属变形菌(Proteobacteria)α纲，通过Serine途径吸收HCHO，胞质内膜围绕细胞边缘排列，在极端环境才能生长；其他的一般为疣微菌门，具有很强的嗜酸性。甲烷氧化菌通过自身含有甲烷单加氧酶(Methane monooxygenase, MMO, EC.1.14.13.25)将甲烷氧化成甲醇，在甲醇脱氢酶的作用下甲醇被氧化成为甲醛，甲醛转化为细胞生长能量或通过甲酸氧化成CO2和水，即甲醇→甲醛→甲酸→甲酸盐→CO2。

2　甲烷氧化菌降解煤矿低浓度甲烷实验

2.1甲烷氧化菌的纯化及初步鉴定

本次实验所用的菌种是以新郑市龙湖镇十七里河河底淤泥作为富集源，培养过程中调整培养基内CuSO4·5H2O至0.035 mg/L，调整pH值至7.5，优化生长温度为30 ℃，恒温摇床转速120 r/min，格兰仕染色呈阴性，吲哚实验呈阴性，明胶液化实验呈阳性，高倍电子显微镜观察是短杆状、无芽孢的菌体。

2.2实验装置

实验装置如1所示，主要包括：甲烷高压气体钢瓶[CH4(99.99%)，(13.0±0.5)MPa]，190系列轻巧型减压器，DCZ型离心式可调速风机，504型机械秒表，气体混合装置，D07系列100SCCM(标准毫升/分)气体质量流量计，AW型管道风速传感器，KG9701A型低浓度甲烷传感器，安捷伦7890 a气相色谱仪，甲烷氧化装置及菌液储存容器。

有不少研究者通过钻孔设备将甲烷氧化菌液注入煤层或喷洒在巷道壁面、采空区、盲巷等处来降低瓦斯浓度[13]，然而这些方式存在较大局限性，主要表现在：煤矿井下环境复杂，培养过程中所处环境差别较大，外界环境对甲烷氧化菌的活性影响较大；采掘工作面时刻处于开采过程中，对生产进度造成较大影响。在前人研究的基础上，本研究将微生物瓦斯治理技术和矿井通风相结合，自主设计了利用微生物降解风流中低浓度甲烷的实验分析系统。甲烷气体减压阀和离心式风机转速调节器可控制风速及流量；气体质量流量计则可以实时显示流经的气体流量；置于混合室出口处的低浓度甲烷浓度传感器可实时显示混合室气体浓度；甲烷氧化室采用具有良好吸水能力、锁水能力的PVA吸水海绵作为菌液载体。氧化室内加工了一个双层圆环形吸水海绵支架，以加大菌液和甲烷的接触面积。在反应室出口处可以使用气体收集装置收集反应后气体，使用气相色谱仪检测残留甲烷浓度及生成的CO2浓度。

1-高压甲烷钢瓶；2-减压阀；3-针型阀；

2.3实验方法

(1)连接好实验装置，对管路系统抽真空，并检查整个管路系统的气密性。

(2)打开甲烷钢瓶总开关，调节减压阀控制甲烷流量，打开离心式风机，通过调速器控制空气流量。打开混合室入口开关，使气体缓缓进入，通过甲烷浓度传感器来检查混合室内甲烷气体浓度，同时打开反应室入口开关及菌液储存装置出口止水夹。

(3)通过甲烷气体管路中及风机管路中的气体质量流量计以及风速传感器，控制风速。

(4)甲烷浓度及氧化室风速稳定后开始实验，每隔5 min从氧化室出口取样，使用气相色谱仪检测残留甲烷浓度及生成CO2浓度。

2.4实验结果分析

通过风速传感器及甲烷浓度传感器，调节反应室风速分别为0.5，1.0 m/s，调节甲烷体积分数分别为1%，3%和5%，整理实验数据得到实验结果如图2及图3所示。

从图2可以看出，随着降解时间的持续，甲烷体积分数不断降低，降解时间达到50 min时甲烷体积分数已经趋于最小值。从图中还可以看出，随着初始甲烷体积分数的升高，甲烷的降解效果更加明显，经过50 min的降解，初始体积分数为5%的甲烷降低至1.43%；比较图2中(a)和(b)可以发现，随着风速的升高，在相同时间内甲烷体积分数下降量减少，初始体积分数为5%的甲烷降低至3.11%。究其原因，可能是在低风速、高浓度甲烷条件下，甲烷分子和菌液有了更加充分的接触，激发了部分中间酶的活性，提高了甲烷的降解率。

图2　不同风速条件下甲烷体积分数变化

CO2作为甲烷降解过程中的主要产物，从侧面佐证了甲烷浓度变化是由于生成了CO2的缘故。因此，分析实验中CO2浓度的变化十分重要。

从图3可以看出，随着降解时间的延长，CO2体积分数不断地增加，在相同条件下，随着甲烷初始体积分数的升高，CO2的增加量明显增多，风速为0.5 m/s时，经过50 min的降解，CO2体积分数由初始的0.031%升高到0.075%；在风速为1.0 m/s条件下，CO2最终体积分数为0.059%。从物质守恒角度来看，1 mol甲烷经过降解最终将生成1 mol CO2，然而从消耗的甲烷和生成CO2的比例来看，远远大于1∶1。分析其原因，甲烷降解过程是一个复杂的多步反应，降解过程中生成了较多中间产物，已有研究者利用煤矿甲烷转化生产高附加值的甲醇、聚羟基丁酸(PHB)及单细胞蛋白等产物，极大地拓展了煤矿低浓度甲烷微生物降解研究的领域。

图3　不同风速条件下CO2体积分数变化

3　结语

以河底淤泥为甲烷氧化菌富集源，分离纯化出以甲烷作为唯一碳源和能源的高效降解甲烷菌种。利用自行设计的风流中低甲烷微生物降解实验分析系统，研究了好氧型甲烷氧化菌对低浓度甲烷的降解效能。结果表明，在甲烷体积分数为1%～5%范围内，风速0.5～1.0 m/s条件下，保持恒定风流量，随着初始甲烷体积分数的升高，甲烷降解效果越明显，然而随着风速的增大，甲烷降解效果变差，CO2浓度的变化规律也佐证了这一观点。

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Experimental Research on the Degradation Efficiency of Low Concentration Methane in Coal Mine Tunnels by Microorganism

TIAN Kunyun1ZHANG Ruilin1CUI Xuefeng2

(1.SchoolofSafetyEngineering,HenanInstituteofEngineeringZhengzhou451191)

In order to study the degradation efficiency of low concentration methane in coal mine by microorganism, enrichment, purification and isolation and preliminary identification of microorganism with high degradation ability are conducted, in which methane is used as the sole carbon source; a kind of simulation tunnel low concentration methane degradation analysis and experiment system is designed. Experimental results show that: in the range of wind speed 0.5～1 m/s, methane concentration 1%～5%, with the increase of methane concentration, the degradation effect of methane is more obvious, however, the high wind speed is unfavorable to the degradation of methane and after degradation by 50 minutes, methane concentration from the maximum of 5% can be reduced to 1.43%; the concentration of carbon dioxide can be increased from 0.031% to 0.075% and in the experiment we also find that the consumption of methane and increasing amount of carbon dioxide is not in accordance with the proportion of 1∶1.

low concentration methanemicroorganism of consumpiry methaneaerobic typedegradation efficiency

国家自然科学基金(51474094)，微生物治理瓦斯技术与装备河南省工程实验室开放课题基金资助项目(2016A03)。

田坤云，男，1981年生，博士，副教授，从事瓦斯灾害预测与防治科研和教学工作。

2016-03-24)