以风化煤为底物制取生物甲烷的潜力分析

郭红玉，李云嵩，李贤忠，赵国俊，于洪飞，尹香菊

(1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000; 2.中原经济区煤层(页岩) 气河南协同创新中心，河南 焦作 454000; 3.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室—省部共建国家重点实验室培育基地，河南 焦作 454000)

风化煤，又称露头煤，一般是指暴露于地表或者位于地表浅层的煤，由烟煤、无烟煤以及褐煤等遭受风化而形成。我国有着非常丰富的风化煤储量，主要分布在山西、内蒙、云南、贵州等省，储量估计近千亿吨[1]。风化煤水分和灰分含量较高，发热量低，活性不稳定，因而利用价值不高，到目前为止，主要还是被用于改善土壤性质和制取腐殖酸[2-5]，其高度被氧化的性质，使其作为燃料的利用率较低，大量的风化煤被遗弃，不但造成资源浪费还严重污染环境。因此，拓展风化煤的利用途径，提高其资源利用率具有显著的经济和环境效益。

煤的基本结构单元主要是以芳环、氢化芳环、杂环等为核心，周围带有侧链、极性官能团的缩合芳香体系，各单元之间相互桥连，形成稳定的多维复杂结构[6]。微生物降解转化煤是在酶或微生物参与下发生的大分子氧化解聚作用[7]，即煤的微生物降解程度与煤的氧化程度关系极大，分子中含氧量越高，越有利于微生物对煤降解效率的提高。含碳量高含氧量低，具有稳定结构的中高阶煤不易被微生物降解，虽然近年来也有不少学者尝试转化高阶煤[8-9]，但是大多研究还是集中在低阶煤[10-12]。低阶煤如褐煤相比中高阶煤，煤化程度低，含有大量类木质素结构的物质，极易被含有木质素过氧化物酶的微生物降解[13-14]。低阶煤含有包括游离腐殖酸、纤维素在内的多种有机质，其氧和侧链官能团含量较高[15-17]，易被微生物攻击解聚，大分子结构解体，分解为脂肪酸、有机酸、H2、CO2等多种小分子物质，产甲烷菌再以其为底物生成甲烷。风化煤主要成分为有机质、水分和少量矿物，有机质含量一般达到40%～80%，其中大部分为再生腐殖酸[18]。因其发生的氧化水解反应，大分子结构遭到破坏，侧链及桥键较多，含氧活性官能团含量高而丰富[19]，化学活性甚至高于褐煤，更易被微生物降解。笔者通过不同风化程度煤的生物产气及其化学官能团分析，探讨风化煤的生物产气潜力。

1 样品制备

1.1 样品采集与制备

采集内蒙乌海和山西晋城不同风化程度的煤样，分别按照标准ISO 17247—2013和ISO 17246—2010进行元素分析和工业分析。采用ZDHW-6型微机全自动量热仪按照GB/T 213—2008完成发热量测试(表1)。

1.2 产甲烷菌的富集培养

为提高产甲烷菌群繁殖速度，需要提供微生物生长所需的C，N，P，S元素以及中性盐等物质，微量元素和复合维生素也是维持厌氧微生物生长代谢和厌氧发酵酶系统活性的重要组成成分[20]，产甲烷菌群的富集培养按以下方案进行:

(1)产甲烷菌的富集培养:每1 000 mL新鲜矿井水中加入K2HPO40.4 g，MgCl22.0 g，KH2PO40.4 g，酵母浸入液1.0 g，NH4Cl 1.0 g，刃天青0.001 g，半胱氨酸0.5 g，Na2S 0.2 g，NaHCO30.2 g，乙酸钠2.0 g，KCl 0.2 g，NaCl 2.0 g，微量元素溶液10.0 mL，复合维生素溶液10.0 mL，调节pH=7.0。

表1 煤样基础信息
Table 1 Coal samples basic information

样品编号风化程度工业分析/%MadAadVadFCad元素分析/%CdafHdafNdafSdafOdaf发热量/(MJ·kg-1)W-1乌海弱风化煤0.7015.0528.8455.4154.224.381.021.0639.3230.58W-2乌海中等风化煤14.1711.5830.3444.0943.893.360.86051.8919.71W-3乌海强风化煤13.9746.0821.7218.2334.182.750.58062.498.45J-1晋城弱风化煤2.5814.099.6173.7343.192.630.51053.6727.28J-2晋城中等风化煤12.9730.4721.7134.8538.252.880.61058.2614.62J-3晋城强风化煤12.8840.9819.9926.1553.772.460.72043.0511.43

(2)微量元素液(1 L):氨基三乙酸1.5 g，MnSO4·2H2O 0.5 g，MgSO4·7H2O 3.0 g，FeSO4·7H2O 0.1 g，NaCl 1 g，CoCl2·6H2O 0.1 g，CaCl2·2H2O 0.1 g，CuSO4·5H2O 0.01 g，ZnSO4·7H2O 0.1 g，H3BO30.01 g，AlK(SO4)20.01 g，NiCl2·6H2O 0.02 g，Na2MoO40.01 g。

(3)复合维生素溶液(1 L):生物素0.002 g，叶酸0.002 g，盐酸吡多醇0.01 g，硫胺素(B1)0.005 g，核黄素(B2)0.005 g，烟酸0.005 g，泛酸钙0.005 g，B120.1 g，对氨基苯甲酸0.005 g，硫辛酸0.005 g。

2 实验方法

2.1 煤制生物甲烷实验

将配制好的培养基放入121 ℃的灭菌锅中灭菌3 h，灭菌结束后倒入新鲜矿井水，用封口膜密封，放置在35 ℃培养箱中培养4 d。将煤样粉碎至60～80目，取20 g煤加入250 mL玻璃锥形瓶内，同时加入上述培养4 d的菌液200 mL，搅拌均匀，放入35 ℃恒温培养箱进行产气实验。为保证厌氧环境，实验操作在厌氧工作站中进行，每个锥形瓶利用N2驱替3 min，减少O2干扰。气体收集采用排水集气法，每3 d记录1次产气量，42 d结束产气后，对气体总量、气体组分及体积分数进行测试(表2)。

由表2可知:各组煤样随着风化程度的加深，累计产气量呈不断增加趋势。乌海组中W-3的产气量最多，CH4体积分数也最高，W-1 CH4体积分数次之，W-2的CH4体积分数最低。晋城组中J-3产气总量最大，J-2 CH4体积分数最高，J-1产气量和CH4体积分数最低，主要原因是其风化程度最弱，大分子结构接近无烟煤。

表2 不同风化程度煤的生物产气测试
Table 2 Biogas production test of coal with different weathering degrees

样品编号累计产气总量/mLCH4体积分数/%CO2及其他气体的体积分数/%CH4生成量/(mL·g-1)可燃基累计产气量/mL可燃基CH4生成量/(mL·g-1)W-16927.3672.640.9481.901.12W-28020.1779.830.81107.741.08W-318031.6768.332.85450.567.13J-11497.5792.430.56178.810.68J-218825.2774.732.37332.394.20J-321016.8083.201.76455.143.82

从图1阶段产气量来看，不同风化程度的煤样均出现了产气高峰，时间基本都在15～30 d，各组中随着风化程度不断加深，产气高峰也越来越早。乌海组中，W-1在15 d后迎来产气高峰，W-2的产气高峰在第12 d左右，W-3则在3 d后便开始持续不断产气;晋城组中，J-1在18 d以后开始迎来产气高峰，J-2的产气高峰在12 d以后，J-3则在7 d后产气量便开始不断上升。表明风化程度越深，煤样越容易被微生物降解。

从图2累计产气量来看，各组煤样均出现产气量缓慢增加—急剧增加—相对稳定3个阶段，乌海组中，W-1的增加幅度最为缓慢，随着风化程度加深，W-3增幅最为明显，且远高于W-1和W-2。晋城组煤样风化前属于无烟煤，生物产气效果差[21]，但风化后的3个煤样累计产气量J-3增幅最快，J-2增幅次之，J-1增幅最低。

图1 不同风化程度煤的阶段产气量Fig.1 Stage gas production of coal with different weathering degrees

图2 不同风化程度煤的累计产气量Fig.2 Cumulative gas production of coal with different weathering degrees

2.2 不同风化程度煤的官能团分析

取表1中的6种煤样，筛分粒度至小于200目，采用Nicolet 6700傅里叶红外光谱仪(美国)对煤样进行红外光谱测试(图3)。

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图3 不同风化程度煤的吸光度谱Fig.3 Absorption spectra of coal with different weathering degrees

图3中煤的FTIR图主要可以分成4个吸收带谱，即羟基吸收带(3 600～3 000 cm-1)、脂肪结构吸收带(3 000～2 800 cm-1)、含氧官能团吸收带(1 800～1 000 cm-1)和芳香结构吸收带(900～700 cm-1)。

3 600～3 000 cm-1为羟基的吸收振动峰，3 400～3 300 cm-1的吸收峰为自由缔合的羟基以及与醚作用形成氢键的羟基，2组风化煤在此波段都出现了明显的吸收峰，这是因为经历风化作用后，煤中含氧官能团较多，因此各种氢键的作用较为强烈，且自缔合的羟基形成的氢键的含量极高。

3 100～3 000 cm-1主要为芳香C—H的伸缩振动，3 000～2 800 cm-1为脂肪族CHx吸收振动带，2组煤样中除W-1在此处出现吸收峰外，其余样品均未出现明显吸收峰，表明风化作用可以导致煤中脂肪烃结构的大量脱落，且破坏煤的稳定大分子结构。

1 800～1 000 cm-1归属于各种含氧官能团，2组煤样在此波段都出现了丰富的吸收峰，表明风化煤的含氧官能团含量很高;900～700 cm-1代表煤的芳香结构的C—H面外变形振动，反映了芳香结构的不同取代程度，2组煤样在此波段都出现了大量吸收峰，位于870 cm-1附近为苯环五取代，815 cm-1附近的为苯环上邻近2个或3个氢原子的取代，还有750 cm-1的为苯环二取代。此外，2 400～2 275 cm-1为空气中CO2的吸收波段的干扰峰。

2.2.1脂肪结构变化

由图3看出，乌海组中W-1在3 000～2 800 cm-1处存在明显的吸收峰，主要原因是W-1相对其它样品风化程度较浅，故脂肪结构仅少量脱落;W-2中羟基振动吸收峰较强烈，但3 000～2 800 cm-1处已无明显吸收峰，表明随着风化程度加深，煤中脂肪族结构不断脱落，风化引发的氧化水解作用开始导致煤中自缔合的羟基含量上升;随着风化作用的进一步加深，W-3中3 000～2 800 cm-1处吸收峰已完全消失，且羟基等各类基团均大量脱落。晋城组中J-1已属一定程度风化，故3 000～2 800 cm-1处仅有1个微小的吸收峰，随着风化程度加深，J-2,J-3在此处已无明显吸收峰。

2.2.2含氧官能团结构变化

由图3看出，随着风化程度的不断加深，煤中羟基、氨基等基团含量呈降低趋势，脂肪结构解体，但含氧官能团一直保持丰富且逐渐成为煤中主要结构。乌海组中W-1在3 050～3 030 cm-1(芳香次甲基 C—H 的伸缩振动)处出现小段波峰，且含氧官能团基团部分波峰并不强烈，主要原因是W-1风化程度相对其它样品较浅，煤中还存在部分脂碳结构;随着风化程度的加深，W-2中芳香结构含量开始降低，含氧官能团高度活跃;W-3中羟基、氨基等基团及脂肪族含量下降最为明显，但其含氧官能团含量仍然较高且成为煤中主要结构，故W-3的可燃基CH4产气量明显高于W-1,W-2;晋城组J-2,J-3与J-1相比，羟基、氨基等基团及脂肪结构含量下降较多，J-3中含氧官能团部分甚至反超J-2，故J-1的可燃基CH4产气量相较J-2,J-3明显偏少。同时，随着风化程度加深，2组煤样在1 150～1 050 cm-1(醚键中C—O—C 伸缩振动)处吸收峰明显越来越强烈，这是因为煤样在风化环境中的微生物群作用下，苯环被打开，同时在断开处引入了羟基。

根据煤结构中各官能团的FTIR吸收峰归属[22]，选取几个具有代表性的特征峰，分别通过高斯拟合得到特征峰的峰面积(图4)，以对比不同风化程度煤样特征峰所对应基团含量以及相关表征参数的差异(表3)。

图4 煤样红外光谱的分峰拟合Fig.4 Peak-splitting fitting chart of infrared spectra of coal samples

表3 煤样 FTIR 谱中各峰归属及峰面积Table 3 Attribution and area of peaks in infrared spectra of coal samples

由图4看出，含氧官能团基群在风化煤结构中始终占据着主体，同时，随着风化程度的不断加深，煤中芳环的面外弯曲振动峰面积呈降低趋势，由表3计算可得，W-3的峰面积较之W-2降低了56.48%,J-2，J-3峰面积较之J-1分别降低了86.35%，70.54%。即煤的芳构化程度趋于降低，同时煤中各类结构基均呈降低趋势，表明风化煤因其发生的氧化水解反应，大分子结构遭到破坏，芳环被打开，并导致基团减少。乌海组中，W-1四组峰面积均略小于W-2，其原因是W-1相较其他样品风化程度较浅，在3 010 cm-1及2 900～2 800 cm-1等处仍存在吸收峰，占据了一定比例峰面积，随着风化程度进一步加深，煤样芳构化程度明显趋于降低;晋城组中虽然J-2，J-3的芳构化程度相较J-1有明显下降，但J-3的芳构化程度却高于J-2，且由元素分析可得，J-3的氧含量略低于J-2，因此出现J-2可燃基CH4产气量反而高于J-3的情况。

2.3 风化煤中本源菌的鉴定

选取各组中风化程度最高的煤样W-3，J-3，将其从户外露头煤层中取出后，迅速装入密封瓶中密封保存，配制好1 000 mL液体培养基，在厌氧工作台中按1:10(g/mL)配制好2份培养基，于35 ℃恒温箱中培养4 d完成后采用16S rDNA基因序列分析法进行菌种鉴定，测试由上海生工生物工程股份有限公司完成。测试结束后，选取各组中优势菌种进行分析(图5，6)。

经典厌氧发酵理论认为，生物气的产生大致分为3个阶段:第1阶段为复杂有机质(煤)受厌氧发酵细菌作用，分解为有机酸或醇;第2阶段为产氢和产乙酸细菌把第一阶段产生的有机酸和醇进一步分解为乙酸、H2或CO2;第3阶段即产甲烷菌利用底物产生甲烷。

图5 煤样所含的细菌鉴定Fig.5 Bacteria content in coal samples

图6 煤样所含的古菌鉴定Fig.6 Archaeal content in coal samples

图5细菌鉴定中，W-3中的Rummeliibacillus为厌氧型瘤胃杆菌，可将复杂有机物分解为小分子物质;Brevundimonas是一种肠杆菌;Staphylococcus为葡萄球菌，可以分解葡萄糖、蔗糖等糖类物质;Aeromonas为气单胞菌，能够发酵葡萄糖产酸，Cetobacterium为醋酸杆菌;J-3中Pseudomonas为假单胞菌，它有极强的分解有机物的能力;Lysinibacillus为赖氨酸杆菌，能够利用有机物产生赖氨酸;Clostridium是一种梭状芽孢杆菌，善于分解大分子有机物;Desulfotomaculum为脱硫肠状菌属，可以分解有机酸生成H2或乙酸。

这些优势菌种中，W-3中的Rummeliibacillus、Brevundimonas，J-3中的Clostridium、Pseudomonas、Lysinibacillus，属于产生生物气第1阶段的水解、发酵型细菌，且两组煤样此类细菌含量都较大;W-3中的Staphylococcus、Aeromonas，J-3中的Desulfotomaculum、ClostridiumXIVa，则属于第2阶段的产氢产乙酸细菌。

图6古菌鉴定中，W-3中的Methanothrix是一种严格厌氧型甲烷丝菌，能够分解乙酸生成CH4与CO2;Methanoregula和Methanospirillum能够转化H2或CO2为CH4;Methanomassiliicoccus是一种甲基型产甲烷古菌，它们能够转化H2产生CH4。J-3中，Methanoculleus为嗜热甲烷袋状菌，能够利用H2或CO2产生CH4，同时发现了与W-3中一样的Methanomassiliicoccus、Nitrososphaera、Methanothrix等菌种。

这些优势菌种中，包括了甲烷杆菌属、甲烷球菌属等在内的丰富产甲烷菌群，它们可以利用细菌分解有机物提供的各种底物，通过不同途径产生CH4。

由菌群结构分析可知，风化煤本源菌群中包含有生物气产生所需的所有类型菌种，表明风化煤依然还在进行着生物甲烷产气过程。

3 结 论

(1)随着风化程度加深，煤的生物产气高峰明显提前，累计产气量不断增加，W-2较W-1增加了15.94%，W-3较W-1增加了160.87%，J-2较J-1增加了26.17%，J-3较J-1增加了40.94%。可燃基CH4生成量增多，W-3较W-1增加了536.61%，W-3较W-2增加了560.19%，J-2较J-1增加了517.65%，J-3较J-1增加了461.76%。表明风化煤存在进行生物产气的潜力。

(2)随着风化程度加深，煤样芳构化程度不断降低，芳环被打开，羟基、羧基等基团及脂肪结构不断解体，氧含量比例不断升高，越容易被微生物降解。

(3)风化煤本源菌群中包含有生物气产生所需的所有类型菌种，且菌种类型多样，表明其目前依然还在进行着生物甲烷产气过程。