生物成气中离子和微量元素变化特征及健康风险评价

武 俐，王海坡，李 鹏，赵同谦，曹 斌

(1.河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454000; 2.中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心，河南 焦作 454000; 3.中国石油大学(北京) 理学院，北京 102249)

微生物增产煤层气(MECoM)可从煤中产出新的甲烷，通过微生物消耗煤炭来增加储层的渗透率[1]。SCOTT[2]最早提出MECoM的概念,即将厌氧菌群及其活动和新陈代谢所需营养物注入煤层，可实现煤层气的增产。该方法减少了煤炭开采过程中带来的环境问题，引起学者们的广泛关注[3]。虽然该方法尚处于基础研究阶段，未实现大规模产业化应用[4]，但在一些矿区已开展了相关研究[5-6]。

选择不同煤阶样品进行生物成气模拟实验，研究成气过程中营养液中质量浓度较高的常量离子在成气过程中的变化特征，分析其对环境影响的水平。研究了微量元素质量浓度随成气时间的变化特征，采用健康风险评价模型对微量元素的潜在环境风险进行初步评价，确定了微量元素的环境风险源类别，为原位添加营养物刺激微生物产甲烷过程可能存在的潜在环境影响提供参考。

1 实验材料与方法

1.1 煤样和菌源

选取河南平煤朝川矿(1号煤，气煤)，河南义马耿村矿(2号煤，褐煤)和山西长治常村矿(3号煤，贫煤)3个矿区的煤样进行生物成气模拟实验研究，以某河流底泥为初始外源菌，通过富集与驯化培养得到实验菌液。煤样预处理方法，工业分析与元素分析结果，菌源驯化方式和微生物群落组成结构见笔者所在课题组前期研究成果[16]。

1.2 营养液组分

营养液组分[17-18]为:NaH2PO4，1 g;K2HPO4,3 g;NH4Cl,4 g;Na2CO3,2 g;苯甲酸0.2 g;酵母提取物 4 g;FeSO4,0.1 g;超纯水1 L。

1.3 实验方法

1.3.1煤生物成气模拟实验

煤生物成气模拟实验方法[18]，在2 L反应瓶中加入1 850 mL营养液，150 mL菌液和50 g煤粉(粒径<140目)，控制组中无煤粉，3种不同煤样为实验组，每组设置3个平行。模拟实验采用自制装置，装置如图1所示。橡胶塞密封反应瓶和集气瓶并进行蜡封，确保在严格厌氧条件下进行模拟实验。装置各部分连接完成后，置于37 ℃恒温培养箱中，采用排水集气法收集与测定产气量。整个实验周期为100 d，取样时间点分别为0，3，6，9，20，30，40，70，100 d。样品经滤纸和微孔滤膜(0.45 μm)过滤后待测。

图1 煤生物成气模拟实验装置Fig.1 Simulation experimental device of biological gas production from coal

1.3.2离子色谱测定阴阳离子实验

1.3.3电感耦合等离子质谱测定微量元素实验

采用电感耦合等离子质谱(ICP-MS)测定煤生物成气过程液相中V，Cr，Mn，Co，Ni，Cu，Zn，As，Se，Ag，Cd，Sb，Ba，Ti，Pb金属元素质量浓度。ICP-MS工作参数:功率1.40 kW，护套气流量0.20 L/min，辅助气流量1.80 L/min，雾化器流量1.00 L/min，等离子体炬气流流量18.0 L/min。采用多元素混合标准溶液(ICP-MS-6020-CAL-R-1，AccuStandard)做标准曲线，10 mL待测样品中含200 μL 内标物(Sc，Y，In,Bi)，以超纯水为空白，加标回收率在 90%～110%。

1.3.4浸泡实验

与成气模拟实验条件和取样时间相同，在2 L纯水中加入50 g煤粉(粒径<140目)进行煤浸泡实验(测试条件与1.3.3节相同)，测定液相中微量元素随时间的变化趋势。样品经0.45 μm滤膜过滤后-45 ℃保存，一周内完成测试。

1.4 健康风险评价

采用美国环境保护署(EPA)推荐的健康风险评价方法对煤生物成气中微量元素进行化学致癌污染物和化学非致癌污染物所致健康风险[19]进行评价。

化学致癌物所致健康风险模型:

(1)

化学非致癌物所致健康风险模型:

(2)

图2 产气量的变化Fig.2 Changes in gas production

2 结果与讨论

2.1 产气量的变化特征

煤生物成气过程中产气量的变化特征如图2所示。实验组中3种煤样的产气周期分为3个阶段，快速产气期(0～10 d)，慢速产气期(10～40 d)，产气基本停止期(40 d后);而控制组没有明显的快速产气期。产气结束时，控制组和3种煤样的CH4体积分数分别为57.77%，59.71%，68.59%和62.82%;CO2的体积分数分别为16.75%，16.91%，26.02%和15.88%。

由图2(a)日产气量可以看出，产气量在第10天左右达到最大值，之后出现波动变化趋势，主要与产气阶段和中间产物的变化有关。快速产气期，中间产物甲基化合物和易挥发性脂肪酸(VFA)质量浓度高[17]，产气潜力大，微生物能利用小分子酸快速产气。10 d后，煤中大分子物质被微生物降解后再利用，溶液中小分子酸质量浓度降低，芳香族化合物质量浓度逐渐增加[16]，微生物可利用底物与群落结构的变化[20-21]，造成了产气量出现一定的波动。由图2(b)累积产气量来看，实验组明显高于控制组，说明微生物可利用煤为底物进行产气;3种煤样累计产气量差异较小，说明采用驯化培养后的菌源进行褐煤、贫煤和气煤生物成气实验时，成气效果相当。

2.2 成气过程中常量离子的变化特征

图和K+质量浓度的变化Fig.3 Variation of concentration of and K+with time

图4 Cl-和质量浓度随时间变化曲线Fig.4 Variation curve of mass concentration of Cl- and

2.2.3成气过程中溶液pH值的变化情况

成气过程中溶液pH值的变化情况如图5所示。由图5可知，溶液pH值呈弱碱性，基本保持在8左右。成气过程会生成酸类有机物[17]，但连续测定成气过程中液相的pH值变化较小，说明酸类物质只是煤降解过程一个步骤中生成的，还将被继续降解;另外，添加的营养液组分是碱性，在一定程度上起到中和作用，维持了煤生物成气过程中溶液pH值的稳定。

图5 pH值的变化Fig.5 Changes of the pH

2.3 煤生物成气过程中微量元素的风险评价

微量元素具有毒性大、难被生物降解和生物累积的特点，质量浓度过高会对环境和人体产生危害[23]。研究煤生物成气过程中液相微量元素的类型与质量浓度变化特征，可初步判断煤生物成气大规模工业化应用对环境造成的潜在影响。

2.3.1微量元素质量浓度的变化特征

研究考察了煤生物成气过程液相中15种微量元素V，Cr，Mn，Co，Ni，Cu，Zn，As，Se，Ag，Cd，Sb，Ba，Ti和Pb随产气时间的变化情况。其中，V，Ag和Cd 三种微量元素未检出，控制组和实验组中Cr，Mn，Zn和Sb 4种微量元素的质量浓度一致，未发生变化。As，Ba，Co，Ni，Pb，Se，Cu和Ti 八种微量元素的质量浓度随时间的变化曲线如图6所示。

由图6可知，整个成气过程中，As，Ba，Co，Ni和Pb等微量元素的质量浓度均随产气时间的增加而升高。实验组As，Ba，Co，Ni和Cu的质量浓度均高于控制组，说明这些微量元素从原煤中释放出来，而Pb，Se和Ti质量浓度的变化与煤样有关。研究表明，As可存在于煤有机质中[23]，在微生物利用有机质产气时迁移至液相。在快速产气阶段，As，Co和Ni的质量浓度迅速增加，随后缓慢增长并逐渐稳定。Ni和Co是产甲烷菌生长的必须微量元素，而Ni可影响产甲烷菌辅酶F430的生成[24]，在产气第10天，Ni和Co质量浓度出现降低趋势，可能被产甲烷菌利用而造成其值降低。

扣除控制组微量元素质量浓度值后，3种煤样成气过程液相中微量元素的最高质量浓度见表1。在整个产气周期内，Ba质量浓度的动态变化范围处于较高水平23.88～144.79 μg/L，As和Cu质量浓度变化次之，分别为5.88～25.07，5.47～14.17 μg/L，其他金属元素质量浓度较低。1号煤样成气过程液相中As和Ba质量浓度最高，Cu和Ni质量浓度较高，其他质量浓度较低;2号煤样成气过程液相中Ba质量浓度明显高于其他元素，As和Cu质量浓度较高;3号煤样成气过程液相中Ba质量浓度最高，Se和Cu质量浓度较高。成气过程溶液中微量元素质量浓度的差异性是由不同煤中微量元素质量浓度和赋存形态的差异引起的。

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2.3.2水溶态微量元素质量浓度的变化特征

研究了煤粉在纯水浸泡条件下微量元素质量浓度随产气周期的变化趋势，结果表明微量元素V，Co，As，Cr，Sb，Ag，Cd，Ti和Pb未检出，Ba，Cu，Ni和Se质量浓度的变化结果如图7所示。浸泡前10 d，Ba，Cu，Ni和Se的质量浓度逐渐升高，之后基本稳定，除2号煤中Ba元素和3号煤中Se元素质量浓度较高外，其他元素质量浓度均较低。说明煤中水溶态金属元素会进入液相，需要特别关注前10 d质量浓度的变化情况。

煤分子结构中络合着大量的无机金属元素，金属元素通常与羟基、羰基、羧基等基团结合[25]。研究发现，羟基、羰基等基团是成气过程中微生物代谢的关键位点[26]，在生物酶作用下，金属元素与基团间的化学键断裂，使煤中无机金属元素进入溶液中。煤成气过程中金属元素质量浓度高于浸泡实验质量浓度，说明在微生物作用下，煤中非水溶金属元素会进入液相，影响产气过程中金属元素质量浓度。

2.3.3成气过程中潜在健康风险

按照式(1)和(2)化学致癌物和化学非致癌物健康风险评价模型，对煤生物成气过程中潜在健康风险进行了评价，模型相关参数[27-28]见表2。

煤生物成气过程中微量元素引起的健康风险评价结果见表3。从模型评价结果可知，3种煤样中Co和Se微量元素未检出;Pb，Ni，Cu和Ba微量元素的非致癌风险值在4.37×10-12～1.48×10-9，均小于1(非致癌风险阈值)，说明在生物成气过程中微量元素的非致癌风险处于可接受水平;非致癌风险大小依次为Cu>Ba>Ni>Pb，Cu的非致癌风险明显高于其他金属。研究表明，3种煤样总非致癌风险大小依此为3号煤>2号煤>1号煤。致癌风险计算结果表明，As的致癌风险值在4.61×10-5～1.96×10-4，均超过了致癌风险阈值1×10-6，表明As是煤生物成气过程中对健康危害最大的潜在污染物质，在煤生物成气过程中需要优先监控。

图6 微量元素质量浓度随时间的变化Fig.6 Variation of concentration of trace elements

表1 成气过程液相中微量元素的质量浓度Table 1 Concentration of trace elements in liquid phase during gas formation μg/L

图7 浸泡过程中微量元素质量浓度的变化Fig.7 Variation of concentration of trace elements during immersion period

表2 模型参数qm和DRfj值Table 2 Values of qmand DRfj of model parameters mg/(kg·d)

表3 风险评价计算结果Table 3 Calculation results of risk assessment

3 结 论

(1)煤生物成气过程中常量阴阳离子的质量浓度未发生明显变化，说明营养液中阴阳离子未被微生物直接利用，其作用是通过维持溶液pH或氧化还原电位的方式为微生物的生长提供合适的环境。在成气过程中阴阳离子质量浓度的高低与营养液中无机盐的质量浓度有关。

(2)As，Ba，Co，Ni和Pb等微量元素的质量浓度均随产气时间的增加而升高，Pb，Se和Ti质量浓度的变化与煤样有关;煤浸泡实验中检测出Ba，Cu，Ni和Se 四种微量元素，其质量浓度在浸泡前10d随时间的增加而升高，说明煤中水溶态金属元素会进入溶液中。成气过程中金属元素质量浓度高于浸泡实验质量浓度，说明了在微生物作用下，煤中非水溶金属元素会进入液相，影响成气过程中金属元素质量浓度的变化。

(3)健康风险评价结果表明，Pb，Ni，Cu和Ba微量元素的非致癌风险值范围在4.37×10-12～1.48×10-9，低于非致癌风险阈值，非致癌风险处于可接受水平。致癌风险计算结果表明，As的致癌风险值分布范围在4.61×10-5～1.96×10-4，高于致癌风险阈值1×10-6，表明As是煤生物成气过程中对健康危害最大的微量元素，在煤生物成气过程中应重点关注其质量浓度的变化。