生物预处理促进褐煤制甲烷的内在原因分析*

宋 博 郭红玉 张洺潞 赵国俊 沈 野 许小凯 刘小磊

(1.河南理工大学能源科学与工程学院,454000 河南焦作;2.河南理工大学化学化工学院,454000 河南焦作;3.河南理工大学安全科学与工程学院,454000 河南焦作)

0 引 言

煤的生物气化是实现煤的清洁利用和节能减排的重要途径,也是微生物强化开采煤层气(MECBM)关注的焦点。煤被水解为可溶性有机中间体是煤转化为生物甲烷的限制步骤[1]。通过物理、化学和生物等多种措施可促进煤中有机物质水解,提高生物甲烷产量[2-4]。物理预处理可提高菌群对煤的亲和性,促进煤的溶解和降解。光氧化、超声波处理、溶胀为常用的物理预处理方法。化学预处理(利用硝酸、双氧水、高锰酸钾、氢氧化钠等)主要通过打断煤大分子间化学键及破坏氢键,使煤的结构变得稀疏[5-6]。与物理和化学预处理相比,生物预处理也可促进煤的液化或气化,且具有工艺简单、条件温和、能耗低、环境污染小等优点[7-8]。

关于微生物降解煤的研究,多为真菌、细菌及放线菌对煤的降解[9-10]。真菌主要通过碱性物质、螯合剂、表面活性剂和酶实现对煤的降解[11-12],如白腐真菌产生的酶可将煤中芳香结构的支链、侧链断裂,产生羧酸和醇等小分子物质[13]。有些细菌可以产生碱性物质、表面活性剂和酶进而对煤降解[14-16],如假单胞菌属中的部分菌株可作为纤维素降解的辅助菌,能代谢纤维素分解所得产物及其次级代谢产物[17]。关于放线菌降解煤的研究较少,有研究[18]表明绿孢链霉菌为云南昭通褐煤降解的优势菌,可将煤中的有机大分子物质降解为小分子有机物。也有学者[19-21]利用微生物菌群对煤进行降解研究,发现煤的降解受到微生物相互作用及群落结构演替等因素影响。

目前,有关煤的生物降解方面的研究已取得很大进展,而对于不同微生物预处理促进甲烷产量增加的内在机理研究却并不多见。因此,本研究利用绿孢链霉菌(Streptomyces viridospor us)、黄孢原毛平革菌(Phaner ochaete chr ysosporiu m)和类产碱假单胞菌(Pseudomonas pseudoalcaligenes)三类菌种对煤进行生物预处理,探讨生物预处理对煤制甲烷的促进效果及其内因,研究结果可为建立煤的生物气化预处理技术提供借鉴。

1 实验部分

1.1 煤样采集和菌种培养

煤样为采自内蒙古白音华矿的新鲜褐煤,其工业分析和元素分析结果见表1。预处理生物菌种的来源及培养方案见表2。其中,0038 ISP-2培养基的配制方法为:酵母提取物4 g、麦芽提取物10 g、葡萄糖4 g、琼脂15 g、蒸馏水1 L,调节p H值为7.3;综合马铃薯培养基的配制方法为:20%马铃薯汁1 L、葡萄糖20 g、KH2PO43 g、MgSO4·7 H2O 1.5 g、硫胺素微量、琼脂15 g,调节p H值为6;CM0841培养基的配制方法为:蛋白胨5.0 g、牛肉膏10 g、酵母膏5.0 g、葡萄糖5.0 g、NaCl 5.0 g、琼脂15.0 g、蒸馏水1 L,调节p H值为7.2。

表1 煤样的工业分析和元素分析Table 1 Proxi mate and ultimate analyses of coal sample

表2 三种菌的来源与培养基Table 2 Source and mediu m of three kinds of bacteria

1.2 实验方案

1)预处理及生物产气实验:选取粒度为0.2 mm~0.3 mm的褐煤煤样,用75%乙醇进行灭菌处理,将经过高温灭菌锅灭菌后的250 mL反应瓶移入超净工作台后,加入10 g褐煤煤样和20 mL微生物预处理菌液进行为期14 d的预处理实验,其中采取平板菌落计数法确定微生物预处理菌液的菌落数量及微生物生长曲线,选用菌落数量相差较小及均处于生长期的菌液。将S.viridospor us(St),P.chr ysosporiu m(Ph)和P.pseudoalcaligenes(Ps)预处理后煤样分别记为St-YM,Ph-YM和Ps-Y M,并设置原煤Y M作为对照组。预处理实验结束后,将反应瓶移至厌氧工作站,加入200 mL产甲烷菌富集液并调节p H值至7左右进行生物产气实验。本研究采用焦作古汉山矿井水作为本源菌,之后置于35℃的恒温培养箱中进行为期一周的富集培养。

产甲烷菌的富集培养:每1 L新鲜矿井水中加入K2HPO40.4 g、Mg Cl22.0 g、KH2PO40.4 g、酵母浸入液1.0 g、NH4Cl 1.0 g、刃天青0.001 g、半胱氨酸盐0.5 g、Na2S 0.2 g、Na HCO30.2 g、乙酸钠2.0 g、KCl 0.2 g、NaCl 2.0 g、微量元素液10.0 mL,调节p H值为7.0。

微量元素液(1 L):氨基三乙酸1.5 g,MnSO4·2 H2O 0.5 g,MgSO4·7 H2O 3.0 g,FeSO4·7 H2O 0.1 g,Na Cl 1 g,Co Cl2·6 H2O 0.1 g,Ca Cl2·2 H2O 0.1 g,Cu SO4·5 H2O 0.01 g,Zn SO4·7 H2O 0.1 g,H3BO30.01 g,Al K(SO4)20.01 g,Ni Cl2·6 H2O 0.02 g,Na2Mo O40.01 g。

2)化学需氧量(COD)测试采用6B-200型COD速测仪,设定温度范围为室温~200℃,控温精度为(165±1)℃,计时范围为1 min~199 min,时间误差为10 min±0.1 s,使用时环境温度为-5℃~65℃。COD值可直接反映溶液中有机质的含量,测试样本选用预处理实验结束前后经600 r/min固液分离的试样。

3)三维荧光测试采用日立F-7000荧光分光光度计,以150 W氙灯为光源,光电倍增管电压为700 V,激发和发射狭缝宽度均为10 n m,扫描速度为1 200 n m/min,激发光波长范围及步长分别为200 n m~400 n m和2 n m,发射光波长范围及步长分别为240 n m~600 n m和5 n m,以超纯水校正拉曼散射。三维荧光光谱可表征可溶性有机质(DOM)来源及结构等理化特征,测试样本选用预处理实验结束后溶液离心后的上清液,采用0.45μm微孔滤膜抽滤,并避光保存于4℃冰箱,备用。

4)XPS测试采用Ther mo Scientific Escalab 250Xi型X射线光电子能谱仪,使用Al Kα阳极激发,宽谱扫描步长为1.0 e V,透过能为100 e V,窄谱扫描步长为0.05 e V,透过能为30 e V。以C1s(284.8 e V)为定标标准进行内标校正。XPS测试可对表面元素定性定量并提供其价态信息,测试样本选用生物产气实验结束后去杂质煤样,煤样置于80℃真空干燥24 h。

2 结果与讨论

2.1 不同菌种预处理煤样的生物产气分析

原煤和三种菌种预处理煤样的生物产气数据见表3。由表3可知,在总产气量和CH4体积分数方面,与原煤Y M相比,St-Y M,Ph-Y M与Ps-Y M的产气效果都有不同程度增加(显著性差异P<0.05)。其中Ph-YM的产气量最大,达到288.00 mL,与Y M的产气量151.50 mL相比,增幅达到90.10%;Ps-YM的CH4体积分数最大,为51.77%,与YM的CH4体积分数34.54%相比显著增加,增幅达到49.88%;在煤的单位CH4产量方面,与YM相比,St-Y M,Ph-Y M和Ps-YM的单位CH4产量都有不同程度增加,增幅各达到了36.90%,165.39%和69.22%。

表3 原煤和三种菌种预处理煤样的生物产气数据Table 3 Biogenic gas production data of raw coal and coal samples pretreated by three kinds of bacteria

2.2 预处理对有机质的影响

三种微生物预处理煤液相的COD变化见表4。由表4可以看出,St,Ph和Ps预处理前,溶液COD值分别为253.45 mg/L,350.80 mg/L和305.25 mg/L。预处理后各发酵液的可溶性有机质含量比降解前显著增加(P<0.05),St-YM,Ph-YM和Ps-YM液相的COD值增幅分别为429.47%,596.94%和446.58%,COD增量来自微生物对煤的生物降解,其中黄孢原毛平革菌预处理煤后产生的有机物含量最多,而绿孢链霉菌相应较差。结合产气结果可知,不同微生物预处理对褐煤产甲烷均有促进作用,预处理后COD增幅明显,这些可溶性有机质的增加为后期微生物繁殖与利用奠定了基础,有利于后期生物产气。

表4 预处理前后褐煤液相的COD变化Table 4 Changes of COD of liquid phase of lignite bef ore and after pretreat ment

2.3 可溶性有机质的变化特征

2.3.1 三维荧光光谱特征

根据荧光分光光度计测试得到样品的三维荧光光谱(3D-EEM)数据,荧光峰特征如图1所示。

根据图1,参照文献[22]可知,在St-YM液相中检测出色氨酸类蛋白质、富里酸类腐殖质、含苯环蛋白质、可溶性微生物代谢物和腐植酸类腐殖质的荧光强度。Ph-Y M液相所含物质的荧光组分与St-Y M液相所含物质的荧光组分相似,同样含有色氨酸类蛋白质和富里酸类腐殖质,也检测出1~2个环的芳族化合物和3~5个环的芳族化合物的荧光强度。在Ps-Y M液相中仅检测出腐植酸类腐殖质和3~5个环的芳族化合物的荧光强度。在三种菌种预处理煤的液相中均检测到类腐植酸物质,该物质可作为产甲烷菌利用的碳源,进而促进煤的生物甲烷化[23-24]。结果表明在褐煤预处理过程中不同微生物对有机质的转化利用存在差异性,在Ph-Y M和St-Y M液相中均检测到大量的可溶性有机质,而在Ps-Y M液相中可溶性有机质较少,Ph和St预处理效果优于Ps预处理效果。

图1 DOM三维荧光光谱特征Fig.1 3Dfluorescence spectral characteristics of DOM a—St-YM;b—Ph-YM;c—Ps-YM

2.3.2 荧光指数

荧光指数f450/f500是指激发波长λEX为370 n m时,荧光发射波长λEM在450 n m与500 n m处的荧光强度比值,该值越小表明含有的苯环结构越多或芳香性越强。荧光指数可作为物质来源指标,陆源(外源)和生物源(内源)DOM的两个端源值分别为1.4和1.9[25-26]。不同菌种预处理的DOM样品的荧光指数见表5。由表5可知,St-Y M和Ph-Y M的荧光指数都接近1.9,表明两者的DOM主要源于微生物活动,而Ps-YM的荧光指数值相对较小,表明溶液中含有的苯环结构较多,芳香性较强,且多来源于外源即煤本身,Ps生物活动的贡献较低(P<0.05)。

表5 不同菌种预处理的DOM样品的荧光指数Table 5 Fluorescence indexes of DOM samples pretreated by different kinds of bacteria

2.4 预处理对煤表面元素和化学赋存状态的影响

煤样的XPS谱如图2所示,样品表面元素的原子摩尔浓度比见表6。

图2 不同煤样的X射线光电子能谱(XPS)Fig.2 X-ray photoelectron spectroscopy(XPS)of different coal samples a—Y M;b—St-Y M;c—Ph-Y M;d—Ps-Y M

由表6可以看出,各煤样中C和O元素的相对含量都相对较高,N和S元素的相对含量相对较低(P<0.05)。St-Y M,Ph-Y M和Ps-Y M表面C元素的相对含量相较于对照组Y M表面C元素的相对含量均出现不同程度降低,分别降低了14.36%,5.54%和17.91%,同时O元素的相对含量和O氧元素与C元素的原子摩尔浓度比(cO∶cC)均有不同程度增加,表明预处理煤中含碳的大分子有机物在预处理过程中被分解转化为含氧的小分子有机化合物,cO∶cC增加促进了生物产气。同时,结合COD数据,这些小分子有机物为后期厌氧微生物菌群生长与产气提供底物基础。

表6 样品表面元素的原子摩尔浓度比Table 6 Atomic molar concentration ratio of elements on speci men surface

利用Avantage分析软件分析XPS谱,选择高分辨扫描图进行平滑处理,去掉基线之后输入峰的横坐标进行调整,之后在Smart模式下进行拟合[27]。对各峰位结合能的归属进行适当选择,不同煤样C1s窄扫谱图分峰拟合过程见图3和表7。

由图3可以看出,有机碳在煤表面的存在结构有四种形态,284.8 e V处的峰归属于芳香单元及其取代烷烃(C—C,C—H),286.3 e V处的峰归属于酚碳或醚碳(C—O),287.5 e V处的峰归属于羰基碳(CO),289.0 e V处的峰归属于羧基碳(O—CO)。由表7可知,产气结束后St-Y M,Ph-YM与Ps-Y M表面芳香单元及其取代烷烃(C—C,C—H)的相对含量较对照组Y M相应含量均有不同程度的降低,分别降低了8.56%,11.68%和6.74%,同时含氧有机碳(C—O,CO,O-CO)的总体相对含量上升,增幅分别为77.25%,105.31%和60.92%。由此说明,生物产气结束后预处理煤表面的芳香单元及其取代烷烃被本源微生物菌群降解,使液相中含有大量的挥发性脂肪酸、酚类和醇类等小分子有机质,这些小分子物质部分能被产甲烷菌利用转化为生物甲烷[28]。

表7 样品的赋存形态归属Table 7 Occurrence for m ownership of samples

图3 不同煤样C1s窄扫谱图分峰拟合Fig.3 Peak fitting of C1s narrow scan spectra of different coal samples a—Y M;b—St-Y M;c—Ph-Y M;d—Ps-Y M

3 结 论

1)S.viridospor us,P.chr ysosporiu m和P.pseudoalcaligenes预处理煤的甲烷产量较原煤的甲烷产量有不同程度增加,分别增加了36.90%,165.39%和69.22%,三种微生物预处理对煤制甲烷有良好的促进效果,P.chr ysosporiu m预处理效果明显优于P.pseudoalcaligenes和S.viridospor us的预处理效果。

2)微生物预处理煤液相的COD值明显升高,预处理煤中的有机物被部分降解,微生物在以煤为碳源的环境中生长状况良好。微生物预处理煤溶液中的大分子有机物以色氨酸类蛋白质、腐植酸和富里酸类腐殖质为主。

3)产气结束后预处理煤表面含氧有机碳(C—O,CO,O—CO)的相对含量高于对照组含氧有机碳的相对含量,挥发性脂肪酸、酚类和醇类等小分子有机质增多,其C元素和芳香单元及其取代烷烃(C—C,C—H)的相对含量减少,且小分子有机质更容易被产甲烷菌利用转化为甲烷。