不同物质对无烟煤生物转化的影响研究

元雪芳，任恒星，郭 鑫，牛江露

（1.煤与煤层气共采国家重点实验室，山西 晋城 048000；2.易安蓝焰煤与煤层气共采技术有限责任公司，山西 晋城 048000）

煤层气属于非常规天然气，是近年来在国际上崛起的洁净和优质能源。我国能源结构正处于一个转型关键期，在“十四五”规划中提出要加快煤层气产业的发展，因此，煤层气、页岩气等非常规能源行业将面临巨大的发展机遇。

我国是一个富煤、贫油、少气的国家，煤炭作为主要能源直接燃烧会带来很多环境问题，煤的清洁利用成为当下国内外研究的热点。煤中含有丰富的有机物，能够被微生物利用、降解，煤的生物转化就是微生物将煤分子中的这些可利用有机物进行降解或分解变为甲烷气的过程[1]。

近年来，国内外学者对煤层中生物甲烷的生成过程和机理有了较为深入的认识，也证实煤层微生物能够降解煤产甲烷[2-3]。煤的生物降解是一个非常复杂的过程，主要分为水解、酸化、产乙酸、产甲烷4个阶段，其中水解阶段是厌氧生物降解的限速步骤[4]。很多学者通过改变物理条件（如温度、pH值[5]）、化学条件（如氧化还原电位、对煤进行预处理[6]）、生物条件（添加淤泥、沼液等外部菌源[7-8]）来达到生物强化产气的目的。武俐等[9]的研究表明，生物产气过程中微量元素的变化与产气过程有很强的相关性。微量元素是微生物生长所必需的营养素，也是微生物生长和代谢的重要酶成分[10]。

本文以煤层气井产出水为菌群来源，以山西太原西山矿区煤样为底物，通过在基础培养基中加入不同的物质，对比各实验组之间的产气能力，寻找可以提高厌氧体系产气量和产甲烷量的方法，从而达到生物强化的目的。

1 实验与方法

1.1 材料

1.1.1 煤样

实验所用煤样采自西山矿区。将煤样表面氧化层用铁锤剥离，并敲碎成大小为1 cm左右的块状，放入厌氧瓶中充氮气保护，并将其快速转移至厌氧箱中备用。西山煤样的工业分析按照GB/T 30732—2014进行，结果见表1。

表1 西山煤样的工业分析结果 %

1.1.2 主要仪器和设备

HIRAYAMA HVE-50灭菌锅，安捷伦7890A气相色谱，500 mL的厌氧瓶，DWS厌氧操作箱，LRH-500F恒温培养箱。

1.1.3 基础培养基的成分

基础培养基成分（质量浓度）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的刃天青作为氧化还原的指示剂，于121℃灭菌20 min后放入厌氧箱中除氧备用。

1.1.4 菌源

以山西晋城寺河矿区121#煤层气井产出水为菌群来源，水样通过活菌计数法测得每毫升总菌数为1.52×106个。

1.2 实验设计

产气实验分为6组，每组设置5个平行样，组别设置见表2。其中，A组仅使用产甲烷基础培养基（成分见1.1.3节），作为基础组；B组中加入啤酒厂生产用的啤酒原液1 mL；N组中加入土壤浸出液20 mL；K组为未添加基础培养基的空白对照实验组；WE组中加入了麦芽汁20 mL；O组中加入了甘油20 mL。所有操作均在厌氧箱中进行。

表2 产气实验组设置

1.3 甲烷气体组分测定

甲烷气体含量采用安捷伦7890A气相色谱仪进行测定，色谱柱为Agilent Carbonplot（60 m×320 μm），载气为高纯氮气，填充柱进样口温度150℃，隔垫吹扫流量3 mL/min，进样量500 μL，柱箱温度25℃，保持7.5 min，检测器为TCD。检测温度200℃，参比流量400 mL/min，尾吹流量8 mL/min。

1.4 产气量的计算

采用排水集气法测定体系内总的产气量。

2 结果与分析

2.1 添加不同物质对产甲烷的影响

各实验组产甲烷的对比如图1所示。由图1可知，甲烷的累计产生量随时间的增加而增加，甲烷浓度的变化总体可以分为快速增长阶段、平稳增长阶段和稳定阶段。在产气实验考察时间内，只添加基础培养基的A组产甲烷体积分数达到13%左右，未添加培养基的空白对照K组产甲烷体积分数为12%左右，说明想要降解无烟煤产甲烷比较困难；B组产甲烷体积分数达到18%左右，N组产甲烷体积分数达到15%左右，说明B组和N组添加的有机质可以被微生物利用从而产生甲烷；WE组产甲烷体积分数仅为8%左右，O组产甲烷体积分数为11%左右，和空白组K组以及基础组A组相比，这两组添加的物质明显对系统中的微生物有抑制作用。

图1 各实验组产甲烷体积分数的对比

2.2 发酵体系中生物气的组成

各实验组产气的组成见图2。从图2中可以看出，整个厌氧系统中主要的气体成分为甲烷、二氧化碳和氢气，且除了WE组中产生了体积分数10%左右的氢气、A组和B组中有少量氢气产生外，其他实验组未检测到氢气组分，原因可能是整个厌氧体系中缺乏发酵性微生物的存在，水解阶段是整个厌氧发酵过程的限速步骤[6,11]。

从图2还可以看出，第10天为甲烷和二氧化碳浓度的关键变化点，产气实验前10 d，二氧化碳作为主要产出气体，其浓度高于甲烷气体（O组除外），10 d后随着甲烷含量的增长，二氧化碳含量呈现明显下降趋势，两者含量呈负相关性，表明整个厌氧体系中甲烷的产生主要是通过了CO2还原途径[9,12-13]。

图2 各实验组气体组分的组成

2.3 添加不同物质对产气量的影响

各实验组总产气量和产甲烷量见图3。从图3可以看出，相对于空白组K组来说，除O组外，其余实验组产气量和产甲烷量都有提高，说明加入寺河矿井水中的本源微生物可以降解煤产甲烷；相对于基础组A组来说，WE组和B组有明显产气优势，说明加入麦芽汁和啤酒原液对体系中的微生物有明显促进作用，更利于生物气的产生。

图3 各实验组总产气量和产甲烷量

从图3还可以看出，相对于A组来说，WE组虽说产甲烷量高出55%，但结合图1、2来看，WE组产生的甲烷浓度并不高，其体系中的主要成分为CO2和H2，说明整个体系可能因为麦芽汁的加入导致前期发酵性细菌过剩繁殖，使体系内出现酸化现象，从而使甲烷菌无法利用氢气和二氧化碳产甲烷。对于N组来说，总的产气量虽没有A组高，但是产甲烷量却较A组高5%，可能原因是土壤浸出液的加入稀释了原有培养基和土壤浸出液中的微量元素是甲烷菌生长代谢的重要酶组分。对于B组来说，其产甲烷量较A组提高了78%，结合图1、2可以看出，B组在第30天之后又有一个小的快速产气期，说明甲烷菌对厌氧体系有一定的适应过程，可以很好地利用前期菌群的产物产甲烷。对于O组来说，甘油的加入为厌氧发酵提供了比煤样更好利用的碳源，但却表现出了抑制作用，说明添加甘油抑制了整个体系中菌群的活性。

3 结 论

3.1 在以寺河矿区煤层水为菌群来源、以西山矿区煤样为底物的产气体系中，随着甲烷的产生，二氧化碳含量呈下降趋势，两者浓度呈负相关性，表明体系中的菌群主要利用二氧化碳还原途径产甲烷。

3.2 B组和N组的添加物质（啤酒原液和土壤浸出液）有效地提高了体系的产甲烷量，两者产甲烷量较基础组A组分别提高了78%和5%；WE组添加物（麦芽汁）提高了整个厌氧体系总的生物气产量，但其甲烷浓度较空白组K组有所降低，可能是由于发酵性细菌的大量产生导致了厌氧体系的酸化，从而抑制了甲烷的产生；O组的添加物（甘油）可能对整个厌氧体系中菌群活性起到抑制作用，导致产气量和产甲烷浓度较空白组基本无差别。