无烟煤微生物成气中间代谢产物组成及其转化

研究了煤生物成气过程中中间产物的变化规律与成气过程的相互关系。以10 kg沁水盆地山西寺河矿的无烟煤为底物,以寺河矿区煤层气井口出水为菌源,进行了煤生物成气模拟实验,利用气相色谱-质谱联用对不同成气阶段发酵液中间产物进行了分析。实验发现煤生物成气有2个主要的产气周期,芳香环、杂环化合物和苯衍生物在反应初期转化为VFA等,发生在第1个产气周期;而长链烷烃的生成有2个高峰期,分别对应2个产气周期。根据煤生物成气模拟实验中间代谢产物的实验结果,进一步选取乙酸钠、丙酸钠、丁酸钠、己酸为底物,仍以同一煤层气井口出水为菌源,进行产气实验模拟,结果显示乙酸、丙酸、丁酸可以产气,而己酸则对成气呈现抑制作用。以底物计算甲烷产生效率为丁酸>丙酸≈乙酸,丁酸约为乙酸和丙酸的4倍;而以碳数计算时甲烷产生效率则为丁酸>乙酸>丙酸,丁酸约为乙酸的2倍,说明不同的有机酸产甲烷时可能存在有机酸碳数奇偶性的差异。以上结果表明,VFA和长链烷烃在煤生物成气中发挥着重要的作用,而有关煤生物成气中VFA和长链烷烃的生成和转化以及其对成气的影响尚需进一步研究。

外源菌群煤生物气化初步研究:菌群结构、煤种及煤孔(裂)隙

以河南义马煤矿、山西山阴煤矿和双柳煤矿不同煤阶煤为研究对象,利用沼液经逐步驯化得到的外源产甲烷菌群为菌源,在千克级的水平上进行了煤生物气化模拟实验。采用16S rDNA测序对驯化得到的菌源进行初步确定,并研究了驯化菌源对不同煤种的气化效果,采用扫描电镜初步研究了驯化微生物形态与煤孔(裂)隙的可能作用。结果表明,不同煤样外源菌群煤生物气化均存在产气周期,可分为快速、缓慢和抑制3个阶段,而不同煤种气化阶段存在明显差异。16S rDNA测序结果显示,甲烷丝状菌属(Methanothrix)占0.02%,而典型的和煤的骨架芳香结构降解相关的微生物类群占约8%,表明降解步骤是煤生物气化的速控步骤。扫描电镜观察发现,驯化后的菌群以球状和杆状为主,部分微生物进入煤的孔裂隙。当以块状煤为底物长期驯化菌源时,菌群的产气效率明显降低。

褐煤生物产气规律及其液相体系中阳离子变化特征

为研究褐煤生物产气规律及其液相体系中常见阳离子变化特征,以内蒙古胜利褐煤为产气底物,寺河矿区煤层气井排采水中微生物作为发酵菌群,利用5 L厌氧发酵罐进行模拟生物产气实验,采用离子色谱仪对发酵液中的NH4^+、K^+、Ca^2+、Mg^2+和Na^+5种阳离子浓度进行动态监测。结果表明:煤模拟生物产气周期为33 d,分为缓慢增长期、快速增长期和平缓期3个阶段,33 d单位质量煤净产甲烷量最高达23μmol/g;产气体系中NH4^+(741.5 mg/L)和K^+(994.5 mg/L)离子质量浓度变化最为明显,Ca^2+(26 mg/L)、Mg^2+(10.7 mg/L)和Na^+(72 mg/L)次之,表明发酵液中5种阳离子均参与了褐煤生物产气过程,且被不同程度地释放和利用;褐煤生物产气量与阳离子浓度有一定相关性,单位质量煤产气量与NH4^+和K^+浓度呈正相关,与Ca^2+、Mg^2+浓度呈负相关。此外,NH4^+和K^+以及Ca^2+和Mg^2+之间浓度呈显著正相关。由实验结果可知:褐煤生物产气液相体系中NH4^+、K^+、Ca^2+、Mg^2+和Na^+5种阳离子会随着煤中有机组分的厌氧降解而缓慢释放、再吸附,同时可被微生物利用参与细胞内的生物化学反应。

褐煤高温水萃物生物产气及化学组成变化

微生物与煤的相互作用过程复杂,为了深入分析煤中有机物在生物产气过程中的作用及变化规律,选取义马褐煤和实验室保存的产甲烷菌群作为研究对象,研究褐煤水溶性有机物产气特征及其产气前后化学组成变化。利用去离子水在70℃下萃取褐煤得到水溶性有机物、水萃余煤,分别以其作为底物开展生物产气实验,并利用甲醇对产气后的残煤进行有机萃取,采用GC、HPLC-MS和GC-MS方法分析产气量变化及发酵液和煤甲醇萃取物的化学组成。结果表明,褐煤原煤、水溶性有机物和水萃余煤的产气量分别为0.46、0.45和0.15 mmol/g。产气初期水溶性有机物化学组成复杂,分子量主要集中在200~300 Da,生物产气后化合物种类减少,分子量降至150~200 Da,并且产气后发酵液中检测到一些分子中具有苯环结构的含氮和氧杂原子的化合物。水萃余煤生物产气后的甲醇萃取物中出现少量水溶性化合物如甲酰胺、乙酰胺、亚硫酸二甲酯等。70℃萃取得到的义马褐煤水溶性有机质能被产甲烷微生物利用产气,经过生物产气后煤中非水溶性有机物会转变成水溶性有机物。本研究探索了褐煤中水溶性有机物在生物产气过程中的潜在作用,为阐明煤生物产气的物质基础提供了实验依据。

褐煤生物制气产气率影响因素初步研究

对河南义马的褐煤煤样,开展了5、10、20 g用量水平及75 kg用量水平生物气化实验,结果表明,微生物可以利用褐煤产生甲烷,5、10和20 g煤粉的产生甲烷效率分别为765、686、521μmol/g,75 kg煤块的产甲烷效率为7.77μmol/g。产气效率随煤用量的增加而降低。块煤暴露在外的表面积少,能够被微生物作用的部分少,产气效率的降低尤其明显,说明提高产甲烷量不能单纯靠提高煤的用量,而应该增加微生物与煤直接接触的面积,相关技术还有待研究。

煤中重金属质量浓度的测定及潜在生态风险评价

采用硝酸/氢氟酸+硼酸两步微波消解法对山西4个矿区煤样进行样品前处理,利用ICP-MS法同时测定煤中9种重金属元素,对其中5种重金属元素污染状况及潜在生态风险进行评价。结果表明:各被测元素的质量浓度与对应的强度呈线性关系,相关系数均在0.9998以上,RSD为0.34%~6.59%,加标回收率大部分在80%~120%之间;单一重金属污染物潜在生态风险系数及多种重金属污染物综合潜在生态风险指数均属轻微生态风险级别;寺河煤矿、三元煤矿和襄垣煤矿的Cd潜在生态风险系数最大,污染水平最高,其次是As,而车寨煤矿的As污染水平高于Cd污染水平,可将Cd暂定为4个矿区的首要污染元素。

雅致小克银汉霉与芽孢杆菌联合降解义马煤产腐植酸

微生物降解是煤炭清洁高效利用的重要方式之一,但真菌细菌联合培养对煤的降解效果尚无定论。以雅致小克银汉霉(Cunninghamella elegans)和芽孢杆菌(Bacillus sp.)为降解菌,以硝酸氧化的义马煤为底物进行了煤的联合降解实验。利用紫外-可见分光光度计、p H计、电感耦合等离子体质谱仪对降解液的吸光度A450、p H、金属元素(Cr、As、Mn、Pb、Co、Ni、Cu、Zn、Mo)质量浓度进行测定。利用元素分析仪、红外光谱仪、气质联用仪对产物腐植酸进行分析。研究结果显示雅致小克银汉霉(Cunninghamella elegans)、芽孢杆菌(Bacillus sp.)、混合菌的腐植酸产率分别为58.17%、61.00%、67.17%,混合菌降解液的pH与细菌接近,混合菌降解的腐植酸样品中检出细菌的特征性产物而真菌的特征性产物则未检出,说明两株菌联合强化了碱性环境,提高了硝酸氧化煤的降解率,降解过程中细菌起主导作用。金属元素(Cr、As、Mn、Pb、Co、Ni、Cu、Zn、Mo)在降解过程中从煤迁移到了降解液,其中Cr、As、Pb、Ni、Cu、Mo的质量浓度与A450拟合的判定系数(R2)大于0.6,说明降解液中这6种金属元素的质量浓度可表征降解率的相对大小。化学提取腐植酸与生物提取腐植酸均富含羧基、羟基、羰基等活性官能团、长链脂肪酸(C16、C18)和4种吡咯衍生物,生物提取腐植酸还含有分子量较小的脂肪酸(C3、C4、C5、C13、C14、C15)、2种吡咯衍生物和呋喃等含氮化合物,生物提取腐植酸的C、H元素质量分数高于化学提取腐植酸。

煤炭生物气化中间产物小分子酸的研究

对煤炭生物气化中间产物小分子酸定性、定量分析及浓度变化情况进行研究。利用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用方法,来研究萃取时间、温度等条件对萃取效率的影响。最终确定各个条件:采用PA萃取纤维,时间20min,温度50℃,溶液盐度30%,溶液酸度pH值1.2。结论:建立了一套顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用快速测定煤生物气化过程中小分子酸的方法。

预处理时间对煤炭生物成气的影响研究

为了研究预处理时间对煤炭生物成气的影响,利用双氧水对寺河地区高阶煤进行预处理,并对预处理过的煤粉清洗干燥后进行生物成气试验。结果表明,经过双氧水处理后煤样的最高产气量是原煤产气量的2倍,而且,并不是预处理时间越长产气效果越好,处理时间太长可能会抑制产气,经双氧水处理过48 h的煤样用于生物成气,成气效果优于其他处理时间的煤样。不同预处理时间的样品产气中的CH_4和CO_2含量随着实验时间的增加逐渐增大,基本都是在实验第5周达到最大值;在整个产气过程中CH_4的生成速率远远高于CO_2的生成速率。

实验室条件下褐煤生物制气培养基的简化实验

以简化培养基配方、降低培养基成本为目的,在实验室条件下对褐煤进行了去除培养基不同组分的生物成气模拟实验。在此基础上,对关键组分进行浓度优化。结果表明:去除M培养基中不同组分的实验均可产生CH4。其中去除酵母粉对CH4生成量的影响最大,而微量元素、维生素和EDTA对CH4生成量影响较小。考虑到后三组分占总成本的85%,故可去除。而关键组分酵母粉添加量降低为1 g/L时较经济。

发酵罐中不同菌源降解甘肃煤和内蒙古煤产甲烷效果分析

以甘肃煤层气井排采水和内蒙古地区煤层缝隙渗水作为本源菌,活性污泥作为外源菌,经驯化后分别对两地区煤在190 L大型发酵罐内进行生物降解产甲烷实验。分析了两种菌源降解煤过程中发酵罐压力、甲烷体积分数、产甲烷总量、产气规律及两种菌源降解本地区煤产甲烷的代谢途径。结果表明:经驯化后的甘肃地区本源菌在对本地区煤生物降解产气过程中,发酵罐最高压力在第32天达45.80 kPa,甲烷体积分数为30.57%,产甲烷总量为8.97 L,加入营养液后,发酵罐最高压力在第15天达121.00 kPa,甲烷体积分数为38.22%,产甲烷总量为29.55 L,产甲烷率为2.95 mL/g;经驯化后的内蒙古地区本源菌对本地区煤生物降解产气过程中,发酵罐最高压力在第21天达70.56 kPa,甲烷体积分数为32.78%,产甲烷总量为14.89 L,加入营养液后,发酵罐最高压力在第14天达140.73 kPa,甲烷体积分数为40.02%,产甲烷总量为36.10 L,产甲烷率为3.61 mL/g;在加入营养液后,经驯化后的活性污泥外源菌分别对甘肃煤和内蒙古煤生物降解的产气实验均出现了产气高峰提前、产气速率提高、产甲烷总量增加的现象,说明营养液的加入对煤生物降解产气产生了促进作用,经驯化后的活性污泥外源菌分别对甘肃煤和内蒙古煤生物降解的产气规律相似,加入营养液后,甘肃煤产甲烷出现两个高峰期,分别出现在第14天和第41天,发酵罐最高压力达183.58 kPa,最高甲烷体积分数为50.22%,最终产甲烷总量为59.08 L,甘肃煤和内蒙古煤产甲烷率分别为5.91 mL/g和5.90 mL/g;驯化后的活性污泥外源菌较本源菌对甘肃煤和内蒙古煤降解产甲烷效果更好,且外源菌在煤生物降解产甲烷后期,利用CO_(2)还原产甲烷途径较为明显。甘肃地区本源菌对本地区煤生物降解产甲烷能力较差,原因可能为本源菌液中硫酸盐含量较高,硫酸盐还原菌生长成为优势菌种,并对产甲烷菌产生了抑制作用,不利于煤中有机质被利用产生甲烷。

煤层气开采活性水压裂杀菌剂效果评价

为探究山西沁水煤层气开采活性水压裂过程中杀菌剂对压裂液的影响,以微生物培养为基础,使用与沁水煤层气开采压裂相同的活性水压裂液成分,采用好氧、厌氧以及测试瓶培养的方法,进行了菌群计数,分析了总菌群、腐生菌、硫酸盐还原菌与铁细菌成长规律。结果显示,压裂液中压裂砂的加入会引起总菌数、硫酸盐还原菌、腐生菌、铁细菌数大量增加;从24 h到48 h,虽然添加了杀菌剂,但细菌总数还是会增长,结合铁细菌的好氧性,以及腐生菌的多重副效反应,配好的压裂液应与氧气隔绝并尽快使用,防止未被杀死的微生物繁殖,从而影响压裂液中杀菌剂的效果。最终确定杀菌剂最佳浓度为0.05%,且保持厌氧环境。在此最佳条件下杀菌剂对活性水压裂液中的总细菌、硫酸盐还原菌、腐生菌、铁细菌的杀菌率分别为60%、92%、50%、93%。