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。

微生物降解褐煤产气实验研究

对内蒙古神华胜利褐煤(NM)、云南昭通露天煤矿新揭褐煤(YN)和河南义马褐煤(YM)进行了生物强化产气研究,通过检测甲烷体积分数、产甲烷量、气体组分变化探讨微生物产甲烷特征。结果表明:煤层气井产出水经过富集培养,菌群数量明显增长,产甲烷作用明显被激活,产甲烷能力显著增强。经过多次加煤驯化,富集菌群可以适应加煤条件并进行较强的产甲烷作用,为后续实验提供了稳定高产的菌源。三种褐煤均能被微生物降解产甲烷,但产甲烷高峰期出现时间不同,YN实验组有一个峰期,YM实验组有两个峰期,NM实验组有三个峰期。三种褐煤产甲烷效率由高到低的顺序为YM,NM,YN。微生物降解煤产生的生物气主要有CH_4,CO_2和H_2。整个成气过程中CO_2体积分数和CH_4体积分数呈现负相关关系,H_2由于消耗大在体系中几乎没有留存。

预处理前后厌氧条件下的生物成气实验模拟研究

为了模拟生物成气过程以及对比经过兼性好氧微生物预处理后的煤样产气过程是否发生了变化,在实验过程中加入培养基用以提高体系中产甲烷菌的活性。这一主旨对于如何改善体系中营养物质平衡,促进菌群良性生长具有指导意义。

龙泉煤层气田产甲烷菌群富集的厌氧产气中试研究

为探讨龙泉煤层气田产甲烷菌群降解烟煤产甲烷的潜力,研究富集并驯化了龙泉煤层气田产甲烷菌群;以龙泉矿烟煤为母质,开展产甲烷菌群降解煤产气的实验室研究以及中试研究。结果表明,龙泉煤层产甲烷菌群经富集驯化后,降解烟煤产甲烷的浓度由8.2%上升至19.0%,且产气周期缩短。中试试验中,产甲烷浓度最高达27.06%,产甲烷速率达0.159 m L/(g·d);且在中试发酵产气的衰退期,向发酵罐内添加酵母粉、氮源、磷盐、镁盐、维生素、微量元素,可重新激活产甲烷菌群的活性,使其降解烟煤产甲烷的浓度回升。由此可见,富集驯化龙泉煤层产甲烷菌群可显著提高其降解烟煤产甲烷的能力;在发酵产气衰退期补加营养物质,可以活化产甲烷菌群,恢复其降解烟煤产甲烷的能力。

赵庄井田产甲烷菌群富集与产气条件优化

赵庄煤层气井水中富集产甲烷菌群,可优化产气能力。采用厌氧富集得到本源菌群,通过正交试验优化产气条件。水样中存在产甲烷菌群,实验室条件下最优产气条件:NH_4Cl为1. 0 g/L,K_2HPO_4为1. 5 g/L,MgCl_2为0. 1 g/L,煤粉添加量160 g/L,60 d产甲烷量达18. 07%。赵庄井田产甲烷菌群通过富集可以降解无烟煤产气,通过条件优化可提高其降解无烟煤产气的能力。

NaOH预处理对无烟煤生物甲烷转化的影响

选用浓度为0.01、0.1、0.3 mol/L的NaOH溶液对无烟煤进行预处理,通过检测不同浓度NaOH预处理所得残煤、滤液及其混合物的生物甲烷产量,研究NaOH预处理对无烟煤生物甲烷转化的影响。结果显示,高浓度NaOH预处理可以显著提高固体煤的产气量;不同浓度处理后的滤液也有生物甲烷的产生,说明NaOH作用于煤结构,使小分子有机物溶出;煤与滤液产气之和显著大于混合条件下产气量,在工程实际运用中,可考虑先抽出煤层预处理后产生的液体,然后注入微生物以提高产气量。

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。

煤制生物气产出规律及其同位素分馏效应

为了探索生物成因煤层气机理,选取低阶煤作为煤制生物气的母质,采用携带产甲烷菌的煤层矿井水为菌源,在高纯氮气环境中向500 mL产气瓶(反应瓶)中加入40 g煤样、20 mL富集后的菌种液、380 mL培养基完成接种,之后将产气瓶置于37℃下的振动培养箱中开展为期90 d的厌氧产气模拟实验。研究结果显示,在厌氧封闭条件下,气体产出方式以乙酸发酵为主,产气效率较慢,产气过程受环境pH值的影响较大,进入产气稳定期后(>30 d),pH值与校正后的产气量随产气时间延续总体呈现同步变化规律,产酸菌与产甲烷菌的数量、丰度和活性直接影响了产气环境的pH值和产气量。产出气组分以CH4和CO2为主,存在极少量的氢气,气体组成偏干,CH4和CO2含量随稳定产气时间的延长呈现明显的同步变化规律。90 d的产气过程中,δ^13C1值均小于-55‰;δ^13C(CO2)值介于-20.8‰^-10.7‰,平均为-16.38‰;δD1值介于-361‰^-332‰,平均为-348‰,可以判定产出气中CH4和CO2均为有机生物成因气;煤制生物气中CH4和CO2碳同位素组成变化的主要原因是2次重要的继承性同位素分馏效应造成的,第1次分馏作用发生在生成乙酸过程中,由于有机母质本身脂族甲基碳同位素组成偏轻,而羧基碳同位素组成偏重,这种碳同位素组成特点在生成乙酸过程中得以继承;第2次分馏作用发生在乙酸发酵生成CH4和CO2过程中,乙酸中的甲基通过加氢形成CH4,而羧基通过去氢形成CO2,造成甲基本身的轻碳同位素被分馏到CH4中,而羧基的重碳同位素被分馏到CO2中。因此总体表现出产出生物气的轻碳同位素被分馏到CH4中,而重碳同位素被分馏到CO2中,δ^13C1越轻,δ^13C(CO2)越重,两者呈现负相关关系;90 d的产气时间里,微生物作用时间越长,甲烷碳同位素组成越轻,具有明显的富集轻碳同位素的趋势。

煤层气井的生产管理

文章主要结合西区40口井排采经验和教训参照国内外煤层气井排采的成功经验,对煤层气井的生产管理进行总结。

寺河矿区产甲烷菌群降解不同阶煤的能力研究

了解寺河矿区产甲烷菌群对不同阶煤的降解产气能力。分别以褐煤、肥煤和无烟煤为实验对象,展开煤炭生物成气实验。实验结果显示:寺河矿区产甲烷菌群能够较好地降解煤产气,且相比于变质程度更高、煤阶更高的无烟煤,煤阶较低的褐煤可产生更多的甲烷气体,并具有产甲烷初始时间提前、产气周期更长等特点。

沁水盆地寺河矿区煤层水古菌群落结构多样性分析

从煤层气井的排采水中收集微生物菌体,提取DNA作为模板,扩增目的基因片段,构建16S rDNA基因文库,采用HhaⅠ和MspⅠ两种限制性内切酶进行双酶切分型,测序结果与Gene Bank序列进行比对并构建系统发育树。结果显示,沁水盆地寺河矿区煤层水中的古菌归类于广古菌门(Euryarchaeota,100%),全部为产甲烷古菌,其中甲烷微菌纲(Methanomicrobia)占文库的93.13%,甲烷杆菌纲(Methanobacteria)仅占6.87%,以H_2/CO_2和乙酸为主要营养类型。由此得出,沁水盆地寺河煤层气田存在有经微生物代谢途径增加煤层气产量的可能性。

一种煤层厌氧微生物分段连续培养和产物收集装置

本发明具体为一种煤层厌氧微生物分段连续培养和产物收集装置,通过厌氧培养液自动加注和培养条件分段控制,实现针对煤微生物分段培养、连续发酵及相关产物的收集。

煤地质环境微生物总基因组DNA提取方法的优化

高质量的DNA是进行分子生物学研究的基础。通过对传统DNA抽提方法(酚-氯仿法)进行改进,并以Rhodococcus sp.R04和煤粉为实验材料对细胞破碎条件进行优化,建立了一种可用于煤地质环境微生物基因组DNA高效提取的改良方法。以改良法和商业试剂盒提取煤地质环境微生物基因组DNA,通过琼脂糖凝胶电泳、细菌及古菌特异性片段的PCR扩增来评价所提取DNA的质量。改良法和试剂盒法均能获得煤地质环境微生物基因组DNA,并能用于多种特异性PCR扩增。与试剂盒提取的DNA相比,改良法获得的DNA片段主带明显,约占总DNA含量的50%,分子量大小接近23 kb,并且提取量大,约为试剂盒的5-10倍。同时,能用于如DNA文库构建和宏基因组测序等。此外,改良法所用试剂普通,价格便宜,提取的煤地质环境微生物基因组DNA质量较高,适于实验室和科学研究。

沁水煤田赵庄矿区煤微生物产甲烷能力分析

为提高沁水煤田赵庄矿区的煤层气井产量,以煤地质微生物产甲烷理论为基础,采取本矿区煤层气井水,在荧光显微镜及古菌16s r DNA V6高变区宏基因组测序验证菌源可靠性后,采用厌氧培养的方法,分别在小型玻璃瓶和中型发酵罐中开展了为期49 d的煤炭生物转化模拟试验,分析了成气过程中菌群数量变化、成气规律,进行了产气试验后煤的工业分析、煤表面扫描电子显微镜观察。结果显示,小型和中型模拟试验中所产甲烷气体含量分别高达25%、31%;2个模拟试验菌液中菌群数量的变化均为缓慢增长、显著增加、趋于减缓3个阶段,与成气规律基本一致;对试验前后煤样工业分析进行比对后,发现固定碳含量和挥发分都有所下降;且观察到附着在煤表面进行煤降解的产甲烷菌群落。山西沁水煤田赵庄矿区的本源产甲烷微生物菌群可以对煤进行有效降解,并产生甲烷。

煤的生物厌氧降解产气模拟及现场工业试验

针对赵庄地区煤层气井地面抽采效果差的问题,煤与煤层气共采国家重点实验室在实验室模拟生物厌氧降解煤产气的基础上,在赵庄矿区开展煤层气井现场注入培养基工业试验,考察微生物降解煤增产煤层气的效果。结果表明:煤层水和煤的共富集产气量高于煤层水的富集产气量;发酵罐放大模拟培养时,产气量达5.5 m^(3)/d;现场注入培养基后,甲烷产量增长了8 m^(3)/d;Mg^(2+)、K^(+)、Cl^(-)、PO_(4)^(3-)等离子浓度先升后降,SO_(4)^(2-)离子浓度总体下降,可能是因为在井下流失或是被菌群生长利用。培养基的注入提高了菌群的丰富度,为产气提供了有力条件。同时为了解决培养基一次性注入排采存在的弊端,提出了培养基补加循环系统的设想。

西山矿区产甲烷菌群的富集培养及产气条件优化

采用无氧操作技术,富集培养西山矿区产甲烷菌群,从而模拟生成煤层次生生物气。通过正交实验优化成气条件考察了培养基中NH_4Cl浓度,K_2HPO_4·3H_2O浓度,MgCl_2·6H_2O浓度,酵母粉浓度对富集成气效果的影响,得出西山矿区产甲烷菌群富集成气培养基的最适浓度:m(NH_4Cl)=0.6 g/L,m(K_2HPO_4·3H_2O)=1.0 g/L,m(MgCl_2·6H_2O)=0.3 g/L,m(酵母粉)=1.5 g/L,并模拟生物成气过程进行验证培养,对其成气效果进行初步评价。

寺河矿无烟煤生物产气模拟

为了研究无烟煤原始状态下的生物产气规律,以10 L玻璃发酵罐为装置,采用无烟煤块煤填料的方法模拟了寺河地区煤炭生物产气过程,检测了产气过程中产气量和产气前后煤质的变化。结果表明,无烟煤煤层水中产甲烷菌群能被激活,可利用无烟煤块煤中有机质来生长和代谢并产生CH4,提升煤层的含气量。

产甲烷菌的分类及研究进展

甲烷是重要的温室气体,也是新的清洁能源。甲烷是产甲烷菌代谢的最终产物。产甲烷菌基因组学的研究使人们对其基因信息、结构和代谢有了更深的认识。产甲烷菌的代谢底物类型有很多种,嗜冷产甲烷菌是甲基营养型,H2/CO2和(或)甲基类化合物是其主要的代谢底物类型。嗜温产甲烷菌代谢底物类型最多,H2/CO2、甲基类化合物和乙酸盐均有可能作为底物利用。H2/CO2和甲基类化合物是嗜热产甲烷菌的主要前体物质。

利用宏基因组学技术分析煤层水中细菌多样性

煤层气是一种重要的能源资源,有生物成因和热成因两种类型。生物成因煤层气是在煤层微生物的作用下形成的。本研究通过向煤层气井中注入培养基,采用宏基因组学技术对煤层水中细菌菌群的组成多样性进行分析。结果表明,在培养基注入前后,煤层水中微生物均具有较丰富的多样性,注入前丛毛单胞菌科、甲基球菌科、假单胞菌科、鞘氨醇单胞菌科和嗜甲基菌科的微生物为优势菌种。注入3个月后,优势菌种主要为链球菌科、丛毛单胞菌科、嗜甲基菌科和红环菌科。注入6个月后,红环菌科和甲基球菌科的丰度最高。主成分分析显示,红环菌科、甲基球菌科、弯曲杆菌科、鞘氨醇单胞菌科、假单胞菌科、丛毛单胞菌科、嗜甲基菌科和链球菌科8个科的微生物对生物成气过程有重要影响。细菌菌群的ɑ多样性从chao1、ACE、Shannon、npS hannon和Simpson指数进行分析,结果显示,培养基的注入能显著增加物种的多样性。本研究结果为解析煤层生物成气过程中微生物的动态变化提供了依据。

基于mcrA基因的沁水盆地煤层气田产甲烷菌群与途径分析

【目的】分析沁水盆地煤层气田不同煤层气井产出水样中产甲烷菌群和生物成因气的生成途径。【方法】以甲基辅酶M还原酶基因(mcr A)作为目标基因,采用454焦磷酸高通量测序方法,同时比对NCBI功能基因文库中的mcr A序列,分析不同煤层气井产出水中的产甲烷菌群。【结果】高通量测序表明,5个出水样产甲烷菌群OTUs(Operational taxonomic units)数为64–157个,共有的为22个,各占样品总数14%-34%;样品共检测到4种已知菌属,即甲烷杆菌属(Methanobacterium)、甲烷微菌属(Methanomicrobium)、甲烷叶菌属(Methanolobus)和甲烷螺菌属(Methanospirillum),优势菌属均为Methanobacterium。系统发育分析表明,未明确地位的菌属主要与Methanobacterium、Methanomicrobium、产甲烷球菌属(Methanococcus)和甲烷囊菌属(Methanoculleus)有较近的亲缘关系。5个样品中菌属所占比例不同,检测到的菌属类别大致相同。所有检测样品生物成因煤层气(Coalbed methane,CBM)的生成途径主要为氢营养型产甲烷途径。【结论】沁水盆地不同煤层气田产甲烷菌群菌种差异比较大,但生物成因气生成途径基本相似,与地理位置和煤藏条件没有相关性。