趙國(guó)俊 郭紅玉,2

(1.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，454003 河南焦作；2.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁(yè)巖)氣河南協(xié)同創(chuàng)新中心，454000 河南焦作)

0 引 言

煤炭的降解轉(zhuǎn)化研究分為兩方面，一方面直接從降解煤炭產(chǎn)物中提取有用物質(zhì)，如微生物降解轉(zhuǎn)化煤炭的產(chǎn)物可以直接作為植物生長(zhǎng)的促進(jìn)劑使用[1]；另一方面繼續(xù)利用降解產(chǎn)物，在降解產(chǎn)物中加入?yún)捬跷⑸?，生成甲烷等清潔能源[2]。目前，學(xué)者們主要通過(guò)化學(xué)和物理方式對(duì)煤進(jìn)行處理以提高煤的轉(zhuǎn)化效率[3-4]。其中，化學(xué)處理機(jī)理是通過(guò)打斷煤大分子間的化學(xué)鍵，減小相互之間的作用力和螯合作用[5]。物理處理機(jī)理主要是提高菌群與煤的接觸面和親和性，加快煤的溶解和降解過(guò)程。部分微生物可以分解并利用煤產(chǎn)物，產(chǎn)生清潔能源，這被稱為煤的微生物轉(zhuǎn)化。大多數(shù)是通過(guò)微生物分泌產(chǎn)生胞外酶來(lái)降解煤，例如通過(guò)木質(zhì)素過(guò)氧化物酶和漆酶等木質(zhì)素降解酶實(shí)現(xiàn)煤液化、氣化及溶解[6-8]。相對(duì)于物理化學(xué)處理，微生物處理具有工藝簡(jiǎn)單、反應(yīng)條件溫和、能耗低、環(huán)境污染小等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為了研究的重點(diǎn)[9-11]。煤炭的微生物轉(zhuǎn)化研究始于20世紀(jì)80年代，F(xiàn)AKOUSSA[12]發(fā)現(xiàn)一些細(xì)菌能利用煤的有機(jī)提取液作為唯一的碳源，溶解部分天然煤。COHEN et al[13]發(fā)現(xiàn)白腐菌和真菌能使風(fēng)化褐煤降解為液態(tài)物質(zhì)。近年來(lái)，GONZALO et al[14]已經(jīng)通過(guò)生產(chǎn)專用木質(zhì)素降解酶來(lái)完成木質(zhì)素的完全降解。影響煤炭降解轉(zhuǎn)化效率的因素較多，如菌群結(jié)構(gòu)、溫度、pH值、Eh值、螯合劑和微量元素、培養(yǎng)方式等，但目前煤的生物轉(zhuǎn)化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最為關(guān)注的是煤階、粒徑與降解時(shí)間三個(gè)主要因素，因室內(nèi)研究的目的是為現(xiàn)場(chǎng)煤層提供參考，降解期間采用靜置培養(yǎng)方式得出的結(jié)論更有指導(dǎo)意義。

基于生物轉(zhuǎn)化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)關(guān)注的主要因素，本研究以綠孢鏈霉菌為降解菌種，進(jìn)行了不同轉(zhuǎn)化條件(煤階、粒徑、降解時(shí)間)下的降解正交試驗(yàn)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試溶液的COD值、殘煤的元素含量與煤的親水性，分析綠孢鏈霉菌的降解作用對(duì)不同煤階煤的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品采集與制備

采集內(nèi)蒙古伊敏褐煤(H)、山西馬蘭肥煤(F)和陽(yáng)泉寺家莊礦無(wú)煙煤(W)，密封帶回實(shí)驗(yàn)室磨成粉末，分別篩分出0.10 mm～0.15 mm，0.18 mm～0.25 mm和0.42 mm～0.85 mm的煤樣。為避免煤樣中微生物對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，將煤樣放入75%的酒精中15 min進(jìn)行滅菌，之后放入60 ℃的干燥箱中干燥至恒重，保存?zhèn)溆?。煤樣的工業(yè)分析按照GB/T 30732-2014進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 煤樣的工業(yè)分析

1.2 菌種活化與富集

綠孢鏈霉菌(Streptomycesviridosporus)來(lái)源于中國(guó)微生物菌種保藏管理委員會(huì)普通微生物中心(China General Microbiological Culture Collection Center，CGMCC)，菌種編號(hào)為CGMCC 4.1770，其生物危害程度為四類，需氧類型為好氧型。0038 ISP-2培養(yǎng)基：酵母提取物4 g，麥芽提取物10 g，葡萄糖4 g，瓊脂15 g，蒸餾水1 L，調(diào)節(jié)pH值為7.3。

用0038ISP-2培養(yǎng)基活化綠孢鏈霉菌，將凍干粉涂在固體培養(yǎng)基表面，放入35 ℃的恒溫箱中培養(yǎng)6 d～7 d，觀察到菌落表面光滑呈灰白色，將活化后的菌種保存?zhèn)溆?。綠孢鏈霉菌富集用液體培養(yǎng)基，為提高綠孢鏈霉菌降解煤樣的效率，將配好的液體0038ISP-2培養(yǎng)基(無(wú)瓊脂)放入121 ℃的高壓滅菌鍋(日本Hirayama公司)中滅菌30 min后，在超凈工作臺(tái)接種活化后長(zhǎng)勢(shì)較好的綠孢鏈霉菌，用棉塞將瓶口塞住防止雜菌污染，放到恒溫培養(yǎng)箱中富集3 d，用于降解實(shí)驗(yàn)。

1.3 菌種的生長(zhǎng)特征

菌種活化后，進(jìn)行梯度稀釋并接種等量的菌到液體培養(yǎng)基中，采用UV-5200型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)在600 nm波長(zhǎng)下對(duì)上清液進(jìn)行吸光度測(cè)試，得到菌種的生長(zhǎng)曲線(見(jiàn)圖1)。

微生物生長(zhǎng)一般分為遲緩期、對(duì)數(shù)期、穩(wěn)定期和衰亡期。由圖1可以看出，第1天～第2天為綠孢鏈霉菌的生長(zhǎng)遲緩期；第2天～第3天為對(duì)數(shù)期，生長(zhǎng)速率最快；第4天～第5天生長(zhǎng)曲線呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；第6天開(kāi)始進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定期；15 d后死亡率增加，進(jìn)入衰退期。為提高微生物對(duì)煤的降解效果，選用第3天處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的綠孢鏈霉菌。

圖1 綠孢鏈霉菌生長(zhǎng)特征

1.4 綠孢鏈霉菌對(duì)煤降解的正交試驗(yàn)

采用正交設(shè)計(jì)的方法研究綠孢鏈霉菌對(duì)煤降解轉(zhuǎn)化的影響，各因素設(shè)有3個(gè)水平，因素水平見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)因素水平表

實(shí)驗(yàn)為3因素3水平，不考慮相互影響，其自由度總和=(水平數(shù)-1)×因素?cái)?shù)=(3-1)×3=6，不大于L9總自由度((9-1)=8)，選擇正交表L9實(shí)施本次實(shí)驗(yàn)。每組設(shè)置3個(gè)平行樣，將27個(gè)試管編成1組～9組，在超凈工作臺(tái)上向每個(gè)試管倒入1 g煤樣與10 mL富集3 d的菌液，用棉塞塞住瓶口再放入35 ℃恒溫箱中分別培養(yǎng)3 d，6 d和9 d，測(cè)定降解率。

1.5 綠孢鏈霉菌降解不同煤階煤實(shí)驗(yàn)

將粒徑為0.18 mm～0.25 mm的三種煤階原煤H，F(xiàn)和W浸泡在綠孢鏈霉菌溶液中，放置于35 ℃恒溫培養(yǎng)箱中分別培養(yǎng)3 d，6 d和9 d，測(cè)試COD值，之后將綠孢鏈霉菌降解9 d的褐煤、肥煤和無(wú)煙煤煤樣分別編號(hào)為L(zhǎng)-H，L-F和L-W，與原煤一起清洗、離心、干燥保存。

1.5.1 溶液COD測(cè)定

化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand，COD)的單位為mg/L，直接反映溶液中有機(jī)物的質(zhì)量，側(cè)面反映綠孢鏈霉菌降解煤的程度。采用6B-200型COD速測(cè)儀，溫度設(shè)定為室溫～200 ℃，控溫精度為(165±1)℃，計(jì)時(shí)范圍為1 min～199 min，計(jì)時(shí)誤差為10 min±0.1 s，使用時(shí)環(huán)境溫度為-5 ℃～65 ℃。

1.5.2 元素含量分析

取保存的原煤及綠孢鏈霉菌降解后的煤樣，按照GB/T 31391-2015進(jìn)行元素分析，采用Thermo Scientific FLASH 2000 CHNS/O元素分析儀(標(biāo)配32位固體進(jìn)樣器，可選配128位固體進(jìn)樣器或105位液體自動(dòng)進(jìn)樣器，采用“動(dòng)態(tài)閃燒-色譜分離”)確定樣品中碳、氫、氮、硫和氧的含量。

1.5.3 固液接觸角測(cè)量

取保存的原煤及綠孢鏈霉菌降解后的煤樣，將煤樣在40 MPa的壓力下制成直徑為50 mm，厚度約為1 mm的煤切片。采用JC2000C1接觸角測(cè)量?jī)x(滴定劑液滴距離樣品10 mm，體積為3 μL)測(cè)量水、礦井水和KO溶液(陰離子型與非離子型按9∶1的體積比配制的表面活性劑)與煤的接觸角，在不同位置測(cè)試3次并取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)

采用L9(34)正交表研究煤階、粒徑和降解時(shí)間3個(gè)因素對(duì)綠孢鏈霉菌降解煤降解率的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，降解率最高的煤階為褐煤，肥煤與無(wú)煙煤的降解效果較差且相差較小，也可由極差R得知降解時(shí)間與粒徑對(duì)降解率的影響較小。降解率最大的組合為A1B2C2(褐煤、0.18 mm～0.25 mm、6 d)。

SST是反映觀測(cè)值變異的總平方和，分解為因素水平間變異SSA，SSB，SSC及實(shí)驗(yàn)誤差4部分，自由度df是不受限制的變量個(gè)數(shù)，均方MS度量此樣本的變異程度。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，因素A(煤階)對(duì)降解率的影響顯著，而因素B(粒徑)與C(降解時(shí)間)對(duì)降解率的影響都不顯著，可能是因?yàn)楸敬螌?shí)驗(yàn)誤差較大而且誤差的自由度較小，使得檢驗(yàn)靈敏度偏低，掩蓋了降解時(shí)間與粒徑的顯著性。在可信度95%的情況下，煤階的F值大于給定的顯著水平標(biāo)準(zhǔn)(F0.05(2.2)=19)，而粒徑和降解時(shí)間的F值小于給定的顯著水平標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明在0.05的顯著性水平下，煤階對(duì)綠孢鏈霉菌降解作用有顯著的影響，降解時(shí)間和粒徑對(duì)綠孢鏈霉菌降解作用影響不顯著。

表3 煤樣的降解率

Note:ηmeans degradation rate；Tijmeans sum of all factors at a certain level；Xijmeans average ofTij；Rmeans range.

表4 方差分析

2.2 COD測(cè)定

收集降解期間的溶液，按照COD測(cè)定步驟逐步添加測(cè)試試劑，對(duì)不同溶液進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可知，前3天，綠孢鏈霉菌對(duì)煤進(jìn)行大幅度降解導(dǎo)致COD值升高；第3天～第6天，綠孢鏈霉菌進(jìn)一步降解煤產(chǎn)生有機(jī)物質(zhì)的速度大于其消耗速度；第6天～第9天，綠孢鏈霉菌降解煤速度小于其利用速度。分析第6天與第9天褐煤、肥煤與無(wú)煙煤的COD值，分別相差678.3 mg/L，606.2 mg/L和480.65 mg/L，反映出綠孢鏈霉菌最容易利用降解褐煤生成的有機(jī)小分子物質(zhì)，其次是利用降解肥煤與無(wú)煙煤生成的有機(jī)小分子物質(zhì)。

表5 不同煤階煤各階段的COD值

降解溶液的COD值由大到小的三種煤依次為肥煤、無(wú)煙煤、褐煤，分析可能在綠孢鏈霉菌繼續(xù)降解時(shí)，肥煤雖然得到進(jìn)一步降解，但是沒(méi)有被更充分地分解成可溶于水的有機(jī)小分子物質(zhì)[15]，而且綠孢鏈霉菌對(duì)各煤樣的降解效果與利用率不同，宏觀上表現(xiàn)為COD值的差異。

2.3 綠孢鏈霉菌降解對(duì)煤中元素含量的影響

取原煤與經(jīng)綠孢鏈霉菌降解的煤樣進(jìn)行元素分析，比較煤樣在不同條件下的碳、氫、氧、氮、硫的含量變化，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 各煤階煤樣的元素分析

由表6可知，與原煤相比，經(jīng)綠孢鏈霉菌降解后三種煤中C和N元素含量都有不同程度的升高，其中L-W的C元素含量為81.44%，相比于原煤W的C元素含量49.73%，增幅達(dá)63.76%；L-H的N元素含量最高，為1.37%，相比于原煤H的N元素含量0.40%，增幅達(dá)242.5%。相反，O和S元素在降解煤中的含量都有不同程度的降低，推測(cè)是由于綠孢鏈霉菌降解過(guò)程中利用了煤中O元素維持生長(zhǎng)繁殖，且綠孢鏈霉菌降解對(duì)煤有一定脫硫作用。與原煤相比，經(jīng)菌種降解的煤的n(H)∶n(C)和n(O)∶n(C)值都有不同程度的減小。

2.4 煤的接觸角

取用不同煤樣制作的煤切片，通過(guò)量角法測(cè)試煤樣與蒸餾水、礦井水和活性劑KO溶液的固液接觸角，結(jié)果見(jiàn)圖2和表7。

由表7可以看出，與各煤樣表面的固液接觸角由大到小的三種溶液均依次為蒸餾水、礦井水、KO溶液。相比原煤的固液接觸角，經(jīng)綠孢鏈霉菌降解煤樣H的固液接觸角變大，顯示出強(qiáng)疏水性和差的潤(rùn)濕性，而F的固液接觸角和W的固液接觸角變小。蒸餾水與H的固液接觸角由49.500°上升到67.250°，增加35.86%；與F的固液接觸角由67.250°下降到63.250°，減小5.95%；與W的固液接觸角變化最大，由99.995°下降到64.250°，減小35.74%。

圖2 褐煤與水的固液接觸角

表7 不同煤樣降解前后的固液接觸角

3 結(jié) 論

1)由正交試驗(yàn)可知，在影響綠孢鏈霉菌降解煤炭的三因素中煤階占據(jù)主導(dǎo)地位，且煤階為褐煤，粒徑為0.18 mm～0.25 mm，降解時(shí)間為6 d時(shí)降解效果最好。

2)COD測(cè)試表明綠孢鏈霉菌降解煤炭的可行性，且綠孢鏈霉菌最容易利用降解褐煤生成的有機(jī)小分子物質(zhì)，其次是利用降解肥煤與無(wú)煙煤生成的有機(jī)小分子物質(zhì)，證實(shí)各煤階煤樣可以在綠孢鏈霉菌作用下進(jìn)行降解。

3)綠孢鏈霉菌降解后各煤階煤與原煤相比，C和N元素含量都有不同程度的升高，O和S元素在煤中的含量均降低，n(H)∶n(C)和n(O)∶n(C)也都有一定程度的降低。

4)相比原煤，經(jīng)綠孢鏈霉菌降解的褐煤的固液接觸角變大，而肥煤與無(wú)煙煤的固液接觸角變小，顯示出弱的疏水性，且與各煤樣的固液接觸角由大到小的三種溶液均依次為蒸餾水、礦井水、KO溶液。