武 俐，王海坡，李 鵬，趙同謙，曹 斌

(1.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000; 2.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁(yè)巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000; 3.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 理學(xué)院，北京 102249)

微生物增產(chǎn)煤層氣(MECoM)可從煤中產(chǎn)出新的甲烷，通過(guò)微生物消耗煤炭來(lái)增加儲(chǔ)層的滲透率[1]。SCOTT[2]最早提出MECoM的概念,即將厭氧菌群及其活動(dòng)和新陳代謝所需營(yíng)養(yǎng)物注入煤層，可實(shí)現(xiàn)煤層氣的增產(chǎn)。該方法減少了煤炭開(kāi)采過(guò)程中帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題，引起學(xué)者們的廣泛關(guān)注[3]。雖然該方法尚處于基礎(chǔ)研究階段，未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用[4]，但在一些礦區(qū)已開(kāi)展了相關(guān)研究[5-6]。

選擇不同煤階樣品進(jìn)行生物成氣模擬實(shí)驗(yàn)，研究成氣過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)液中質(zhì)量濃度較高的常量離子在成氣過(guò)程中的變化特征，分析其對(duì)環(huán)境影響的水平。研究了微量元素質(zhì)量濃度隨成氣時(shí)間的變化特征，采用健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型對(duì)微量元素的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行初步評(píng)價(jià)，確定了微量元素的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源類(lèi)別，為原位添加營(yíng)養(yǎng)物刺激微生物產(chǎn)甲烷過(guò)程可能存在的潛在環(huán)境影響提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 煤樣和菌源

選取河南平煤朝川礦(1號(hào)煤，氣煤)，河南義馬耿村礦(2號(hào)煤，褐煤)和山西長(zhǎng)治常村礦(3號(hào)煤，貧煤)3個(gè)礦區(qū)的煤樣進(jìn)行生物成氣模擬實(shí)驗(yàn)研究，以某河流底泥為初始外源菌，通過(guò)富集與馴化培養(yǎng)得到實(shí)驗(yàn)菌液。煤樣預(yù)處理方法，工業(yè)分析與元素分析結(jié)果，菌源馴化方式和微生物群落組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)筆者所在課題組前期研究成果[16]。

1.2 營(yíng)養(yǎng)液組分

營(yíng)養(yǎng)液組分[17-18]為:NaH2PO4，1 g;K2HPO4,3 g;NH4Cl,4 g;Na2CO3,2 g;苯甲酸0.2 g;酵母提取物 4 g;FeSO4,0.1 g;超純水1 L。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1煤生物成氣模擬實(shí)驗(yàn)

煤生物成氣模擬實(shí)驗(yàn)方法[18]，在2 L反應(yīng)瓶中加入1 850 mL營(yíng)養(yǎng)液，150 mL菌液和50 g煤粉(粒徑<140目)，控制組中無(wú)煤粉，3種不同煤樣為實(shí)驗(yàn)組，每組設(shè)置3個(gè)平行。模擬實(shí)驗(yàn)采用自制裝置，裝置如圖1所示。橡膠塞密封反應(yīng)瓶和集氣瓶并進(jìn)行蠟封，確保在嚴(yán)格厭氧條件下進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。裝置各部分連接完成后，置于37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中，采用排水集氣法收集與測(cè)定產(chǎn)氣量。整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期為100 d，取樣時(shí)間點(diǎn)分別為0，3，6，9，20，30，40，70，100 d。樣品經(jīng)濾紙和微孔濾膜(0.45 μm)過(guò)濾后待測(cè)。

圖1 煤生物成氣模擬實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Simulation experimental device of biological gas production from coal

1.3.2離子色譜測(cè)定陰陽(yáng)離子實(shí)驗(yàn)

1.3.3電感耦合等離子質(zhì)譜測(cè)定微量元素實(shí)驗(yàn)

采用電感耦合等離子質(zhì)譜(ICP-MS)測(cè)定煤生物成氣過(guò)程液相中V，Cr，Mn，Co，Ni，Cu，Zn，As，Se，Ag，Cd，Sb，Ba，Ti，Pb金屬元素質(zhì)量濃度。ICP-MS工作參數(shù):功率1.40 kW，護(hù)套氣流量0.20 L/min，輔助氣流量1.80 L/min，霧化器流量1.00 L/min，等離子體炬氣流流量18.0 L/min。采用多元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(ICP-MS-6020-CAL-R-1，AccuStandard)做標(biāo)準(zhǔn)曲線，10 mL待測(cè)樣品中含200 μL 內(nèi)標(biāo)物(Sc，Y，In,Bi)，以超純水為空白，加標(biāo)回收率在 90%～110%。

1.3.4浸泡實(shí)驗(yàn)

與成氣模擬實(shí)驗(yàn)條件和取樣時(shí)間相同，在2 L純水中加入50 g煤粉(粒徑<140目)進(jìn)行煤浸泡實(shí)驗(yàn)(測(cè)試條件與1.3.3節(jié)相同)，測(cè)定液相中微量元素隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。樣品經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾后-45 ℃保存，一周內(nèi)完成測(cè)試。

1.4 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

采用美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)推薦的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法對(duì)煤生物成氣中微量元素進(jìn)行化學(xué)致癌污染物和化學(xué)非致癌污染物所致健康風(fēng)險(xiǎn)[19]進(jìn)行評(píng)價(jià)。

化學(xué)致癌物所致健康風(fēng)險(xiǎn)模型:

(1)

化學(xué)非致癌物所致健康風(fēng)險(xiǎn)模型:

(2)

圖2 產(chǎn)氣量的變化Fig.2 Changes in gas production

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)氣量的變化特征

煤生物成氣過(guò)程中產(chǎn)氣量的變化特征如圖2所示。實(shí)驗(yàn)組中3種煤樣的產(chǎn)氣周期分為3個(gè)階段，快速產(chǎn)氣期(0～10 d)，慢速產(chǎn)氣期(10～40 d)，產(chǎn)氣基本停止期(40 d后);而控制組沒(méi)有明顯的快速產(chǎn)氣期。產(chǎn)氣結(jié)束時(shí)，控制組和3種煤樣的CH4體積分?jǐn)?shù)分別為57.77%，59.71%，68.59%和62.82%;CO2的體積分?jǐn)?shù)分別為16.75%，16.91%，26.02%和15.88%。

由圖2(a)日產(chǎn)氣量可以看出，產(chǎn)氣量在第10天左右達(dá)到最大值，之后出現(xiàn)波動(dòng)變化趨勢(shì)，主要與產(chǎn)氣階段和中間產(chǎn)物的變化有關(guān)?？焖佼a(chǎn)氣期，中間產(chǎn)物甲基化合物和易揮發(fā)性脂肪酸(VFA)質(zhì)量濃度高[17]，產(chǎn)氣潛力大，微生物能利用小分子酸快速產(chǎn)氣。10 d后，煤中大分子物質(zhì)被微生物降解后再利用，溶液中小分子酸質(zhì)量濃度降低，芳香族化合物質(zhì)量濃度逐漸增加[16]，微生物可利用底物與群落結(jié)構(gòu)的變化[20-21]，造成了產(chǎn)氣量出現(xiàn)一定的波動(dòng)。由圖2(b)累積產(chǎn)氣量來(lái)看，實(shí)驗(yàn)組明顯高于控制組，說(shuō)明微生物可利用煤為底物進(jìn)行產(chǎn)氣;3種煤樣累計(jì)產(chǎn)氣量差異較小，說(shuō)明采用馴化培養(yǎng)后的菌源進(jìn)行褐煤、貧煤和氣煤生物成氣實(shí)驗(yàn)時(shí)，成氣效果相當(dāng)。

2.2 成氣過(guò)程中常量離子的變化特征

圖和K+質(zhì)量濃度的變化Fig.3 Variation of concentration of and K+with time

圖4 Cl-和質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Variation curve of mass concentration of Cl- and

2.2.3成氣過(guò)程中溶液pH值的變化情況

成氣過(guò)程中溶液pH值的變化情況如圖5所示。由圖5可知，溶液pH值呈弱堿性，基本保持在8左右。成氣過(guò)程會(huì)生成酸類(lèi)有機(jī)物[17]，但連續(xù)測(cè)定成氣過(guò)程中液相的pH值變化較小，說(shuō)明酸類(lèi)物質(zhì)只是煤降解過(guò)程一個(gè)步驟中生成的，還將被繼續(xù)降解;另外，添加的營(yíng)養(yǎng)液組分是堿性，在一定程度上起到中和作用，維持了煤生物成氣過(guò)程中溶液pH值的穩(wěn)定。

圖5 pH值的變化Fig.5 Changes of the pH

2.3 煤生物成氣過(guò)程中微量元素的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

微量元素具有毒性大、難被生物降解和生物累積的特點(diǎn)，質(zhì)量濃度過(guò)高會(huì)對(duì)環(huán)境和人體產(chǎn)生危害[23]。研究煤生物成氣過(guò)程中液相微量元素的類(lèi)型與質(zhì)量濃度變化特征，可初步判斷煤生物成氣大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用對(duì)環(huán)境造成的潛在影響。

2.3.1微量元素質(zhì)量濃度的變化特征

研究考察了煤生物成氣過(guò)程液相中15種微量元素V，Cr，Mn，Co，Ni，Cu，Zn，As，Se，Ag，Cd，Sb，Ba，Ti和Pb隨產(chǎn)氣時(shí)間的變化情況。其中，V，Ag和Cd 三種微量元素未檢出，控制組和實(shí)驗(yàn)組中Cr，Mn，Zn和Sb 4種微量元素的質(zhì)量濃度一致，未發(fā)生變化。As，Ba，Co，Ni，Pb，Se，Cu和Ti 八種微量元素的質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示。

由圖6可知，整個(gè)成氣過(guò)程中，As，Ba，Co，Ni和Pb等微量元素的質(zhì)量濃度均隨產(chǎn)氣時(shí)間的增加而升高。實(shí)驗(yàn)組As，Ba，Co，Ni和Cu的質(zhì)量濃度均高于控制組，說(shuō)明這些微量元素從原煤中釋放出來(lái)，而Pb，Se和Ti質(zhì)量濃度的變化與煤樣有關(guān)。研究表明，As可存在于煤有機(jī)質(zhì)中[23]，在微生物利用有機(jī)質(zhì)產(chǎn)氣時(shí)遷移至液相。在快速產(chǎn)氣階段，As，Co和Ni的質(zhì)量濃度迅速增加，隨后緩慢增長(zhǎng)并逐漸穩(wěn)定。Ni和Co是產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)的必須微量元素，而Ni可影響產(chǎn)甲烷菌輔酶F430的生成[24]，在產(chǎn)氣第10天，Ni和Co質(zhì)量濃度出現(xiàn)降低趨勢(shì)，可能被產(chǎn)甲烷菌利用而造成其值降低。

扣除控制組微量元素質(zhì)量濃度值后，3種煤樣成氣過(guò)程液相中微量元素的最高質(zhì)量濃度見(jiàn)表1。在整個(gè)產(chǎn)氣周期內(nèi)，Ba質(zhì)量濃度的動(dòng)態(tài)變化范圍處于較高水平23.88～144.79 μg/L，As和Cu質(zhì)量濃度變化次之，分別為5.88～25.07，5.47～14.17 μg/L，其他金屬元素質(zhì)量濃度較低。1號(hào)煤樣成氣過(guò)程液相中As和Ba質(zhì)量濃度最高，Cu和Ni質(zhì)量濃度較高，其他質(zhì)量濃度較低;2號(hào)煤樣成氣過(guò)程液相中Ba質(zhì)量濃度明顯高于其他元素，As和Cu質(zhì)量濃度較高;3號(hào)煤樣成氣過(guò)程液相中Ba質(zhì)量濃度最高，Se和Cu質(zhì)量濃度較高。成氣過(guò)程溶液中微量元素質(zhì)量濃度的差異性是由不同煤中微量元素質(zhì)量濃度和賦存形態(tài)的差異引起的。

尚水信息成立于2003年，是一家源自清華大學(xué)，由“千人計(jì)劃”“海聚工程”特聘專(zhuān)家創(chuàng)辦的海歸企業(yè)、國(guó)家級(jí)高新技術(shù)和雙軟認(rèn)證企業(yè)，也是新三板掛牌的首家水利軟件企業(yè)。公司多年來(lái)秉承清華校訓(xùn)，在水利水運(yùn)行業(yè)測(cè)控自動(dòng)化及三維信息化的研發(fā)與應(yīng)用領(lǐng)域精心耕耘，不斷為水利水運(yùn)行業(yè)用戶(hù)提供符合度最高的先進(jìn)產(chǎn)品和全面解決方案。

2.3.2水溶態(tài)微量元素質(zhì)量濃度的變化特征

研究了煤粉在純水浸泡條件下微量元素質(zhì)量濃度隨產(chǎn)氣周期的變化趨勢(shì)，結(jié)果表明微量元素V，Co，As，Cr，Sb，Ag，Cd，Ti和Pb未檢出，Ba，Cu，Ni和Se質(zhì)量濃度的變化結(jié)果如圖7所示。浸泡前10 d，Ba，Cu，Ni和Se的質(zhì)量濃度逐漸升高，之后基本穩(wěn)定，除2號(hào)煤中Ba元素和3號(hào)煤中Se元素質(zhì)量濃度較高外，其他元素質(zhì)量濃度均較低。說(shuō)明煤中水溶態(tài)金屬元素會(huì)進(jìn)入液相，需要特別關(guān)注前10 d質(zhì)量濃度的變化情況。

煤分子結(jié)構(gòu)中絡(luò)合著大量的無(wú)機(jī)金屬元素，金屬元素通常與羥基、羰基、羧基等基團(tuán)結(jié)合[25]。研究發(fā)現(xiàn)，羥基、羰基等基團(tuán)是成氣過(guò)程中微生物代謝的關(guān)鍵位點(diǎn)[26]，在生物酶作用下，金屬元素與基團(tuán)間的化學(xué)鍵斷裂，使煤中無(wú)機(jī)金屬元素進(jìn)入溶液中。煤成氣過(guò)程中金屬元素質(zhì)量濃度高于浸泡實(shí)驗(yàn)質(zhì)量濃度，說(shuō)明在微生物作用下，煤中非水溶金屬元素會(huì)進(jìn)入液相，影響產(chǎn)氣過(guò)程中金屬元素質(zhì)量濃度。

2.3.3成氣過(guò)程中潛在健康風(fēng)險(xiǎn)

按照式(1)和(2)化學(xué)致癌物和化學(xué)非致癌物健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，對(duì)煤生物成氣過(guò)程中潛在健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，模型相關(guān)參數(shù)[27-28]見(jiàn)表2。

煤生物成氣過(guò)程中微量元素引起的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。從模型評(píng)價(jià)結(jié)果可知，3種煤樣中Co和Se微量元素未檢出;Pb，Ni，Cu和Ba微量元素的非致癌風(fēng)險(xiǎn)值在4.37×10-12～1.48×10-9，均小于1(非致癌風(fēng)險(xiǎn)閾值)，說(shuō)明在生物成氣過(guò)程中微量元素的非致癌風(fēng)險(xiǎn)處于可接受水平;非致癌風(fēng)險(xiǎn)大小依次為Cu>Ba>Ni>Pb，Cu的非致癌風(fēng)險(xiǎn)明顯高于其他金屬。研究表明，3種煤樣總非致癌風(fēng)險(xiǎn)大小依此為3號(hào)煤>2號(hào)煤>1號(hào)煤。致癌風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果表明，As的致癌風(fēng)險(xiǎn)值在4.61×10-5～1.96×10-4，均超過(guò)了致癌風(fēng)險(xiǎn)閾值1×10-6，表明As是煤生物成氣過(guò)程中對(duì)健康危害最大的潛在污染物質(zhì)，在煤生物成氣過(guò)程中需要優(yōu)先監(jiān)控。

圖6 微量元素質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化Fig.6 Variation of concentration of trace elements

表1 成氣過(guò)程液相中微量元素的質(zhì)量濃度Table 1 Concentration of trace elements in liquid phase during gas formation μg/L

圖7 浸泡過(guò)程中微量元素質(zhì)量濃度的變化Fig.7 Variation of concentration of trace elements during immersion period

表2 模型參數(shù)qm和DRfj值Table 2 Values of qmand DRfj of model parameters mg/(kg·d)

表3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of risk assessment

3 結(jié) 論

(1)煤生物成氣過(guò)程中常量陰陽(yáng)離子的質(zhì)量濃度未發(fā)生明顯變化，說(shuō)明營(yíng)養(yǎng)液中陰陽(yáng)離子未被微生物直接利用，其作用是通過(guò)維持溶液pH或氧化還原電位的方式為微生物的生長(zhǎng)提供合適的環(huán)境。在成氣過(guò)程中陰陽(yáng)離子質(zhì)量濃度的高低與營(yíng)養(yǎng)液中無(wú)機(jī)鹽的質(zhì)量濃度有關(guān)。

(2)As，Ba，Co，Ni和Pb等微量元素的質(zhì)量濃度均隨產(chǎn)氣時(shí)間的增加而升高，Pb，Se和Ti質(zhì)量濃度的變化與煤樣有關(guān);煤浸泡實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)出Ba，Cu，Ni和Se 四種微量元素，其質(zhì)量濃度在浸泡前10d隨時(shí)間的增加而升高，說(shuō)明煤中水溶態(tài)金屬元素會(huì)進(jìn)入溶液中。成氣過(guò)程中金屬元素質(zhì)量濃度高于浸泡實(shí)驗(yàn)質(zhì)量濃度，說(shuō)明了在微生物作用下，煤中非水溶金屬元素會(huì)進(jìn)入液相，影響成氣過(guò)程中金屬元素質(zhì)量濃度的變化。

(3)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，Pb，Ni，Cu和Ba微量元素的非致癌風(fēng)險(xiǎn)值范圍在4.37×10-12～1.48×10-9，低于非致癌風(fēng)險(xiǎn)閾值，非致癌風(fēng)險(xiǎn)處于可接受水平。致癌風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果表明，As的致癌風(fēng)險(xiǎn)值分布范圍在4.61×10-5～1.96×10-4，高于致癌風(fēng)險(xiǎn)閾值1×10-6，表明As是煤生物成氣過(guò)程中對(duì)健康危害最大的微量元素，在煤生物成氣過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其質(zhì)量濃度的變化。