丁芳芳 李巨峰 李斌蓮 石明杰 冉照寬

(1.中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司環(huán)境監(jiān)測(cè)總站)

0 引 言

煤炭占世界化石燃料資源(可開采和不可開采)的88.2%，在目前的生產(chǎn)水平下，這些儲(chǔ)量(可開采)將超過石油和天然氣的總和[1]。煤炭也是最重要的發(fā)電能源，占世界需求的40%。據(jù)報(bào)告，2015年煤炭資源總量(包括可采和不可采)為23 163億t，按現(xiàn)有技術(shù)僅可采10 290億t，僅占煤炭資源總量的4.4%[2]。然而，盡管絕大多數(shù)的煤在目前的形式下是不可回收的，但其中的一些能源可以通過提高次生生物煤層氣的產(chǎn)量來開發(fā)，這是一種燃燒更清潔、污染更少的化石燃料[3-4]。國(guó)外學(xué)者[5]早在20世紀(jì)90年代末就提出生物強(qiáng)化煤層氣的概念：即向煤層中注入營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和產(chǎn)甲烷微生物群，通過降解煤中可生物降解的有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生甲烷，這不僅能夠提高煤層產(chǎn)甲烷的潛力，而且能消耗煤層基質(zhì)和烷烴類物質(zhì)從而增強(qiáng)了煤層孔隙率，使煤層具有更好的含氣性。國(guó)外已經(jīng)有本源菌生物產(chǎn)氣的中試實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究，并取得了重要的成果[6-7]。近幾年國(guó)內(nèi)關(guān)于次生生物氣形成機(jī)理的研究正在起步，研究主要集在氣體同位素示蹤、煤有機(jī)地球化學(xué)分析、產(chǎn)氣影響因素等[8-9]。煤層次生生物形成甲烷的途徑主要有兩種：乙酸途徑和二氧化碳還原途徑[10]。關(guān)于次生生物氣形成途徑的研究，國(guó)內(nèi)尚不多見。結(jié)合前人對(duì)煤層次生生物氣的研究和厭氧發(fā)酵細(xì)菌的研究，本研究將通過添加專一性抑制劑，利用反應(yīng)過程和產(chǎn)物的變化來判斷中國(guó)淮南煤層的次生生物氣的主要形成途徑。

1 煤樣特征

本實(shí)驗(yàn)用煤樣采自淮南新莊孜煤礦，采深786 m，A1煤層63301切眼。煤樣的元素分析和灰分分析結(jié)果見表1。表1的檢測(cè)結(jié)果顯示淮南地區(qū)的煤樣中水分含量1.20%，揮發(fā)分含量29.23%，空氣干燥基碳含量82.72%。實(shí)驗(yàn)用水樣采自礦井的新鮮地下水，收集后密封保存，待實(shí)驗(yàn)用。它主要是用來配制實(shí)驗(yàn)所需的培養(yǎng)體系。

表1 淮南新莊孜煤樣的元素測(cè)定值 %

2 培養(yǎng)液制備

主要藥品為產(chǎn)乙酸菌抑制劑：鹽酸萬(wàn)古霉素CAS號(hào)：1404-93-9以及緩沖試劑(N-TES)、輔酶M、刃天青、微量元素、維生素、礦物質(zhì)。實(shí)驗(yàn)用的反應(yīng)器體積是250 mL，加入的營(yíng)養(yǎng)液是200 mL，對(duì)應(yīng)的煤樣10 g左右(煤樣盡量取整塊，因此重量控制在10 g左右)。培養(yǎng)液各礦物質(zhì)濃度：K2HPO40.1 g/L，NaCl 0.8 g/L，NH4Cl 1.0 g/L，KCl 0.1 g/L，CaCl2·2H2O 0.04 g/L，MgSO4·7 H2O 0.2 g/L；微量元素濃度：次氮基三乙酸10 mg/L，MnSO4·H2O 5 mg/L，(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O 4 mg/L，CoCl2·6H2O 1 mg/L，ZnSO4·7H2O 1 mg/L，CuCl2·2H2O 0.1 mg/L，NiCl2·6H2O 0.1mg/L，Na2WO40.1 mg/L；維生素濃度：VB120.05 mg/L，VB10.05 mg/L，VB20.05 mg/L，VB60.1 mg/L，葉酸0.02 mg/L，對(duì)氨基苯甲酸0.05 mg/L，輔酶-M 0.05 mg/L，煙酸0.05 mg/L，泛酸鈣0.05 mg/L，硫辛酸0.05 mg/L，生物素0.02 mg/L；其他：酵母粉50 mg/L；pH緩沖液2.0 g/L。配制好的最終溶液中滴入2滴刃天青作為氧化還原電位的指示劑，氧化還原電位大于-150 mV時(shí)顯示粉紅色；氧化還原電位小于-150 mV時(shí)無(wú)色。產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌抑制劑：鹽酸萬(wàn)古霉素10 mmol/L。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

整個(gè)反應(yīng)器的制備均在厭氧操作箱內(nèi)完成(見圖1)。實(shí)驗(yàn)采用的反應(yīng)裝置是一個(gè)250 mL玻璃瓶(見圖2)，用異丁基膠塞密封。提前準(zhǔn)備好營(yíng)養(yǎng)液(經(jīng)過氮?dú)獯祾?0 min)及其他溶液并密封保存；實(shí)驗(yàn)所需的煤樣定量并密封；并將反應(yīng)器所需的封蓋器密封，最后，一并放入?yún)捬醪僮飨?，待裝瓶密封。實(shí)驗(yàn)設(shè)置3組，對(duì)照組：新鮮礦井水中加入新鮮煤樣；產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌抑制劑組：新鮮礦井水中加入新鮮煤樣和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌抑制劑(鹽酸萬(wàn)古霉素10 mmol/L)；NaOH吸收液組：新鮮礦井水、新鮮煤樣、內(nèi)置NaOH溶液小管。不同組對(duì)應(yīng)不同反應(yīng)體系見表2。

圖1 厭氧操作箱

圖2 實(shí)驗(yàn)反應(yīng)裝置

表2 實(shí)驗(yàn)組反應(yīng)體系設(shè)置情況

4 結(jié)果與討論

4.1 淮南煤層產(chǎn)氣可行性及產(chǎn)氣特征

資料顯示淮南煤層具有可生物產(chǎn)氣性，次生生物氣占比在43%～79%[11-12]。實(shí)驗(yàn)對(duì)煤層產(chǎn)氣可行性進(jìn)行研究，通過對(duì)照組實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)照組可以產(chǎn)氣，對(duì)照組反應(yīng)容器累計(jì)產(chǎn)氣情況見圖3，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明煤層可以進(jìn)行生物產(chǎn)氣，每周檢測(cè)一次氣體樣品。從圖3中可以看出：氣體的累計(jì)濃度隨時(shí)間增加，前四周氣體濃度增加較快，從第六周開始增加變得緩慢；厭氧發(fā)酵過程復(fù)雜，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行一定時(shí)間后，由于底物的消耗、pH值變化、氧化還原電位升高等因素，甲烷氣體濃度最終趨于穩(wěn)定。

為探究煤層生物氣產(chǎn)生的途徑，設(shè)置了3組實(shí)驗(yàn)。對(duì)照組；鹽酸萬(wàn)古霉素組(抑制產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌)通過抑制產(chǎn)乙酸菌來阻止乙酸的產(chǎn)生；NaOH吸收液組主要作用是吸收反應(yīng)器中產(chǎn)生的二氧化碳。實(shí)驗(yàn)通過阻斷乙酸和二氧化碳，判斷其主要途徑是哪一種。從圖3可以看出對(duì)照組實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)累計(jì)產(chǎn)甲烷最高，單位質(zhì)量煤累計(jì)產(chǎn)氣量可達(dá)到0.36 μL/g煤，其次是NaOH吸收液組，單位質(zhì)量煤累計(jì)產(chǎn)氣量0.28 μL/g煤，鹽酸萬(wàn)古霉素組累計(jì)甲烷濃度0.26 μL/g煤。從圖3可知，NaOH吸收液組與鹽酸萬(wàn)古霉素組中的累計(jì)甲烷產(chǎn)量明顯低于對(duì)照組，這是由于乙酸的形成受到抑制，二氧化碳被吸收，產(chǎn)甲烷菌由于底物不足，甲烷的產(chǎn)生被限制。第四周開始NaOH吸收液組與鹽酸萬(wàn)古霉素組的甲烷產(chǎn)量差值越來越大，NaOH吸收液組產(chǎn)量較鹽酸萬(wàn)古霉素組高。因此，可以初步推斷反應(yīng)器中甲烷的形成同時(shí)存在兩種途徑，乙酸途徑和CO2/H2途徑，主要形成途徑則是乙酸途徑。

圖3 煤層產(chǎn)氣過程中甲烷累計(jì)產(chǎn)氣量

4.2 淮南煤層產(chǎn)氣過程中pH值的變化

厭氧發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的過程，參與厭氧發(fā)酵過程的細(xì)菌有很多種，不同的反應(yīng)階段，其主要作用的細(xì)菌不同。厭氧階段一般遵循“三階段四類群”理論：水解、發(fā)酵階段：大分子有機(jī)物通過水解細(xì)菌、發(fā)酵類細(xì)菌降解成較小的分子脂肪酸和乙醇，pH值開始下降；產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌將丙酸、丁酸等脂肪酸、乙醇轉(zhuǎn)化為乙酸、H2、CO2，該階段由于小分子的脂肪酸類被消耗，pH值略有上升；產(chǎn)甲烷階段：產(chǎn)甲烷菌利用乙酸或甲酸形成甲烷，體系脂肪酸類物質(zhì)被消耗，同時(shí)由于后期產(chǎn)甲烷菌可利用的底物不足，產(chǎn)甲烷菌開始衰減，最終pH值趨向平衡?；茨厦簩赢a(chǎn)氣過程中pH值的變化見圖4。

圖4 淮南煤層產(chǎn)氣過程中pH值的變化

從圖4可以看出，對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組的pH值在7.2～7.9，是厭氧細(xì)菌和產(chǎn)甲烷菌適宜的pH值范圍。其中對(duì)照組和鹽酸萬(wàn)古霉素組的pH值變化幅度較小，在7.2～7.4，NaOH吸收液組的pH值變化幅度較大，前四周變化不穩(wěn)定，第四周開始氧化還原電位降低到-150 mV以下(此時(shí)反應(yīng)液從粉紅色變成無(wú)色)，產(chǎn)甲烷菌開始活躍，pH值趨于穩(wěn)定。

4.3 淮南煤層產(chǎn)氣過程中TOC的變化

實(shí)驗(yàn)組中的唯一碳源都是煤炭，煤炭在水溶液中可以發(fā)生一定程度溶解，這種作用可能是物理化學(xué)作用、微生物作用或者兩者共同作用，而微生物只能利用溶解在液相中的有機(jī)物。利用反應(yīng)器營(yíng)養(yǎng)液中TOC的測(cè)定來表征水中的有機(jī)物總量?；茨厦簩赢a(chǎn)氣過程中液相TOC的變化見圖5。圖5顯示，第一至第四周液相中的TOC濃度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，前四周主要是水解細(xì)菌、發(fā)酵細(xì)菌等好養(yǎng)菌作用，煤樣有機(jī)物溶解速率比好氧菌降解速率低，液相中TOC呈下降趨勢(shì)。第四周以后，反應(yīng)體系呈現(xiàn)低氧化還原電位，產(chǎn)甲烷菌開始作用，對(duì)照組和其他兩組實(shí)驗(yàn)組的TOC整體都在700 mg/L以上，因此整個(gè)反應(yīng)體系都處于足量底物狀態(tài)，隨著好氧菌群的衰竭和產(chǎn)甲烷菌活性增強(qiáng)，煤樣中的有機(jī)質(zhì)被轉(zhuǎn)移至液相和氣相，液相體系中TOC濃度呈上升趨勢(shì)。

圖5 淮南煤層產(chǎn)氣過程中液相TOC的變化

5 結(jié) 論

首先，淮南煤樣在厭氧環(huán)境下可以生物產(chǎn)氣；其次，乙酸氧化途徑和CO2/H2還原途徑同時(shí)存在。在不同的實(shí)驗(yàn)條件下，由于反應(yīng)體系中二氧化碳和乙酸組分的變化，甲烷形成的主要途徑也有所改變；實(shí)驗(yàn)對(duì)比中還發(fā)現(xiàn)：產(chǎn)甲烷過程中，添加任何一種細(xì)菌或古菌抑制劑都能減少甲烷的產(chǎn)量，即次生生物煤層氣的形成是多種細(xì)菌共同作用的結(jié)果；最后，根據(jù)甲烷的累計(jì)產(chǎn)氣率結(jié)果推斷淮南煤樣中次生甲烷形成的主要生物途徑是乙酸發(fā)酵。