五虎山选煤厂原煤自发酸化机理研究

马 玮，蔚志恒，马秉波，张玉秀，石 旭，付晓恒

(1.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京 100083；2.神华乌海能源有限责任公司，内蒙古 乌海 016000；3.甘肃靖远煤电股份有限公司，甘肃 白银 730913)

随着煤炭开采向西北、西南和深部发展，高硫煤的利用越来越普遍，成为当前一种潜在价值巨大的煤炭资源[1-2]。由于土壤深层存在大量不同种类的微生物，具有硫氧化功能的微生物在煤炭开采后，与空气接触发生一系列复杂反应，加速煤炭中硫铁矿硫氧化产生变质，提高了脱硫的难度，引起水质变化，严重制约了煤炭加工利用。自煤炭的微生物转化被发现以来，在国内外引起了广泛关注[3]。谢作晃等[4]研究了几种从土壤中培养的细菌对煤炭无机硫的作用，证明微生物对黄铁矿具有加速氧化作用；张双燕等[5]利用高通量测序方法分析了白酒中微生物的种类及丰富度，介绍了比较先进的微生物测序方法。基于高硫煤利用比例不断增加，煤炭在加工利用方面出现了很多新的问题，煤样酸化的状况也将越来越普遍，因此准确分析煤中微生物菌群结构具有重要的现实意义。

微生物分类测序技术作为新一代测序方法，具有广泛的应用前景，可以分析样品中复杂的微生物菌群结构。已有研究都是用外界培养的微生物来实现硫铁矿的氧化，从而达到脱硫的目的，很少对原煤内部做微生物分类检测。本研究以五虎山选煤厂高硫煤为研究对象，使用微生物测序技术分析了不同微生物的相对丰富度以及种类组成，对煤样酸化的主要原因做了全面系统的研究，为后续解决选煤厂现存的实际问题提供了新的理论依据。

1 实 验

1.1 试样水质分析

因入厂的原煤是从煤矿井下经选煤厂受煤坑转运存放，再经主洗系统进行洗选加工[5]，原煤在精选之前存在20 d左右的外置时间。为有效检测厂内原煤酸化的主要原因和机理，试样取自同一个矿井、不同外置时间段的煤样，分别是从煤矿井下(称为“新煤样”)和受煤坑内(称为“旧煤样”)采集的两种煤样。

表1 煤样的水质分析

1.2 试样酸化能力检测

根据选煤厂所反应的实际情况，为准确了解现场原煤pH值变化的动态过程，模拟现场环境(将两组煤样放置在2 ℃的环境下，采用加湿器保持一定的湿度)，使用上述方法分别测量两组煤样在不同时段的pH值，结果见图1。新煤样最初始的pH值为6.20，15 d以后的pH值为3.04，变化幅度比较大，说明井下开采出的原煤是在运输及受煤坑的堆放过程中随着时间的推移而酸化的，且15 d以后煤样的pH值几乎不再变化。

图1 煤样清液的pH值随时间变化趋势图

1.3 微生物测序方法

1) 测试样品的制备。分别取新煤样、旧煤样和一组正常煤样20 g左右，粉碎至合适粒度大小后混合均匀放于无菌袋中，在-20 ℃的环境中保存备用。

2) 基因组DNA提取。采用DNA检测试剂盒对基因组DNA精确定量，利用盐析改进法提取煤样中微生物基因组DNA，然后进行琼脂糖电泳检测，查看基因组DNA的完整性和浓度[6]。

3) PCR扩增。精确定量基因组DNA的浓度之后，确定聚合酶链式反应(PCR)加入量，利用PCR所用引物在不同的温度下对细菌进行两轮扩增。PCR结束后，对扩增产物进行琼脂糖电泳，对DNA进行纯化回收。

4) 数据处理及统计。去除非特异性扩增序列及嵌合体后，利用微生物测序软件进行分类操作单元聚类、物种丰富度、物种分类分析以及菌群差异分析等。

2 结果及分析

2.1 煤样化学分析

为进一步检测煤样酸化的成因，对两组煤样中硫的赋存形态做了化学分析，具体结果见表2。新煤样中全硫含量为4.27%，其中硫铁矿硫含量为2.92%；旧煤样中全硫含量为3.04%，其中硫铁矿硫含量为1.76%。说明井下采出的原煤在受煤坑中放置一段时间后全硫含量变化很大，其中硫铁矿硫的变化情况最为显著。

表2 煤样硫形态的化学分析

由于硫铁矿中绝大部分是以黄铁矿的形态赋存，黄铁矿会在不同的自然环境中发生不同的化学反应[7]。

1) 在干燥空气中，黄铁矿会被缓慢氧化，反应公式见式(1)。

(1)

2) 在缺氧条件下，硫铁矿的反应公式见式(2)。

(2)

3) 在潮湿的环境下，黄铁矿会被氧化成硫酸与硫酸亚铁溶液，亚铁离子不稳定又会在空气中被氧化，具体反应公式见式(3)。

(3)

硫酸亚铁会继续被空气中的氧气氧化，变成三价铁，反应公式见式(4)。

(4)

硫酸铁溶液还可进一步氧化黄铁矿，反应公式见式(5)[8]。

15FeSO4+8H2SO4

(5)

2.2 煤样微生物分类测序分析

根据现场的环境因素和实际状况，矿井采出的原煤中存在硫杆菌类微生物，从而导致煤中硫铁矿被极大程度地氧化[9]，对不同煤样进行微生物分类测序及分析，确定新煤样中存在四种具有硫氧化功能的硫杆菌属。

2.2.1 微生物丰富度检测分析

为了解煤样测序结果中的菌种、菌属，将所有样本序列按照序列间的距离进行聚类，然后根据序列间的相似性将序列分成不同的操作单元(OTU)，具体结果如图2所示。由图2可知，五组煤样共有的OTU数相对比较少，新煤样中特有的OTU数有347组，较其他样品都高。为了进一步验证样本的测序数据量是否合理，采用对测序序列进行随机抽样的方法，以抽到的序列数与他们所能代表的OTU数目构建曲线，最终绘制成Shannon指数稀疏曲线图，如图3所示，新煤样较其他样品的Shannon指数高，说明群落的多样性最高。

最终结果一致表明，新煤样中微生物的丰富度高于其他煤样。

图2 OTU分布韦恩图

图3 Shannon指数稀疏曲线

2.2.2 微生物种类以及含量检测分析

各组煤样的微生物种类以及含量见图4，同时对新煤样单独做了菌种分类和丰富度占比检测，具体结果见图5，其中，新煤样Acidithiobacillus含量为30.07%，Sulfobacillus含量为10.36%，Acidiferrobacter含量为6.7%，Azonexus含量为3.79%。综合分析图4和图5可知，井下采出的原煤大量存在四种不同于其他煤样的特殊微生物菌属。

综上，依据这类菌属的特殊性质，结果见表3，说明选煤厂原煤酸化的真正原因是这类微生物的存在。当矿井开采出的原煤遇到空气时，在这四类菌属的共同作用下，将煤样中硫铁矿硫加速氧化，使煤样表现出 pH值降低的特征。随时间的推移，这些微生物在煤炭中可利用的营养物(硫铁矿硫)不断减少，代谢降低，致使数量越来越少，与正常煤样内菌的种类及丰富度相差无几。

图4 微生物种类以及含量

2.3 微生物作用机理分析

黄铁矿表面在正常环境下只会发生微弱的氧化，但当存在硫杆菌属时，会加速硫铁矿表面的氧化进程。主要因为硫杆菌属的营养类型为无机硫化物和兼性自养，可以在氧化低价态硫的过程中获得能量[9-10]，利用特殊微生物对硫铁矿中的亚铁离子以及低价态的硫有独特的消化能力，将存在于煤炭中的多种化合物的不同形态的硫转化为水溶性的硫酸根离子[11]，使得亚铁离子以及低价态硫离子被大量氧化。

硫杆菌属氧化黄铁矿的方式有直接作用和间接作用。直接作用是当井下采出的原煤与外界空气接触，经过微生物的生化作用，会发生硫铁矿的氧化反应，反应公式见式(6)[12]。

图5 新煤样中微生物丰富度占比

表3 微生物的种类及功能

(6)

这一系列复杂的过程中微生物起到催化剂的作用，特别是氧化亚铁硫杆菌在这种Fe2+和Fe3+居多的偏酸性的环境中更容易生存繁殖。SCHIPPERS等[13]通过研究，提出了间接作用机理，认为嗜酸性硫杆菌作用于硫铁矿的过程中，黄铁矿在硫酸杆菌催化氧化的作用下生成硫酸根和Fe3+，具有强氧化性的Fe3+又与煤炭中的黄铁矿发生氧化还原反应，将硫铁矿中的硫氧化为更高价位的硫(硫酸根或元素硫)[14]。

虽然理论研究过程中将两种作用分开讨论，但现实环境中硫杆菌属氧化硫铁矿的反应是同时存在的，这两种作用下黄铁矿的氧化是一个复杂的电化学过程，使得不溶性的黄铁矿转化为可溶性硫酸进入溶液。依据复合作用理论的观点，微生物氧化黄铁矿过程中，既有微生物的直接作用，又有通过Fe3+氧化的间接作用[15]。

3 结 语

通过微生物分类测序技术分析了五虎山选煤厂原煤微生物的菌群结构，新煤样微生物OTU数为347，旧煤样微生物OTU数为216，同时新煤样Shannon指数也较旧煤样大，得出新煤样微生物的丰富度和多样性最高，反映出矿井采出的原煤在外界堆放过程中菌群结构发生改变。对微生物含量及种类进行统计表明，新煤样中存在四种特有的菌属，分别是Acidithiobacillus、Sulfobacillus、Acidiferrobacter和Azonexus，最终明确选煤厂原煤酸化的根本原因是由于这四类菌属氧化煤炭中硫铁矿硫而导致的。