淮南次生生物煤层气形成途径研究

丁芳芳 李巨峰 李斌莲 石明杰 冉照宽

(1.中国石油集团安全环保技术研究院有限公司；2.中国石油天然气集团有限公司环境监测总站)

0 引 言

煤炭占世界化石燃料资源(可开采和不可开采)的88.2%，在目前的生产水平下，这些储量(可开采)将超过石油和天然气的总和[1]。煤炭也是最重要的发电能源，占世界需求的40%。据报告，2015年煤炭资源总量(包括可采和不可采)为23 163亿t，按现有技术仅可采10 290亿t，仅占煤炭资源总量的4.4%[2]。然而，尽管绝大多数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过提高次生生物煤层气的产量来开发，这是一种燃烧更清洁、污染更少的化石燃料[3-4]。国外学者[5]早在20世纪90年代末就提出生物强化煤层气的概念：即向煤层中注入营养物质和产甲烷微生物群，通过降解煤中可生物降解的有机质产生甲烷，这不仅能够提高煤层产甲烷的潜力，而且能消耗煤层基质和烷烃类物质从而增强了煤层孔隙率，使煤层具有更好的含气性。国外已经有本源菌生物产气的中试实验模拟研究，并取得了重要的成果[6-7]。近几年国内关于次生生物气形成机理的研究正在起步，研究主要集在气体同位素示踪、煤有机地球化学分析、产气影响因素等[8-9]。煤层次生生物形成甲烷的途径主要有两种：乙酸途径和二氧化碳还原途径[10]。关于次生生物气形成途径的研究，国内尚不多见。结合前人对煤层次生生物气的研究和厌氧发酵细菌的研究，本研究将通过添加专一性抑制剂，利用反应过程和产物的变化来判断中国淮南煤层的次生生物气的主要形成途径。

1 煤样特征

本实验用煤样采自淮南新庄孜煤矿，采深786 m，A1煤层63301切眼。煤样的元素分析和灰分分析结果见表1。表1的检测结果显示淮南地区的煤样中水分含量1.20%，挥发分含量29.23%，空气干燥基碳含量82.72%。实验用水样采自矿井的新鲜地下水，收集后密封保存，待实验用。它主要是用来配制实验所需的培养体系。

表1 淮南新庄孜煤样的元素测定值 %

2 培养液制备

主要药品为产乙酸菌抑制剂：盐酸万古霉素CAS号：1404-93-9以及缓冲试剂(N-TES)、辅酶M、刃天青、微量元素、维生素、矿物质。实验用的反应器体积是250 mL，加入的营养液是200 mL，对应的煤样10 g左右(煤样尽量取整块，因此重量控制在10 g左右)。培养液各矿物质浓度：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；微量元素浓度：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；维生素浓度：VB120.05 mg/L，VB10.05 mg/L，VB20.05 mg/L，VB60.1 mg/L，叶酸0.02 mg/L，对氨基苯甲酸0.05 mg/L，辅酶-M 0.05 mg/L，烟酸0.05 mg/L，泛酸钙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缓冲液2.0 g/L。配制好的最终溶液中滴入2滴刃天青作为氧化还原电位的指示剂，氧化还原电位大于-150 mV时显示粉红色；氧化还原电位小于-150 mV时无色。产氢产乙酸菌抑制剂：盐酸万古霉素10 mmol/L。

3 实验设置

整个反应器的制备均在厌氧操作箱内完成(见图1)。实验采用的反应装置是一个250 mL玻璃瓶(见图2)，用异丁基胶塞密封。提前准备好营养液(经过氮气吹扫30 min)及其他溶液并密封保存；实验所需的煤样定量并密封；并将反应器所需的封盖器密封，最后，一并放入厌氧操作箱，待装瓶密封。实验设置3组，对照组：新鲜矿井水中加入新鲜煤样；产氢产乙酸菌抑制剂组：新鲜矿井水中加入新鲜煤样和产氢产乙酸菌抑制剂(盐酸万古霉素10 mmol/L)；NaOH吸收液组：新鲜矿井水、新鲜煤样、内置NaOH溶液小管。不同组对应不同反应体系见表2。

图1 厌氧操作箱

图2 实验反应装置

表2 实验组反应体系设置情况

4 结果与讨论

4.1 淮南煤层产气可行性及产气特征

资料显示淮南煤层具有可生物产气性，次生生物气占比在43%～79%[11-12]。实验对煤层产气可行性进行研究，通过对照组实验发现，对照组可以产气，对照组反应容器累计产气情况见图3，实验的结果表明煤层可以进行生物产气，每周检测一次气体样品。从图3中可以看出：气体的累计浓度随时间增加，前四周气体浓度增加较快，从第六周开始增加变得缓慢；厌氧发酵过程复杂，当反应进行一定时间后，由于底物的消耗、pH值变化、氧化还原电位升高等因素，甲烷气体浓度最终趋于稳定。

为探究煤层生物气产生的途径，设置了3组实验。对照组；盐酸万古霉素组(抑制产氢产乙酸菌)通过抑制产乙酸菌来阻止乙酸的产生；NaOH吸收液组主要作用是吸收反应器中产生的二氧化碳。实验通过阻断乙酸和二氧化碳，判断其主要途径是哪一种。从图3可以看出对照组实验周期内累计产甲烷最高，单位质量煤累计产气量可达到0.36 μL/g煤，其次是NaOH吸收液组，单位质量煤累计产气量0.28 μL/g煤，盐酸万古霉素组累计甲烷浓度0.26 μL/g煤。从图3可知，NaOH吸收液组与盐酸万古霉素组中的累计甲烷产量明显低于对照组，这是由于乙酸的形成受到抑制，二氧化碳被吸收，产甲烷菌由于底物不足，甲烷的产生被限制。第四周开始NaOH吸收液组与盐酸万古霉素组的甲烷产量差值越来越大，NaOH吸收液组产量较盐酸万古霉素组高。因此，可以初步推断反应器中甲烷的形成同时存在两种途径，乙酸途径和CO2/H2途径，主要形成途径则是乙酸途径。

图3 煤层产气过程中甲烷累计产气量

4.2 淮南煤层产气过程中pH值的变化

厌氧发酵是一个复杂的过程，参与厌氧发酵过程的细菌有很多种，不同的反应阶段，其主要作用的细菌不同。厌氧阶段一般遵循“三阶段四类群”理论：水解、发酵阶段：大分子有机物通过水解细菌、发酵类细菌降解成较小的分子脂肪酸和乙醇，pH值开始下降；产氢产乙酸阶段：产氢产乙酸菌将丙酸、丁酸等脂肪酸、乙醇转化为乙酸、H2、CO2，该阶段由于小分子的脂肪酸类被消耗，pH值略有上升；产甲烷阶段：产甲烷菌利用乙酸或甲酸形成甲烷，体系脂肪酸类物质被消耗，同时由于后期产甲烷菌可利用的底物不足，产甲烷菌开始衰减，最终pH值趋向平衡。淮南煤层产气过程中pH值的变化见图4。

图4 淮南煤层产气过程中pH值的变化

从图4可以看出，对照组和实验组的pH值在7.2～7.9，是厌氧细菌和产甲烷菌适宜的pH值范围。其中对照组和盐酸万古霉素组的pH值变化幅度较小，在7.2～7.4，NaOH吸收液组的pH值变化幅度较大，前四周变化不稳定，第四周开始氧化还原电位降低到-150 mV以下(此时反应液从粉红色变成无色)，产甲烷菌开始活跃，pH值趋于稳定。

4.3 淮南煤层产气过程中TOC的变化

实验组中的唯一碳源都是煤炭，煤炭在水溶液中可以发生一定程度溶解，这种作用可能是物理化学作用、微生物作用或者两者共同作用，而微生物只能利用溶解在液相中的有机物。利用反应器营养液中TOC的测定来表征水中的有机物总量。淮南煤层产气过程中液相TOC的变化见图5。图5显示，第一至第四周液相中的TOC浓度呈现降低趋势，前四周主要是水解细菌、发酵细菌等好养菌作用，煤样有机物溶解速率比好氧菌降解速率低，液相中TOC呈下降趋势。第四周以后，反应体系呈现低氧化还原电位，产甲烷菌开始作用，对照组和其他两组实验组的TOC整体都在700 mg/L以上，因此整个反应体系都处于足量底物状态，随着好氧菌群的衰竭和产甲烷菌活性增强，煤样中的有机质被转移至液相和气相，液相体系中TOC浓度呈上升趋势。

图5 淮南煤层产气过程中液相TOC的变化

5 结 论

首先，淮南煤样在厌氧环境下可以生物产气；其次，乙酸氧化途径和CO2/H2还原途径同时存在。在不同的实验条件下，由于反应体系中二氧化碳和乙酸组分的变化，甲烷形成的主要途径也有所改变；实验对比中还发现：产甲烷过程中，添加任何一种细菌或古菌抑制剂都能减少甲烷的产量，即次生生物煤层气的形成是多种细菌共同作用的结果；最后，根据甲烷的累计产气率结果推断淮南煤样中次生甲烷形成的主要生物途径是乙酸发酵。