白腐真菌預(yù)處理高階煤產(chǎn)甲烷研究

1、白腐真菌預(yù)處理高階煤產(chǎn)甲烷研究陳鑫，夏大平，吳昱，蘇現(xiàn)波（河南理工大學能源科學與工程學院，焦作，454000）摘要：煤是一種大分子有機物質(zhì)，而白腐菌對有機物質(zhì)具有較強的降解能力。以高變質(zhì)程度 的瘦煤為反應(yīng)底物，采用實驗室保存的白腐真菌菌種對其預(yù)處理以提高瘦煤的產(chǎn)氣率。結(jié)果 表明，用白腐菌處理過之后，煤的結(jié)構(gòu)被破壞，提高了甲烷轉(zhuǎn)化效率。產(chǎn)氣階段共持續(xù)37 天，于第20天左右時達到產(chǎn)氣高峰。反應(yīng)最后的甲烷濃度達到31%。對反應(yīng)前后的ph進 行測試，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)后的ph值上升，說明產(chǎn)生乙酸量較少，生物氣生成主要是co2還原途 徑。關(guān)鍵詞：地質(zhì)學；生物氣;高變質(zhì)程度煤;白腐真菌;產(chǎn)氣量 中圖分類號：p61

2、&11study on methane production from pretreatment high-rankcoal by white rot fungichen xin, xia daping, wu yu, su xianbo（school of energy science and engineering, henan polytechnic university,jiaozuo454000） abstract: coal is a kind of macromolecular organic matter, and white-rot fungi of organic

3、material has strong ability to degrade organic material. use the high metamorphic degree of lean coal as the substrate, and through pretreatment by the white-rot fungi which conserved in laboratory to improve the lean coafs gas production rate. the results showed that the structure of coal was destr

4、oyed after biological pretreatment by whitc-rot fungi, and the conversion rate of ch4 increased to some extent. the gas production stage last 37 days, and the gas production reached peak in the 20 days or so. methane concentrations reached 31%. to test ph before and after fermentation, the author fo

5、und the ph value rise after reaction. this phenomenon illustrate less acetic acid produced, and biological gas generate mainly by co2 reduction way. key words: coal geology; biological gas; high-rank coal; white-rot fungi, gas production rate0引言煤層氣按成因主要分為熱成因和牛物成因兩大類。人們普遍認為，牛物成因煤層氣較 熱成因煤層氣要少很多，因此，熱成因

6、煤層氣一直被當作重要的資源類型，成為國內(nèi)外學者 研究的重點，其形成機理和地球化學特征己經(jīng)基本形成定論2-3。牛物成因氣是煤層氣的一 種類型，長期以來的研究認為牛物氣多在成煤早期形成，形成之后大部分逸散到大氣中， 不具有開發(fā)價值。a.r.scott等研究了美國圣胡安盆地的煤層氣成因類型和各成因類型對煤層 氣生產(chǎn)能力的意義。他們發(fā)現(xiàn)，圣胡安盆地煤層氣含量比預(yù)期的高，次生生物氣的生成是其 屮的一個原因。因此，次牛牛物氣可以做為煤層氣氣藏的重要補充，提高煤層氣井的產(chǎn)量。生物成因煤層氣是在較低的溫度（一般低于50°c）下，有機質(zhì)通過細菌的作用，在煤層中 生成以甲烷為主的氣體。其具體途徑或方式有

7、兩種：一種是由co2述原而成；另一種由甲 基類發(fā)酵（一般為醋酸發(fā)酵）而成，即：co2+4h2ch4+2h2o； ch3cooh->ch4+co2。由此 可知，兩種成甲烷途徑都需要微生物首先將煤分解成小分子物質(zhì)，然后才有可能被產(chǎn)甲烷菌 利用合成最終產(chǎn)物chjo煤是一種高分子聚合物，變質(zhì)程度越高的煤，結(jié)晶化程度也越高， 基金項目：高等學校博士學科點專項科研基金（200804600001）；國家自然科學基金（40972109> 41002047）: 作者簡介：陳鑫（1986），男，碩士生，煤層氣地質(zhì)學開發(fā)方向 通信聯(lián)系人：蘇現(xiàn)波（1963-）,男，教授，主要從事煤層氣地質(zhì)學與勘探開發(fā).e

8、-mail: ghyl026 相應(yīng)地也越難被微生物分解。正是這個原因，國內(nèi)很多學者對生物氣的研究大多局限在低變 質(zhì)程度的褐煤以及泥炭階段。這大大限制了生物氣的工程應(yīng)用領(lǐng)域?；诖耍P者采用高變 質(zhì)程度煤瘦煤為研究對象，前期用白腐真菌預(yù)處理瘦煤，使之被充分降解，然后再在發(fā) 酵罐內(nèi)厭氧發(fā)酵，最終合成甲烷。1材料與方法1.1實驗材料煤樣、礦井水、pda培養(yǎng)基、厭氧菌富集培養(yǎng)基、飽和nahco3溶液。主要儀器有5l 的發(fā)酵罐、恒溫培養(yǎng)箱、酸度計、錐形瓶、塑膠管等。其中，煤樣和礦井水皆取自河南煤業(yè) 化工集團公司下屬鶴壁四礦。1.2 實驗方法（1）菌種富集將實驗室保存的白腐真菌菌種接種到500ml的pda

9、培養(yǎng)基內(nèi)，用綿花賽住瓶口，以防 雜菌污染，混勻后，在35°c的培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)4d。與此同時，再將配制的2.5l的厭氧菌富集 培養(yǎng)基放入35°c的培養(yǎng)箱內(nèi)9d,以富集礦井水中的厭氧發(fā)酵菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)甲烷菌 等。（2）白腐菌預(yù)處理煤稱500g煤樣，研成粉沫狀，裝入己滅過菌的5l的發(fā)酵罐內(nèi)，再加入富集了 4cl的白腐 菌菌液。為使煤樣充分浸泡在菌液中，再向發(fā)酵罐內(nèi)加入500ml的無菌超純水以稀釋煤樣， 此時測得煤液的ph為5.74。靜置培養(yǎng)4d,使煤樣被充分降解。（3）補料用發(fā)酵罐的補料系統(tǒng)向預(yù)處理后的煤液中補加2.5l的厭氧菌富集培養(yǎng)液，混勻后測得ph為7.24。靜置于35

10、°c條件下培養(yǎng)。2結(jié)果與分析本次實驗采用排水集氣法，以產(chǎn)氣后所排出的水量為指標，觀測產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣持續(xù)時間。為了縮小co2溶于水產(chǎn)牛的實驗誤差，本實驗集水瓶內(nèi)裝入飽和n&hco3溶液。2.1產(chǎn)水量分析2.1.1預(yù)處理時的產(chǎn)水量表1預(yù)處理階段產(chǎn)水量tab. 1 wateryield of the pretreatment stage日期（月.日）92692798929口產(chǎn)水量（ml）0311311311由上表”知，一第大沒有產(chǎn)氣，因為白腐菌止在合成川以分解大分了煤所需要的酶類, 如木素過氧化物酶系、鐳過氧化物酶系等。到第二天，產(chǎn)生了大量的氣體，說明白腐菌己經(jīng) 合成了足夠多的酶類，

11、并開始分解煤。到第三天、第四天，產(chǎn)氣量不再變化，可能是山于發(fā) 酵罐內(nèi)的氧氣已經(jīng)耗盡，導(dǎo)致白腐菌生長代謝緩慢。2.1.2 補料后的產(chǎn)水量于29號向發(fā)酵罐內(nèi)補加富集后的礦井水菌液。從30號起每5天記一次產(chǎn)水量，直至水量不變。產(chǎn)氣共持續(xù)了 37天，見表2。表2補料后的產(chǎn)水量tab.2 wateryield after supplement substrate天(d)6111621263237產(chǎn)水量(ml)822294549561383167219142147將產(chǎn)水量繪成曲線圖，如圖1所示:時間產(chǎn)水量曲線圖o o o o5 o2 2ie、*系k051()152()253()354045時間/d圖1時間

12、產(chǎn)水罠曲線圖fig. 1 datc-watciyicld curve graph山上圖可知，產(chǎn)氣過程主要經(jīng)歷了四個階段。110d,緩慢上升階段：該時期細菌剛進入到一個新的環(huán)境里面，細菌開始調(diào)整自身代 謝以適應(yīng)新的環(huán)境，此階段相應(yīng)于細菌生長曲線中的適應(yīng)期。這一時期，細菌數(shù)量緩慢增加， 產(chǎn)氣量也呈緩慢增長的曲勢。1025d,對數(shù)增長階段：經(jīng)過了上一個階段，在這一時期，細菌已經(jīng)適應(yīng)了新的環(huán)境， 相應(yīng)于細菌生長曲線中的對數(shù)期。這一時期，細菌開始大量繁殖，所以產(chǎn)氣量也迅速增加。25-35d,穩(wěn)定階段：隨著營養(yǎng)物質(zhì)的消耗，細菌的繁殖和死亡達到平衡，這一階段相應(yīng) 于細菌生長曲線中的穩(wěn)定期，菌體數(shù)達到平衡，產(chǎn)

13、氣量也平穩(wěn)增加。35d以后，衰減階段：營養(yǎng)物質(zhì)被耗盡，有害代謝產(chǎn)物不斷積累，這一時期相應(yīng)于細菌 生長曲線中的衰亡期，菌體數(shù)逐漸減少，產(chǎn)氣量也不再增加。2.2反應(yīng)前后ph分析在補料初期，測得反應(yīng)液的ph為7.24。經(jīng)過了 45天的發(fā)酵產(chǎn)氣之后，再測得反應(yīng)液 的ph為7.92,略微升高。如前所述，產(chǎn)甲烷共有兩種途徑，一種是由co2還原而成；另一 種山甲基類發(fā)酵(一般為醋酸發(fā)酵)而成。倘若是以醋酸發(fā)酵為主，那么本次實驗的反應(yīng)液ph 應(yīng)該會有所降低，但是結(jié)果表明ph值不降反升，這說明該實驗的產(chǎn)甲烷途徑主要是co2還 原。2.3總產(chǎn)氣量以及甲烷濃度本次實驗共產(chǎn)牛氣量約2.46lo氣體組分及濃度見表3.表

14、3氣體組分及濃度tab.3 gas composition an concentration氣體組分濃度h：3co：50313結(jié)論采用白腐真菌對瘦煤進行預(yù)處理，再補充富集了的礦井水菌種進行產(chǎn)氣發(fā)酵實驗，提高了瘦煤的轉(zhuǎn)化率，使甲烷濃度達到31%.通過實驗過程中的產(chǎn)水量變化曲線揭示了微生物產(chǎn)氣有四個階段，即：緩慢上升階段、對數(shù)增長階段、穩(wěn)定階段、衰減階段。通過對產(chǎn)氣前后反應(yīng)液ph值的分析，推測出牛物氣產(chǎn)牛的主要途徑是co2還原，而 非乙酸發(fā)酵。參考文獻(references)|1蘇現(xiàn)波，林曉英.煤層氣地質(zhì)學m.北京：煤炭工業(yè)出版社,2009： 7-10. ayers w. b. jr. coalb

15、ed gas systems, resources and production and a review of contrasting cases from the san juan and powder river basinsj. aapg bulletin, 2002, 86 (11): 1853-1890.3 孫萬祿，應(yīng)文敏，王樹華，等煤層氣地質(zhì)學基本問題的探討j.石油與天然氣地質(zhì),1997, 18(3): 189-194.4 scott a r , kaise w r , ayers w b j r. thermogenic and secondary biogenic gases , san juan basin , colorado and new mexico -implications for coal