外源菌降解褐煤产气特征研究

利用外源菌来增产煤层气是生物促产煤层气领域研究热点,以寺河煤层水富集培养菌群为外源菌,内蒙胜利、河南义马、云南昭通褐煤作为产气底物,分析 3 种褐煤的产气特征。 对内蒙胜利褐煤产气组采用高通量测序,分析微生物菌群结构,判断可能的产气途径。 研究结果表明：70 d 的产气周期内,内蒙有 2 个产甲烷高峰,云南和义马均有 1 个产气高峰。 最大产甲烷量分别为81.01、22、31.54 mL,产甲烷率分别为 8.012、2.111、3.065 mL/g。 产气周期内,氢气逐渐减少,二氧化碳与甲烷含量呈现负相关,产气途径偏向于 H₂/CO₂还原途径。 内蒙褐煤产气微生物群落结构中存在的 W22,Citrobacter,Syntrophomonas,Desulfovibrio,Methanomicrobiales 等菌群,也说明了产甲烷类型可能以H₂/CO₂还原途径为主。     

外源菌群煤生物气化初步研究:菌群结构、煤种及煤孔(裂)隙

以河南义马煤矿、山西山阴煤矿和双柳煤矿不同煤阶煤为研究对象,利用沼液经逐步驯化得到的外源产甲烷菌群为菌源,在千克级的水平上进行了煤生物气化模拟实验。采用16S rDNA测序对驯化得到的菌源进行初步确定,并研究了驯化菌源对不同煤种的气化效果,采用扫描电镜初步研究了驯化微生物形态与煤孔(裂)隙的可能作用。结果表明,不同煤样外源菌群煤生物气化均存在产气周期,可分为快速、缓慢和抑制3个阶段,而不同煤种气化阶段存在明显差异。16S rDNA测序结果显示,甲烷丝状菌属(Methanothrix)占0.02%,而典型的和煤的骨架芳香结构降解相关的微生物类群占约8%,表明降解步骤是煤生物气化的速控步骤。扫描电镜观察发现,驯化后的菌群以球状和杆状为主,部分微生物进入煤的孔裂隙。当以块状煤为底物长期驯化菌源时,菌群的产气效率明显降低。     

复配高效菌群厌氧降解煤产甲烷实验研究

高效功能菌群是微生物增产煤层气技术的重要影响因素。通过复配降解芳香化合物的功能真菌菌群与降解煤产甲烷的真菌—产甲烷菌群，提高甲烷产量；分析菌群结构、中间产物和煤结构的演替规律，研究复配菌群降解褐煤产甲烷机理。研究结果表明：复配菌群能够厌氧降解褐煤，煤的甲烷产量为172μmol/g,是未复配的1.74倍，芳烃降解菌Cladosporium在第7天成为优势真菌属；具有较强环境适应性的Aspergillus、Penicillium等成为产气结束后的优势真菌，在第7天发酵液中检测到丰富的代谢中间产物脂肪酸和芳香酸，其占比在产气末期均下降50%以上；煤中芳香碳在降解后下降了12.27%,降解效果显著。研究结果为改善产甲烷菌群的煤降解能力，增强产甲烷效能提供了一种有效方法。     

风化煤与褐煤转化生物甲烷的差异性分析

为查明风化煤与褐煤生物甲烷生成量差别的内在原因,分别选取风化煤和褐煤,以富集驯化的菌液为菌种来源,通过生物产气模拟,红外光谱、X射线光电子能谱、16srRNA测试、扫描电镜测试来分析风化煤与褐煤生物产气量差异性的内在机制。结果表明：褐煤的生物产气潜力（7.63 mL/g）大于风化煤（3.24 mL/g）;褐煤相比于风化煤,在产气过程中各类基团脱落明显,芳香类物质更多的被转化为小分子量的其它物质,同时酚碳或醚碳（C—O）氧化更加明显,有利于形成更多的小分子有机酸类物质;褐煤相较于风化煤在生物产气过程中表面侵蚀较严重,出现了较多的孔裂隙,使得有机质能够从这些孔隙中析出,有利于微生物进一步利用产气;褐煤中细菌和古菌多样性低于风化煤,但主要功能菌群占比较大,细菌中Macellibacteroides属和Lysinibacillus属占比达68.05%,古菌中Methanosarcina属和Methanobacterium属占比达89.99%,远大于风化煤,对煤中有机质的降解利用起到积极作用,能为后续产甲烷菌提供原料,因此褐煤更有利于被微生物利用产生物甲烷;风化煤的甲烷代谢类型为甲基类营养性区别...     

褐煤生物制气产气率影响因素初步研究

对河南义马的褐煤煤样,开展了5、10、20 g用量水平及75 kg用量水平生物气化实验,结果表明,微生物可以利用褐煤产生甲烷,5、10和20 g煤粉的产生甲烷效率分别为765、686、521μmol/g,75 kg煤块的产甲烷效率为7.77μmol/g。产气效率随煤用量的增加而降低。块煤暴露在外的表面积少,能够被微生物作用的部分少,产气效率的降低尤其明显,说明提高产甲烷量不能单纯靠提高煤的用量,而应该增加微生物与煤直接接触的面积,相关技术还有待研究。     

龙泉煤层气田产甲烷菌群富集的厌氧产气中试研究

为探讨龙泉煤层气田产甲烷菌群降解烟煤产甲烷的潜力,研究富集并驯化了龙泉煤层气田产甲烷菌群;以龙泉矿烟煤为母质,开展产甲烷菌群降解煤产气的实验室研究以及中试研究。结果表明,龙泉煤层产甲烷菌群经富集驯化后,降解烟煤产甲烷的浓度由8.2%上升至19.0%,且产气周期缩短。中试试验中,产甲烷浓度最高达27.06%,产甲烷速率达0.159 m L/(g·d);且在中试发酵产气的衰退期,向发酵罐内添加酵母粉、氮源、磷盐、镁盐、维生素、微量元素,可重新激活产甲烷菌群的活性,使其降解烟煤产甲烷的浓度回升。由此可见,富集驯化龙泉煤层产甲烷菌群可显著提高其降解烟煤产甲烷的能力;在发酵产气衰退期补加营养物质,可以活化产甲烷菌群,恢复其降解烟煤产甲烷的能力。     

不同煤阶煤的生物产气特征差异研究

为研究不同煤阶煤制生物甲烷产量出现差异的可能性原因,选择长焰煤、焦煤和瘦煤三种不同煤阶煤样,通过对不同煤阶生物甲烷含量测定、GC-MS(气相色谱-质谱联用仪)测试和扫描电镜检测,分析煤制生物甲烷的成气特征、有机物组成与煤表面结构变化规律以及菌群附着特征。研究发现,煤阶越高,生物产气总量越低,并且低煤阶煤的生物甲烷产量明显高于高煤阶煤。通过GC-MS测试,3个煤阶煤生物产气过程第10天有挥发性脂肪酸(VFA)和甲基化合物等物质生成,长焰煤试验组与焦煤试验组在第15天未检测到VFA等小分子物质存在,并且伴随有新的大分子物质生成,瘦煤试验组并未在第15天检测到VFA,可能归因于瘦煤试验组发酵后期产甲烷菌活性的降低。同时,高的脂肪酸含量是抑制甲烷生成的原因之一,芳香烃较脂肪烃更适合被微生物降解,所以其在液相产物中的占比也是影响最终甲烷生成量的主要因素。扫描电镜检测结果显示,3种煤样表面细胞形态有明显差异,且在产气高峰期3种煤样表面细胞密度均有所增加,长焰煤表面凹凸不平,粗糙度逐渐增加,焦煤与瘦煤表面无明显变化。以上研究结果表明：低阶煤更适合作为碳源供产甲烷菌利用,液相产物中VFA、脂肪酸和芳香...     

以风化煤为底物制取生物甲烷的潜力分析

我国拥有丰富的风化煤储量,因其高度被氧化的独特性质,可应用的领域极为有限,目前主要被作为改善土壤性质的肥料和制取腐殖酸的来源。以风化煤为底物制取生物甲烷是一种具有探索性的全新生物发酵工艺,探究其可行性及模拟实验过程中风化煤的物性特征变化有利于拓宽风化煤的资源利用和环境改善,并可以进一步丰富煤生物产气理论。实验选取内蒙古乌海和山西晋城两地不同风化程度煤样,以煤层矿井水为菌种来源,在适宜环境条件下开展模拟产气实验,通过生物产气模拟和红外光谱测试,分析不同风化程度煤的生物产气能力及其内在因素,以揭示其产气潜力及物性变化特征。结果表明:①随着煤的风化程度加深,可燃基CH 4产气量明显增加,两组煤样中可燃基CH 4生成量最高分别达到7.13,4.20 mL/g;②不同风化程度的煤样均出现了产气高峰,时间基本都出现在15~30 d,各组中随着煤样风化程度不断加深,产气高峰出现时间也越来越早;③随着煤的风化程度加深,煤中芳环被不断打开,大分子结构被破坏,同时煤中羟基、氨基等基团含量趋于降低,脂碳结构逐渐解体,含氧官能团成为主要结构,氧含量比例不断增高,更容易被微生物降解;④菌群鉴定表明风化煤不仅含有大量产生生物气所需的第1阶段和第2阶段细菌,更含有甲烷杆菌属、甲烷球菌属等多种类型的产甲烷菌群,具有把风化煤转化为生物甲烷的环境条件。实验结果最终反映了风化煤具有转化为生物甲烷的潜力,并有利于提高我国风化煤的资源利用率。     

土壤微生物群落结构与功能对铬与总石油烃复合污染的响应机制研究

铬与总石油烃的复合污染对土壤微生物生态系统的影响研究鲜有报导。采用HiSeq高通量测序、LEfSe、Tax4Fun、关联网络等方法探究了不同污染程度铬（Cr）与总石油烃（TPH）复合污染土壤中微生物群落结构与功能特征。结果表明,Cr与TPH均会对土壤菌群结构与功能产生较大影响,二者均降低了菌群alpha多样性。重度Cr与中度TPH复合污染土壤中拟杆菌门和厚壁菌门得以富集,而TPH重度污染提升了群落中变形菌门的含量。重度Cr与中度TPH复合污染土壤中微生物群落功能中更多地富集了核酸损伤修复层面的功能网络,而单独的重度TPH污染更多的是改变土壤菌群的碳源能量的代谢方式。通过关联分析发现Parvibaculum和 Rhodoferax可作为TPH污染修复候选菌,Lactobacillus和Sulfurifustis可作为铬污染修复候选菌;暂未发现同时修复 Cr与TPH复合污染的修复候选菌。本文从微生态角度为筛选生物修复菌种提供了新视角。     

赵庄井田产甲烷菌群富集与产气条件优化

赵庄煤层气井水中富集产甲烷菌群,可优化产气能力。采用厌氧富集得到本源菌群,通过正交试验优化产气条件。水样中存在产甲烷菌群,实验室条件下最优产气条件:NH₄Cl为1.0 g/L,K₂HPO₄为1.5 g/L,MgCl₂为0.1 g/L,煤粉添加量160 g/L,60 d产甲烷量达18.07%。赵庄井田产甲烷菌群通过富集可以降解无烟煤产气,通过条件优化可提高其降解无烟煤产气的能力。     

不同组合菌种预处理对褐煤制生物甲烷的影响

为查明不同组合菌种预处理对褐煤转化生物甲烷的影响,选用白腐菌、假单胞菌和绿孢链霉菌两两组合对褐煤进行生物预处理和生物产气实验。通过生物产气检测、Gompertz方程模拟方法探讨不同组合菌种预处理对褐煤生物产气的影响。结果表明：褐煤经过菌种预处理后,生物产气量有明显的增加,最大增幅可达127%|而不同菌种两两组合按照不同顺序进行预处理后,褐煤的产气效果各不相同|通过改进的Gompertz方程进行产气拟合可知,煤样经不同组合菌种预处理后,具有更大的最大甲烷产率和累计产气潜力。研究结果为促进褐煤生物甲烷化提供了新方法。     

废弃油脂促进褐煤转化生物甲烷效果与机理

为提高褐煤转化生物甲烷的效率，探讨废弃油脂与褐煤混合发酵的产气效果，采用NMR碳谱、三维荧光及宏转录组学分析转化效率变化的的内在机理，研究结果表明，废弃油脂的添加促进褐煤的累计甲烷产量增加了3.89倍，单位甲烷产量达到31.2 mL。褐煤中脂肪族碳相对含量降低11.4%，类富里酸酚羟基、酮羰基、羰基等基团含量增加明显。同时微生物菌群高峰期时活性产甲烷古菌例如Methanothrix, Methanoculleus占比增长50%以上。糖苷水解酶、脂肪酰辅酶A脱氢酶等与碳水化合物及脂肪酸降解相关的酶丰度增加明显。废弃油脂添加使乙酸及CO₂转化甲烷途径分别占比59.2%、40.4%，甲酰甲烷呋喃脱氢酶以及乙酸激酶等功能性酶也得到提升，促进了生物甲烷的转化。褐煤中脂碳率降低表明了在厌氧发酵中微生物菌群更易与褐煤中碳骨架大分子结构中脂甲基碳、芳香甲基碳、亚甲基及甲氧基等发生生物化学反应转化甲烷。高峰期厌氧发酵液相中生物可降解有机分子含量增加，其来源于微生物作用在褐煤有机质中致使微生物发生生物化学反应产生酚羟基、酮羰基等易于合成甲烷的小分子物质。废弃油脂添加可显著改变微生物群...     

多手段表征富油煤微生物厌氧发酵孔隙结构变化特征及机制

煤层气生物工程技术是实现富油煤绿色、低碳开发的有效手段之一。为探究微生物厌氧发酵作用下富油煤孔隙结构演化特征，以鄂尔多斯盆地南部黄陵矿区富油煤为研究对象，在实验室条件下开展微生物厌氧发酵(降解)富油煤生烃模拟实验，采用场发射扫描电镜、3D形貌仪、CT扫描、孔隙度/渗透率测试等手段，对微生物降解前后的富油煤表面形貌、粗糙度和内部孔隙进行表征，并探讨微生物降解作用下富油煤的孔渗结构演化规律及生烃机制。结果表明：不同规格大小的煤样甲烷生成潜力与煤的质量(或接触面积)呈正相关关系；微生物降解作用具有显著的扩孔、增孔、增容、造缝等效果，以及降低煤体表面粗糙度，使其变得平滑，有利于煤层气的解吸和运移；微生物还可沿着节理、裂隙系统进入富油煤内部，改造煤体孔隙结构及其连通性；同时微生物降解作用还可提高富油煤的孔隙度和渗透率，为煤层气的渗流和运移提供了良好的通道。微生物主要作用于富油煤中脂肪族上的支链，打破小分子间连接较弱的氢键，降低脂肪族的分支程度和煤结构的交联度，进而生成甲烷。微生物作用还可改变富油煤芳香度和芳香环的缩合程度，进而改变富油煤大分子结构与孔隙结构。微生物厌氧发酵富油煤与非富油煤的生烃机...     

200 L发酵罐中煤发酵产甲烷规律初步研究

以含微生物的煤层气井排出水作为菌源,煤作为发酵底物,添加乙酸钠、玉米浆干粉等不同成分的培养基,在200 L发酵罐内进行发酵产甲烷实验。结果表明,整个发酵产气过程可分为发酵初期、快速上升期、缓慢上升期和平稳期4个阶段;玉米浆干粉作为培养基,相较于乙酸钠,其产甲烷效果良好,发酵产气压力可达110.5 kPa,发酵罐内甲烷组分浓度可达36.42%,可有效激活微生物菌群,显著提高产气率近500%,产气率达0.089 L/（kg·d）。     

微生物增产煤层气菌种的驯化

采用厌氧培养方法,从厌氧污泥样品中富集出了产甲烷菌群,仅以煤为碳源对其进行驯化,得到了可以利用煤产甲烷的厌氧菌群。研究了该菌种利用煤产气的规律及常规碳源对菌种产气的影响。结果揭示：驯化后菌种对煤的利用能力显著提高,适应期由15 d缩短到6 d;产气量也显著增加。菌种产气具有规律性,产气周期共28 d,可分为3个阶段：适应期、产气期和稳定期。100 mL底物质量浓度为20 g/L的培养液总产气量达到182 mL,气体中的甲烷浓度约为16%。单日产气量呈先增加后减少的趋势,其中15~17 d的产气量最大,达到20 mL/d。菌种可以利用乙酸钠和甲醇产气,乙酸钠对菌种利用煤产气的增加效果更显著。     

煤样预处理对褐煤生物成气的影响

文章根据生物强化增产煤层气理论,对内蒙古胜利褐煤进行不同方式预处理,模拟生物成气过程,通过检测产气量、气体组分变化探讨预处理前后褐煤生物成气效果。     

褐煤酸碱预处理-微生物气化联产H2-CH4的实验研究

为探讨酸、碱处理煤的发酵联产生物气生成特征,对新疆伊宁矿区褐煤进行酸、碱预处理,以焦作古汉山矿井水为菌源进行发酵联产H2-CH4实验。对联产后的产气量、气体组分、HPE活性、COD质量浓度进行测定分析,对产气后煤样进行XRD和红外测试。结果发现：① 碱处理煤的产氢效果最佳,产气总量为20.25 mL/g,酸处理煤次之为17.05 mL/g,而原煤的产氢效果最差为14.4 mL/g;② HPE活性测定规律基本与之对应,碱处理煤产氢后菌体的氢化酶活性最优为4.35 mL/(mg·min);③ 酸处理煤的联产甲烷效果最好,产气总量为23.35 mL/g,而原煤和碱处理煤的联产甲烷效果基本一致;④ 联产中液相COD质量浓度均呈下降状态;⑤ 经预处理煤样的有机质降解率高,大分子结构更易被降解。实验结果得出了预处理煤联产生物气的生成特征,证实了联产H2-CH4有利于煤的资源化利用,明显提升了能源转化率。     

酸处理对蒙东褐煤结构的影响

为探究褐煤吸附处理有机废水中酸处理对煤质特性的影响,以蒙东褐煤为研究对象,采用了不同浓度的盐酸、硝酸溶液对煤样进行处理,并利用全自动氮气吸附仪(BET)、电子能谱仪(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)对原煤及酸处理煤进行了结构表征,分析了酸处理前后褐煤的孔结构、表面官能团以及表面形貌三方面的变化规律。结果表明随着酸浓度的提高褐煤比表面积、总孔容先稍有增加,随后逐渐降低;较高浓度盐酸处理煤平均孔径相较原煤有所增大,而硝酸处理煤平均孔径普遍有所减小。酸处理后的褐煤,C—C与C—O基团所占比例减少,C=O基团则增加,且硝酸处理变化更为明显。室温酸处理使褐煤的粒径均一性得到改善,褶皱有所减少,在一定程度上改变了煤的物理化学结构,且硝酸较盐酸作用更为明显。     

煤生物成气过程中溶解性有机物的光谱特征研究

为进一步探讨煤生物成气过程中有机中间产物的变化特征,使用富集驯化后的底泥对3种煤样进行了煤生物成气模拟实验。对产气过程中产气量、液相样品中的可溶性有机质含量(总有机碳,TOC含量)、紫外和三维荧光光谱进行测定,并分析其耦合关系。结果表明:3种煤样的产气过程均可分为3个产气周期:快速期、慢速期和产气停止期。成气过程中TOC含量总体下降,产气停止后含量有少量增高,TOC含量变化周期与产气时期具有一致性。紫外光谱及特征值显示产气过程中DOM分子量逐渐增大,芳构化程度增高,同时芳香环取代基上含氧官能团增多。荧光光谱显示成气过程中类蛋白荧光峰迅速降低,煤中的腐殖酸类物质转移到液相中,荧光基团中羰基、胺基和羟基含量增加。紫外和荧光光谱的变化与成气过程具有很好的耦合性,均表明煤中的有机质在微生物作用下进入液相并参与产气,但不同种类的物质对产气的作用不同。研究结论与此前GC-MS的相关研究结果相一致,且为煤生物成气过程中液相成分和性质的变化提供了参考。     

Fe~(3+)、Ni~(2+)对微生物降解煤制氢影响的试验研究

为了研究不同Fe~(3+)、Ni~(2+)浓度对煤制氢过程的控制作用,采用焦作古汉山煤矿井下煤层水培养的产氢菌为发酵菌,以内蒙古伊宁褐煤为碳源进行发酵产氢试验,对产气结束后的产氢量、细胞干重、煤降解率、蛋白酶及氢化酶活性进行了测定。结果发现:Fe~(3+)、Ni~(2+)浓度对产氢影响都具有先增后减效果,产气极值分别为142.07 m L和186.78 m L;煤降解率在产气高峰时达到极值,分别为1.65%和1.35%,并且蛋白酶与氢化酶活性极值与产气高峰相对应,但细胞干重和产气高峰不完全对应,主要表现为Fe~(3+)浓度影响的不同,当Fe~(3+)质量浓度为10 mg/L时,达到极大值0.16 g,过高浓度的Fe~(3+)抑制了菌群的繁殖。试验结果说明Fe~(3+)、Ni~(2+)对煤制生物氢代谢有明显的控制作用,为深入了解微生物降解煤过程提供了理论依据。