实验室条件下褐煤生物气生成的化学影响因素

㊀第41卷第4期煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报Vol.41㊀No.4㊀㊀2016年4月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYApr.㊀2016㊀王爱宽,秦勇,邵培.实验室条件下褐煤生物气生成的化学影响因素[J].煤炭学报,2016,41(4):948-953.doi:10.13225/ki.jccs.2015.0767Wang Aikuan,Qin Yong,Shao Pei.Chemical factors influencing lignite biogenic gas production in laboratory condition[J].Journal of Chi-na Coal Society,2016,41(4):948-953.doi:10.13225/ki.jccs.2015.0767实验室条件下褐煤生物气生成的化学影响因素王爱宽1,2,秦㊀勇1,2,邵㊀培1,2(1.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州㊀221116;2.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室,江苏徐州㊀221116)摘㊀要:在实验室条件下,分别添加0.2mol /L 乙酸钠㊁0.2mol /L 甲酸和5mg /L 酵母浸出液作为外源碳源,研究煤层本源菌作用下褐煤生物气生成潜力和生成过程中的化学影响因素㊂结果表明,软褐煤和硬褐煤中有机物质都能作为独立碳源生成生物气,软褐煤生成速率(0.18mL /(g ㊃d ))大于硬褐煤(0.13mL /(g ㊃d )),其组分均主要由CH 4和CO 2组成㊂有机碳源的加入对褐煤生物气生成速率和气体组分影响各异㊂0.2mol /L 乙酸钠可以提前甲烷的初始生成时间,同时提高生成速率,显著增加CH 4含量,但总体不会影响煤样本身产生的甲烷量;0.2mol /L 甲酸不仅可以激活产甲烷菌活性,而且可以有效增加褐煤生物气产量和CH 4含量,且成熟度低的软褐煤增加的效果更明显;5mg /L 酵母浸出液对产甲烷菌有抑制作用㊂氯仿沥青A 含量高可能是导致软褐煤生物气产率高的主要原因;DOC 对褐煤生物气生成影响不大㊂研究认为煤基质中底物可利用性和外源有机碳源类型是影响地下煤层中甲烷生成的重要因素㊂关键词:煤层气;生物气;气体组分;化学影响因素中图分类号:P618．11㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:0253-9993(2016)04-0948-06收稿日期:2015-05-28㊀㊀修回日期:2015-11-11㊀㊀责任编辑:张晓宁㊀㊀基金项目:国家自然科学基金面上资助项目(41272177);国家自然科学基金青年基金资助项目(41202119);江苏高校优势学科建设工程资助项目㊀㊀作者简介:王爱宽(1981 ),女,江苏徐州人,副教授,博士㊂E -mail:wake198110@Chemical factors influencing lignite biogenic gas production inlaboratory conditionWANG Ai-kuan 1,2,QIN Yong 1,2,SHAO Pei 1,2(1.School of Resources and Geoscience ,China University of Mining and Technology ,Xuzhou ㊀221116,China ;2.Key Laboratory of CBM Resources and Pooling Process ,Ministry of Education of China ,Xuzhou ㊀221116,China )Abstract :Lignite samples were investigated for their ability to support microbial methane production with parent bacte-ria in laboratory incubations,with 0.2mol /L sodium acetate,0.2mol /L formic acid and 5mg /L yeast extract as exog-enous organic carbon sources respectively.Results show that the organic matter in both soft and hard lignite samples could be used as independent carbon sources to produce biogas.Production rate of soft lignite (0.18mL /(g㊃d))is higher than that of hard lignite (0.13mL /(g㊃d)).The simulated biogases are composited by CH 4and CO 2.The in-fluence characteristics of exogenous carbon sources on the biogas production rates and gas compositions are different.Sodium acetate (0.2mol /L)could lead to an earlier generating time of lignite and a increasing production rate,but could not change the production of lignite biogas.Formic acid (0.2mol /L)could not only activate methanogen activi-ties,but also increase the lignite biogas production and CH 4concentration,which effect is more significant for soft lig-nite.Yeast extract (5mg /L)inhibites the activities of methanogen in the incubation.The high concentration of chloro-form bitumen might be the dominate reason for the high production rate of soft lignite.DOC could not affect the biogas第4期王爱宽等:实验室条件下褐煤生物气生成的化学影响因素production significantly.The results indicate that the substrate availability within the coal and different types of exoge-nous organic carbon sources are two factors that may influence the lignite biogas production.Key words:coalbed gas;biogenic gas;gas composition;chemical effect factor㊀㊀当前,国内外对天然气资源的开发和利用越来越重视㊂2004 2030年,美国天然气消耗量预计从634．3ˑ109m3增长到761．7ˑ109m3[1]㊂为保证能源持续增长,需要加强包括煤层气在内的非常规天然气勘探开发工作㊂我国具有大量潜在的煤层气储存,这些资源可以缓解我国日益增长的能源需求[2]㊂但煤层气成为长期可行的能源资源还面临2个重要问题:①煤层气井的生产年限变化范围很大[3],例如美国粉河盆地中的一个典型煤层气井的生产年限只有7~8a[4];②当前的科学技术限制了煤层气的勘探开发[5]㊂有机成因煤层气主要分为热成因气和生物成因气两大类㊂据估计,全球煤层气至少20%为生物成因气[6]㊂美国㊁澳大利亚㊁中国等都有重要的生物成因煤层气藏[7-9]㊂有研究证实,当有产甲烷菌进入煤层时,煤层物质受到细菌的降解作用会生成大量的次生生物气,这对区域性补充煤层气资源量和煤层气勘探开发都具有重要意义[10-11]㊂目前,国内外学者开展了许多现场和实验室条件下的相关研究,对煤层中生物甲烷的生成过程和机理有了较为深入的认识[12-15]㊂在无氧条件下,煤层有机物质受到厌氧细菌降解作用,可以生成大量的甲烷气体[16]㊂生物甲烷生成过程首先是母源有机物的水解作用,水解产物通过发酵细菌的代谢活动生成小分子的脂肪酸㊁醇以及CO2和H2㊂最后,产甲烷菌将这些发酵产物通过乙酸发酵或者二氧化碳还原方式生成CH4[17-18]㊂煤层生物气的生成需要煤层满足埋藏浅㊁高渗透性和高含水性等条件[19],同时要求煤层环境能够适合产甲烷菌群的生长繁殖和保持一定的活性,这包括较低的温度㊁缺氧㊁充足的孔隙-裂隙空间㊁中性或稍偏高的pH值等[20]㊂厌氧细菌能保持一定活性是生物甲烷生成的重要条件[21-22]㊂目前国内外学者致力于研究煤层的微生物地下气化开采,但如何能有效激活煤层产甲烷菌群还不清楚,向地下注入菌种和营养液的具体影响因素也还认识不清,因此难度较大,目前鲜见这方面的文献报道㊂本文在实验室条件下,以褐煤作为底物,以煤层产甲烷菌作为菌源,通过向褐煤中添加有机碳源,评价褐煤的生气潜力,并结合褐煤有机化学组分特征,分析褐煤生物甲烷生成过程中的化学影响因素㊂研究结果对于理解影响地下煤层甲烷生成的生物和化学因素㊁区域性增加煤层气资源量及其勘探开发都有重要意义㊂1㊀材料和方法1．1㊀褐煤来源及测试方法样品基本性质测试结果见表1㊂其中工业分析采用国家标准GB/T212 2001;元素分析采用国家标准GB/T476 2001;镜质组反射率测试采用国家标准GB/T6948 1986㊂显微组分分析采用国家标准GB/T8899 1988㊂氯仿沥青 A 采用索氏提取法,具体为10g煤样添加300mL的氯仿,抽提时间为72h㊂抽提物进一步用旋转蒸发法进行浓缩,进行称重定量㊂水溶有机碳(DOC)测试方法为50g煤样添加100mL去离子水混合后,在25ħ下萃取96h,所得提取液用0．45μm滤纸过滤,通过湿式氧化法分析DOC含量[23]㊂表1㊀褐煤样品基本性质Table1㊀Basic properties of lignite samples%采样地点R o工业分析M ad A d V daf元素分析C daf H daf O daf N daf S daf显微组分H I L氯仿沥青A抽提率DOC含量昭通0．316．326．4749．7769．875．8421．51．611．1891．17．71．217．661．42龙口0．4210．1217．7655．4175．345．9830．491．770．8785．74．97．16．781．07㊀㊀注:H代表腐殖组;I代表惰质组;L代表稳定组㊂㊀㊀昭通褐煤成熟度低(R o=0．31%),为软褐煤,龙口褐煤(R o=0．42%)为硬褐煤㊂样品挥发分含量较高,说明样品中不稳定组分含量高㊂且两种褐煤都具有富氢㊁富氧㊁富氮等基本特征,总体生物化学活性好㊂显微组分中腐殖组是成煤植物凝胶化作用的结果,抗微生物降解能力相对弱,是优先被厌氧降解的组分[13]㊂两种褐煤样品中腐殖组组分含量> 85．17%,其中昭通软褐煤显微组分中腐殖组含量高949煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2016年第41卷于硬褐煤,更有利于生物气的模拟产出㊂1．2㊀实验用菌液实验用菌液为从昭通盆地软褐煤样品中富集培养到的本源产甲烷菌,经扩大培养后,其浓度为2．0ˑ1010个/mL [24]㊂实验用到少量产甲烷菌的富集培养基,培养基组分及菌群富集方法见文献[24]㊂1．3㊀实验设计每个100mL 血清瓶中加入20mL 无菌无氧去离子水㊁10g 原煤和4mL 菌液,然后按照表2设计实验(R 代表软褐煤,Y 代表硬褐煤),每个实验2组平行㊂为扣除菌液中营养物质产生的甲烷,实验设空白实验,即不添加原煤只有菌种自身产气㊂实验结果中气体产率即为扣除空白产气量之后的产气量㊂血清瓶用橡胶塞和铝盖进行密封,然后从厌氧手套箱中取出,插入排气管排水集气㊂所有装置和试剂在使用前进行消毒㊂实验进行60d㊂表2㊀实验组设计Table 2㊀Design of experiment实验组R 0R 1R 2R 3Y 0Y 1Y 2Y 3外源物质 乙酸钠甲酸酵母浸出液 乙酸钠甲酸酵母浸出液浓度 0．2mol /L0．2mol /L5mg /L 0．2mol /L0．2mol /L5mg /L 添加量/mL5555552㊀结果与讨论2．1㊀底物类型对褐煤生气量的影响各实验组与对照组在模拟中总生物气生成量结果如图1所示㊂图1㊀褐煤模拟生物气产率Fig．1㊀Lignite simulated biogas production rates软褐煤(R 0)和硬褐煤(Y 0)样品在模拟实验中都有生物气生成,生成速率在48d 之前增长迅速,48~60d 呈缓慢增长态势㊂在没有有机外源物质添加的情况下,产甲烷菌利用的碳源物质只能来自于褐煤本身,因此证明褐煤中有机质可以被生物降解产生生物气㊂软褐煤平均生物气产率为0．18mL /(g㊃d),硬褐煤平均产气率为0．13mL /(g㊃d),软褐煤产气率为硬褐煤的1．38倍㊂说明成熟度低的软褐煤更容易被生物降解,且产气量也高于硬褐煤㊂软褐煤成熟度低,分子中含有较多的多环芳香结构的小分子边基侧链,更容易被微生物降解[13]㊂而硬褐煤因为成熟度稍高,经历的生化和煤化作用大于软褐煤,易于降解的组分含量较少,这可能是造成其生物气产量较低的主要原因㊂R 1组初期产气率明显高于R 0组,但最终产气量只略高于R 0组(图1(a))㊂Y 1组在实验前期(12~24d)产气量明显高于Y 0组,但总产气量也只略高于Y 0组(图1(b))㊂说明0．2mol /L 乙酸钠的添加会使甲烷气体提前生成㊂从实验数值看,R 1组比R 0组多生成0．57mL 气体,Y 1组比Y 0组多生成0．53mL 气体,数值十分接近㊂乙酸钠在甲烷生成中是一种可以利用的底物,所以它可以提前甲烷的生成时间,同时增加初期的生成速率,但是不会影响煤样本身产生的甲烷量㊂乙酸钠是常用的产甲烷菌等厌氧细菌的培养基成分,溶解在水中形成的CH 3COO -可直接被产甲烷菌高效利用,使产甲烷菌迅速繁殖生长[25],但不会改变产甲烷菌对煤层物质的降解途径和降解量㊂本研究结果证实乙酸钠能有效刺激产甲烷菌活性,对煤层地下微生物气化具有重要意义㊂R 2,Y 2组在模拟期间一直保持快速的增长速度,且总产气量明显大于R 0,Y 0组,实验结束时R 2组产气量比R 0组多3．65mL /g,Y 2比Y 0组多1．14mL /g㊂运用数值分析方法分析,甲酸添加组和原煤组产气量之间的相关性(应用SPSS19．0软件),其P 值均小于0．05,说明差异性显著,即59第4期王爱宽等:实验室条件下褐煤生物气生成的化学影响因素0．2mol /L 甲酸的加入可以有效增加褐煤生物气产量,且成熟度低的软褐煤增加的效果更明显㊂模拟初期(第12天)R 2和Y 2组产气量没有增加(图1),后期产气量才逐渐高于原煤,说明甲酸加入对产甲烷菌活性的刺激作用不明显,但能明显增加褐煤生物气生成量㊂这种促进作用原理不明,很可能是因为甲酸的加入增加了褐煤的溶解作用,从而增加体系中产甲烷菌的有效营养物质,继而增加产气量㊂R 3组生物气生成受到明显的抑制作用,Y 3组36d 后没有生物气检出(图1)㊂说明酵母浸出液不能被产甲烷菌有效利用,反而会抑制其活性㊂酵母浸出液中含有维生素㊁氨基酸和微量矿物质,是微生物培养与发酵的优质氮源[26]㊂本实验中体现的抑制作用可能是因为其中的金属阳离子多以螯合剂的形式存在,这可能降低了产气体系中某种必要的微量元素的生物利用率㊂其具体抑制机理还需要进一步研究㊂2．2㊀底物类型对褐煤生物气组分的影响酵母浸出液处理组的产气量很少,故未检测R 3和Y 3气体组分含量㊂每组褐煤生物气均主要由CH 4和CO 2气体组成,各组分含量及变化趋势见表3和图2㊂R 0组和Y 0组气体组分变化趋势相似(图2),但软褐煤组CH 4含量明显高于硬褐煤组㊂R 0组CH 4平均含量为66．45%,CO 2平均含量为31．34%,Y 0组CH 4和CO 2平均含量分别为57．95%和39．93%㊂这可能与模拟体系中细菌活性有关,但更可能是因为生物甲烷产出途径不同造成的㊂生物甲烷生成的具体方式有二氧化碳还原方式和乙酸发酵方式,前者利用CO 2生成CH 4,后者分解乙酸类生成CH 4和CO 2㊂前期研究结果表明褐煤生物气生成后期有CO 2还原方式参与[13],因此推测可能软褐煤组中二氧化碳还原方式较早参与其中㊂具体原因和过程还需要进一步研究㊂表3㊀褐煤生物气组分分析结果Table 3㊀Components of biogenic gas from lignite samples%时间/d R 0CH 4CO 2H 2N 2R 1CH 4CO 2H 2N 2R 2CH 4CO 2H 2N 21266．4230．613．0368．0728．161．232．6467．2231．882．312464．2632．971．711．0469．6927．621．561．2365．7432．260．341．643664．6733．300．391．6279．4717．831．391．4168．1230．560．041．264867．1731．080．391．3479．1619．020．411．5174．7823．290．391．526069．7328．740．251．2681．2117．010．681．2071．5826．680．411．31时间/d Y 0CH 4CO 2H 2N 2Y 1CH 4CO 2H 2N 2Y 2CH 4CO 2H 2N 21259．9037．220．412．4768．2030．90 2．1861．6337．73 3．012455．2642．061．561．1269．2330．40 1．3062．6836．62 1．313656．9341．120．631．3272．2126．901．0569．0130．01 1．144857．8140．530．151．5175．8824．10 1．1167．8930．99 1．176059．8538．710．41．0479．0220．891．4169．5829．291．09㊀㊀注: 表示未检测到㊂图2㊀模拟气中CH 4和CO 2相对含量变化特征Fig．2㊀Variation of relative content of CH 4and CO 2in simulated gas159煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2016年第41卷㊀㊀0．2mol/L乙酸钠和0．2mol/L甲酸的加入均增加了组分中CH4的含量,同时CO2含量降低㊂R1,R2组CH4平均含量分别为75．52%和69．49%,Y1,Y2组CH4平均含量为72．91%和66．16%㊂每个实验组均有少量H2和N2被检测,但均没有重烃气体成分,说明褐煤生物气生成过程中没有重烃生成㊂0．2mol/L乙酸钠的加入使褐煤生物气中CH4含量显著高于原煤组,R1组CH4平均含量比R0组增加了13．65%,Y1组CH4平均含量比Y0组增加了25．90%㊂说明,0．2mol/L乙酸钠可以明显提高CH4相对含量㊂这是因为产甲烷菌利用乙酸钠合成自身的细胞物质,使其数量有效增长,直接导致气体组分中CH4含量显著增加㊂乙酸钠添加组气体中CH4含量保持持续上升的态势,显示了细菌分解乙酸钠产生CH4的优先性和高效性㊂乙酸钠是常用的产甲烷菌等厌氧细菌的培养基成分,使产甲烷菌迅速繁殖生长和增强活性㊂这与2．1节的分析结果一致㊂R2组和Y2组CH4平均含量比原煤组分别增加了4．57%和14．17%,增加量小于乙酸钠组㊂说明甲酸作为有机碳源可以被产甲烷菌利用,但对产甲烷菌的激活作用不如乙酸钠明显㊂甲酸作为底物生成CH4的化学式为4HCOOHңCH4+3CO2+2HO2,在生成1分子CH4的同时会生成3分子CO2,因此甲酸的加入使得气体组分中CO2的大幅度增加,从而降低菌液pH值,这可能是其对产甲烷菌激活作用不明显的原因㊂2．3㊀可溶有机质对褐煤生物气的影响软褐煤R0和硬褐煤Y0的氯仿沥青A含量相差较大,这可能是导致其生物气产量差异的主要原因㊂由表1可知,软褐煤氯仿沥青A含量比硬褐煤煤高2．60倍,其产气率约为硬褐煤的1．43倍,表明氯仿沥青A含量可以对产甲烷菌群的活性有很大促进作用㊂氯仿沥青A中含有饱和烃㊁芳烃㊁非烃和沥青等可溶有机质,因此认为可溶有机质中饱和烃可能是可利用有机碳的主要部分㊂煤中提取的水溶有机碳的浓度相差不大,所以煤层及地下水中的DOC含量不是影响煤中甲烷生成的主要因素㊂虽然只有两个褐煤样品,但氯仿沥青A和DOC 浓度对褐煤生物气生成的影响特征仍很明显㊂可溶有机质的类型和含量对褐煤生物气的生成都有重要的作用㊂为了确定煤层生物气生成的有效代谢物,还需加强煤中可溶有机质中饱和烃等有机烃类型和丰度的研究㊂3㊀结㊀㊀论(1)在煤层产甲烷菌条件下,软褐煤和硬褐煤在没有外源有机碳源加入的情况下都有生物气生成,软褐煤生成速率(0．18mL/(g㊃d))大于硬褐煤(0．13mL/(g㊃d))㊂褐煤生物气主要由CH4和CO2组成,CH4含量和CO2含量有此消彼长的关系㊂(2)0．2mol/L乙酸钠可以使生物甲烷的初始生成时间提前,同时增加甲烷的生成速率,并能显著增加CH4含量,但不会影响煤样本身产生的甲烷量㊂0．2mol/L甲酸不仅可以激活产甲烷菌活性,而且可以有效增加褐煤生物气产量和气体中CH4组分含量,且成熟度低的软褐煤增加的效果更明显㊂5mg/L 酵母浸出液对产甲烷菌有抑制作用㊂(3)氯仿沥青A含量高可能是导致软褐煤生物气产率高的主要原因㊂DOC对褐煤生物气生成影响不大㊂(4)研究认为煤基质中底物可利用性和外源有机碳源类型是影响地下煤层中生物甲烷生成的重要因素㊂参考文献:[1]㊀Steve H H,Richard L S,Charles E B.Microbial and chemical factorsinfluencing methane production in laboratory incubations of low-rank subsurface coals[J].International Journal of Coal Geology,2008, 76:46-51.[2]㊀秦勇.中国煤层气成藏作用研究进展与述评[J].高校地质学报,2012,18(3):405-418.Qin Yong.Advances and reviews on coalbed methane reservoir for-mation in China[J].Geological Journal of China Universities,2012, 18(3):405-418.[3]㊀Young A.Coalbed methane:A new source of energy and environmen-tal challenges[J].Environmental Science and 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