黄孢原毛平革菌在煤体中代谢—传输的实验研究

发布时间：2020-08-15 16:13

【摘要】：煤的原位微生物转化是一项成本低、环境友好、可实现原位煤炭资源流态化开发的一种新方法,实验室煤的高效生物液化以及原位微生物增产煤层气的工业试验均证实了生物法实现煤的原位转化具有很大的发展潜力。无论是注入外源菌,还是刺激强化本源菌来提高产率,微生物在煤体多孔介质中的有效传输与代谢是生物法原位转化的关键技术,目前还有许多问题亟待深入研究。本文从微生物的代谢-传输理论分析入手,在优选降解煤菌株的基础上,设计菌株驯化方案,通过煤的微生物降解实验、煤吸附微生物实验、煤体内微生物代谢-传输等实验,揭示了微生物传输过程的滞留和降解对对流-弥散的影响规律,并在此基础上对固体煤的原位生物流态化开采的工程应用进行了初步设计。主要研究内容与结论如下:1、建立了煤体中微生物代谢-传输-煤体变形物理数学模型。将微生物降解固体煤的多阶动力过程简化为液化-气化两阶段模型,量化了该模型的气/液源汇项;考虑非饱和煤体多孔介质中的两相三组分传输:气液两相在源汇项影响下渗流,微生物随液相迁移,并伴随着吸附滞留和生长死亡;推导了生物降解、滞留、应力和孔隙压力四重作用下的孔隙率变化方程;在此基础上建立了非饱和煤体中微生物代谢-传输-煤体变形的数学模型。2、成功驯化适应煤层原位环境的黄孢原毛平革菌。基于煤自身木质素和芳香化合物的结构,优选黄孢原毛平革菌作为降解煤的实验菌株。设计驯化实验系统和方案,按照煤层原位条件设置压力、氧含量和温度参数对黄孢原毛平革菌进行梯度驯化,测定了驯化后的菌株生长曲线、菌落形态、A-C标准曲线。使用驯化的黄孢原毛平革菌开展实验,研究其对同粒径褐煤的降解率,结果显示:30℃、150 r min~(-1)条件下降解率可达25.6%;粒径越小,降解率越高;降解率曲线有明显的阶段性,0~7d降解率线性上升,7~13d降解率稳定增加,13d降解率基本稳定。3、通过褐煤吸附黄孢原毛平革菌的吸附实验,推荐了吸附模型,分析吸附影响因素。从热力学分析发现,褐煤吸附黄孢原毛平革菌为自发过程;通过静态续批实验发现,Freundlich多分子层模型(拟合相关系数0.99)和准二级动力学方程(拟合相关系数0.99)比Langmuir单分子层吸附模型和准一级动力学方程更能准确地描述煤对黄孢原毛平革菌的吸附过程。自然褐煤煤样吸附黄孢原毛平革菌后煤-水接触角降低33%,表面润湿性增强;粒径越小,吸附能力越强;初期吸附平衡时间约为30min。4、提出了一种微生物在煤层原位赋存条件相似的代谢-传输模拟实验方法。设计构建了生物流体代谢-传输的实验系统;在实验条件为轴压5Mpa、围压4Mpa、温度20℃、煤柱φ50×100mm、含氧量5%、注入压力3Mpa、菌液浓度10~6个/mL,空白参比为无菌水,连续监测48h菌液渗透通量、产气量以及渗出菌液浓度;实验后煤柱按照注入方向分三段分别取样进行扫描电镜和压汞分析。实验发现:随注入时间的增加,菌液的渗透通量降低,自开始到48h时,累积代谢产气220mL,黄孢原毛平革菌滞留量增加而滞留率降低;菌液降低的渗透通量与菌液的代谢产气和菌液在煤体内的滞留量相关;扫描电镜显示了黄孢原毛平革菌随压降方向滞留在煤芯出口端,压汞测试褐煤自然煤样平均孔隙率为49.37%,注入黄孢原毛平革菌后煤芯注入端、中端和出口端三位置处孔隙率分别为34.3%、33.91%和27.62%,分别降低30%、31%和44%,与扫描电镜结果一致。依照注入菌种的微米级尺度,将煤的孔隙分为5种,微孔(0.1μm)、小孔(0.1-1μm)、中孔(1-10μm)、大孔(10-100μm)和裂隙(100μm),结合注入前后五种孔隙的比例变化以及比表面积变化,发现注入菌液有压裂和滞留双重作用,而且对不同的尺度的孔隙影响不同,滞留在裂隙和大孔中黄孢原毛平革菌,对于裂隙和大孔来说滞留效应大于压裂,使得裂隙和大孔比例降低进而转化为中孔,而对于微孔和小孔由于微生物无法进入,压裂占主导作用。5、原位生物流态化采煤工程应用的初步设计。基于固体资源转流态化开采的理念,从微生物转化煤的气态和液态产物综合利用角度出发,归纳了微生物降解转化固体煤的流态化产物,探讨了生物法实现原位条件下煤转流态化开发的技术构想。给出了生物流态化采煤的微生物激活体系:包括好氧-厌氧复合菌剂制备方法、营养液配方、循环注采步骤;一注三回九孔道和一注四回十二孔道井网设计;预处理系统、注入系统、地面发酵系统、反应控制系统、回采系统等在内的开采系统以及对应的开采工艺。分析了原位生物流态化采煤的关键技术及应用前景,为科学和绿色采煤提供了新思路。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD82
【图文】：

褐煤,机理

图 1-1 褐煤降解的 ABCDE 机理Fig.1-1ABCDE mechanism of lignite degradation进一步按照现有的微生物降解转化煤机理，梳理已报道的微生物菌种，如表降解煤的酶系可以使得煤的大分子被酶的活性中心氧化，以便于大分子物质和细胞膜、氧化一系列的芳香族化合物以及扩大利用底物的范围。酶作用机化酶、酚氧化酶和水解酶，其中过氧化酶又分为木质素过氧化物酶、木质素降化酶为漆酶；水解酶主要是脂肪酶。对应的菌种主要为曲霉菌、木耳、异担原毛平革菌和云芝等。碱可以使煤的酸性基团离子化，提高煤的亲水性，促转化的发生，这类催化剂多为含氮碱性物质，如多肽、氨、生物胺等。螯合微生物分泌的草酸盐、羧基等基团可以与煤中金属阳离子（Ca2+、Fe3+、Al3+成金属螯合物，使煤体结构解体后可溶性提高，降解率提高[19]。上述转化机独作用还是联合作用，至今尚无定论。但碱作用和螯合物作用降解煤的不足能使 C-C 键断裂，并不能使煤的分子量真正降低，在筛选微生物时还是将其

甲烷化,途径

太原理工大学博士研究生学位论文分离出一株洋葱假单胞菌，它能以褐煤为唯一碳源生存[45]，David[62]等从啤酒厂废水污泥中筛选出了以铜黄和假单胞菌属为主的降解低阶煤菌株。煤的生物转化通过对煤的结构分析，能够证明煤岩可以在微生物的作用中作为生气基质而产生煤层气[78, 79]，特别是低级煤。Gao[80]等萃取出了不同埋深的煤层中脂肪烃和芳香烃等有机物质，并认为这些物质标志着生物降解过程的出现，并以此来判断不同埋深煤层中生物降解可能性的大小。如图 1-2 所示，煤的生物甲烷化大致经过以下过程首先水解细菌将煤分子中的共价键或官能团断裂，变成小分子结构片段，如多环芳烃酮类和长链烷烃等大分子；发酵细菌将上述大分子转化为挥发性脂肪酸、二氧化碳、氢气和甲醇等中间产物；这些中间产物经过发酵作用和氧化作用成为产甲烷底物；最后被产甲烷菌利用而生成甲烷。复杂的煤类有机杂质需要经过水解、酸化、甲烷化等生物转化过程才能生成甲烷，其中水解阶段是整个过程的限速步骤。

示意图,骨架,示意图,解吸

附滞留究微生物在土壤中传输问题时，发现微生物传输不同于传统滞留过程，这些过程包括吸附、解吸、过滤和沉降。其中吸要原因，很多研究表明，虽然解吸、过滤和沉降作用存在为此，滞留过程又常常称作吸附滞留。程下多孔介质中的滞留量的多少受环境中的物理、化学和生物括：水流速度、颗粒形状与大小、颗粒表层性质等[200,211,21子强度[212]、PH 值[200, 211]以及重金属离子[213]和有机物的含生物种类[215,216]、细胞形状与大小[217]、细胞表面性质[218]、性[220, 221]等。

【参考文献】