聶文杰

(西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

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微生物降解煤礦瓦斯的研究

聶文杰

(西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

為降低煤井采礦區(qū)內(nèi)瓦斯的濃度，采用微生物篩選的方法，通過(guò)使用甲烷配氣代替煤礦瓦斯在實(shí)驗(yàn)室條件下研究了微生物降解煤礦瓦斯的影響各種因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：降解甲烷微生物的最佳培養(yǎng)條件為：pH為6.5；溫度為32 ℃；搖床轉(zhuǎn)速為120 r/min；接種量為5%；氧氣與甲烷濃度之比為1∶2。并且菌種在最優(yōu)條件下，對(duì)于初始濃度為45.63%的甲烷氣體，96h內(nèi)的降解效率最高可達(dá)55.7%。

甲烷；微生物；降解；煤礦瓦斯

1　引言

煤層瓦斯易燃、易爆，是礦井主要災(zāi)害之一，同時(shí)也是造成溫室效應(yīng)的主要成分，等量甲烷造成的溫室效應(yīng)約是二氧化碳的21倍[1，2]。目前，我國(guó)瓦斯的主要治理技術(shù)為礦井通風(fēng)、礦井瓦斯抽放和“四位一體”的綜合防范措施等物理方法[3～5]。但我國(guó)煤系地層的原始透氣性差，致使原始煤層預(yù)抽難以實(shí)施，而且效果較差。1939年，法國(guó)著名煤化學(xué)家尤洛夫斯基提出利用特殊的甲烷氧化菌，降低煤井采空區(qū)內(nèi)甲烷濃度，隨后，各國(guó)的科學(xué)家相繼進(jìn)行了類(lèi)似的研究，并且取得了一定效果[6～11]。甲烷氧化菌氧化甲烷的活性受外界條件影響較大，直接噴灑或鉆井注入后需封礦，不利于煤礦正常生產(chǎn)和工作人員對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)[12]，如果能在一種氧化甲烷的反應(yīng)器內(nèi)降解甲烷，可以做到邊開(kāi)采、邊治理，不需要封礦處理，則有更大的實(shí)用性。Chris A. duPlessis、浙江大學(xué)的余海霞等利用實(shí)驗(yàn)室菌種、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的黃霞、陶秀祥和同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院劉巍等從淮南潘一礦的土樣和水樣中篩選出的菌種接種自行設(shè)計(jì)的小型反應(yīng)塔，選取不同填料進(jìn)行對(duì)比，采用混合菌系，對(duì)掛膜條件進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)對(duì)各參數(shù)和性能進(jìn)行了初步的探討[13～15]。

微生物過(guò)濾治理瓦斯是降低瓦斯危害的新思路，該技術(shù)可在無(wú)需封礦的條件下實(shí)現(xiàn)邊開(kāi)采邊凈化，減少煤層開(kāi)采時(shí)的瓦斯涌出量，降低瓦斯災(zāi)害的發(fā)生。并且生物濾塔內(nèi)微生物的篩選和生長(zhǎng)條件對(duì)其治理瓦斯效果有重大影響。

2　材料與方法

2.1實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)用到的主要儀器有：恒溫?fù)u床用來(lái)對(duì)液體培養(yǎng)基進(jìn)行恒溫振蕩培養(yǎng)，掃描電鏡用來(lái)觀察甲烷氧化微生物的形態(tài)，氣相色譜儀用來(lái)檢測(cè)甲烷及其它氣體含量，電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱用來(lái)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，電子分析天平用來(lái)精確配制培養(yǎng)及所需藥品，凈化工作臺(tái)用來(lái)提供局部高潔凈度工作環(huán)境，紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)用來(lái)測(cè)定甲烷氣體在水中的濃度。

2.2微生物生長(zhǎng)的影響因素的研究

本實(shí)驗(yàn)采用的微生物為甲烷氧化微生物。把從土壤中取得的含有甲烷氧化微生物的樣品經(jīng)過(guò)預(yù)處理放到液體培養(yǎng)基中進(jìn)行菌種的富集，在液體培養(yǎng)基中通入甲醇作為唯一碳源對(duì)甲烷氧化微生物進(jìn)行培養(yǎng)，增加待分離甲烷氧化微生物的數(shù)量。然后對(duì)樣品進(jìn)行進(jìn)一步的分離純化，從而把甲烷氧化微生物分離出來(lái)。對(duì)甲烷氧化微生物逐步用高濃度的甲烷進(jìn)行馴化，最終可得到能夠降解高濃度甲烷的菌種。

菌種生長(zhǎng)的影響因素對(duì)微生物生長(zhǎng)影響很大，如pH值與微生物的生命活動(dòng)與新陳代謝有著密切的關(guān)系，溫度能影響微生物的代謝和生長(zhǎng)速率，而氧氣與甲烷濃度比對(duì)甲烷氧化微生物體系有很大影響等等，故分別對(duì)pH值、溫度、氧氣濃度、微生物接種量及搖床轉(zhuǎn)速每個(gè)影響因素設(shè)置幾組不同的實(shí)驗(yàn)，在保證菌種正常生長(zhǎng)的情況下通入甲烷氣體，使其濃度為20%，測(cè)定菌體的OD600值，從而探究出最優(yōu)的微生物生長(zhǎng)因素。

3　結(jié)果與分析

3.1微生物生長(zhǎng)的影響因素的研究

3.1.1pH值對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響

由圖1可以看出，培養(yǎng)基的初始pH值對(duì)該甲烷氧化微生物的生長(zhǎng)有很大影響，不同pH值下，甲烷氧化微生物的生長(zhǎng)速度大不相同。對(duì)于本甲烷氧化微生物，當(dāng)pH值為6.5時(shí)，菌體生長(zhǎng)OD600的值達(dá)到最高。在pH值為5.0～6.5范圍內(nèi)，菌體的OD值總隨著初始pH值的不斷增大而增大。當(dāng)初始pH值超過(guò)6.5以后，該甲烷氧化微生物菌體OD600值又不斷下降。因此，在酸性范圍內(nèi)，該甲烷氧化微生物生長(zhǎng)所需的最佳pH值為6.5，微酸性環(huán)境有利于生長(zhǎng)。

圖1　pH值對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響

3.1.2溫度對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響

圖2表明，本實(shí)驗(yàn)所設(shè)定溫度范圍內(nèi)，都可觀察到甲烷氧化微生物的生長(zhǎng)以及甲烷氧化的發(fā)生，但適合本甲烷氧化微生物生長(zhǎng)的最適溫度為32 ℃。環(huán)境溫度低于32 ℃時(shí)，溫度越低，菌體生長(zhǎng)OD600值也越小。而環(huán)境溫度超過(guò)32 ℃后，溫度越高，越不適合該甲烷氧化微生物的生長(zhǎng)。因此，該甲烷氧化微生物最佳生長(zhǎng)溫度為32 ℃，高于或低于32 ℃都不利于甲烷氧化微生物的生長(zhǎng)。目前一些主要瓦斯礦井的井下風(fēng)流溫度和地層溫度，都不超出15～40 ℃范圍，可供氧化甲烷菌生長(zhǎng)。所以對(duì)于將該甲烷氧化微生物應(yīng)用于實(shí)際成為可能。

圖2　溫度對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響

3.1.3接種量對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響

圖3表明，接種量在很小的情況下，該甲烷氧化微生物的繁殖速度隨接種量的增大而增大，而當(dāng)接種量大于4%時(shí)，接種量與菌體的數(shù)量關(guān)系不大，到5%時(shí)基本趨于不變，所以最佳接種量是5%。

圖3　接種量對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響

3.1.4搖床轉(zhuǎn)速對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響

圖4表明，OD值在低轉(zhuǎn)速條件下隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)120 rad/min時(shí)，生物的生長(zhǎng)量達(dá)到最大值。一旦高于120 rad/min時(shí)，生物生長(zhǎng)量隨即下降。由此得出該甲烷氧化微生物生長(zhǎng)所需的最佳轉(zhuǎn)速為120 rad/min。

3.1.5氧氣濃度對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響

本次實(shí)驗(yàn)所培養(yǎng)甲烷微生物是好養(yǎng)型的，因此氧是影響該甲烷氧化菌降解甲烷的一個(gè)重要因素。因此，欲用該微生物處理煤層瓦斯時(shí)，必須解決供氣(氧)問(wèn)題。它對(duì)氧氣與甲烷的消耗比值(即消耗1個(gè)體積甲烷需要的氧體積數(shù))，決定于培養(yǎng)氣體中氧與甲烷的濃度。甲烷濃度高、氧濃度低時(shí)，消耗的比值就?。环粗?，甲烷濃度低、氧濃度高時(shí)，則消耗的比值就大。結(jié)果如圖5所示。

圖4　轉(zhuǎn)速對(duì)該甲烷氧化微生物生長(zhǎng)的影響

圖5　O2濃度對(duì)該甲烷氧化微生物生長(zhǎng)的影響

由圖5可以看出，氧氣濃度對(duì)該甲烷氧化微生物影響較大。在所設(shè)定氧濃度范圍內(nèi)，該甲烷氧化微生物細(xì)菌菌體生長(zhǎng)OD600值基本上隨著O2濃度的增加而增加。但O2濃度超過(guò)10%后，甲烷氧化率與菌體生長(zhǎng)OD600值卻呈現(xiàn)出一定的下降趨勢(shì)?？梢?jiàn)，10%的氧濃度已滿(mǎn)足甲烷氧化微生物氧化甲烷的需要。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)定CH4含量為20%，而當(dāng)O2濃度至少為10%時(shí)，即O2與CH4的配比為1∶2時(shí)，即可得到較理想的菌體生長(zhǎng)OD值。

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果可確定該降解甲烷微生物的最佳培養(yǎng)條件為：pH值為6.5，溫度為32 ℃，轉(zhuǎn)速為120 rad/min，接種量為5%、氧氣濃度∶甲烷濃度=1∶2。

3.2微生物對(duì)煤礦瓦斯降解效果的研究

以甲烷充入量為70 mL為例，計(jì)算其底物濃度和降解速率。

(1)由排水法測(cè)得廣口瓶除去培養(yǎng)基和塞子所占體積后的體積為550 mL。

(2)4h內(nèi)微生物降解掉的甲烷(%)=儀器測(cè)定數(shù)(%)-空白(%)=0.0074(%)。

(3)試條件下甲烷氣體體積。

Vs =4h內(nèi)微生物降解掉的甲烷×廣口瓶?jī)?nèi)體積 =0.0407 mL

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下甲烷氣體體積:

Pn——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣壓，采用國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)為1 atm；

Ps——為測(cè)試條件下的大氣壓，西安地區(qū)夏季大氣壓為0.96 atm；

Tn——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度，采用國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)為298 K；

Ts——測(cè)試條件下的溫度，30 ℃即273+30=303 K 。

(4)底物濃度[S]的計(jì)算。

物質(zhì)的量n=標(biāo)況下甲烷氣體體積/22.4 L/mol=0.0017×10-3mol；

質(zhì)量m=物質(zhì)的量×摩爾質(zhì)量=0.027 mg；

底物濃度[S]=質(zhì)量/廣口瓶?jī)?nèi)體積=0.049 mg/L。

(5)降解速率 v=底物濃度[S]/時(shí) =0.012 mg/L·h。

(6)降解效果(%)=(儀器測(cè)定1-儀器測(cè)定2)/儀器測(cè)定1 =28.46%。

如以上計(jì)算過(guò)程，其他底物濃度、降解速率和降解效果見(jiàn)表1和2。由表中可以看出該甲烷氧化菌的降解效果隨時(shí)間是依次增加的，初始充入甲烷量為70 mL(即甲烷濃度為14%)的最大降解效果為80.6%。

表1　甲烷充入量為60 mL的降解速率

表2　甲烷充入量為70 mL的降解速率

4　結(jié)論

本研究從陜西煤層煤塊、礦井水及富含瓦斯煤層土壤中直接篩選出了一種 “噬”甲烷專(zhuān)性菌，探討其最佳生長(zhǎng)條件及初步降解效果。結(jié)論如下。

(1)該甲烷氧化微生物生長(zhǎng)所需的最佳pH值為6.5，最佳溫度為32 ℃，最佳接種量為4%時(shí)，搖床最佳轉(zhuǎn)速為120 r/min，在CH4含量為20%時(shí)，O2與CH4的最佳配比為1∶2；

(2)甲烷充入量為70 mL時(shí)，米氏常數(shù)可達(dá)Km=1.91 vmax=0.48；

(3)降解效果為實(shí)驗(yàn)室初步測(cè)試，具體煤層降解效果有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

[1]張鐵崗．礦井瓦斯綜合治理技術(shù)[M]．北京:煤炭工業(yè)出版社，2001．

[2] 侯晨濤．煤礦瓦斯的微生物治理技術(shù)[J]．煤田地質(zhì)與勘探，2007，35(4)：30～33．

[3] W.Y. Kim,M.D. Hanigan, S.J. Lee. Effects of Cordycepsmilitaries on the growth of rumen microorganisms and in vitro rumen fermentation with respect to methane emissions [J]. Journal of Dairy Science, 2014, 97(11), 7065～7075.

[4]A. Romero-Pérez, E.K. Okine, L.L. Guan, et al. Effects of 3-nitrooxypropanol on methane production using the rumen simulation technique [J]. Animal Feed Science and Technology, 2015, 45(8): 136～147.

[5]Xueming Chen, Jianhua Guo, GuoJun Xie, et al.A new approach to simultaneous a mmonium and dissolved methane removal from anaerobic digestion liquor: A model-based investigation of feasibility [J].Water Research, 2015, 85:295～303.

[6]羅華鋒．淺談煤礦瓦斯治理的現(xiàn)狀及發(fā)展[J]．科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012，12：83．

[7]王璐，金龍哲．利用微生物技術(shù)治理煤礦瓦斯的研究展望[J]．中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，15 (10)：97～99．

[8]聶文杰，王生全，侯晨濤，等．降解甲烷微生物的生物學(xué)特性研究[J]．西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(5)：530～533．

[9]侯晨濤，王生全，聶文杰，等．微生物技術(shù)治理煤礦瓦斯氣體的初步研究[J]．礦業(yè)安全與環(huán)保，2008，35(2)：11～13．

[10]陳東科，王璐，金龍哲，等．利用微生物技術(shù)治理煤礦瓦斯的研究展望[J]．礦山安全與環(huán)保，2005，32(6)：49～52．

[11]柯為．治理煤礦瓦斯爆炸的微生物生物技術(shù)[J]．生物工程學(xué)報(bào)．2005，21(3)：460～460．

[12]周生芳，陶秀祥，侯彤，等．礦井瓦斯微生物轉(zhuǎn)化的研究進(jìn)展[J]．潔凈煤技術(shù)，2009，15(3)：100～103．

[13]ChrisA. Du Plessis, JohannesM. Strauss, ElijahM.T.Sebapalo, et al.Empirical model for methane oxidation using a composted pine bark biofilter [J]. Fuel. 2003(82): 1359～1365

[14]余海霞．利用微生物技術(shù)治理煤礦瓦斯的研究[D]．杭州：浙江大學(xué)，2007．

[15]黃霞，陶秀祥，劉?。⑸镏卫淼V井瓦斯技術(shù)[J]．科技傳播，2011，1：111～1122．

Research on Coal-bed Gas Degradation by Microorganism

Nie Wenjie

(SchoolofGeologyandEnvironment,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,Shanxi710054,China)

The method of microbiological screening was used to reduce the concentration of colliery mining area of gas.We used the methane gas to replace coal mine gas in laboratory conditions and studiedthe various factors that influencedthe microbial degradation of coal mine gas. Here were the results. The optimal culture conditions of methanotroph were as follows: pH was 6.5 ; temperature was 32℃; rotate speed of concentrating table was 120rad/min; quantity of inoculum was 5%; the concentration rate of oxygen and methane was 1:2. Under theoptimal condition, the degradation effect of methane with an initial concentration of 45.63%reached up to 55.7%in 96 hours.

methane; microorganism; degradation; coal mine gas

2016-05-12

西安科技大教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(編號(hào)：JG1244)

聶文杰(1981—)，男，工程師，在讀博士，主要從事礦山環(huán)境污染與治理。

TD713.3

A

1674-9944(2016)14-0048-02