王倩之 李 悅 張雨晨 王逍遙 楊小彬

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

甲烷是碳的最高還原態(tài)形式，甲烷氧化菌是把甲烷作為唯一碳源的原核生物，在許多普通自然條件環(huán)境中分布范圍就已非常廣泛，如眾多無氧類或有氧類環(huán)境中都有不同類型甲烷氧化菌的存在，在土壤和水體中的甲烷氧化菌種群密度較高。它們的特殊代謝過程在國外已有多人做過研究，其對瓦斯降解的作用在國內(nèi)也引起越來越多人的關(guān)注。國內(nèi)外科研人員對甲烷氧化菌進(jìn)行的研究較多，對于微生物治理礦井瓦斯技術(shù)的研究也取得了一定成果。相關(guān)研究人員通過向生物環(huán)反應(yīng)器中充入設(shè)定好濃度的甲烷，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)后甲烷的濃度降低，氧化效應(yīng)明顯；加拿大學(xué)者查克拉沃蒂通過模擬甲烷氧化菌治理礦井瓦斯實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)瓦斯?jié)舛饶軌蚪档?0～100倍，在甲烷氧化菌氧化甲烷過程中，甲烷最終被氧化為二氧化碳和水，同時(shí)獲得能量供其生命活動，而其代謝過程中對含瓦斯煤樣的作用會對煤的理化性質(zhì)帶來各種影響。

甲烷氧化菌混合菌液對煤樣作用可對煤樣進(jìn)行改性，然而不同地點(diǎn)取樣培養(yǎng)的甲烷氧化菌混合菌群的活性以及混合菌種等各類指標(biāo)各不相同，對煤樣的改性效果也有差別，本文采集了4個(gè)不同地點(diǎn)的土壤樣本，利用一種低成本的甲烷氧化菌混合菌群培養(yǎng)方法，篩選出適宜中低瓦斯?jié)舛拳h(huán)境生長的瓦斯菌群，并利用菌液浸泡同一煤樣做了工業(yè)分析，分析菌群改性煤樣的特性變化，探討利用不同地點(diǎn)土壤培養(yǎng)的菌液對同一煤樣改性的不同效果。國內(nèi)專家研究了解煤層注入微生物溶液的可行性，實(shí)施了煤層注液研究，結(jié)果表明采用微生物技術(shù)注液可行，但不宜選擇太大的注液壓力，而宜采用中低壓長時(shí)間注液，以保證溶液較大程度的滲入煤體，這也為本試驗(yàn)提供了可行性支撐。

1 試驗(yàn)試樣制備

由于采取菌株培養(yǎng)成本較高，試驗(yàn)從5～10 cm深度透氣性好的土壤取樣培養(yǎng)，此深度土壤本身環(huán)境穩(wěn)定，不像表層土壤容易發(fā)生改變。5～10 cm深度土壤中甲烷氧化菌的分布比較集中且菌落的數(shù)量較多，更容易從這個(gè)深度的土壤中篩選出甲烷氧化菌。根據(jù)甲烷氧化菌氧化甲烷的特性，試驗(yàn)所選擇土壤主要集中在稻田土壤、煤礦土壤、泔水區(qū)土壤以及北京奧林匹克森林公園濕土等甲烷產(chǎn)生的地方，制成DT、M、G和GY這4組甲烷氧化菌混合菌液，利用pH值為7的無菌MS培養(yǎng)基溶液50 mL，搭配50 mL的甲烷氣體(99.99%)于250 mL容量的密閉容器內(nèi)，在溫度條件為30℃、轉(zhuǎn)速為120 r/min的恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)恒溫?fù)u床培養(yǎng)至20期，4組樣本的瓦斯降解率穩(wěn)定分布在46.0905%～53.7130%內(nèi)。此方法培養(yǎng)菌群成本低廉且采樣方便，簡化了對細(xì)菌培養(yǎng)的高技術(shù)要求。

本試驗(yàn)選取陽煤五礦8421工作面的煤樣，處理為60～80目備用。每份樣本取煤樣6 g，搭配50 mL甲烷氣體密封于250 mL容量的密閉容器內(nèi)使其達(dá)到吸附平衡后，混合菌液15 mL和無菌液體MS培養(yǎng)基溶液5 mL，然后使各樣本在30℃、120 r/min的恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)恒溫振蕩浸泡48 h后取出，自然風(fēng)干后用GF-A6型自動工業(yè)分析儀進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

通過工業(yè)試驗(yàn)，不同樣本對煤樣的工業(yè)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。其中對照組煤樣6 g，搭配50 mL甲烷氣體密封于250 mL容量的密閉容器內(nèi)，無菌液體MS培養(yǎng)基溶液20 mL，不添加混合菌液。

表1 不同樣本對煤樣的工業(yè)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù) %

由表1可以看出，經(jīng)過菌液處理及自然風(fēng)干后的3組煤樣水分含量相比原煤改變了-0.07%～0.23%，比對照組降低了0.02%；對照組揮發(fā)分增長0.08%，GY、DT、G和M組揮發(fā)分分別增長0.31%、0.89%、1.11%和0.22%，菌液處理煤樣的揮發(fā)分增加的幅度在0.22%～1.11%之間，揮發(fā)分平均增加了0.6325%；對照組灰分上升0.26%，GY、DT、G和M組灰分分別降低0.64%、0.84%、0.72%和0.23%，減少幅度在 0.23%～0.84%之間；對照組固定碳含量下降0.32%，GY、DT、G和M組固定碳含量分別上升0.35%、下降0.48%、下降0.60%和上升0.04%。

3 結(jié)果分析

在水分方面，除自然風(fēng)干條件存在的不可控影響外，整體水分含量的變化不大，這說明浸泡處理對于煤樣水分含量的影響較小，可忽略不計(jì)。

基于表1結(jié)果，圖1、圖2和圖3分別為各樣本在揮發(fā)分、灰分和固定碳方面含量的分布直方圖，以便于直觀比較。

空干基及干基揮發(fā)分試驗(yàn)結(jié)果對比圖如圖1所示。

圖1 各組空干基及干基揮發(fā)分含量分布直方圖

由圖1可以看出，與原煤相比，揮發(fā)分相比原煤均有所增加，而對照組增長較少，可忽略。這說明甲烷氧化菌混合菌群處理煤樣后，能使煤樣的揮發(fā)分少量增加，而其中泔水區(qū)土壤培養(yǎng)的菌液增幅最大，其轉(zhuǎn)化機(jī)理有待進(jìn)一步研究。泔水區(qū)樣本來自泔水垃圾區(qū)，溫度較高的泔水土壤中經(jīng)自然條件作用可將餐廚等垃圾變成可燃?xì)怏w和生物炭，其中沼氣占比較大，甲烷氧化菌在泔水土壤表層中易滋生且具有繁衍條件，而這也為泔水垃圾的利用提供了新的方向。結(jié)果同時(shí)也表明，瓦斯菌群能增加含瓦斯煤樣的揮發(fā)分，也就是能從一定程度上增加煤的發(fā)熱值。

空干基及干基灰分試驗(yàn)結(jié)果對比圖如圖2所示。

圖2 各組空干基及干基灰分含量分布直方圖

由圖2可以看出，與原煤相比，菌群處理的煤樣相比原煤樣灰分均存在不同程度的減少，證明菌液處理的煤樣能夠少量減少煤樣的灰分含量，其中水稻區(qū)土壤培養(yǎng)的樣本降低幅度最大。稻田是大氣甲烷的重要排放源，約占全球總排放的 9%～19%，水稻田土壤中存在豐富的甲烷氧化菌。

固定碳含量試驗(yàn)結(jié)果對比圖如圖3所示。

圖3 各組固定碳含量分布直方圖

由圖3可以看出，與原煤相比，各組固定碳變化不同，有升有降，其中北京奧林匹克森林公園濕土培養(yǎng)的菌液增幅最大。說明不同位置點(diǎn)所培養(yǎng)的瓦斯菌群對陽泉含瓦斯煤的作用效果不一，不同含瓦斯煤樣的菌液群選擇性不同。甲烷氧化菌群以甲烷為碳源代謝產(chǎn)生的易熱分解、易氧化的有機(jī)質(zhì)分解或氧化的產(chǎn)物大部分是水和二氧化碳，有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生后附著煤粒上，也是煤樣揮發(fā)分含量都增加而固定碳含量增加減少并存的原因。

以上所有試驗(yàn)結(jié)果表明了一個(gè)有利的趨勢，即在不同采樣環(huán)境下培養(yǎng)出菌群對煤樣作用效果方向一致，其差異性體現(xiàn)在各細(xì)化指標(biāo)的定量變化，而其中的轉(zhuǎn)化機(jī)理較為復(fù)雜，除與現(xiàn)階段已知的化學(xué)機(jī)理密切相關(guān)，與細(xì)菌在不同環(huán)境下遷移的活性變化與原有活性基礎(chǔ)均有關(guān)，具體問題有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本文通過對不同取樣土壤培養(yǎng)的瓦斯菌群的工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)北京奧林匹克森林公園濕土培養(yǎng)的菌液作用使煤樣揮發(fā)分增加0.31%，灰分降低0.64%，固定碳含量增加0.35%。

(2)水稻田區(qū)土壤培養(yǎng)的菌液作用使煤樣揮發(fā)分增加0.89%，灰分降低0.84%，固定碳含量下降0.48%。

(3)泔水區(qū)土壤培養(yǎng)的菌液作用使煤樣揮發(fā)分增加1.11%，灰分降低0.72%，固定碳下降0.60%。

(4)煤礦區(qū)土壤培養(yǎng)的菌液作用使煤樣揮發(fā)分增加0.22%，灰分降低0.23%，固定碳增加0.04%。

綜合來看，水稻田區(qū)土壤

和泔水區(qū)土壤培養(yǎng)的菌液作用煤樣揮發(fā)分增幅和灰分降幅最大，而固定碳含量下降較多。北京奧林匹克森林公園濕土和煤礦區(qū)土壤培養(yǎng)的菌液作用煤樣揮發(fā)分增幅和灰分降幅不大，固定碳含量有升高，其中奧森公園濕土培養(yǎng)的菌液作用灰分降幅和固定碳增幅大于煤礦區(qū)土壤培養(yǎng)的菌液作用煤樣。

煤樣的揮發(fā)分增加和灰分減少都標(biāo)志著煤樣的熱值增加，就煤樣工業(yè)分析的情況來看，由于揮發(fā)分和固定碳可近似代表煤中的有機(jī)物，甲烷氧化菌混合菌群作用于煤樣可以提升其有機(jī)物的含量。各組數(shù)據(jù)變化反應(yīng)了該思路治理礦井瓦斯過程中瓦斯的減少同時(shí)在煤中固定附加物的可行性以及可選擇采樣區(qū)的廣泛性和低成本性，可根據(jù)需求、條件和經(jīng)濟(jì)成本選擇不同的采樣地點(diǎn)。另本文所做實(shí)驗(yàn)樣本劑量選擇較小，改變劑量之后的效果有待進(jìn)一步證實(shí)。

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