褐煤本源菌生气特征及其作用机理

阐明微生物与煤中有机质相互作用而生气的特征和机理,是深入理解煤层气成因及创新煤层气开采方法的重要基础。为此,本文以昭通盆地褐煤为对象开展次生生物煤层气生成的模拟实验研究,并对生气机制进行了探讨。 研究发现,褐煤样品中有本源活性厌氧细菌存在,以厌氧纤维素分解菌为主,硫酸盐还原菌极少;成功富集到本源产甲烷菌,以革兰氏阳性杆菌为主,个体差异较大。在此基础上,以富集到的本源菌为菌源,利用褐煤样品为底物进行了生物气生成模拟实验。结果表明:本源厌氧菌经过适应期后,能够利用褐煤有机质大量生气;次生生物气经历了两个产气周期,第一周期为腐植组产气期,第二周期是惰质组、稳定组产气期。认为产甲烷菌数量和腐植组含量直接影响生成潜力,矿物质对生气量影响明显;第一个周期的生气机理是乙酸发酵,第二个周期有CO2还原作用参与其中。 结果显示:所生成甲烷的δ13C1值和δD均处于次生生物气正常范围;δ13C1随着降解时间延长而变轻,这主要受底物类型和甲烷生成途径控制;12C有明显从原煤向生物气中迁移的特征,认为母源继承关系和显微组分构成是造成迁移行为差异的重要原因。同时发现:在厌氧细菌降解作用下,褐煤族组分中饱和烃是受微生物降解的主要成分,厌氧细菌对偶数碳烷烃的降解能力更强,对正构烷烃的降解能力强过对异构烷烃的降解,低碳数的正构烷烃受降解程度大于高碳数烷烃,降解后期长链烷烃才受到明显的生物降解作用。 基于实验结果认为,褐煤次生生物气产出是多种微生物共同作用的结果。随降解活动的进行,体系中优势微生物、生物酶发生改变和更替,引起pH值和VFA含量变化。降解初期发酵细菌为优势菌种,产甲烷菌和辅酶F420活性受到酸性物质的抑制。随后,产氢产乙酸菌成为优势菌,它们利用发酵细菌代谢产物产生乙酸和氢,两者之间具有食物链关系。辅酶F420活性在静止期后增长迅速,并在产气高峰期达到最大,体现本源产甲烷菌对褐煤底物的良好适应性,是评价产气量高低的有效指标。 通过改变生气条件,研究底物类型、褐煤粒度、矿井水和煤矸石对褐煤生物气生成的影响。结果表明:不同配比的酵母浸出液、甲醇和乙酸钠溶液对生物气生成具有抑制或激活作用,较小粒度褐煤有利于提高生气率,不同比例矿井水的添加能够有效增加次生生物气产量。煤矸石本身不能作为基质被厌氧细菌利用。