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)

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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，通過使用甲烷配氣代替煤礦瓦斯在實驗室條件下研究了微生物降解煤礦瓦斯的影響各種因素。實驗結(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，我國瓦斯的主要治理技術(shù)為礦井通風、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]。但我國煤系地層的原始透氣性差，致使原始煤層預(yù)抽難以實施，而且效果較差。1939年，法國著名煤化學(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，各國的科學(xué)家相繼進行了類似的研究，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)和工作人員對其進行監(jiān)測[12]，如果能在一種氧化甲烷的反應(yīng)器內(nèi)降解甲烷，可以做到邊開采、邊治理，不需要封礦處理，則有更大的實用性。Chris A. duPlessis、浙江大學(xué)的余海霞等利用實驗室菌種、中國礦業(yè)大學(xué)的黃霞、陶秀祥和同濟大學(xué)機械工程學(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)計的小型反應(yīng)塔，選取不同填料進行對比，采用混合菌系，對掛膜條件進行優(yōu)化，同時對各參數(shù)和性能進行了初步的探討[13～15]。

微生物過濾治理瓦斯是降低瓦斯危害的新思路，該技術(shù)可在無需封礦的條件下實現(xiàn)邊開采邊凈化，減少煤層開采時的瓦斯涌出量，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條件對其治理瓦斯效果有重大影響。

2　材料與方法

2.1實驗儀器

實驗用到的主要儀器有：恒溫搖床用來對液體培養(yǎng)基進行恒溫振蕩培養(yǎng)，掃描電鏡用來觀察甲烷氧化微生物的形態(tài)，氣相色譜儀用來檢測甲烷及其它氣體含量，電熱恒溫鼓風干燥箱用來進行溫度調(diào)節(jié)，電子分析天平用來精確配制培養(yǎng)及所需藥品，凈化工作臺用來提供局部高潔凈度工作環(huán)境，紫外可見分光光度計用來測定甲烷氣體在水中的濃度。

2.2微生物生長的影響因素的研究

本實驗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)過預(yù)處理放到液體培養(yǎng)基中進行菌種的富集，在液體培養(yǎng)基中通入甲醇作為唯一碳源對甲烷氧化微生物進行培養(yǎng)，增加待分離甲烷氧化微生物的數(shù)量。然后對樣品進行進一步的分離純化，從而把甲烷氧化微生物分離出來。對甲烷氧化微生物逐步用高濃度的甲烷進行馴化，最終可得到能夠降解高濃度甲烷的菌種。

菌種生長的影響因素對微生物生長影響很大，如pH值與微生物的生命活動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速率，而氧氣與甲烷濃度比對甲烷氧化微生物體系有很大影響等等，故分別對pH值、溫度、氧氣濃度、微生物接種量及搖床轉(zhuǎn)速每個影響因素設(shè)置幾組不同的實驗，在保證菌種正常生長的情況下通入甲烷氣體，使其濃度為20%，測定菌體的OD600值，從而探究出最優(yōu)的微生物生長因素。

3　結(jié)果與分析

3.1微生物生長的影響因素的研究

3.1.1pH值對微生物生長的影響

由圖1可以看出，培養(yǎng)基的初始pH值對該甲烷氧化微生物的生長有很大影響，不同pH值下，甲烷氧化微生物的生長速度大不相同。對于本甲烷氧化微生物，當pH值為6.5時，菌體生長OD600的值達到最高。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。當初始pH值超過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所需的最佳pH值為6.5，微酸性環(huán)境有利于生長。

圖1　pH值對微生物生長的影響

3.1.2溫度對微生物生長的影響

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

圖2　溫度對微生物生長的影響

3.1.3接種量對微生物生長的影響

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，而當接種量大于4%時，接種量與菌體的數(shù)量關(guān)系不大，到5%時基本趨于不變，所以最佳接種量是5%。

圖3　接種量對微生物生長的影響

3.1.4搖床轉(zhuǎn)速對微生物生長的影響

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

3.1.5氧氣濃度對微生物生長的影響

本次實驗所培養(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重要因素。因此，欲用該微生物處理煤層瓦斯時，必須解決供氣(氧)問題。它對氧氣與甲烷的消耗比值(即消耗1個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，消耗的比值就?。环粗?，甲烷濃度低、氧濃度高時，則消耗的比值就大。結(jié)果如圖5所示。

圖4　轉(zhuǎn)速對該甲烷氧化微生物生長的影響

圖5　O2濃度對該甲烷氧化微生物生長的影響

由圖5可以看出，氧氣濃度對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菌菌體生長OD600值基本上隨著O2濃度的增加而增加。但O2濃度超過10%后，甲烷氧化率與菌體生長OD600值卻呈現(xiàn)出一定的下降趨勢?？梢?，10%的氧濃度已滿足甲烷氧化微生物氧化甲烷的需要。由于實驗設(shè)定CH4含量為20%，而當O2濃度至少為10%時，即O2與CH4的配比為1∶2時，即可得到較理想的菌體生長OD值。

綜合上述試驗結(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微生物對煤礦瓦斯降解效果的研究

以甲烷充入量為70 mL為例，計算其底物濃度和降解速率。

(1)由排水法測得廣口瓶除去培養(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×廣口瓶內(nèi)體積 =0.0407 mL

標準狀態(tài)下甲烷氣體體積:

Pn——標準狀態(tài)下的大氣壓，采用國際通用標準為1 atm；

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

Tn——標準狀態(tài)下的溫度，采用國際通用標準為298 K；

Ts——測試條件下的溫度，30 ℃即273+30=303 K 。

(4)底物濃度[S]的計算。

物質(zhì)的量n=標況下甲烷氣體體積/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/廣口瓶內(nèi)體積=0.049 mg/L。

(5)降解速率 v=底物濃度[S]/時 =0.012 mg/L·h。

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

如以上計算過程，其他底物濃度、降解速率和降解效果見表1和2。由表中可以看出該甲烷氧化菌的降解效果隨時間是依次增加的，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”甲烷專性菌，探討其最佳生長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所需的最佳pH值為6.5，最佳溫度為32 ℃，最佳接種量為4%時，搖床最佳轉(zhuǎn)速為120 r/min，在CH4含量為20%時，O2與CH4的最佳配比為1∶2；

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

(3)降解效果為實驗室初步測試，具體煤層降解效果有待進一步驗證。

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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)改革研究項目(編號：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