五虎山選煤廠原煤自發(fā)酸化機(jī)理研究

馬 瑋，蔚志恒，馬秉波，張玉秀，石 旭，付曉恒

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.神華烏海能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016000；3.甘肅靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司，甘肅 白銀 730913)

隨著煤炭開采向西北、西南和深部發(fā)展，高硫煤的利用越來越普遍，成為當(dāng)前一種潛在價(jià)值巨大的煤炭資源[1-2]。由于土壤深層存在大量不同種類的微生物，具有硫氧化功能的微生物在煤炭開采后，與空氣接觸發(fā)生一系列復(fù)雜反應(yīng)，加速煤炭中硫鐵礦硫氧化產(chǎn)生變質(zhì)，提高了脫硫的難度，引起水質(zhì)變化，嚴(yán)重制約了煤炭加工利用。自煤炭的微生物轉(zhuǎn)化被發(fā)現(xiàn)以來，在國(guó)內(nèi)外引起了廣泛關(guān)注[3]。謝作晃等[4]研究了幾種從土壤中培養(yǎng)的細(xì)菌對(duì)煤炭無機(jī)硫的作用，證明微生物對(duì)黃鐵礦具有加速氧化作用；張雙燕等[5]利用高通量測(cè)序方法分析了白酒中微生物的種類及豐富度，介紹了比較先進(jìn)的微生物測(cè)序方法?；诟吡蛎豪帽壤粩嘣黾?，煤炭在加工利用方面出現(xiàn)了很多新的問題，煤樣酸化的狀況也將越來越普遍，因此準(zhǔn)確分析煤中微生物菌群結(jié)構(gòu)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

微生物分類測(cè)序技術(shù)作為新一代測(cè)序方法，具有廣泛的應(yīng)用前景，可以分析樣品中復(fù)雜的微生物菌群結(jié)構(gòu)。已有研究都是用外界培養(yǎng)的微生物來實(shí)現(xiàn)硫鐵礦的氧化，從而達(dá)到脫硫的目的，很少對(duì)原煤內(nèi)部做微生物分類檢測(cè)。本研究以五虎山選煤廠高硫煤為研究對(duì)象，使用微生物測(cè)序技術(shù)分析了不同微生物的相對(duì)豐富度以及種類組成，對(duì)煤樣酸化的主要原因做了全面系統(tǒng)的研究，為后續(xù)解決選煤廠現(xiàn)存的實(shí)際問題提供了新的理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試樣水質(zhì)分析

因入廠的原煤是從煤礦井下經(jīng)選煤廠受煤坑轉(zhuǎn)運(yùn)存放，再經(jīng)主洗系統(tǒng)進(jìn)行洗選加工[5]，原煤在精選之前存在20 d左右的外置時(shí)間。為有效檢測(cè)廠內(nèi)原煤酸化的主要原因和機(jī)理，試樣取自同一個(gè)礦井、不同外置時(shí)間段的煤樣，分別是從煤礦井下(稱為“新煤樣”)和受煤坑內(nèi)(稱為“舊煤樣”)采集的兩種煤樣。

表1 煤樣的水質(zhì)分析

1.2 試樣酸化能力檢測(cè)

根據(jù)選煤廠所反應(yīng)的實(shí)際情況，為準(zhǔn)確了解現(xiàn)場(chǎng)原煤pH值變化的動(dòng)態(tài)過程，模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境(將兩組煤樣放置在2 ℃的環(huán)境下，采用加濕器保持一定的濕度)，使用上述方法分別測(cè)量?jī)山M煤樣在不同時(shí)段的pH值，結(jié)果見圖1。新煤樣最初始的pH值為6.20，15 d以后的pH值為3.04，變化幅度比較大，說明井下開采出的原煤是在運(yùn)輸及受煤坑的堆放過程中隨著時(shí)間的推移而酸化的，且15 d以后煤樣的pH值幾乎不再變化。

圖1 煤樣清液的pH值隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖

1.3 微生物測(cè)序方法

1) 測(cè)試樣品的制備。分別取新煤樣、舊煤樣和一組正常煤樣20 g左右，粉碎至合適粒度大小后混合均勻放于無菌袋中，在-20 ℃的環(huán)境中保存?zhèn)溆谩?/p>

2) 基因組DNA提取。采用DNA檢測(cè)試劑盒對(duì)基因組DNA精確定量，利用鹽析改進(jìn)法提取煤樣中微生物基因組DNA，然后進(jìn)行瓊脂糖電泳檢測(cè)，查看基因組DNA的完整性和濃度[6]。

3) PCR擴(kuò)增。精確定量基因組DNA的濃度之后，確定聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)加入量，利用PCR所用引物在不同的溫度下對(duì)細(xì)菌進(jìn)行兩輪擴(kuò)增。PCR結(jié)束后，對(duì)擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖電泳，對(duì)DNA進(jìn)行純化回收。

4) 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)。去除非特異性擴(kuò)增序列及嵌合體后，利用微生物測(cè)序軟件進(jìn)行分類操作單元聚類、物種豐富度、物種分類分析以及菌群差異分析等。

2 結(jié)果及分析

2.1 煤樣化學(xué)分析

為進(jìn)一步檢測(cè)煤樣酸化的成因，對(duì)兩組煤樣中硫的賦存形態(tài)做了化學(xué)分析，具體結(jié)果見表2。新煤樣中全硫含量為4.27%，其中硫鐵礦硫含量為2.92%；舊煤樣中全硫含量為3.04%，其中硫鐵礦硫含量為1.76%。說明井下采出的原煤在受煤坑中放置一段時(shí)間后全硫含量變化很大，其中硫鐵礦硫的變化情況最為顯著。

表2 煤樣硫形態(tài)的化學(xué)分析

由于硫鐵礦中絕大部分是以黃鐵礦的形態(tài)賦存，黃鐵礦會(huì)在不同的自然環(huán)境中發(fā)生不同的化學(xué)反應(yīng)[7]。

1) 在干燥空氣中，黃鐵礦會(huì)被緩慢氧化，反應(yīng)公式見式(1)。

(1)

2) 在缺氧條件下，硫鐵礦的反應(yīng)公式見式(2)。

(2)

3) 在潮濕的環(huán)境下，黃鐵礦會(huì)被氧化成硫酸與硫酸亞鐵溶液，亞鐵離子不穩(wěn)定又會(huì)在空氣中被氧化，具體反應(yīng)公式見式(3)。

(3)

硫酸亞鐵會(huì)繼續(xù)被空氣中的氧氣氧化，變成三價(jià)鐵，反應(yīng)公式見式(4)。

(4)

硫酸鐵溶液還可進(jìn)一步氧化黃鐵礦，反應(yīng)公式見式(5)[8]。

15FeSO4+8H2SO4

(5)

2.2 煤樣微生物分類測(cè)序分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境因素和實(shí)際狀況，礦井采出的原煤中存在硫桿菌類微生物，從而導(dǎo)致煤中硫鐵礦被極大程度地氧化[9]，對(duì)不同煤樣進(jìn)行微生物分類測(cè)序及分析，確定新煤樣中存在四種具有硫氧化功能的硫桿菌屬。

2.2.1 微生物豐富度檢測(cè)分析

為了解煤樣測(cè)序結(jié)果中的菌種、菌屬，將所有樣本序列按照序列間的距離進(jìn)行聚類，然后根據(jù)序列間的相似性將序列分成不同的操作單元(OTU)，具體結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，五組煤樣共有的OTU數(shù)相對(duì)比較少，新煤樣中特有的OTU數(shù)有347組，較其他樣品都高。為了進(jìn)一步驗(yàn)證樣本的測(cè)序數(shù)據(jù)量是否合理，采用對(duì)測(cè)序序列進(jìn)行隨機(jī)抽樣的方法，以抽到的序列數(shù)與他們所能代表的OTU數(shù)目構(gòu)建曲線，最終繪制成Shannon指數(shù)稀疏曲線圖，如圖3所示，新煤樣較其他樣品的Shannon指數(shù)高，說明群落的多樣性最高。

最終結(jié)果一致表明，新煤樣中微生物的豐富度高于其他煤樣。

圖2 OTU分布韋恩圖

圖3 Shannon指數(shù)稀疏曲線

2.2.2 微生物種類以及含量檢測(cè)分析

各組煤樣的微生物種類以及含量見圖4，同時(shí)對(duì)新煤樣單獨(dú)做了菌種分類和豐富度占比檢測(cè)，具體結(jié)果見圖5，其中，新煤樣Acidithiobacillus含量為30.07%，Sulfobacillus含量為10.36%，Acidiferrobacter含量為6.7%，Azonexus含量為3.79%。綜合分析圖4和圖5可知，井下采出的原煤大量存在四種不同于其他煤樣的特殊微生物菌屬。

綜上，依據(jù)這類菌屬的特殊性質(zhì)，結(jié)果見表3，說明選煤廠原煤酸化的真正原因是這類微生物的存在。當(dāng)?shù)V井開采出的原煤遇到空氣時(shí)，在這四類菌屬的共同作用下，將煤樣中硫鐵礦硫加速氧化，使煤樣表現(xiàn)出 pH值降低的特征。隨時(shí)間的推移，這些微生物在煤炭中可利用的營(yíng)養(yǎng)物(硫鐵礦硫)不斷減少，代謝降低，致使數(shù)量越來越少，與正常煤樣內(nèi)菌的種類及豐富度相差無幾。

圖4 微生物種類以及含量

2.3 微生物作用機(jī)理分析

黃鐵礦表面在正常環(huán)境下只會(huì)發(fā)生微弱的氧化，但當(dāng)存在硫桿菌屬時(shí)，會(huì)加速硫鐵礦表面的氧化進(jìn)程。主要因?yàn)榱驐U菌屬的營(yíng)養(yǎng)類型為無機(jī)硫化物和兼性自養(yǎng)，可以在氧化低價(jià)態(tài)硫的過程中獲得能量[9-10]，利用特殊微生物對(duì)硫鐵礦中的亞鐵離子以及低價(jià)態(tài)的硫有獨(dú)特的消化能力，將存在于煤炭中的多種化合物的不同形態(tài)的硫轉(zhuǎn)化為水溶性的硫酸根離子[11]，使得亞鐵離子以及低價(jià)態(tài)硫離子被大量氧化。

硫桿菌屬氧化黃鐵礦的方式有直接作用和間接作用。直接作用是當(dāng)井下采出的原煤與外界空氣接觸，經(jīng)過微生物的生化作用，會(huì)發(fā)生硫鐵礦的氧化反應(yīng)，反應(yīng)公式見式(6)[12]。

圖5 新煤樣中微生物豐富度占比

表3 微生物的種類及功能

(6)

這一系列復(fù)雜的過程中微生物起到催化劑的作用，特別是氧化亞鐵硫桿菌在這種Fe2+和Fe3+居多的偏酸性的環(huán)境中更容易生存繁殖。SCHIPPERS等[13]通過研究，提出了間接作用機(jī)理，認(rèn)為嗜酸性硫桿菌作用于硫鐵礦的過程中，黃鐵礦在硫酸桿菌催化氧化的作用下生成硫酸根和Fe3+，具有強(qiáng)氧化性的Fe3+又與煤炭中的黃鐵礦發(fā)生氧化還原反應(yīng)，將硫鐵礦中的硫氧化為更高價(jià)位的硫(硫酸根或元素硫)[14]。

雖然理論研究過程中將兩種作用分開討論，但現(xiàn)實(shí)環(huán)境中硫桿菌屬氧化硫鐵礦的反應(yīng)是同時(shí)存在的，這兩種作用下黃鐵礦的氧化是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)過程，使得不溶性的黃鐵礦轉(zhuǎn)化為可溶性硫酸進(jìn)入溶液。依據(jù)復(fù)合作用理論的觀點(diǎn)，微生物氧化黃鐵礦過程中，既有微生物的直接作用，又有通過Fe3+氧化的間接作用[15]。

3 結(jié) 語

通過微生物分類測(cè)序技術(shù)分析了五虎山選煤廠原煤微生物的菌群結(jié)構(gòu)，新煤樣微生物OTU數(shù)為347，舊煤樣微生物OTU數(shù)為216，同時(shí)新煤樣Shannon指數(shù)也較舊煤樣大，得出新煤樣微生物的豐富度和多樣性最高，反映出礦井采出的原煤在外界堆放過程中菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。對(duì)微生物含量及種類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)表明，新煤樣中存在四種特有的菌屬，分別是Acidithiobacillus、Sulfobacillus、Acidiferrobacter和Azonexus，最終明確選煤廠原煤酸化的根本原因是由于這四類菌屬氧化煤炭中硫鐵礦硫而導(dǎo)致的。