Fe2+、Ni2+及絡(luò)合物對(duì)煤制生物甲烷的影響及動(dòng)力學(xué)研究

丁 銳，夏大平,2，王新杰，閆夏彤

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454150；2.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454150；3.陜西春林河能源有限責(zé)任公司，陜西 銅川 727099)

0 引 言

煤層氣作為一種非常規(guī)天然氣的重要儲(chǔ)備能源，其開發(fā)利用能夠緩解不可再生能源不足所帶來的能源危機(jī)，也是低碳環(huán)保的客觀需求[1]。煤層氣的成因一般認(rèn)為以生物成因和熱成因?yàn)橹鱗2]。世界范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了大量生物成因的煤層氣[3-4]，同時(shí)也有一部分學(xué)者在煤層和礦井水中發(fā)現(xiàn)了參與生物甲烷生成的微生物[5-6]。

煤作為一種復(fù)雜有機(jī)物，在厭氧降解過程中涉及不同微生物的參與[7]，其中微量元素作為一種微生物生長繁殖和厭氧代謝過程中關(guān)鍵酶合成所必需的營養(yǎng)物質(zhì)，大多數(shù)學(xué)者針對(duì)其對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的影響進(jìn)行了廣泛研究[8-9]，研究發(fā)現(xiàn)添加微量元素在一定程度上能夠促進(jìn)生物甲烷的產(chǎn)出[10]，且重金屬元素是微生物利用的最主要的微量元素[11-12]。其中Fe2+和Ni2+對(duì)于微生物的繁殖與成長特別重要，F(xiàn)e2+作為電子傳遞載體，是胞內(nèi)氧化還原反應(yīng)的必要離子[13]，而且Fe2+可以降低厭氧消化系統(tǒng)的氧化還原電位，使厭氧的生物化學(xué)過程進(jìn)行更容易[14]，而在秸稈和牛糞的厭氧發(fā)酵過程中添加Ni2+可以使產(chǎn)氣量增加[15]。乙二胺四乙酸(EDTA)作為一種人工合成的十六烷酸螯合劑，在一些工業(yè)領(lǐng)域作為螯合劑或穩(wěn)定劑已應(yīng)用多年[16]，也有學(xué)者報(bào)道EDTA可以作為配體，通過阻止鐵沉淀，提供了控制鐵濃度的可能性[17]。但是，同時(shí)添加Fe2+、Ni2+和EDTA對(duì)厭氧發(fā)酵的研究較少，因此，添加以上微量元素及絡(luò)合物對(duì)產(chǎn)氣效果的影響還有待研究。

在厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣過程中，基質(zhì)或底物的降解速率以及氣體產(chǎn)物形成速率會(huì)發(fā)生變化，近年來，國內(nèi)外學(xué)者常利用改進(jìn)的Gompertz模型及其參數(shù)來評(píng)價(jià)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣過程及最終效果[18-19]。SYAICHURROZI運(yùn)用該模型對(duì)槐葉萍與稻稈協(xié)同發(fā)酵30 d的產(chǎn)氣量進(jìn)行預(yù)測(cè)[20]，模擬得出最大的甲烷產(chǎn)量。也有學(xué)者用改進(jìn)的Gompertz模型對(duì)厭氧發(fā)酵的累積產(chǎn)沼氣總量進(jìn)行模擬[21]，擬合得出最大產(chǎn)沼氣量和最大產(chǎn)沼氣速率對(duì)應(yīng)的底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)。而陽廣鳳等[22]利用該模型對(duì)發(fā)酵產(chǎn)氫過程進(jìn)行模擬，并描述發(fā)酵過程中各參數(shù)變化。

筆者以河南義馬低階煤為研究對(duì)象，探究微量元素及絡(luò)合物對(duì)產(chǎn)甲烷效果的影響，并利用改進(jìn)的Gompertz模型對(duì)產(chǎn)甲烷與降解過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)樣品為河南義馬礦低階煤，在采煤工作面采集新鮮塊狀煤(>8 cm×8 cm×8 cm)經(jīng)真空包裝袋嚴(yán)格密封后送回實(shí)驗(yàn)室。在厭氧工作站將煤樣外表面2 cm進(jìn)行剝離，并將樣品按照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 17247—2013進(jìn)行元素分析，按照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 17246—2010進(jìn)行工業(yè)分析(表1)。采集新鮮礦井水并在4 ℃條件下保存?zhèn)溆?，按照以下培養(yǎng)基對(duì)礦井水中微生物進(jìn)行富集培養(yǎng)(NH4Cl質(zhì)量濃度為1.0 g/L,MgCl2·6H2O為0.1 g/L,K2HPO4·3H2O為0.4 g/L,KH2PO4為0.2 g/L,酵母膏1 g/L,L-半胱氨酸鹽0.5 g/L,Na2S為0.2 g/L,NaHCO3為2.0 g/L,甲酸鈉2.0 g/L,乙酸鈉2.0 g/L,胰蛋白胨0.1 g/L)。將煤樣粉碎至0.18～0.25 mm后作為發(fā)酵底物。并配制3種不同的培養(yǎng)液，分別是標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)甲烷菌培養(yǎng)液和分別加有Fe2++Ni2+、Fe2++Ni2++EDTA的產(chǎn)甲烷菌培養(yǎng)液。

表1 煤質(zhì)分析

1.2 試驗(yàn)步驟

利用高壓滅菌鍋對(duì)配制的培養(yǎng)基進(jìn)行滅菌，滅菌后將礦井水倒入培養(yǎng)基，再放入電熱恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)4 d；微生物富集后，按設(shè)計(jì)好的方案對(duì)小樣進(jìn)行分裝，調(diào)節(jié)試驗(yàn)pH初始值為7.0，并向瓶中通入4 min的N2保證瓶中的厭氧環(huán)境，將電熱恒溫培養(yǎng)箱溫度調(diào)節(jié)為37 ℃，將小樣置于其中進(jìn)行培養(yǎng)；根據(jù)小樣組的產(chǎn)氣效果進(jìn)行大樣模擬試驗(yàn)，用高壓滅菌鍋對(duì)試驗(yàn)室臺(tái)式發(fā)酵罐的反應(yīng)器進(jìn)行滅菌，操作步驟與小樣步驟相同，設(shè)置溫度為37 ℃。根據(jù)排水集氣法對(duì)產(chǎn)氣過程中的產(chǎn)氣量進(jìn)行測(cè)定，每隔4 d對(duì)發(fā)酵液中的化學(xué)需氧量COD進(jìn)行測(cè)定。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究分為4組，A組作為空白樣，B、C組按照微量元素與EDTA的不同組合進(jìn)行分組試驗(yàn)(表2)，并按照已有研究使Fe2+質(zhì)量濃度為15 mg/L，Ni2+質(zhì)量濃度為0.005 mg/L，EDTA質(zhì)量濃度為5 mg/L[25]。在小樣試驗(yàn)優(yōu)選基礎(chǔ)上進(jìn)行放大試驗(yàn)(D組)。

表2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 產(chǎn)甲烷試驗(yàn)結(jié)果

方案A、B、C、D的累計(jì)產(chǎn)甲烷量分別為348、378、436和7 386 mL，最大比產(chǎn)甲烷率分別為17.4、18.9、21.8、24.6 mL/g，產(chǎn)甲烷時(shí)間分別為35、38、42、40 d,見表3。對(duì)比可知，方案C與方案B的最大比產(chǎn)甲烷率分別是方案A的1.25倍和1.09倍，而方案D的最大比產(chǎn)甲烷率是方案C的1.15倍，說明小樣試驗(yàn)?zāi)軌虺晒M(jìn)行放大試驗(yàn)。

表3 產(chǎn)氣結(jié)果

2.2 COD降解效果對(duì)比

方案B與方案A的 COD降解速率基本相同，但是方案B的COD降解量要比方案A多(圖1)；而方案C的COD的降解速率比方案B和方案A快，且降解量更多。在第20～30 d方案C的COD降解量明顯大于方案D的降解量，而30 d之后方案D的降解量大于方案C的降解量。

圖1 COD降解效果對(duì)比

3 動(dòng)力學(xué)過程研究

在厭氧發(fā)酵過程中，通常用Gompertz模型來描述甲烷的生成(圖2)，公式為

圖2 改進(jìn)的Gompertz模型曲線

(1)

式中：H為產(chǎn)甲烷累計(jì)量，mL；Hmax為最大產(chǎn)甲烷累計(jì)量，mL；Rmax為最大比產(chǎn)甲烷速率，mL/(g·d)；λ為產(chǎn)甲烷延遲時(shí)間，d；t為培養(yǎng)時(shí)間，d。

當(dāng)基質(zhì)的降解過程利用改進(jìn)的Gompertz模型描述時(shí)，其公式為

(2)

式中：S0為初始底物濃度，mg/L；S在某發(fā)酵時(shí)刻的底物濃度，mg；Smax為最大的底物降解量，mg；Pmax為最大的底物降解速率，mg/(L·d)；β為底物降解延滯期，d。

通常采用Levenberg-Marquardt算法對(duì)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，F(xiàn)最小是目標(biāo)函數(shù)，其公式為

(3)

式中：N為試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量；Hc，i和Hi分別為方程計(jì)算值和試驗(yàn)值。

3.1 動(dòng)力學(xué)曲線模擬

3.1.1 產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)曲線模擬

采用改進(jìn)的Gompertz模型對(duì)各方案的產(chǎn)氣數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，擬合得出相關(guān)系數(shù)以及產(chǎn)甲烷延遲時(shí)間、產(chǎn)甲烷潛勢(shì)和最大比產(chǎn)甲烷速率等動(dòng)力學(xué)參數(shù)以及產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)曲線(圖3、表4)。

圖3 產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)曲線

表4 產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)

由以上結(jié)果可以看出方案A、B、C、D的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.997 98、0.997 28、0.995 14和0.997 72，表明改進(jìn)的Gompezrt方程對(duì)于各方案的產(chǎn)甲烷過程都適合。且方案C與方案B的最大產(chǎn)甲烷潛勢(shì)分別為方案A的1.28倍和1.04倍，最大比產(chǎn)甲烷速率均為方案A的1.04倍，產(chǎn)甲烷延遲時(shí)間分別比方案A縮短了1.84 d，以及延長了0.26 d。而方案D的最大產(chǎn)甲烷潛勢(shì)和最大比產(chǎn)甲烷速率分別是方案C的1.10倍和1.44倍，而產(chǎn)甲烷延遲時(shí)間比方案C多5.32 d。雖然放大試驗(yàn)的產(chǎn)甲烷延遲時(shí)間有所增加，但是最大產(chǎn)甲烷潛勢(shì)和最大比產(chǎn)甲烷速率都要優(yōu)于小樣試驗(yàn)，說明大樣試驗(yàn)更有利于產(chǎn)甲烷。

3.1.2 降解動(dòng)力學(xué)曲線模擬

采用改進(jìn)的Gompertz模型(式(2))對(duì)各方案COD數(shù)據(jù)值進(jìn)行處理，擬合得出最大的底物降解量、最大底物降解速率、底物降解的延滯期和相關(guān)系數(shù)等動(dòng)力學(xué)參數(shù)以及降解動(dòng)力學(xué)曲線(圖4、表5)。

圖4 降解動(dòng)力學(xué)曲線

表5 降解動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)

由以上結(jié)果可以看出，方案A、B、C、D的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.985 93、0.983 45、0.994 82和0.993 01，表明改進(jìn)的Gompezrt方程對(duì)各方案的降解過程都適合。且方案C與方案B的最大底物降解量均為方案A的1.11倍，最大底物降解速率分別為方案A的1.08倍和1.03倍，底物降解的延滯期分別比方案A縮短了0.4 d和1.4 d。方案D的最大底物降解量和最大底物降解速率分別是方案C的1.12倍和1.38倍，底物降解的延滯期比方案C縮短了2.6 d，可見放大試驗(yàn)的底物降解率要高于小樣，在大樣試驗(yàn)中，由于環(huán)境等的改變，細(xì)菌降解底物的能力更強(qiáng)。

3.2 動(dòng)力學(xué)模型的建立

如圖3和圖4所示，改進(jìn)的Gompezrt方程可以表示方案A、B、C、D的產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)和降解動(dòng)力學(xué)。利用該方程對(duì)各方案的動(dòng)力學(xué)建立模型，得出產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)模型分別為式(4)—式(7)，降解動(dòng)力學(xué)模型分別為式(8)—式(11)：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

3.3 模型檢驗(yàn)

對(duì)上述建立的產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)模型及降解動(dòng)力學(xué)模型通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法來檢驗(yàn)是否可靠，各方案的Hc，i與Hi比較而得出的F檢驗(yàn)值和相關(guān)系數(shù)R2見表6，其中，F(xiàn)值按式(12)計(jì)算：

表6 產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)模型的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

(12)

式中：m為估值參數(shù)數(shù)量(分子自由度)；n=N-1；n-m為分母自由度；Fα為置信水平1-α的F檢驗(yàn)。

根據(jù)傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究認(rèn)為，當(dāng)相關(guān)系數(shù)R2大于0.9時(shí)，動(dòng)力學(xué)回歸方程是可靠的。F>10Fα?xí)r，所得動(dòng)力學(xué)方程是高度顯著的[26]。由表6可知，R2>0.9，F(xiàn)>10Fα，說明動(dòng)力學(xué)方程是可靠的，具有高度顯著性。

4 分析與討論

由以上結(jié)果可以看出，在小樣試驗(yàn)中，底物添加微量元素(Fe2++Ni2+)及絡(luò)合物(EDTA)的產(chǎn)氣效果及COD降解率最高，只添加微量元素的次之，而不添加微量元素及絡(luò)合物的最低；放大試驗(yàn)的產(chǎn)氣效果及COD降解率要優(yōu)于小樣試驗(yàn)。從動(dòng)力學(xué)過程來看，底物中添加有微量元素及絡(luò)合物的試驗(yàn)中比產(chǎn)甲烷率及底物降解量也是最高的，而且產(chǎn)氣效果與COD降解率呈正相關(guān)關(guān)系。

究其原因，是因?yàn)镕e2+和Ni2+是構(gòu)成微生物細(xì)胞的重要元素，可以促進(jìn)揮發(fā)性脂肪酸的生成，有利于甲烷菌對(duì)乙酸的利用；而且是促進(jìn)代謝酶產(chǎn)生的主要成分，如輔酶F430、輔酶F420和氫化酶，且能通過提高酶活性來促進(jìn)細(xì)胞分泌。在反應(yīng)底物中存在硫離子，易形成硫化物沉淀，不利于產(chǎn)甲烷的過程，而Fe2+的存在可以減輕此方面影響。

EDTA可以與Fe2+和Ni2+形成螯合物，是微生物利用的最有效的形式，酶促效應(yīng)最為顯著，對(duì)產(chǎn)甲烷菌的活性刺激最大，提高了生物的可利用性；同時(shí)可以消除重金屬離子對(duì)酶的抑制，作為配體阻止Fe2+沉淀，提供了控制Fe2+濃度的可能。COD用來表示煤中溶解性有機(jī)質(zhì)的組成，COD在20 d之后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)是因?yàn)榧?xì)菌在利用小分子有機(jī)質(zhì)。但細(xì)菌并不能利用所有的有機(jī)質(zhì)，其利用能力有限，導(dǎo)致產(chǎn)氣結(jié)束后溶液中仍然有少量COD存在。雖然試驗(yàn)條件等未發(fā)生改變，但是大樣試驗(yàn)的產(chǎn)氣效果卻優(yōu)于小樣，可能是因?yàn)槊簶淤|(zhì)量和發(fā)酵液體積的增大，使得礦井水里的細(xì)菌更易繁殖，且生存能力變強(qiáng)，導(dǎo)致產(chǎn)氣量增加。

5 結(jié) 論

1)加入15 mg/L的Fe2+和0.005 mg/L的Ni2+對(duì)生物產(chǎn)甲烷具有促進(jìn)作用，有利于提高煤生物制甲烷的產(chǎn)量以及對(duì)有機(jī)質(zhì)的降解，在以上試驗(yàn)基礎(chǔ)上加入5 mg/L的EDTA可以更好地促進(jìn)產(chǎn)氣，使產(chǎn)氣量更高。是因?yàn)镋DTA可以與Fe2+和Ni2+形成螯合物，提高了生物的可利用性。

2)將加有Fe2+、Ni2+和EDTA的小樣試驗(yàn)進(jìn)行放大，發(fā)現(xiàn)放大試驗(yàn)的產(chǎn)氣和降解效果都要優(yōu)于小樣。

3)采用改進(jìn)的Gompertz方程對(duì)產(chǎn)氣和降解試驗(yàn)進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)加有Fe2+、Ni2+和EDTA的方案的產(chǎn)甲烷潛勢(shì)、最大比產(chǎn)甲烷率、底物降解率及最大底物降解速率等參數(shù)都是最優(yōu)的，且放大試驗(yàn)的以上參數(shù)均優(yōu)于小樣試驗(yàn)，并對(duì)各方案的產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)與降解動(dòng)力學(xué)建立模型，經(jīng)檢驗(yàn)得出所建立的模型是可靠且高度顯著的。