煤層氣生物工程關(guān)鍵預(yù)處理技術(shù)及其作用機制評述

鮑 園，常佳寧，劉向榮，夏大平，王亞亞

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710021；3.西安科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 西安 710054；4.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

煤層氣生物工程(CGB)作為微生物促產(chǎn)煤層氣(MECBM)技術(shù)的發(fā)展與延伸，它具有增氣、增液、增解、增透、減排“四增一減”的特點[1]，引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[2-4]。MECBM 技術(shù)最早是由A.R.Scott[3]在1999 年提出并用于煤有機質(zhì)生物氣化領(lǐng)域研究。它包括強化和激勵兩種作用形式[4]，前者是通過向地下煤層注入外來微生物種群來降解煤層有機質(zhì)生成甲烷，后者是通過注入養(yǎng)分刺激煤層本源微生物生烴目的。前人在煤層氣生物工程預(yù)處理手段和技術(shù)方面已做了大量工作，例如，李建濤等[5]分別從煤階、微生物、預(yù)處理方法、溶煤方式及其機理等方面，對近三十年來有關(guān)低階煤的微生物轉(zhuǎn)化研究進行了歸納總結(jié)，提出了硝酸、雙氧水和臭氧等氧化處理，陰離子表面活性劑、堿性緩沖液和鹽酸等非氧化預(yù)處理以及溶劑抽提等均能提高煤的微生物轉(zhuǎn)化效率；夏大平等[2]研究指出在生物氣化前通過添加Fe、Ni 等不同微量元素組合，可以使生物甲烷產(chǎn)生時間提前，產(chǎn)氣量增加；Guo Hongguang 等[6-7]利用雙氧水和NaOH 等不同氧化劑預(yù)處理褐煤和無煙煤樣品，發(fā)現(xiàn)煤的含氧官能團發(fā)生變化，其利用率和甲烷產(chǎn)率得到很大的提升；S.P.Yoon[8]、Guo Hongyu[9]等利用稻草、玉米秸稈等物質(zhì)與不同煤階煤進行共降解，發(fā)現(xiàn)煤階越低其生物甲烷產(chǎn)量越高，且共降解生物甲烷產(chǎn)量遠高于微生物單一降解煤或生物質(zhì)。由此可見，在煤層氣生物工程實施前進行微量元素添加、酸-堿-氧化處理和協(xié)同物質(zhì)共降解等預(yù)處理手段對提高微生物可利用度和微生物降解煤生烴效率具有顯著的效果。

雖然前人分別從菌種改良，真菌或細菌強化、氧化，外加電場、酸、堿、溶煤、超聲波，外加微量元素等預(yù)處理方式對增加煤生物降解能力進行了探索研究，但是目前有關(guān)煤層氣生物工程預(yù)處理技術(shù)方法種類很多，尚缺乏一種系統(tǒng)的分類方法，筆者在大量文獻分析的基礎(chǔ)之上，通過對各種預(yù)處理方式進行梳理、歸納與總結(jié)，按照微生物與煤作用方式概括為3 種類型和12 種技術(shù)，對比這三種不同預(yù)處理手段下微生物降解煤產(chǎn)氣效率的差異，揭示菌群優(yōu)化與改良、煤的溶解與氧化、生物刺激與協(xié)同作用下甲烷生成機制。研究成果為了解煤層氣生物工程預(yù)處理技術(shù)特點、選擇合理的技術(shù)方式以及應(yīng)用工程實踐均可提供重要的理論支撐。

1 煤層氣生物工程關(guān)鍵預(yù)處理技術(shù)分類、特點及效果

煤層氣生物工程預(yù)處理技術(shù)，涉及種類和方法較多，還沒有形成系統(tǒng)的分類。本文按菌-煤的作用方式將其劃分為3 類：菌群優(yōu)化與改良、煤的溶解與氧化、生物刺激與協(xié)同(表1)。

表1 煤層氣生物工程關(guān)鍵預(yù)處理技術(shù)分類Table 1 Classification of key pretreatment technologies for coalbed gas bioengineering

1.1 菌群優(yōu)化與改良

由于自然條件下分離得到的原始菌種往往達不到實驗室以及工業(yè)生產(chǎn)的要求，一般需要通過菌種優(yōu)化以獲得所需的高產(chǎn)菌種或?qū)A(chǔ)培養(yǎng)基配方進行改良，以獲得較高的甲烷產(chǎn)率[10]。

在菌群優(yōu)化方面，前人發(fā)現(xiàn)在生物產(chǎn)氣的不同階段加入不同濃度的乙醇溶液，可以有效地改變菌群群落結(jié)構(gòu)，同時可以增加甲烷產(chǎn)率[11]，還可以通過對菌種進行紫外線輻射誘變獲得高效降解煤的菌株[12]或?qū)Ξa(chǎn)甲烷菌用硫酸二乙酯誘變，使產(chǎn)氣量提高40.0%[13]。在培養(yǎng)基配方改良方面，前人通過用胰蛋白酶-大豆肉湯和玉米浸泡液替代原始培養(yǎng)基中酵母抽提物和蛋白胨，使生物甲烷產(chǎn)量提升4 倍[14]，并在實驗室條件下成功開發(fā)出地層水基營養(yǎng)配方，最高將生物甲烷產(chǎn)量提高了24.3 倍[15]。

前人對微生物降解煤的菌種選擇及培養(yǎng)基配方優(yōu)化等方面進行了大量研究，但是從目前發(fā)展趨勢來看，改良培養(yǎng)基配方，開發(fā)出低成本、高效率且適用于特定地質(zhì)條件下的培養(yǎng)基配方是當(dāng)前研究重點方向之一。

1.2 煤的溶解與氧化

煤的溶解與氧化是將不同種類的酸、堿或氧化劑以及通過施加外部手段(如電場、微波、超臨界二氧化碳(Sc-CO2)等)處理之后，使煤分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化或分解為易被微生物利用的物質(zhì)，再經(jīng)過發(fā)酵菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌協(xié)同作用，以達到增產(chǎn)生物甲烷的目的。

研究表明，煤經(jīng)過微生物作用能夠轉(zhuǎn)化為溶于水或其他溶劑的低芳環(huán)小分子物質(zhì)，并將溶煤作用概括為堿作用、生物氧化酶作用、螯合劑作用、表面活性劑作用和酯酶作用5 種類型[5,16]。影響溶煤效果的因素主要有煤的研磨力度、溶煤時間、氧化劑濃度、菌種的選擇、pH 值等[16-17]。在相同條件下，銅綠假單胞菌的溶煤效果好于產(chǎn)堿假單胞菌、施氏假單胞菌和粗毛栓菌這3 種菌種[18]。利用相同配比不同濃度的酸、堿、氧化溶液分別處理煤樣，得到酸處理后煤樣的甲烷產(chǎn)率最高，達12.8 mL/g[19]；用0.8 mol/L 硝酸預(yù)處理褐煤后，微生物降解煤的生物轉(zhuǎn)化率高達31.8%[20-21]。通過施加外部電場、微波等預(yù)處理手段也可以達到甲烷增產(chǎn)效果。例如，Piao Dongmei 等[22]通過研究采用極化電極的生物電化學(xué)厭氧反應(yīng)器來提高生物煤轉(zhuǎn)化為甲烷的能力?；诓煌姌O最佳組合探討生物甲烷生成效果，發(fā)現(xiàn)陽極采用碳氈、陰極采用不銹鋼、電壓為1.2 V 條件下甲烷產(chǎn)率最高提升了155.0%[23]。微波輔助熱解煙煤使羥基自締合氫鍵斷裂，并將醇、酚和羧酸轉(zhuǎn)化成醚基等小分子物質(zhì)，微生物可更好地利用這些小分子物質(zhì)增產(chǎn)生物甲烷[24]。通過使用Sc-CO2萃取褐煤并利用微生物降解萃取物，證實了萃取物中的芳香族化合物可被微生物利用并生成甲烷[25]。綜上所述，外加電場能夠顯著強化煤制生物甲烷，微波輔助會去除煤中的礦物達到疏通孔隙和裂縫的目的，并且使煤層產(chǎn)生新的裂縫，提供更多的滲流空間。超臨界二氧化碳萃取可以對煤的大分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生分解，這些手段相互結(jié)合應(yīng)用于不同地區(qū)煤儲層，可選擇性為煤儲層改造以及增產(chǎn)生物甲烷奠定基礎(chǔ)。

在煤分子結(jié)構(gòu)研究方面，前人認識到煤的大分子結(jié)構(gòu)可通過氧化方法變?yōu)樾》肿踊衔颷26]，這為微生物降解煤生烴過程中增加生物利用度提供了一種途徑。已報道的氧化劑有CH3COOOH[27]、HNO3[21]、KMnO4[28]、O3[29]、NaOH[30]、H2O2[31]等。H2O2作為一種環(huán)境友好型且氧化性極強的氧化劑，深受研究者們青睞并已開始用于改變煤的結(jié)構(gòu)和作為新生甲烷的底物。J.Webster等[32]利用過氧化氫、過氧化物酶、過氧化鈣3 種試劑對煤進行氧化預(yù)處理，實驗產(chǎn)生的乙酸鹽、二氧化碳和甲酸鹽可作為產(chǎn)甲烷菌直接利用的底物，以此來增加煤層氣產(chǎn)量。還有學(xué)者利用不同濃度的H2O2溶液預(yù)處理煤[5,33-34]，或直接向煤層注入0.05%的H2O2或預(yù)處理液[35]，這些預(yù)處理方法都提高了產(chǎn)甲烷菌的生物利用度，有利于原位/非原位提高CH4產(chǎn)量。由于H2O2反應(yīng)后的主要產(chǎn)物為水，有效地解決了液化后殘余化學(xué)試劑的處置問題，極大地減少了對生態(tài)環(huán)境的污染。該方法還可用在生物開采薄煤層以及采空區(qū)殘煤中，能快速提高甲烷產(chǎn)率和增加煤層氣資源量，但有關(guān)這方面的工程應(yīng)用和實施效果未見報道，僅停留在實驗室理論研究階段。

1.3 生物刺激與協(xié)同

1.3.1 生物刺激作用

生物刺激作用主要是在菌液中添加不同的微量元素[36]、納米磁鐵礦[37]、高嶺土[38]、絡(luò)合劑氨三乙酸[39]等物質(zhì)來影響細菌和真菌本身的酶活性，進而增加生物甲烷產(chǎn)量。

微量元素是維持厭氧微生物生長代謝和厭氧發(fā)酵酶系統(tǒng)活性的重要組成成分[40]，通過調(diào)節(jié)培養(yǎng)基中各類微量元素的濃度，就可以改變不同生物酶活性以加快生物甲烷產(chǎn)出速率，這種方式可以在不同產(chǎn)氣階段及時加入相應(yīng)微量元素，可有效提升某一階段的生物甲烷產(chǎn)量。Fe、Co、Ni、Zn、Mo、Mn 等微量元素對生物甲烷產(chǎn)出具有激勵作用，通過添加鐵鎳微量元素組合可以使產(chǎn)氣時間提前和產(chǎn)氣量增加[2,41]，而添加納米級磁鐵礦[42]和FeCl2/FeS2[43]分別會促進醋酸鹽甲烷的生成并在煤表面形成一種無定形物質(zhì)，使厭氧反應(yīng)系統(tǒng)更加穩(wěn)定且甲烷產(chǎn)率上升。此外，絡(luò)合劑氨三乙酸可以與Fe2+和Ni2+形成螯合物阻止Fe2+和Ni2+沉淀[39]，從而消除重金屬離子對生物酶的抑制，同時也可以減少硫化物沉淀對產(chǎn)甲烷的不利影響，極大地促進了產(chǎn)甲烷菌的活性。真菌和細菌可通過改變過氧化物酶、漆酶、酯酶、堿性代謝物和天然螯合劑在內(nèi)的多種酶活性來控制煤的溶解和解聚[4]，同時生物酶還可以對木質(zhì)素、褐煤起到很好的降解作用[44]。關(guān)于生物刺激作用方面的研究主要集中在對比挑選高產(chǎn)的菌種和單一或多元微量元素組合(鐵、鎳、鈷)以及無機礦物(高嶺土、磁鐵礦)對生物酶活性的影響等方面[38,45]，隨著地質(zhì)與微生物交叉學(xué)科研究水平的逐漸深入，在關(guān)鍵生物酶的基因重組、蛋白表達與純化、酶分子改造等方面有著更為廣闊的前景。

1.3.2 生物質(zhì)協(xié)同作用

生物質(zhì)協(xié)同作用是指向煤為碳源底物中添加其他生物質(zhì)(如稻草、秸稈、胍膠等)，通過微生物共同降解作用生成以甲烷為主的氣體，進而實現(xiàn)增產(chǎn)目的。

前人通過室內(nèi)模擬實驗證明，向煤中加入稻草、秸稈、胍膠等生物質(zhì)可顯著增加生物甲烷產(chǎn)率，其中，稻草外源物質(zhì)可使得褐煤的生物甲烷產(chǎn)量提升172.0%[46]。秸稈與不同煤階煤之間具有相互促進的協(xié)同作用，低、中、高階煤與秸稈共降解時，實現(xiàn)甲烷最大化的最佳質(zhì)量配比分別為1.5∶1、1∶1 和0.6∶1[47]。S.P.Yoon 等[8]利用稻草與褐煤混合制備甲烷，也驗證了這一規(guī)律。李云嵩等[48]通過將1%質(zhì)量分數(shù)胍膠與褐煤混合實驗發(fā)現(xiàn)，胍膠對生物產(chǎn)氣具有明顯的促進效應(yīng)，生物甲烷的生成量增加620.5%。進一步研究發(fā)現(xiàn)，降解后胍膠大分子中C、H 元素含量明顯下降，胍膠的表面粗糙度增加，孔隙增多，上清液中葡萄糖、醛、酸含量增加。

生物協(xié)同產(chǎn)氣作用方式也為我國秸稈資源的高效利用提供了一種有效途徑。秸稈、稻草等生物質(zhì)原料和煤共同被降解時，一方面加快了煤的降解速率，另一方面，煤與生物質(zhì)之間的相互促進協(xié)同作用可增加生物甲烷產(chǎn)量。此外，東亞和東南亞地區(qū)存在大量且容易獲得的稻草，若將稻草作為一種外部碳源和培養(yǎng)基一起注入到低階煤儲層或采空區(qū)中，不僅促進了生物甲烷生成，還解決了稻草難處理的問題，這是一種雙贏的生物產(chǎn)氣模式。

1.4 不同預(yù)處理技術(shù)的增產(chǎn)效果比較

表2 為煤層氣生物工程中涉及的有關(guān)預(yù)處理技術(shù)的處理方式、實驗條件和作用效果，并將表中不同預(yù)處理技術(shù)條件下生物甲烷生成效率進行對比(圖1)。由圖1 可知，不同預(yù)處理技術(shù)對生物甲烷的產(chǎn)量均起到促進作用，其中，菌群優(yōu)化與改良技術(shù)增產(chǎn)效果最高。在實驗室內(nèi)按原位地層水的化學(xué)和微生物成分配制的改良培養(yǎng)基配方，該條件下的生物甲烷產(chǎn)量達1 315.0 μmol/g，是原培養(yǎng)基配方下生物甲烷產(chǎn)量的24.3 倍。此外，在培養(yǎng)基中加入乙醇可改變發(fā)酵液的菌群結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)氣量是對照組(不加乙醇)的5 倍。這兩種處理方式應(yīng)用前景較好，前者增產(chǎn)生物甲烷潛力巨大，后者便于操作。由此可見，因地制宜地優(yōu)化培養(yǎng)基配方不僅可以增產(chǎn)生物甲烷，也可以在工程實踐中降低培養(yǎng)基成本，使其商業(yè)價值最大化。

圖1 煤層氣生物工程關(guān)鍵預(yù)處理技術(shù)增產(chǎn)效果比較Fig.1 Comparison of stimulation effect of pretreatment key technologies for coalbed gas bioengineering

表2 煤層氣生物工程預(yù)處理技術(shù)實驗條件與作用效果Table 2 Experimental conditions and effects of different pretreatment technologies for coalbed gas bioengineering

在煤的溶解與氧化技術(shù)方面，堿以及氧化預(yù)處理煤后的生物甲烷產(chǎn)量均有不同程度的增加，增量在17.6%～25.0%，而硝酸預(yù)處理后可以增產(chǎn)259.8%，但是考慮到酸堿等物質(zhì)對地下水環(huán)境影響以及煤破壞程度，這方面的實際工程應(yīng)用價值還有待深入研究。而Sc-CO2處理后的煤樣品，其生物甲烷產(chǎn)率提高了148.1%～733.3%。在生物刺激與協(xié)同技術(shù)方面，生物質(zhì)與煤協(xié)同降解的生物甲烷產(chǎn)率提高了89.5%～620.5%，雖然其對生物甲烷的促產(chǎn)作用要低于Sc-CO2預(yù)處理效果，但是如果能夠?qū)⒔斩挸涮钣诿旱V采空區(qū)與地下殘余煤進行協(xié)同降解的商業(yè)化開發(fā)模式，不僅增加了生物甲烷的產(chǎn)量和生物氣資源量，還可以最大程度地減少煤炭資源的浪費。

2 不同預(yù)處理技術(shù)的作用機制

2.1 菌群優(yōu)化與改良

菌群優(yōu)化與改良的作用機制是通過改變菌群中優(yōu)勢菌的群落結(jié)構(gòu)和增加菌群豐度進而實現(xiàn)增產(chǎn)目的(圖2)。前者作用方式包括外加誘導(dǎo)條件或使用化學(xué)誘變試劑來改變優(yōu)勢菌的群落結(jié)構(gòu)，后者主要通過添加多源復(fù)合物質(zhì)或者通過對微生物群落的基因機理研究，應(yīng)用不同配方的培養(yǎng)基對不同菌群進行數(shù)量擴增，在尋找廉價、高產(chǎn)培養(yǎng)基的同時實現(xiàn)生物甲烷的增產(chǎn)。

圖2 菌群優(yōu)化與改良作用下甲烷生成機制Fig.2 Mechanism of methane generation based on microflora optimization and improvement

2.2 煤的溶解與氧化作用機制

煤經(jīng)過酸、堿和氧化劑預(yù)處理后，煤中部分小分子有機質(zhì)發(fā)生脫落，其表面主要含氧官能團(羥基、羧基、羰基和醚鍵等)會發(fā)生變化，碳層面定向排列的程度降低，煤的孔徑和比表面積發(fā)生變化，產(chǎn)生能夠驅(qū)動微生物產(chǎn)生甲烷的化合物，從而使微生物發(fā)酵過程中煤的活躍性增強。從生物學(xué)角度看，為了使甲烷產(chǎn)量大幅度提升，需要將煤有效地降解為小分子有機酸類、醇類、糖類等化合物[53-54]。微波、電場、Sc-CO2萃取等外界條件是目前常用的破壞煤分子結(jié)構(gòu)的方式。微波作用會選擇性加熱煤中的極性分子，如水分子和黃鐵礦具有較高介電常數(shù)，進而使得煤不均勻膨脹和產(chǎn)生熱量(圖3a)。在外加電場作用下，微生物的降解作用可破壞煤的含氧官能團和脂肪組分，含氧官能團中的醚氧鍵和羧基、羰基大幅度降低(圖3b)。Sc-CO2萃取煤可以減弱煤分子間作用力并且破壞非共價鍵，使小分子化合物從煤大分子結(jié)構(gòu)中脫離(圖3c)。

圖3 煤溶解作用下甲烷生成機制Fig.3 Mechanism of methane generation under the action of coal dissolution (a.Under microwave irradiation;b.Under the action of electric field;c.By Sc-CO2 extraction)

紅外光譜、紫外光譜和氣相色譜-質(zhì)譜的譜圖分析顯示，經(jīng)微生物溶煤作用后的液體產(chǎn)物中烴類、酯類、醇類和醛、酮、醚類化合物含量降低，酸類化合物含量升高[1]；殘煤中芳香族化合物減少，低分子量化合物、不飽和化合物增加，說明原煤中的芳香族類物質(zhì)被部分溶解為其他小分子量物質(zhì)[5]。經(jīng)酸堿預(yù)處理和微生物降解產(chǎn)氣后的煤分子排列結(jié)構(gòu)和基團含量變化更大，羥基或氨基、羧酸或羧酸鹽的伸縮振動都有所增強，這些變化使得煤大分子結(jié)構(gòu)更易被降解，生物甲烷產(chǎn)量更高。酸處理減少煤中礦物種類，酶的作用位點增加，微生物更容易降解煤中纖維素和木質(zhì)素(圖4a)。堿處理能較好地降低煤的結(jié)晶度，使煤大分子的芳香碳層片間距增大，堆砌度和芳香層數(shù)減小(圖4b)。氧化法是通過不同氧化試劑處理煤，預(yù)處理后煤中的芳香結(jié)構(gòu)被氧化，芳香單元被裂解，揮發(fā)性脂肪酸和溶解總有機碳的含量增加[6](圖4c)。

圖4 煤氧化作用下甲烷生成機制Fig.4 Mechanism of methane generation under the action of coal oxidation (a.Acid treatment;b.Alkali treatment;c.Oxidizer treatment)

2.3 生物刺激與協(xié)同作用機制

在生物刺激技術(shù)作用過程中涉及Fe、Co、Ni、Zn、Mo、W 等微量元素對多種生物酶、輔酶的催化，機制復(fù)雜(圖5)[40]。其中，微量元素Fe、Ni 能夠合成和激活多種酶的活性，主要參與以乙酸、H2和CO2為底物的生物甲烷的生成，如乙酰輔酶A 合成酶、一氧化碳脫氫酶、F420氫化酶和甲?；谆秽摎涿傅取２煌氖?，一氧化碳脫氫酶是一種含有Fe、Co、Ni 和Mo 的金屬酶與催化物質(zhì)氧化還原反應(yīng)的酶[55]，甲?；谆秽摎涿复呋疌O2合成甲烷需要微量元素Fe、Ni、Mo、W 的參與[56]。以甲基化合物為底物的生物甲烷的生成需要甲基轉(zhuǎn)移酶和甲基輔酶的共同參與，在甲基轉(zhuǎn)移酶的催化下，此過程需要Co 和Zn 參與[57]，甲基輔酶還原酶是一種含有Ni 的酶，可以催化甲基輔酶生成甲烷[58-59]。根據(jù)產(chǎn)甲烷菌對微量元素的營養(yǎng)需求順序，當(dāng)Co 的含量不足時，Ni 就不能表現(xiàn)為激活作用，因此，不同微量元素之間存在協(xié)同作用。

參與木質(zhì)素降解活性的真菌酶系統(tǒng)包括苯酚氧化酶(漆酶)、過氧化物酶(錳過氧化物酶、木質(zhì)素過氧化物酶等)、過氧化氫生成酶、水解酶，特別是酯酶，這些酶可以打破煤結(jié)構(gòu)中的酯鍵，從而起到增溶作用[60]，煤生物氣化時的中間化合物被轉(zhuǎn)化為多芳烴、長鏈脂肪酸和中鏈脂肪酸等物質(zhì)[61]。而微量元素恰恰是維持厭氧微生物生長代謝和厭氧發(fā)酵酶系統(tǒng)活性的重要組成成分，鐵、鎳微量元素通過影響細菌分泌的纖維素酶活性，影響煤中纖維素類木質(zhì)素消耗量，鐵、鈷、鎳等微量元素能夠促進產(chǎn)甲烷菌的生長[62]和激活酶活性(如輔酶F430、輔酶F420和氫化酶)，進而加快甲烷的生物合成，其不僅能夠提高揮發(fā)性脂肪酸轉(zhuǎn)化效率[37]，有利于產(chǎn)甲烷菌對乙酸的利用，消除揮發(fā)性脂肪酸的累積現(xiàn)象，提高甲烷產(chǎn)氣量，而且能夠拮抗鈉、氨、氮等離子的抑制作用，進一步維持厭氧發(fā)酵的穩(wěn)定運行。

秸稈、稻草等生物協(xié)同作用主要是生物質(zhì)中的小分子物質(zhì)更容易被微生物降解利用，而降解生物質(zhì)產(chǎn)生的有機物使得菌群快速生長，從而促進了微生物降解煤，同時增加了菌群與煤的接觸面積，這些生物質(zhì)原料和煤共同被微生物降解后，煤的結(jié)構(gòu)破壞程度更大，他們之間存在明顯相互促進的協(xié)同作用，由此可見，生物質(zhì)協(xié)同作用的甲烷增產(chǎn)潛力巨大(圖6)。

圖6 生物質(zhì)協(xié)同作用下甲烷生成機制Fig.6 Mechanism of methane generation based on biological synergy

3 問題與展望

實施煤層氣生物工程不僅可以提高煤層氣單井產(chǎn)能，還可以改善煤儲層孔隙結(jié)構(gòu)，增加煤層滲透性，有利于煤層氣開采。然而，目前關(guān)于煤層氣生物工程預(yù)處理技術(shù)研究還主要停留在實驗階段，有關(guān)這方面的中試試驗和現(xiàn)場應(yīng)用研究還較少；在菌群優(yōu)化與改良技術(shù)方面，主要是關(guān)注培養(yǎng)基成本、產(chǎn)氣效率和影響因素，沒有考慮煤層原位水文地質(zhì)條件(pH 值、微量元素含量、礦化度等)與試劑級和工業(yè)級培養(yǎng)基配方的產(chǎn)氣差異，也沒有深入到關(guān)鍵生物酶的基因重組、純化表達與分子改造等微觀層面；在煤的溶解與氧化技術(shù)方面；除了超臨界二氧化碳萃取作用下煤的生物甲烷產(chǎn)率增幅較高，其他技術(shù)方法(電場、酸、堿、氧化)對生物甲烷增產(chǎn)效果普遍較低，而且在試驗過程中使用的化學(xué)試劑會對煤層地下水造成環(huán)境污染和水資源浪費，危害礦區(qū)生態(tài)環(huán)境綠色發(fā)展，且化學(xué)試劑的地下強化效果與增產(chǎn)的時效性有待驗證；生物刺激與協(xié)同技術(shù)相比于前兩種技術(shù)，具有較高的生物甲烷增產(chǎn)效果，且環(huán)境污染小，是未來工程應(yīng)用和技術(shù)推廣的重要方向之一。

近年來，煤層氣生物工程作為涉及資源、環(huán)境和材料三大領(lǐng)域多學(xué)科交叉的新型交叉學(xué)科，在“四增一減”(增氣、增液、增解、增透、減排)方面已取得諸多研究成果，未來應(yīng)重點在以下幾個方面開展研究：

(1) 在菌群優(yōu)化與改良方面，將著重于高效適宜單一礦區(qū)的高產(chǎn)甲烷菌的選育和工程適用注入條件研究，培育出耐高溫、低溫、適應(yīng)不同pH、Eh 以及不同煤階的菌種勢必具有很大的研究前景。開發(fā)適合于不同煤層氣井礦化度、地下水動力和原位煤層水微生物群落的營養(yǎng)培養(yǎng)基，將為探索鹽度、微量元素濃度對于產(chǎn)甲烷菌的影響具有重要意義。

(2) 在煤的溶解與氧化方面，選擇清潔、零污染的氧化劑對于煤層水環(huán)境的保護尤為重要，在外加電場、微波作用和超臨界二氧化碳萃取方面解決其工程實際應(yīng)用環(huán)境和克服技術(shù)攻關(guān)具有很大的研究潛力。

(3) 在生物刺激與協(xié)同方面，添加不同微量元素、無機礦物等來刺激微生物體內(nèi)生物酶活性可結(jié)合生物酶方面的研究，從酶作用機理方面研究完善產(chǎn)氣機理，而生物質(zhì)協(xié)同可以將稻草、秸稈等生物質(zhì)進行填充并促產(chǎn)生物甲烷，可以實現(xiàn)采空區(qū)礦化、低產(chǎn)井甲烷化的戰(zhàn)略目標。

(4) 煤層氣生物工程與二氧化碳驅(qū)替增產(chǎn)煤層氣相結(jié)合，能夠?qū)⒆⑷朊簩拥亩趸嫁D(zhuǎn)化為甲烷而被再次利用，從而實現(xiàn)資源的循環(huán)利用。

(5) 將二氧化碳固化封存和碳達峰碳中和的遠景目標相結(jié)合。一方面可以將二氧化碳封存于廢棄礦區(qū)，固化采空區(qū)目的，還可以將二氧化碳與二氧化碳還原型產(chǎn)甲烷菌一起注入地下深部煤層，促進二氧化碳向甲烷轉(zhuǎn)化，從而實現(xiàn)更高、更快捷的“碳中和”目標和深部煤炭資源的高效利用，改善人類生存環(huán)境。

目前，中聯(lián)煤層氣國家工程研究中心、中石油天然氣股份有限公司華北油田分公司、中石油煤層氣有限責(zé)任公司等單位聯(lián)合北京大學(xué)、河南理工大學(xué)、西安科技大學(xué)等高校已開展以上相關(guān)的研究工作，該技術(shù)有望在我國低階煤地區(qū)率先實現(xiàn)技術(shù)突破，工業(yè)價值和市場前景好。隨著科技進步和技術(shù)發(fā)展，未來在經(jīng)濟適用型培養(yǎng)基優(yōu)化、環(huán)境友好型氧化劑選擇、二氧化碳生物封存與負碳技術(shù)等方面勢必會取得長足進步。

4 結(jié) 論

a.基于微生物與煤相互作用方式與特點，將煤層氣生物工程關(guān)鍵預(yù)處理技術(shù)分為菌群優(yōu)化與改良、煤的溶解與氧化、生物刺激與協(xié)同3 大類，細菌與古菌群落結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、改良培養(yǎng)基配方、生物溶煤、微波輔助熱解、超臨界二氧化碳萃取、外加電場、酸氧化、堿氧化、氧化劑氧化、光氧化、刺激生物酶活性、生物質(zhì)協(xié)同作用12 小類。

b.對比不同預(yù)處理手段下的生物甲烷增產(chǎn)效果發(fā)現(xiàn)，不同煤預(yù)處理技術(shù)對于生物甲烷的產(chǎn)率均有增產(chǎn)效果，其中，菌群優(yōu)化與改良對生物甲烷增產(chǎn)效果最高，平均增幅1 025.4%，該技術(shù)適用于煙煤儲層及微量元素充足條件。其次是煤的溶解與氧化技術(shù)，對生物甲烷的產(chǎn)率平均提高223.4%，該技術(shù)適用于高煤階煤儲層及低孔低滲條件。再次是生物刺激與協(xié)同技術(shù)，對生物甲烷的產(chǎn)率平均增幅為148.6%，該技術(shù)適用于褐煤儲層及胍膠壓裂條件。

c.菌群優(yōu)化與改良技術(shù)作用機制是通過優(yōu)化菌群結(jié)構(gòu)與改良培養(yǎng)基，實現(xiàn)單一高產(chǎn)菌種的豐度增加或者菌群數(shù)量增大進而達到增產(chǎn)目的；煤的溶解與氧化技術(shù)作用機制主要是增加酶水解作用位點、減弱煤大分子間作用力、改變煤的含氧官能團數(shù)量、降低煤結(jié)晶度和破壞煤的芳香結(jié)構(gòu)變?yōu)樾》肿游镔|(zhì)或者化合物從而增加微生物的利用度，增加生物甲烷的產(chǎn)率；生物刺激與協(xié)同技術(shù)作用機制主要是改變培養(yǎng)基中微量元素的含量來刺激微生物體內(nèi)各種生物酶的活性以及增加菌與煤的接觸面積，來實現(xiàn)生物甲烷的增產(chǎn)。

d.在目前倡導(dǎo)清潔能源發(fā)展和碳達峰碳中和目標背景下，煤層氣生物工程預(yù)處理技術(shù)將向地層水原位條件下工業(yè)級培養(yǎng)基配方改良、胍膠壓裂液生物質(zhì)協(xié)同作用及超臨界二氧化碳萃取深層煤作用等方向發(fā)展。