生物產(chǎn)氫余煤再產(chǎn)甲烷的有利因素研究

夏大平，廖佳佳，陳振宏，陳 曦，郭紅玉，黃 丹

(1.煤與煤系氣地質(zhì)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030001；2.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454003；3.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003；4.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007；5.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；6.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004)

煤層氣作為一種新型高效替代能源，其開發(fā)與利用對(duì)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)有重要的戰(zhàn)略意義。煤層氣地球化學(xué)的研究對(duì)象以甲烷為主，主要來源為厭氧環(huán)境下產(chǎn)甲烷菌的代謝活動(dòng)[1]。現(xiàn)今煤制生物甲烷機(jī)理研究已日趨成熟，繼蘇現(xiàn)波等[2]首次利用煤進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫，探索煤制氫氣的可能進(jìn)一步深入。氫氣是比甲烷更為清潔的能源，熱值更高，而在產(chǎn)氫結(jié)束后會(huì)有一些小分子酸類殘留在發(fā)酵液內(nèi)，此類物質(zhì)恰可被用于煤制甲烷。實(shí)驗(yàn)室工作中，單純煤制甲烷效率較低，對(duì)反應(yīng)底物的降解率普遍不高，致使生產(chǎn)成本上升。研究煤厭氧聯(lián)產(chǎn)氫氣和甲烷，可使得能源利用率和產(chǎn)氣效率得到大幅度提升。目前厭氧發(fā)酵領(lǐng)域產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷的聯(lián)產(chǎn)研究和應(yīng)用較廣泛[3-6]，而針對(duì)煤的兩相厭氧發(fā)酵研究數(shù)據(jù)較少。從產(chǎn)氫向產(chǎn)甲烷轉(zhuǎn)化，有許多因素如發(fā)酵液中酸類物質(zhì)的含量、環(huán)境條件的調(diào)整等都會(huì)改變產(chǎn)甲烷菌的生存環(huán)境，因此探尋反應(yīng)轉(zhuǎn)化條件，促進(jìn)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫階段向產(chǎn)甲烷階段的高效率承接，能夠顯著提高甲烷產(chǎn)氣效率。

厭氧體系中的氣氛環(huán)境和水力停留時(shí)間是影響厭氧發(fā)酵效率的關(guān)鍵因素：氣氛條件可以吹脫發(fā)酵環(huán)境中的氧氣，使培養(yǎng)基中保持較低的氧化還原電位和厭氧環(huán)境，促進(jìn)厭氧發(fā)酵能夠順利進(jìn)行[7-8]；而水力停留時(shí)間的(HRT)長(zhǎng)短既影響厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的運(yùn)行成本，也會(huì)影響系統(tǒng)中菌的代謝活動(dòng)[9]。白音華煤礦地處內(nèi)蒙古中東部大興安嶺西坡南段北側(cè)，煤類主要為褐煤，具有良好的煤層氣勘探開發(fā)前景[10]。筆者以白音華露天礦工作面的煤樣作為發(fā)酵底物，收集產(chǎn)氫后的余煤，以可能影響產(chǎn)氣途徑的氣氛條件和實(shí)際工程可能發(fā)生的水力停留時(shí)間(HRT)作為影響因素，開展煤厭氧發(fā)酵制甲烷實(shí)驗(yàn)研究，以期為煤層生物氣增產(chǎn)提供新思路。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 樣品采集與制備

采集塊狀褐煤，經(jīng)滅菌處理后置于恒溫干燥箱內(nèi)，干燥至恒重后取出待用。實(shí)驗(yàn)前取備用煤樣利用鄂式破碎機(jī)進(jìn)行破碎，使用120 目(0.125 mm)篩子對(duì)破碎后的巖樣進(jìn)行篩分，并保存加工后煤樣待用。測(cè)得煤樣工業(yè)分析結(jié)果見表1。

表1 煤樣工業(yè)分析數(shù)據(jù)Table 1 Industrial analysis results of coal samples

使用滅菌處理的塑料桶，取白音華煤層下礦井水用以培養(yǎng)菌種，收集完成密封保存。利用礦井水富集甲烷菌培養(yǎng)基，培養(yǎng)時(shí)確保嚴(yán)格厭氧環(huán)境，并且將培養(yǎng)溫度保持在35℃左右。富集培養(yǎng)4 d 后進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)。

培養(yǎng)基制備。

(1) 富集產(chǎn)氫培養(yǎng)基：NH4Cl，1.0 g；K2HPO4·3H2O，0.4 g；NaCl，2.0 g；NaHCO3，2.0 g；MgCl2·6H2O，0.1 g；胰化酪蛋白，1.0 g；酵母膏，1.0 g；葡萄糖，10 g；L-半胱氨酸鹽酸鹽，0.5 g；乙二胺四乙酸二鈉，2.0 g；微量元素液，10.0 mL；蒸餾水，1.0 L。

(2) 富集產(chǎn)甲烷菌培養(yǎng)基：NH4Cl，1.0 g；MgCl2·6H2O，0.1 g；K2HPO4·3H2O，0.4 g；KH2PO4，0.2 g；胰化酪蛋白，0.1 g；酵母膏，1.0 g；乙酸鈉，2.0 g；甲酸鈉，2.0 g；L-半胱氨酸鹽酸鹽，0.5 g；Na2S·9H2O，0.2 g；NaHCO3，2.0 g；刃天青(0.1%)，1.0 mL；微量元素液10.0 mL；礦井水，1.0 L。

1.2 褐煤產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)

經(jīng)酸處理的煤樣中有機(jī)質(zhì)降解率更高，進(jìn)行聯(lián)產(chǎn)生物氣的效果更好[11]。使用1%稀HCl 溶液，與煤樣按1∶3 質(zhì)量比進(jìn)行混合浸泡，1 d 后可獲得預(yù)處理煤樣。取產(chǎn)氫富集液(1 L)和預(yù)處理煤樣(100 g)混合加入培養(yǎng)瓶，調(diào)整pH 至最易發(fā)酵值7 后，向三角瓶?jī)?nèi)部充入高純N2以驅(qū)替O2，開始厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫，反應(yīng)模擬裝置如圖1 所示。產(chǎn)氫時(shí)為了確保產(chǎn)氣過程高效運(yùn)行，每天輕晃產(chǎn)氣瓶一次，記錄當(dāng)日產(chǎn)氣量，通過測(cè)定發(fā)酵罐內(nèi)氫氣含量變化情況來確定發(fā)酵周期。

圖1 生物氣發(fā)生實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental setup for biogenic gas generation

反應(yīng)第8 天未出現(xiàn)明顯產(chǎn)氣現(xiàn)象，終止生物產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)。計(jì)算出各時(shí)間段內(nèi)的氫氣產(chǎn)量及氣體成分等參數(shù)。產(chǎn)氣結(jié)果顯示H2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37.59%，CO2及N2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62.41%，總產(chǎn)氫量8.42 mL/g。同時(shí)以未處理的褐煤為對(duì)照，最終產(chǎn)氣H2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.51%，CO2及其他氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85.49%，總產(chǎn)氫量2.54 mL/g。

收集產(chǎn)氫后所余煤樣，對(duì)其進(jìn)行洗滌、干燥。以余煤作為二次發(fā)酵底物，對(duì)聯(lián)產(chǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)化條件進(jìn)行深入研究和比較。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為了深入研究影響褐煤聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)化的因素，本實(shí)驗(yàn)分別設(shè)置向培養(yǎng)瓶中通入CO2、He、N2，反應(yīng)模擬裝置同產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)，以及改變水力停留時(shí)間為轉(zhuǎn)化條件，反應(yīng)模擬裝置如圖2 所示。同時(shí)取空白對(duì)照組產(chǎn)氫后所余余煤，進(jìn)行產(chǎn)甲烷實(shí)驗(yàn)。

圖2 厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Scheme showing the experimental setup for anaerobic fermentation

在培養(yǎng)箱中進(jìn)行產(chǎn)甲烷菌培養(yǎng)液(1 000 mL)的配置，打開閥門將配置好的菌液通至水力停留箱，開始不同時(shí)間的厭氧停留培養(yǎng)，培養(yǎng)結(jié)束后通過蠕動(dòng)泵將菌液加入反應(yīng)瓶中。輕搖瓶身，待煤樣(100 g)與菌液充分反應(yīng)開始發(fā)酵產(chǎn)氣。利用三相分離器進(jìn)行固、氣、液的分離。以原煤和酸處理的余煤為對(duì)照，對(duì)比不同條件下褐煤的氣體生成情況(表2)。

表2 實(shí)驗(yàn)分組設(shè)置Table 2 Experiment groups

采用排水集氣法，將生成的氣體集入集氣瓶?jī)?nèi)，每3 d輕搖產(chǎn)氣瓶一次，并記錄這3 d 產(chǎn)氣量，連續(xù)觀測(cè)產(chǎn)氣過程，根據(jù)產(chǎn)氣速率和時(shí)間關(guān)系曲線計(jì)算出連續(xù)穩(wěn)定的日產(chǎn)氣量。聯(lián)產(chǎn)60 d 后在沒有產(chǎn)氣情況下，終止實(shí)驗(yàn)。

1.4 實(shí)驗(yàn)儀器及分析方法

使用HVE-50 高壓滅菌鍋對(duì)煤樣進(jìn)行滅菌處理，DG250 厭氧工作站保證嚴(yán)格厭氧的環(huán)境，用DHP-9082型恒溫箱進(jìn)行室內(nèi)模擬。

利用SP-2100A 氣相色譜儀監(jiān)測(cè)不同實(shí)驗(yàn)組的氣體組分含量。采用6B-200 型COD 速測(cè)儀進(jìn)行化學(xué)需氧量測(cè)試。其余煤樣采用D8-ADVANCEX 射線衍射儀、AVATAR360 傅里葉紅外光譜儀進(jìn)行XRD 測(cè)定及紅外分析。

氫化酶活性的測(cè)算方法：用1 mL 注射器抽取厭氧管中生成的氣體進(jìn)行氣相色譜分析，記錄氫氣含量，按照氫化酶活性(HPE)公式進(jìn)行計(jì)算：

2 結(jié)果與討論

2.1 氣相結(jié)果對(duì)比分析

如圖3 所示，記錄不同條件下的累積甲烷產(chǎn)量。由圖可知，煤制生物甲烷轉(zhuǎn)化條件實(shí)驗(yàn)中，通CO2的實(shí)驗(yàn)組累積生成甲烷量最高，達(dá)4.72 mL/g，是常規(guī)聯(lián)產(chǎn)發(fā)酵的2.02 倍。同時(shí)測(cè)得甲烷濃度最高，為44.37%；經(jīng)過酸處理的煤樣產(chǎn)甲烷效果優(yōu)于未處理的原煤。其他條件下的褐煤產(chǎn)甲烷量均較低，HRT 為3 d 時(shí)甲烷產(chǎn)量為2.00 mL/g，體積分?jǐn)?shù)為20.77%；時(shí)間為7 d 的次之，甲烷產(chǎn)量為1.84 mL/g，體積分?jǐn)?shù)為19.35%；通氣相為He 和N2時(shí)產(chǎn)甲烷量較低，體積分?jǐn)?shù)分別為1.37 mL/g與1.21 mL/g，氣體體積分?jǐn)?shù)為18.63%和15.21%；HRT 為14 d 的條件下產(chǎn)生的甲烷量最低，生物甲烷產(chǎn)量為0.70 mL/g，體積分?jǐn)?shù)為13.15%。

圖3 不同條件下褐煤聯(lián)產(chǎn)甲烷情況對(duì)比Fig.3 Comparison of methane production of lignite-based poly-generation under different conditions

從褐煤聯(lián)產(chǎn)甲烷生成量隨天數(shù)的變化情況(圖4)可知，通氣相CO2的實(shí)驗(yàn)組于反應(yīng)的第27 天產(chǎn)氣量達(dá)到峰值，當(dāng)日最高產(chǎn)氣101 mL，經(jīng)過產(chǎn)氣高峰后產(chǎn)氣量迅速降低，產(chǎn)氣效果逐漸停滯。不同HRT 條件下，各實(shí)驗(yàn)組初始產(chǎn)甲烷量接近，經(jīng)相同時(shí)間后產(chǎn)氣量逐漸下滑，后期產(chǎn)氣效果有所好轉(zhuǎn)，但單日最高產(chǎn)氣量顯著小于通CO2的煤樣。通氣相He 和N2的樣本中甲烷生成量變化范圍相近，并于反應(yīng)第20 天達(dá)到高峰，此后，產(chǎn)氣量逐步下降。

圖4 不同影響因素下產(chǎn)甲烷量隨時(shí)間變化對(duì)比Fig.4 Comparison of time-varying methane production under different influencing factors

綜合分析可知，經(jīng)酸處理的褐煤產(chǎn)氫能力較原始褐煤強(qiáng)，且利用產(chǎn)氫后余煤進(jìn)行聯(lián)產(chǎn)甲烷的效果更好，與現(xiàn)有研究成果[11]相符。通入CO2后褐煤的產(chǎn)甲烷能力有較強(qiáng)改善，而其他實(shí)驗(yàn)組的煤樣產(chǎn)氣能力較差。其中不同HRT 條件的煤樣產(chǎn)氣情況雖遜于S-預(yù)，但HRT為3 d 和7d 的實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)氣量?jī)?yōu)于S-原。

2.2 液相結(jié)果對(duì)比分析

2.2.1 菌濁活性O(shè)D600

菌濁(OD600)能夠反應(yīng)階段反應(yīng)液中菌的數(shù)量，也從側(cè)面印證了菌參與反應(yīng)的程度。通過紫外分光光度計(jì)對(duì)反應(yīng)液中的菌體數(shù)量吸光度值進(jìn)行測(cè)定，得到不同產(chǎn)氣階段的吸光度值(圖5)。

圖5 不同影響因素下OD600 對(duì)比Fig.5 Comparison of OD600 under different influencing factors

從圖5 可得，通CO2的實(shí)驗(yàn)組中檢測(cè)到OD600最高，并于反應(yīng)20～30 d 期間達(dá)到3.04～3.13，此后逐漸下降，但整體OD600在整個(gè)產(chǎn)氣階段均比其他實(shí)驗(yàn)組高。其次為HRT 為3 d 的煤樣組，實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)可檢測(cè)到OD600最高為1.35，且降幅較小。余下各組中，產(chǎn)氣階段內(nèi)最高OD600超過1 分別是S-N2、S-He、S-7 d，為1.24、1.17、1.12，與通入CO2實(shí)驗(yàn)組相差較大。

2.2.2 氫化酶活性HPE

氫化酶簡(jiǎn)稱為氫酶，是一類存在于微生物體內(nèi)進(jìn)行可逆催化氧化還原反應(yīng)的生物酶，廣泛分布在多種細(xì)菌群類中，其活性可反映菌群的產(chǎn)氣效能[11-12]，因此對(duì)氫化酶活性(HPE)的研究能夠從機(jī)理角度探討影響產(chǎn)氣差異的原因。根據(jù)HPE 檢測(cè)步驟對(duì)不同條件不同階段的菌進(jìn)行氫化酶活性監(jiān)測(cè)(圖6)。

圖6 不同影響因素下氫化酶活性對(duì)比Fig.6 Comparison of hydrogenase activity detected under different influencing factors

由圖6 可知，檢測(cè)到不同條件下氫化酶的變化規(guī)律與產(chǎn)氣規(guī)律具有一致性：隨著產(chǎn)氣的進(jìn)行，檢測(cè)到各組中氫化酶活性基本出現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)。其中通入CO2的實(shí)驗(yàn)組中檢測(cè)到最高HPE 值，峰值為2.64 mL/(mg·min)，HRT 為 3 d 實(shí)驗(yàn)組次之，為1.82 mL/(mg·min)；余下實(shí)驗(yàn)組變化較為接近，均為緩慢上升和下降，單日HPE 最高分別為S-7 d、S-14 d、S-N2、S-He，檢測(cè)值分別為0.98、0.72、0.71、0.69 mL/(mg·min)。產(chǎn)氣結(jié)束后，S-CO2組中氫化酶活性最高。通過綜合對(duì)比分析產(chǎn)氣量與氫化酶活性結(jié)果，可知當(dāng)氫化酶活性越高時(shí)，整體菌群的降解能力越強(qiáng)，褐煤產(chǎn)生物甲烷的效果越好。

2.2.3 化學(xué)需氧量COD

實(shí)驗(yàn)過程中定時(shí)從培養(yǎng)瓶出水口收集菌液，測(cè)定其COD 值進(jìn)行比較分析(圖7)。

圖7 不同影響因素下COD 測(cè)定結(jié)果Fig.7 Comparison of COD measured under different influencing factors

添加外源菌種對(duì)煤樣進(jìn)行輔助降解，分解溶解性有機(jī)質(zhì)可以溶于水，例如一些脂肪烴和小分子芳香烴類[13]。結(jié)合氫化酶活性結(jié)果(圖6)和實(shí)驗(yàn)過程中反應(yīng)液COD測(cè)定結(jié)果(圖7)可知，COD 變化與氫化酶的變化趨勢(shì)基本相同。反應(yīng)前期，添加的外源甲烷菌可降解煤中一部分大分子結(jié)構(gòu)，使其變成易被利用的小分子有機(jī)質(zhì)，因此COD 累積增加，于反應(yīng)第20 天出現(xiàn)峰值，其中通入CO2實(shí)驗(yàn)組檢測(cè)到COD 最高為772 mg/L。同時(shí)已產(chǎn)生的小分子物質(zhì)可被甲烷菌利用，COD 出現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。產(chǎn)氣結(jié)束后檢測(cè)到COD 降為最低，檢測(cè)結(jié)果為47.46 mg/L。

綜上，對(duì)比各組甲烷產(chǎn)量和液相結(jié)果可知：在培養(yǎng)瓶中通入CO2后產(chǎn)氣效果優(yōu)于其他條件，同時(shí)各時(shí)段檢測(cè)到的OD600、HPE 較其他組更高，意味著整體菌液活性較強(qiáng)。推測(cè)為微生物發(fā)酵產(chǎn)氣時(shí)，通入CO2氣體會(huì)影響其發(fā)酵產(chǎn)氣的途徑，使其朝著CO2還原途徑轉(zhuǎn)化，同時(shí)可以刺激菌體內(nèi)的生物酶包括氫化酶的活性，對(duì)煤的降解更完全，因此，反應(yīng)第20 天時(shí)菌濁和COD均出現(xiàn)最高值；且菌體活性最高時(shí)可降解的溶解性有機(jī)質(zhì)也最多，結(jié)合后續(xù)COD 的降解數(shù)據(jù)，反應(yīng)結(jié)束時(shí)SCO2中COD 值最低，可知其對(duì)溶解于反應(yīng)液中的有機(jī)質(zhì)利用也更完全，降解率最高。S-3 d 中COD 降解率排第二，顯示和產(chǎn)氣及氫化酶活性有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。其他不同條件的實(shí)驗(yàn)組中，菌體活性較差，可溶于溶液中COD 相對(duì)偏少，也無法有效利用，因此可檢測(cè)到COD數(shù)值高于通氣相CO2。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明通入氣相He 與N2等氣體，和水力停留時(shí)間增加時(shí)氫化酶活性并沒有明顯提升，同時(shí)產(chǎn)氣效果一般。

2.3 煤結(jié)構(gòu)變化對(duì)比分析

通過分析褐煤聯(lián)產(chǎn)生物甲烷的結(jié)果，可知通入氣相CO2條件下煤產(chǎn)甲烷效果最好，不同HRT 結(jié)果排在其后，通入氣相He 與N2后甲烷產(chǎn)量較差，COD 和氫化酶活性結(jié)果也顯示通入惰性氣體的兩組效果不佳。故排除通入氣相He 與N2兩組變量，對(duì)余下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行煤結(jié)構(gòu)變化分析。

2.3.1 XRD 測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

XRD 是一種對(duì)煤中微晶結(jié)構(gòu)改變情況進(jìn)行表征的檢測(cè)方法，收集實(shí)驗(yàn)結(jié)束所余煤樣，利用XRD 測(cè)試得到衍射解析數(shù)據(jù)，繪制對(duì)應(yīng)的XRD 圖譜(表3 和圖8)。

圖8 不同轉(zhuǎn)換條件聯(lián)產(chǎn)褐煤的XRD 圖譜Fig.8 XRD patterns of lignite for poly-generation under different influencing factors

表3 剩余煤樣中X 射線衍射解析數(shù)據(jù)Table 3 X-ray diffraction analysis data of residual coal samples

由表3 可知，聯(lián)產(chǎn)生物氣的過程中改變通氣條件和水力停留時(shí)間，煤結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生改變。通CO2組中煤樣層間距d002為4.425 1 nm。對(duì)比S-3 d、S-7 d、S-14 d的煤樣所測(cè)層間距d002為4.268 8 nm、4.167 9 nm、4.044 6 nm，S-CO2的間距更大，而堆砌度(Lc)、延展度(La)和芳香層數(shù)分別為6.270、13.045 和1.416 9 nm較其他條件下煤樣都有所減少。

綜合圖8 和表3，通入CO2的樣品經(jīng)微生物甲烷代謝后，煤的芳香結(jié)構(gòu)降解最劇烈，芳香碳層間距d002增幅最大，堆砌度Lc、延展度La與芳香層數(shù)相應(yīng)減少最明顯，CH4產(chǎn)氣量越高。這些結(jié)果表明，通入CO2可以使煤結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變，使煤大分子在空間的排列趨于不規(guī)則，芳香層間距更大，相對(duì)應(yīng)的孔隙結(jié)構(gòu)變得更疏松，孔隙度也增大。

2.3.2 紅外測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

褐煤聯(lián)產(chǎn)生物氣的過程中，煤的主要官能團(tuán)會(huì)因微生物發(fā)酵分解而改變，因而在產(chǎn)氣結(jié)束后，針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)組煤樣進(jìn)行紅外分析(圖9)。

圖9 褐煤FTIR 譜圖Fig.9 FTIR spectra of lignite samples

FTIR 譜圖中波數(shù)3 650～3 200、3 050～2 800、910～850、1 800～1 500 cm-1處的峰面積表征煤中羥基或氨基、芳烴、羧酸或羧酸鹽基因含量的變化率，由圖9可知，通入CO2和水力停留時(shí)間為3 d 的煤樣中羥基或氨基、羧酸、羧酸鹽和甲基、亞甲基的伸縮振動(dòng)較其他條件下弱，這是由于引入CO2和S-3 d 后微生物活性較高，對(duì)于羥基、羧基、氨基、甲基及亞甲基這種活潑官能團(tuán)的降解能力較強(qiáng)，消耗較大，從而使得這類官能團(tuán)在產(chǎn)氣結(jié)束后的含量減少。

2.4 討論

通入CO2的產(chǎn)氣效果較好，分析認(rèn)為，部分CO2氣體溶解使發(fā)酵環(huán)境微酸，而微酸環(huán)境能夠加快水解速率；產(chǎn)氣過程中微生物菌群可分泌具有降解作用的生物酶，同時(shí)菌代謝進(jìn)一步加劇煤的水解使煤中羥基和氨基等活潑官能團(tuán)消耗更多[14]。另一方面，CO2能夠刺激氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)，促進(jìn)CO2生物甲烷化過程，使煤中活性成分的降解更為充分，反應(yīng)結(jié)束后測(cè)得液相產(chǎn)物中COD 值最小，也說明煤中可溶組分的降解更完全；而從XRD 和紅外數(shù)據(jù)可以看出，通入CO2后煤參與生化反應(yīng)的成分最多，煤中芳香結(jié)構(gòu)及官能團(tuán)破壞最為顯著，這些微晶結(jié)構(gòu)的破壞和官能團(tuán)的降解也會(huì)相應(yīng)地造成煤結(jié)構(gòu)更加疏松，間隙增大，從而造成煤孔隙率增大，使得原有氣體更快地?cái)U(kuò)散、滲透。通入He 或者N2的實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)氣效果不明顯，原因可能在于He 和N2僅僅提供了一種厭氧環(huán)境，對(duì)降解反應(yīng)本身沒有明顯的催化。在氫氣向甲烷轉(zhuǎn)換兩相厭氧發(fā)酵的系統(tǒng)中引入CO2，將CO2地質(zhì)封存和煤層氣生物工程相結(jié)合，一方面促進(jìn)了CO2生物甲烷化代謝途徑，實(shí)現(xiàn)CO2的高效地質(zhì)封存，促進(jìn)二氧化碳驅(qū)煤層氣(ECBM)技術(shù)的發(fā)展[15-19]；另一方面煤中大分子結(jié)構(gòu)被生物降解，微晶結(jié)構(gòu)被破壞，煤中有機(jī)官能團(tuán)被消耗，因而孔隙增大，增加了煤的透氣性、擴(kuò)散性、滲透率。

HRT 為3 d 時(shí)產(chǎn)氣量比其他HRT 組高，隨著HRT延長(zhǎng)，菌群的代謝可能會(huì)產(chǎn)生氨或硫等毒性物質(zhì)，從而抑制正常的生化反應(yīng)，造成產(chǎn)氣效率的降低[20]。較短的HRT對(duì)應(yīng)相應(yīng)的有機(jī)負(fù)荷，能夠促進(jìn)反應(yīng)的穩(wěn)定性，減少酸化及有毒物質(zhì)的毒害作用。

3 結(jié)論

a.通入CO2組和水力停留時(shí)間為3 d(HRT-3 d)兩種條件下樣品，在整個(gè)產(chǎn)氣過程中可檢測(cè)到菌濁濃度最高，整個(gè)產(chǎn)氣過程菌群的氫化酶活性也是最強(qiáng)，對(duì)反應(yīng)液中的COD 的利用更充分。證實(shí)通入CO2氣體和HRT-3 d能夠有效降解煤，產(chǎn)氣效果最好。

b.從固相檢測(cè)可知，通入CO2和HRT-3 d 對(duì)煤結(jié)構(gòu)的改變較大，特別是通入CO2的實(shí)驗(yàn)組，煤參與生化反應(yīng)的成分最多，煤中芳香結(jié)構(gòu)及官能團(tuán)破壞最為顯著，使得煤結(jié)構(gòu)分子間隙增大，孔隙率增加，實(shí)現(xiàn)增透、增滲、增擴(kuò)。

c.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，向煤的生物聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中通入CO2和HRT-3 d 可有效提高產(chǎn)氣效率，鑒于此，考慮CO2地質(zhì)封存技術(shù)和煤層氣生物工程相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)安全封存的同時(shí)使產(chǎn)氣效率提高和煤儲(chǔ)層的增透改性，后期進(jìn)一步關(guān)注CO2的通入速率和通入總量，以找出通入CO2的最佳反應(yīng)條件。

符號(hào)注釋：

HPE 為氫化酶活性，mL/(mg·min)；m為每1 mL 待測(cè)菌液中揮發(fā)性懸浮固體的質(zhì)量，mg；t為酶促反應(yīng)時(shí)間，min；V為厭氧管中氣體體積，mL；φ為酶促反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的體積分?jǐn)?shù)，%。