專利名稱：利用微生物將褐煤轉化為甲烷的方法
技術領域：
本發明涉及煤轉化利用技術領域，具體為一種利用微生物將褐煤轉化為甲烷的方法。
背景技術：
利用生物作用把煤轉變成氣體燃料(例如甲烷)的技術，被稱為“煤生物成氣”，是煤炭綜合加工利用的一種新的嘗試和努力。國外從20世紀80年代起對低階煤及其它煤的生物降解成氣進行了大量研究，并取得了飛速的發展。基于幾項關鍵的核心技術，美國于2003
年成立了第一家生物成氣的專業公司-Luca Technologies公司[1]，致力于煤、氣以及油
田領域生物成氣的相關研究開發工作。我國國內從本世紀初，也逐漸加強了對該方向的研究，并取得了初步的成果，但尚未取得實質性的突破。專利申請號為201110420196. 6公開了一種利用微生物降解煤以制取生物氣的方法，在該技術方案中提出，在目的礦區采集煤樣和水樣，取得原始厭氧菌群，該菌群具有轉化煤為生物氣的能力，再利用白腐菌對空氣進行好氧發酵，消除煤層中的氧氣，給厭氧菌提供一個良好的轉化環境。專利申請號為201210035682. O公開了一種利用外源微生物增產煤層氣的方法，該技術方案的主要內容在于收集細菌，然后進行適應性培養，再注入煤層中使其分解煤產生甲烷氣體。已有的研究表明，當原煤不經任何前處理時，其被微生物利用的效率很低，轉化為甲烷或者揮發性酸、醇的速度要比經過前處理的煤樣低I 一 2個數量級左右。其原因可能是因為煤中成氣的主要前驅體腐植酸(humic acid, HA)是通過金屬離子橋聯形成的巨大分子，微生物不能夠直接利用。因此，一般的生物成氣的模擬實驗中，要將原煤通過濃硝酸等化學物質進行處理，以打破煤的立體網狀的大分子結構，促進微生物的利用。但傳統處理方法往往需要強酸、強堿、高溫、高壓等，不利于后續的成氣。

發明內容
本發明所要解決的問題是克服現有利用微生物轉化甲烷技術產氣效率的不高的技術問題，提供一種利用外源微生物馴化后將褐煤轉化為甲烷的方法。本發明為解決技術問題所采取的技術方案是一種利用微生物將褐煤轉化為甲烷的方法，是采用污水處理廠活性污泥和沼液中的菌群，利用粒徑小于O. 075 mm的煤粉進行逐步純化和馴化后，將煤轉化為甲烷。具體步驟為
a.活性污泥菌群接種及培養，在水中加入活性污泥，葡萄糖，氯化銨，磷酸二氫鉀，曝氣處理，每天曝氣時間8小時，培養周期為28天；
b.活性污泥菌群馴化，a步驟所得的菌液，放置24小時使污泥沉降，將上層菌液取出，加入粒徑小于O. 075 mm的煤粉進行馴化，連續馴化28天；
c.以沼液為厭氧菌源，接種后用小于O.075 mm的褐煤煤粉進行15天的馴化， 得到厭氧菌源；
d.煤樣處理,將粒徑為O.075 — O.1mm的煤粉加入b步驟所得的菌液,每三天補加葡萄糖，連續曝氣15天后將煤粉過濾、充分洗滌，待用；
e.在容器中，加入d步驟所得煤粉，營養液，通氮除氧后用蠕動泵定量泵入c步驟所得的厭氧菌液，密封，置于35 °C恒溫箱進行成氣。上述步驟所使用的煤為褐煤。經過試驗檢測發現，以污水處理廠活性污泥和沼液的菌群為原始菌源，經逐步馴化后可快速將褐煤轉化為甲烷，小型實驗(g級)煤粉的成氣效率最高可達到11.8 mL/g(m3/t),大型實驗(kg級)煤塊的成氣效率為O. 19 mL/g (m3/t)o


圖1 (a、b、c、d)為好氧一厭氧微生物菌群顯微分析；
圖2為處理前后煤紅外光譜；
圖3為好氧處理對煤生物成氣影響；
圖4為煤用量對成氣效果影響；
圖5為數據處理圖；`
圖6為75kg級別成氣實驗結果；
具體實施例方式 本實施例以義馬褐煤為研究對象，初步研究了好氧過程與厭氧過程聯合作用義馬褐煤的成氣效果。A、實驗部分
I)煤樣與菌群
試驗用煤樣為河南義馬褐煤，堆放半年以上。將煤樣進行破碎，并用球磨機進一步處理成煤粉/篩分，其中85目一 100目的煤粉進行成氣實驗，大于100目的煤粉用于菌群的馴化實驗。原煤、好氧處理后的煤以及厭氧處理后的煤中的C、H、N元素分析以及紅外光譜分析由北京北達燕園微構分析測試中心完成。好氧菌群采用焦作污水處理廠的活性污泥接種并馴化，厭氧菌群采用實驗室自制的小型沼氣池的沼液進行接種并馴化，沼液中含有能夠產甲烷的厭氧菌系。2)實驗方法
a.活性污泥菌群接種及培養在10L純水中加入200 g活性污泥，25 g葡萄糖，2. 5g氯化銨，I g磷酸二氫鉀，曝氣處理，每天曝氣時間8小時，每7天補加25 g葡萄糖，2. 5g氯化銨，I g磷酸二氫鉀，培養周期為28天；
b.活性污泥菌群馴化a步驟所得的菌液，放置24小時使污泥沉降，將上層菌液取出，加入50 g粒徑小于O. 075 mm的煤粉進行馴化，每隔3天加入50g粒徑小于O. 075 mm的煤粉，每隔7天加入葡萄糖，加入量依次為10 g,5 g,2 g,連續馴化28天；
c.以沼液為厭氧菌源，接種后用小于O.075 mm的褐煤煤粉進行15天的馴化，然后每隔7天進行傳代，連續傳5代，得到實驗用厭氧菌源；
d.煤樣處理
將2000g粒徑為O. 075 - O.1mm的煤粉加入10 L a所得的菌液，每三天補加葡萄糖，補加量依次減少，分別為50g、20g、10g、5g，連續曝氣15天后將煤粉過濾、充分洗滌，待用
e.在500mL抽濾瓶中，加入d所得煤粉20g，營養液250 mL，通氮除氧后用蠕動泵定量泵入C所得的厭氧菌液50 mL，密封，置于35 1恒溫箱進行成氣實驗。所述的營養液為市售的微生物發酵營養液，微生物營養鹽配制，或者為以下配方制備
VC (抗壞血酸)O. 5g/l
酵母提取物O. 5 g/1
K2HPO42.9 g/1
KH2PO41. 5 g/1
MgCl2O. 4 g/1
NH4Cl1. 8 g/1
硫辛酸0.025mg/l
吡哆辛鹽酸0. 05 mg/1
煙酸0· 025 mg/1
D-泛酸鈣O. 025 mg/1 對氨基苯甲酸O. 025 mg/1
葉酸O. 01 mg/1
生物素0.01 mg/1
核黃素(VB2)O. 025 mg/1
維生素 VBiO. 025 mg/1
維生素 Vb12O. 0005 mg/1
FeSO4 · 7H2021mg/l
ZnCl20. 7 mg/1
MnSO4 · H2OI mg/1
CoCl2 · 6H201. 75 mg/1
CuSO4 · 5H200. 03 mg/1
NiCl2 · 2H200. 24 mg/1
Na2MoO4 · 2H200. 36 mg/1
KAl (SO4) 20.1 mg/1 of.氣相色譜測定美國Angilent 7890氣相色譜配Carbonplot色譜柱(60 m *320 μπι *1. 5 μ m)和T⑶檢測器，氣密針進樣，進樣量O. 5 mL。色譜進樣口溫度150 °C，柱溫箱溫度25 °C，檢測器溫度200 °C。B、菌群表征
煤生物成氣，是一個多種微生物共同參與的過程，大致涉及到水解微生物、發酵微生物、產氫產乙酸微生物以及產甲烷微生物等四類，單獨的一類微生物不能實現煤的降解成氣。本研究在煤粉厭氧生物成氣前，增加了一個好氧處理過程，通過好氧過程增加煤的生物可利用性，以提高產氣效率。對污水處理廠活性污泥好氧菌系和自制沼液的菌群厭氧菌系進行了顯微鏡觀察，結果如圖1所示。可以看出，活性污泥接種后在馴化前含有豐富的微生物(a)，主要以桿菌和球菌為主。而經過15天的馴化后，以球狀微生物為主，而且有大量的微生物吸附于煤粉的表面。厭氧菌系經馴化后，與好氧菌系類似，微生物主要在煤粉周圍分布(C)，而且在420nm的波長照射下可以觀察到產甲烷菌的特殊熒光(d)，并且在溶液中不均勻分布。C、原煤與好氧和厭氧處理后煤的紅外光譜分析
分別對原煤、好氧處理以及厭氧處理后的煤樣進行了紅外光譜分析。結果如圖2所示。可以看出，在3650 cm-1處的代表氫鍵、羥基或胺基的吸收峰，經過好氧處理的煤和原煤相當，而經過厭氧處理后吸收峰增強，其原因可能是因為在厭氧處理過程中，煤中的硝基和醌轉化為胺基以及酚羥基所致。而在2945 cm — 1與2860 cm—1處的代表脂肪氫的吸收峰，原煤與好氧處理后的煤相當，而經過厭氧處理后吸收峰略有增強，其原因可能是經過厭氧處理后，小部分苯環被加氫，增加了脂肪氫的含量；而在1790 cm—1處代表羰基的吸收峰,原煤、好氧處理、厭氧處理的煤均在此位置出現強吸收，而且經過好氧處理與厭氧處理后，峰高依次增加，說明好氧處理與厭氧處理可以增加煤中羰基的含量；在1500 CnT1與1400 CnT1處的吸收峰代表芳香環的相應吸收，可以看出，經過處理，特別是厭氧處理后，吸收峰發生明顯增強，說明在好氧和厭氧處理過程中，微生物主要消耗的是非苯環部分或者是苯環上的側鏈，這一點可以在820 CnT1處的吸收峰變化得到印證；1050 CnT1處的吸收峰代表醚鍵或酚C 一 O鍵，可以看出，經過處理特別是厭氧處理后，該處的吸收峰消失，其原因有待于進一步研究。D、好氧處理與不經好氧處理對煤微生物成氣的影響
對原煤和經過好氧處理后的煤利用馴化好的微生物群進行了成氣實驗，結果如圖3所示。可以看出，在無煤存在條件下，僅依靠營養液中的碳源，其產氣量僅約為煤不經好氧處理的1/2和經好氧處理的1/4。這個結果說明三個問題1)采用外源菌系降解煤而成氣是可行的；2)成氣過程中，部分煤基質碳可以轉化為甲烷；3)在煤厭氧生物成氣過程之前，弓丨入好氧過程，可以提高煤的成氣轉化率。扣除控制實驗所產生的甲烷后，經過好氧處理和不經好氧處理煤的產生甲烷效率分別為1.69 mL/g (1113八)和0.75 mL/g (m3/t)。E、不同煤量的成 氣效果
對相同營養液的情況下，改變煤粉用量，采用馴化好的厭氧菌系進行了成氣實驗，結果如圖4所示。可以看出，在控制實驗不加煤的情況下，雖然能夠產氣，但與加煤的情況下相t匕，產氣量較少，這可能是營養液中的碳源造成的。隨著煤加入量的增加，產氣量與煤加入量呈現顯著的正相關關系。該實驗表明，煤微生物成氣中的碳源主要來源于煤。扣除控制實驗所產生的甲烷后，10 g、20 g和40 g煤的產生甲烷的效率分別為11.8 mL/g (m3/t)、8. 85 mL/g (m3/t)和 5.8 mL/g (m3/t)。F、放大實驗
在75 kg煤用量的規模上，采用本實驗室馴化好的好氧菌群和厭氧菌群對煤依次進行處理，進行了其成氣的研究。結果如圖6所示。在O — 40天內為第一期的實驗(圖6①-③)。可見，煤樣在①-③的階段明顯可以分為三個過程，快速增長期、平穩期和抑制期。當把煤經過好氧處理后，其成氣曲線較為平穩，但同樣存在抑制期的過程。在出現抑制期后，連續兩次加入馴化后的厭氧菌液，其成氣效率要遠低于①-④的過程。扣除控制實驗所產生的甲烷后，在75 kg級別上煤產生甲烷的效率為O. 19 mL/g (m3/t)。G、結論
(I)在煤的厭氧成氣之前增加一個好氧過程，可以顯著提高煤的微生物成氣效率；
(2 )元素分析及紅外光譜測定的數據表明，煤經過好氧處理與厭氧處理后，元素構成和價鍵發生了較為明顯的變化，主要表現為C/Η比的升高以及羰基、羥基及苯環的相應變化；
(3)盡管不同階段培養馴化的好氧菌群與厭氧菌群在對煤產生甲烷的效率上有所差異，但均實現了良好的成氣效率。小型實驗(g級)煤粉的成氣效率最高可達到11.8 mL/g(m3/t),大型實驗(kg級)煤塊的成氣效率為O. 19 mL/g (m3/t)；
(4)煤成氣量與煤用量呈現良好的正相關關系，說明煤生物成氣的碳源主要來源于煤，而不是營養液或者煤體中所含的自然甲烷。因為甲烷在煤體中存在的方式為游離狀態和吸附狀態。如果直接在煤層中進行測試，其甲烷溢出的數據必然會受到煤層中原有甲烷自然溢出或者破碎后溢出的影響，從而影響數據的真實性和準確性，而本發明所述的方法，煤轉化甲烷氣的場所不在井下煤層中 ，本發明中所使用的煤經過開采破碎后，吸附狀態的煤層氣基本上已經揮發完。此時進行分解測試，其數據顯然要準確，對于煤轉化甲烷的技術成熟更有意義。
權利要求
1.一種利用微生物將褐煤轉化為甲烷的方法，其特征在于采用污水處理廠活性污泥和沼液中的菌群，利用粒徑小于O. 075 mm的煤粉進行逐步純化和馴化后，將煤快速轉化為甲烷。
2.根據權利要求2所述的利用微生物將褐煤轉化為甲烷的方法，其特征在于具體步驟為，a.活性污泥菌群接種及培養，在水中加入活性污泥，葡萄糖，氯化銨，磷酸二氫鉀，曝氣處理，每天曝氣時間8小時，培養周期為28天；b.活性污泥菌群馴化，a步驟所得的菌液，放置24小時使污泥沉降，將上層菌液取出，加入50 g粒徑小于O. 075 mm的煤粉進行馴化，連續馴化28天；c.以沼液為厭氧菌源，接種后用小于O.075 mm的褐煤煤粉進行15天的馴化，得到厭氧菌源；d.煤樣處理,將粒徑為O.075 — O.1mm的煤粉加入b步驟所得的菌液,每三天補加葡萄糖，連續曝氣15天后將煤粉過濾、充分洗滌，待用；e.在容器中，加入d步驟所得煤粉，營養液，通氮除氧后用蠕動泵定量泵入c步驟所得的厭氧菌液，密封，置于35 °C恒溫箱進行成氣。
3.根據權利要求2所述的利用微生物將褐煤轉化為甲烷的方法，其特征在于具體步驟為，a.活性污泥菌群接種及培養在10L純水中加入200 g活性污泥，25 g葡萄糖，2. 5g氯化銨，I g磷酸二氫鉀，曝氣處理，每天曝氣時間8小時，每7天補加25 g葡萄糖，2. 5g氯化銨，I g磷酸二氫鉀，培養周期為28天；b.活性污泥菌群馴化a步驟所得的菌液，放置24小時使污泥沉降，將上層菌液取出，加入50 g粒徑小于O. 075 mm的煤粉進行馴化，每隔3天加入50g粒徑小于O. 075 mm的煤粉，每隔7天加入葡萄糖，加入量依次為10 g,5 g,2 g,連續馴化28天；c.以沼液為厭氧菌源，接種后用小于O.075 _的褐煤煤粉進行15天的馴化，然后每隔7天進行傳代，連續傳5代，得到實驗用厭氧菌源；d.煤樣處理將2000g粒徑為O. 075 - O.1mm的煤粉加入10 L b所得的菌液，每三天補加葡萄糖，補加量依次減少，分別為50g、20g、10g、5g，連續曝氣15天后將煤粉過濾、充分洗滌，待用；e.在500mL抽濾瓶中，加入d所得煤粉20g，營養液250 mL，通氮除氧后用蠕動泵定量泵入c所得的厭氧菌液50 mL，密封，置于35 °C恒溫箱進行成氣。
4.根據權利要求1或2或3所述的利用微生物將褐煤轉化為甲烷的方法，其特征在于所述的煤為褐煤。
全文摘要
本發明涉及煤轉化利用技術領域，具體為一種利用微生物將褐煤轉化為甲烷的方法。本發明所要解決的問題是克服現有利用微生物轉化甲烷技術產氣效率的不高的技術問題，提供利用外源微生物馴化后將煤轉化為甲烷的方法。主要技術方案是采用污水處理廠活性污泥和沼液中的菌群，利用粒徑小于0.075mm的煤粉進行逐步純化和馴化后，將煤轉化為甲烷。經過試驗檢測發現，以污水處理廠活性污泥和沼液的菌群為原始菌源，經逐步馴化后可快速將褐煤轉化為甲烷，小型實驗(g級)煤粉的成氣效率最高可達到11.8mL/g(m3/t)，大型實驗(kg級)煤塊的成氣效率為0.19mL/g(m3/t)。
文檔編號C12P5/02GK103045652SQ20121045631
公開日2013年4月17日 申請日期2012年11月14日 優先權日2012年11月14日
發明者王保玉, 邰超, 李生奇, 胡包生, 劉建民, 袁宗本, 韓作穎, 岳利嬌, 武俐, 胡斌, 關嘉棟, 陳林勇, 趙晗, 陶昆鵬 申請人:山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司