聂文杰

(西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054)



微生物降解煤矿瓦斯的研究

聂文杰

(西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054)

为降低煤井采矿区内瓦斯的浓度，采用微生物筛选的方法，通过使用甲烷配气代替煤矿瓦斯在实验室条件下研究了微生物降解煤矿瓦斯的影响各种因素。实验结果表明：降解甲烷微生物的最佳培养条件为：pH为6.5；温度为32 ℃；摇床转速为120 r/min；接种量为5%；氧气与甲烷浓度之比为1∶2。并且菌种在最优条件下，对于初始浓度为45.63%的甲烷气体，96h内的降解效率最高可达55.7%。

甲烷；微生物；降解；煤矿瓦斯

1　引言

煤层瓦斯易燃、易爆，是矿井主要灾害之一，同时也是造成温室效应的主要成分，等量甲烷造成的温室效应约是二氧化碳的21倍[1，2]。目前，我国瓦斯的主要治理技术为矿井通风、矿井瓦斯抽放和“四位一体”的综合防范措施等物理方法[3～5]。但我国煤系地层的原始透气性差，致使原始煤层预抽难以实施，而且效果较差。1939年，法国著名煤化学家尤洛夫斯基提出利用特殊的甲烷氧化菌，降低煤井采空区内甲烷浓度，随后，各国的科学家相继进行了类似的研究，并且取得了一定效果[6～11]。甲烷氧化菌氧化甲烷的活性受外界条件影响较大，直接喷洒或钻井注入后需封矿，不利于煤矿正常生产和工作人员对其进行监测[12]，如果能在一种氧化甲烷的反应器内降解甲烷，可以做到边开采、边治理，不需要封矿处理，则有更大的实用性。Chris A. duPlessis、浙江大学的余海霞等利用实验室菌种、中国矿业大学的黄霞、陶秀祥和同济大学机械工程学院刘巍等从淮南潘一矿的土样和水样中筛选出的菌种接种自行设计的小型反应塔，选取不同填料进行对比，采用混合菌系，对挂膜条件进行优化，同时对各参数和性能进行了初步的探讨[13～15]。

微生物过滤治理瓦斯是降低瓦斯危害的新思路，该技术可在无需封矿的条件下实现边开采边净化，减少煤层开采时的瓦斯涌出量，降低瓦斯灾害的发生。并且生物滤塔内微生物的筛选和生长条件对其治理瓦斯效果有重大影响。

2　材料与方法

2.1实验仪器

实验用到的主要仪器有：恒温摇床用来对液体培养基进行恒温振荡培养，扫描电镜用来观察甲烷氧化微生物的形态，气相色谱仪用来检测甲烷及其它气体含量，电热恒温鼓风干燥箱用来进行温度调节，电子分析天平用来精确配制培养及所需药品，净化工作台用来提供局部高洁净度工作环境，紫外可见分光光度计用来测定甲烷气体在水中的浓度。

2.2微生物生长的影响因素的研究

本实验采用的微生物为甲烷氧化微生物。把从土壤中取得的含有甲烷氧化微生物的样品经过预处理放到液体培养基中进行菌种的富集，在液体培养基中通入甲醇作为唯一碳源对甲烷氧化微生物进行培养，增加待分离甲烷氧化微生物的数量。然后对样品进行进一步的分离纯化，从而把甲烷氧化微生物分离出来。对甲烷氧化微生物逐步用高浓度的甲烷进行驯化，最终可得到能够降解高浓度甲烷的菌种。

菌种生长的影响因素对微生物生长影响很大，如pH值与微生物的生命活动与新陈代谢有着密切的关系，温度能影响微生物的代谢和生长速率，而氧气与甲烷浓度比对甲烷氧化微生物体系有很大影响等等，故分别对pH值、温度、氧气浓度、微生物接种量及摇床转速每个影响因素设置几组不同的实验，在保证菌种正常生长的情况下通入甲烷气体，使其浓度为20%，测定菌体的OD600值，从而探究出最优的微生物生长因素。

3　结果与分析

3.1微生物生长的影响因素的研究

3.1.1pH值对微生物生长的影响

由图1可以看出，培养基的初始pH值对该甲烷氧化微生物的生长有很大影响，不同pH值下，甲烷氧化微生物的生长速度大不相同。对于本甲烷氧化微生物，当pH值为6.5时，菌体生长OD600的值达到最高。在pH值为5.0～6.5范围内，菌体的OD值总随着初始pH值的不断增大而增大。当初始pH值超过6.5以后，该甲烷氧化微生物菌体OD600值又不断下降。因此，在酸性范围内，该甲烷氧化微生物生长所需的最佳pH值为6.5，微酸性环境有利于生长。

图1　pH值对微生物生长的影响

3.1.2温度对微生物生长的影响

图2表明，本实验所设定温度范围内，都可观察到甲烷氧化微生物的生长以及甲烷氧化的发生，但适合本甲烷氧化微生物生长的最适温度为32 ℃。环境温度低于32 ℃时，温度越低，菌体生长OD600值也越小。而环境温度超过32 ℃后，温度越高，越不适合该甲烷氧化微生物的生长。因此，该甲烷氧化微生物最佳生长温度为32 ℃，高于或低于32 ℃都不利于甲烷氧化微生物的生长。目前一些主要瓦斯矿井的井下风流温度和地层温度，都不超出15～40 ℃范围，可供氧化甲烷菌生长。所以对于将该甲烷氧化微生物应用于实际成为可能。

图2　温度对微生物生长的影响

3.1.3接种量对微生物生长的影响

图3表明，接种量在很小的情况下，该甲烷氧化微生物的繁殖速度随接种量的增大而增大，而当接种量大于4%时，接种量与菌体的数量关系不大，到5%时基本趋于不变，所以最佳接种量是5%。

图3　接种量对微生物生长的影响

3.1.4摇床转速对微生物生长的影响

图4表明，OD值在低转速条件下随转速的增大而增大，当转速达120 rad/min时，生物的生长量达到最大值。一旦高于120 rad/min时，生物生长量随即下降。由此得出该甲烷氧化微生物生长所需的最佳转速为120 rad/min。

3.1.5氧气浓度对微生物生长的影响

本次实验所培养甲烷微生物是好养型的，因此氧是影响该甲烷氧化菌降解甲烷的一个重要因素。因此，欲用该微生物处理煤层瓦斯时，必须解决供气(氧)问题。它对氧气与甲烷的消耗比值(即消耗1个体积甲烷需要的氧体积数)，决定于培养气体中氧与甲烷的浓度。甲烷浓度高、氧浓度低时，消耗的比值就小；反之，甲烷浓度低、氧浓度高时，则消耗的比值就大。结果如图5所示。

图4　转速对该甲烷氧化微生物生长的影响

图5　O2浓度对该甲烷氧化微生物生长的影响

由图5可以看出，氧气浓度对该甲烷氧化微生物影响较大。在所设定氧浓度范围内，该甲烷氧化微生物细菌菌体生长OD600值基本上随着O2浓度的增加而增加。但O2浓度超过10%后，甲烷氧化率与菌体生长OD600值却呈现出一定的下降趋势。可见，10%的氧浓度已满足甲烷氧化微生物氧化甲烷的需要。由于实验设定CH4含量为20%，而当O2浓度至少为10%时，即O2与CH4的配比为1∶2时，即可得到较理想的菌体生长OD值。

综合上述试验结果可确定该降解甲烷微生物的最佳培养条件为：pH值为6.5，温度为32 ℃，转速为120 rad/min，接种量为5%、氧气浓度∶甲烷浓度=1∶2。

3.2微生物对煤矿瓦斯降解效果的研究

以甲烷充入量为70 mL为例，计算其底物浓度和降解速率。

(1)由排水法测得广口瓶除去培养基和塞子所占体积后的体积为550 mL。

(2)4h内微生物降解掉的甲烷(%)=仪器测定数(%)-空白(%)=0.0074(%)。

(3)试条件下甲烷气体体积。

Vs =4h内微生物降解掉的甲烷×广口瓶内体积 =0.0407 mL

标准状态下甲烷气体体积:

Pn——标准状态下的大气压，采用国际通用标准为1 atm；

Ps——为测试条件下的大气压，西安地区夏季大气压为0.96 atm；

Tn——标准状态下的温度，采用国际通用标准为298 K；

Ts——测试条件下的温度，30 ℃即273+30=303 K 。

(4)底物浓度[S]的计算。

物质的量n=标况下甲烷气体体积/22.4 L/mol=0.0017×10-3mol；

质量m=物质的量×摩尔质量=0.027 mg；

底物浓度[S]=质量/广口瓶内体积=0.049 mg/L。

(5)降解速率 v=底物浓度[S]/时 =0.012 mg/L·h。

(6)降解效果(%)=(仪器测定1-仪器测定2)/仪器测定1 =28.46%。

如以上计算过程，其他底物浓度、降解速率和降解效果见表1和2。由表中可以看出该甲烷氧化菌的降解效果随时间是依次增加的，初始充入甲烷量为70 mL(即甲烷浓度为14%)的最大降解效果为80.6%。

表1　甲烷充入量为60 mL的降解速率

表2　甲烷充入量为70 mL的降解速率

4　结论

本研究从陕西煤层煤块、矿井水及富含瓦斯煤层土壤中直接筛选出了一种 “噬”甲烷专性菌，探讨其最佳生长条件及初步降解效果。结论如下。

(1)该甲烷氧化微生物生长所需的最佳pH值为6.5，最佳温度为32 ℃，最佳接种量为4%时，摇床最佳转速为120 r/min，在CH4含量为20%时，O2与CH4的最佳配比为1∶2；

(2)甲烷充入量为70 mL时，米氏常数可达Km=1.91 vmax=0.48；

(3)降解效果为实验室初步测试，具体煤层降解效果有待进一步验证。

[1]张铁岗．矿井瓦斯综合治理技术[M]．北京:煤炭工业出版社，2001．

[2] 侯晨涛．煤矿瓦斯的微生物治理技术[J]．煤田地质与勘探，2007，35(4)：30～33．

[3] W.Y. Kim,M.D. Hanigan, S.J. Lee. Effects of Cordycepsmilitaries on the growth of rumen microorganisms and in vitro rumen fermentation with respect to methane emissions [J]. Journal of Dairy Science, 2014, 97(11), 7065～7075.

[4]A. Romero-Pérez, E.K. Okine, L.L. Guan, et al. Effects of 3-nitrooxypropanol on methane production using the rumen simulation technique [J]. Animal Feed Science and Technology, 2015, 45(8): 136～147.

[5]Xueming Chen, Jianhua Guo, GuoJun Xie, et al.A new approach to simultaneous a mmonium and dissolved methane removal from anaerobic digestion liquor: A model-based investigation of feasibility [J].Water Research, 2015, 85:295～303.

[6]罗华锋．浅谈煤矿瓦斯治理的现状及发展[J]．科技创新导报，2012，12：83．

[7]王璐，金龙哲．利用微生物技术治理煤矿瓦斯的研究展望[J]．中国安全科学学报，2005，15 (10)：97～99．

[8]聂文杰，王生全，侯晨涛，等．降解甲烷微生物的生物学特性研究[J]．西安科技大学学报，2011，31(5)：530～533．

[9]侯晨涛，王生全，聂文杰，等．微生物技术治理煤矿瓦斯气体的初步研究[J]．矿业安全与环保，2008，35(2)：11～13．

[10]陈东科，王璐，金龙哲，等．利用微生物技术治理煤矿瓦斯的研究展望[J]．矿山安全与环保，2005，32(6)：49～52．

[11]柯为．治理煤矿瓦斯爆炸的微生物生物技术[J]．生物工程学报．2005，21(3)：460～460．

[12]周生芳，陶秀祥，侯彤，等．矿井瓦斯微生物转化的研究进展[J]．洁净煤技术，2009，15(3)：100～103．

[13]ChrisA. Du Plessis, JohannesM. Strauss, ElijahM.T.Sebapalo, et al.Empirical model for methane oxidation using a composted pine bark biofilter [J]. Fuel. 2003(82): 1359～1365

[14]余海霞．利用微生物技术治理煤矿瓦斯的研究[D]．杭州：浙江大学，2007．

[15]黄霞，陶秀祥，刘巍．微生物治理矿井瓦斯技术[J]．科技传播，2011，1：111～1122．

Research on Coal-bed Gas Degradation by Microorganism

Nie Wenjie

(SchoolofGeologyandEnvironment,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,Shanxi710054,China)

The method of microbiological screening was used to reduce the concentration of colliery mining area of gas.We used the methane gas to replace coal mine gas in laboratory conditions and studiedthe various factors that influencedthe microbial degradation of coal mine gas. Here were the results. The optimal culture conditions of methanotroph were as follows: pH was 6.5 ; temperature was 32℃; rotate speed of concentrating table was 120rad/min; quantity of inoculum was 5%; the concentration rate of oxygen and methane was 1:2. Under theoptimal condition, the degradation effect of methane with an initial concentration of 45.63%reached up to 55.7%in 96 hours.

methane; microorganism; degradation; coal mine gas

2016-05-12

西安科技大教育教学改革研究项目(编号：JG1244)

聂文杰(1981—)，男，工程师，在读博士，主要从事矿山环境污染与治理。

TD713.3

A

1674-9944(2016)14-0048-02