王倩之 李 悦 张雨晨 王逍遥 杨小彬

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083)

甲烷是碳的最高还原态形式，甲烷氧化菌是把甲烷作为唯一碳源的原核生物，在许多普通自然条件环境中分布范围就已非常广泛，如众多无氧类或有氧类环境中都有不同类型甲烷氧化菌的存在，在土壤和水体中的甲烷氧化菌种群密度较高。它们的特殊代谢过程在国外已有多人做过研究，其对瓦斯降解的作用在国内也引起越来越多人的关注。国内外科研人员对甲烷氧化菌进行的研究较多，对于微生物治理矿井瓦斯技术的研究也取得了一定成果。相关研究人员通过向生物环反应器中充入设定好浓度的甲烷，发现反应后甲烷的浓度降低，氧化效应明显；加拿大学者查克拉沃蒂通过模拟甲烷氧化菌治理矿井瓦斯实验发现瓦斯浓度能够降低10～100倍，在甲烷氧化菌氧化甲烷过程中，甲烷最终被氧化为二氧化碳和水，同时获得能量供其生命活动，而其代谢过程中对含瓦斯煤样的作用会对煤的理化性质带来各种影响。

甲烷氧化菌混合菌液对煤样作用可对煤样进行改性，然而不同地点取样培养的甲烷氧化菌混合菌群的活性以及混合菌种等各类指标各不相同，对煤样的改性效果也有差别，本文采集了4个不同地点的土壤样本，利用一种低成本的甲烷氧化菌混合菌群培养方法，筛选出适宜中低瓦斯浓度环境生长的瓦斯菌群，并利用菌液浸泡同一煤样做了工业分析，分析菌群改性煤样的特性变化，探讨利用不同地点土壤培养的菌液对同一煤样改性的不同效果。国内专家研究了解煤层注入微生物溶液的可行性，实施了煤层注液研究，结果表明采用微生物技术注液可行，但不宜选择太大的注液压力，而宜采用中低压长时间注液，以保证溶液较大程度的渗入煤体，这也为本试验提供了可行性支撑。

1 试验试样制备

由于采取菌株培养成本较高，试验从5～10 cm深度透气性好的土壤取样培养，此深度土壤本身环境稳定，不像表层土壤容易发生改变。5～10 cm深度土壤中甲烷氧化菌的分布比较集中且菌落的数量较多，更容易从这个深度的土壤中筛选出甲烷氧化菌。根据甲烷氧化菌氧化甲烷的特性，试验所选择土壤主要集中在稻田土壤、煤矿土壤、泔水区土壤以及北京奥林匹克森林公园湿土等甲烷产生的地方，制成DT、M、G和GY这4组甲烷氧化菌混合菌液，利用pH值为7的无菌MS培养基溶液50 mL，搭配50 mL的甲烷气体(99.99%)于250 mL容量的密闭容器内，在温度条件为30℃、转速为120 r/min的恒温培养箱内恒温摇床培养至20期，4组样本的瓦斯降解率稳定分布在46.0905%～53.7130%内。此方法培养菌群成本低廉且采样方便，简化了对细菌培养的高技术要求。

本试验选取阳煤五矿8421工作面的煤样，处理为60～80目备用。每份样本取煤样6 g，搭配50 mL甲烷气体密封于250 mL容量的密闭容器内使其达到吸附平衡后，混合菌液15 mL和无菌液体MS培养基溶液5 mL，然后使各样本在30℃、120 r/min的恒温培养箱内恒温振荡浸泡48 h后取出，自然风干后用GF-A6型自动工业分析仪进行试验。

2 试验结果

通过工业试验，不同样本对煤样的工业分析试验数据见表1。其中对照组煤样6 g，搭配50 mL甲烷气体密封于250 mL容量的密闭容器内，无菌液体MS培养基溶液20 mL，不添加混合菌液。

表1 不同样本对煤样的工业分析试验数据 %

由表1可以看出，经过菌液处理及自然风干后的3组煤样水分含量相比原煤改变了-0.07%～0.23%，比对照组降低了0.02%；对照组挥发分增长0.08%，GY、DT、G和M组挥发分分别增长0.31%、0.89%、1.11%和0.22%，菌液处理煤样的挥发分增加的幅度在0.22%～1.11%之间，挥发分平均增加了0.6325%；对照组灰分上升0.26%，GY、DT、G和M组灰分分别降低0.64%、0.84%、0.72%和0.23%，减少幅度在 0.23%～0.84%之间；对照组固定碳含量下降0.32%，GY、DT、G和M组固定碳含量分别上升0.35%、下降0.48%、下降0.60%和上升0.04%。

3 结果分析

在水分方面，除自然风干条件存在的不可控影响外，整体水分含量的变化不大，这说明浸泡处理对于煤样水分含量的影响较小，可忽略不计。

基于表1结果，图1、图2和图3分别为各样本在挥发分、灰分和固定碳方面含量的分布直方图，以便于直观比较。

空干基及干基挥发分试验结果对比图如图1所示。

图1 各组空干基及干基挥发分含量分布直方图

由图1可以看出，与原煤相比，挥发分相比原煤均有所增加，而对照组增长较少，可忽略。这说明甲烷氧化菌混合菌群处理煤样后，能使煤样的挥发分少量增加，而其中泔水区土壤培养的菌液增幅最大，其转化机理有待进一步研究。泔水区样本来自泔水垃圾区，温度较高的泔水土壤中经自然条件作用可将餐厨等垃圾变成可燃气体和生物炭，其中沼气占比较大，甲烷氧化菌在泔水土壤表层中易滋生且具有繁衍条件，而这也为泔水垃圾的利用提供了新的方向。结果同时也表明，瓦斯菌群能增加含瓦斯煤样的挥发分，也就是能从一定程度上增加煤的发热值。

空干基及干基灰分试验结果对比图如图2所示。

图2 各组空干基及干基灰分含量分布直方图

由图2可以看出，与原煤相比，菌群处理的煤样相比原煤样灰分均存在不同程度的减少，证明菌液处理的煤样能够少量减少煤样的灰分含量，其中水稻区土壤培养的样本降低幅度最大。稻田是大气甲烷的重要排放源，约占全球总排放的 9%～19%，水稻田土壤中存在丰富的甲烷氧化菌。

固定碳含量试验结果对比图如图3所示。

图3 各组固定碳含量分布直方图

由图3可以看出，与原煤相比，各组固定碳变化不同，有升有降，其中北京奥林匹克森林公园湿土培养的菌液增幅最大。说明不同位置点所培养的瓦斯菌群对阳泉含瓦斯煤的作用效果不一，不同含瓦斯煤样的菌液群选择性不同。甲烷氧化菌群以甲烷为碳源代谢产生的易热分解、易氧化的有机质分解或氧化的产物大部分是水和二氧化碳，有机质产生后附着煤粒上，也是煤样挥发分含量都增加而固定碳含量增加减少并存的原因。

以上所有试验结果表明了一个有利的趋势，即在不同采样环境下培养出菌群对煤样作用效果方向一致，其差异性体现在各细化指标的定量变化，而其中的转化机理较为复杂，除与现阶段已知的化学机理密切相关，与细菌在不同环境下迁移的活性变化与原有活性基础均有关，具体问题有待进一步研究。

4 结论

本文通过对不同取样土壤培养的瓦斯菌群的工业试验结果分析，可以得到以下结论：

(1)北京奥林匹克森林公园湿土培养的菌液作用使煤样挥发分增加0.31%，灰分降低0.64%，固定碳含量增加0.35%。

(2)水稻田区土壤培养的菌液作用使煤样挥发分增加0.89%，灰分降低0.84%，固定碳含量下降0.48%。

(3)泔水区土壤培养的菌液作用使煤样挥发分增加1.11%，灰分降低0.72%，固定碳下降0.60%。

(4)煤矿区土壤培养的菌液作用使煤样挥发分增加0.22%，灰分降低0.23%，固定碳增加0.04%。

综合来看，水稻田区土壤

和泔水区土壤培养的菌液作用煤样挥发分增幅和灰分降幅最大，而固定碳含量下降较多。北京奥林匹克森林公园湿土和煤矿区土壤培养的菌液作用煤样挥发分增幅和灰分降幅不大，固定碳含量有升高，其中奥森公园湿土培养的菌液作用灰分降幅和固定碳增幅大于煤矿区土壤培养的菌液作用煤样。

煤样的挥发分增加和灰分减少都标志着煤样的热值增加，就煤样工业分析的情况来看，由于挥发分和固定碳可近似代表煤中的有机物，甲烷氧化菌混合菌群作用于煤样可以提升其有机物的含量。各组数据变化反应了该思路治理矿井瓦斯过程中瓦斯的减少同时在煤中固定附加物的可行性以及可选择采样区的广泛性和低成本性，可根据需求、条件和经济成本选择不同的采样地点。另本文所做实验样本剂量选择较小，改变剂量之后的效果有待进一步证实。

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