利用秸秆类生物质增产煤层生物甲烷研究

摘要

煤层气是一种洁净、优质的非常规天然气资源，它的开发利用，可以缓解我国紧张的能源形势。煤层气中的生物成因煤层气主要是指煤层中微生物降解煤产生甲烷，具有埋藏浅、开发成本低等优点。因此，有人提出了微生物增产煤层气技术，利用厌氧的微生物菌群降解煤增产煤层气，同时，煤的降解还可以在一定程度上提高煤的渗透性，从而提高抽采率。然而，在利用微生物增产煤层气技术研究中，还存在许多限制因素，其中主要包括煤结构的复杂性和煤分子的难降解性，以及微生物群落活性的不稳定。本文提出将秸秆类生物质与煤进行厌氧共降解，维持微生物群落的活性，促进煤分子的降解，从而提高生物煤层气的产生效率。 本文利用从沁水盆地煤层气田产出水中富集的高效产甲烷菌群，首先，将水稻秸秆分别与高阶煤、中阶煤和低阶煤以不同质量比进行厌氧共降解，结合SEM技术验证了秸秆与煤协同共降解能够促进生物甲烷的产生。然后，选用水稻秸秆、玉米秸秆、甜高粱秸秆和小麦秸秆与高阶煤进行厌氧共降解，以产气量为核心评价指标，优选出两种最佳的秸秆。在此基础之上，对优选出的两种秸秆分别进行预处理，进一步优选出促进共降解产甲烷的最佳秸秆添加方案。研究结果表明： （1）水稻秸秆与不同煤阶煤厌氧共降解过程中，都会对生物甲烷的产生有显著的促进作用。对于高阶煤，添加少量的秸秆就能产生较多的生物甲烷，甲烷产量最高可达到 1001.27 μmol/g 煤，比煤单独降解的对照组提高了2029.80%。SEM的结果还表明，水稻秸秆与煤共降解过程中存在互相促进的协同作用。 （2）4 种秸秆与高阶煤共降解都对生物甲烷的产生具有促进作用，其中促进效果最优的是水稻秸秆和甜高粱秸秆，可将煤降解甲烷产量分别提高1355.32%和870.21%。同时，由CO2结果可得，共降解在增产甲烷的同时减少了CO2的产生，有利于促进对碳的利用。 （3）对于甜高粱秸秆的预处理，NaOH预处理优于H2SO4预处理，且预处理溶液浓度越低，预处理效果越好。2%（w/w）NaOH 预处理后的秸秆与煤共降解不仅提高了煤降解的甲烷产量，较未处理的也提高了55.92%。经过 H2SO4溶液预处理后较煤降解的甲烷产量有所提高，但较未处理的将低。 （4）NaOH和H2SO4预处理水稻秸秆与煤共降解的甲烷产量，都较煤降解有所提高，且溶液浓度越低效果越好。但对于两种预处理方法，预处理后共降解的甲烷产量都低于未处理的，说明预处理不适用于水稻秸秆与煤的共降解。 秸秆类生物质与高阶煤共降解可以显著促进甲烷的产生，且不同秸秆促进效果不同，最优的是甜高粱秸秆和水稻秸秆。而对于预处理来说，甜高粱秸秆经过碱处理后的效果最优，也较未处理有提高。

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