利用微生物技术治理煤矿瓦斯的研究

摘要

本论文以浙江大学华家池校区实验农场水稻田土壤作为甲烷氧化菌体系的富集源，经长期驯化以及培养基、培养条件的优化后得到一种具有优良的氧化甲烷能力的甲烷氧化菌混合体系。以略大于煤矿瓦斯爆炸范围(5％-16％)的甲烷浓度(0-20％)作为研究对象，设计了一种生物滴滤塔，用该甲烷氧化菌体系作为挂膜的微生物，进行煤矿瓦斯甲烷的氧化从而达到提高煤矿安全性的目的。对该滴滤塔挂膜过程以及运行工艺进行了较系统地探讨，当反应器稳定运行后，对其去处甲烷的过程进行数学模拟，建立了生物法氧化煤矿瓦斯中甲烷的动力学模型，预测在操作条件改变时滴滤塔净化甲烷效果的变化，从而实现对实际净化过程的预测计算。主要的研究结论如下： (1)以浙江大学华家池校区实验农场水稻田以及杭州天子岭垃圾填埋场2种土壤作为甲烷氧化菌体系的富集源，经30d的富集培养后，比较两者甲烷氧化菌氧化甲烷的效果。结果表明，经水稻田土壤样品富集而来的甲烷氧化菌体系氧化甲烷的能力明显强于经垃圾填埋场土壤富集而来的甲烷氧化菌体系。然后，以水稻田富集的甲烷氧化菌体系作为研究对象，对该甲烷氧化菌体系的培养基以及培养条件进行优化，得出适合该甲烷氧化菌体系生长的培养基组成为(g/L)：MgSO<,4>·7H<,2>O O.5；KNO<,3> 1；Na<,2>HPO<,4>·12H<,2>O 0.36；KH<,2>PO<,4> 0.28；CaCl<,2>·6H<,2>O0.1；NH<,4>Cl0.25；<'*>微量元素溶液lmL；<'*>微量元素溶液配方(g/L)：Na<,2>EDTA0.5；FeSO<,4>·7H<,2>O0.4；CuSO<,4>.5H<,2>O 0.06。对影响甲烷氧化菌体系生长以及甲烷氧化的环境条件的实验结果表明，当培养基初始pH为6，培养温度为30℃，V<,02>∶V<,CH4>>2∶1时，最适宜该甲烷氧化菌体系的生长和对甲烷的氧化。在经优化的培养基以及培养条件下，该甲烷氧化菌体系能在较短时问内对处于瓦斯爆炸范围内的甲烷进行彻底的氧化。当CH<,4>含量为5％时，40h内即可被甲烷氧化菌体系完全利用；当CH<,4>含量为10％时，达到100％的氧化只需要48h；而当CH<,4>含量升高到15％时，达到100％的氧化也只需要56h，而且，在此过程中甲烷氧化菌菌体生长OD<,560>值一直呈上升趋势，表明该甲烷氧化菌体系具有氧化更高浓度甲烷的潜力存在。 (2)煤矿有毒气体对微生物技术治理煤矿瓦斯效果影响的研究表明，CO、H<,2>S、SO<,2>3种气体单独存在时，当CO浓度由增0加到煤矿安全规程规定的煤矿最高允许浓度的250倍，H<,2>S和SO<,2> 度由0增加到煤矿安全规程规定的煤矿最高允许浓度的100倍，甲烷氧化菌对甲烷的氧化率变化都不大，甲烷单加氧酶活性虽有时表现为显著差异，但其绝对数值与对照CK差距并不大，对甲烷氧化菌氧化甲烷的过程并未造成显著抑制作用，有时候反而表现为一定的促进作用。因此，可以说在煤矿可产生的CO、H<,2>S、SO<,2>浓度范围内，单一的CO、H<,2>S、SO<,2>对本甲烷氧化菌体系无明显的毒害作用。由3种气体混合影响试验表明，尽管3种气体的混合对甲烷氧化菌体系氧化甲烷的效果产生了轻微的抑制作用，甲烷氧化率与对照间差异不显著(p>0.05)。由于所设定的实验浓度远远超出煤矿所规定的这3种气体的安全浓度，所以在煤矿可产生的CO、H<,2>S、SO<,2>浓度范围内，CO、H<,2>S、SO<,2>对本甲烷氧化菌体系也不会产生明显的毒害作用。在含有CO、H<,2>S、SO<,2>而不接种甲烷氧化菌的样品中均能检测到CO、H<,2>S、SO<,2>的存在，但接种有甲烷氧化菌的样品中却检测不到CO、H<,2>S、SO<,2>的含量，说明在本甲烷氧化菌体系中存在着可以利用CO、H<,2>S、SO<,2>的微生物种。这可能是CO、H<,2>S、SO<,2>在所研究的浓度范围内对甲烷氧化菌体系氧化甲烷的效果无显著影响的原因之一。SDS-PAGE图谱表明，在CO、H<,2>S、SO<,2>的单独存在下，所有样品的条带数量以及位置并无显著差异，这说明所研究浓度范围内的CO、H<,2>S、SO<,2>对甲烷氧化菌体系并无明显的毒害作用。3种气体一起存在时，SDS-PAGE图谱上缺失一条条带，但此时甲烷氧化菌体系的甲烷氧化率以及MMO活性变化都不大，说明该缺失的条带与甲烷单加氧酶无关。所有试验结果都表明，在煤矿可产生的CO、H<,2>S、SO<,2>浓度范围内，对本甲烷氧化菌体系不产生明显的抑制作用。因此，用本甲烷氧化菌体系处理煤矿瓦斯是稳定、安全、可靠的。 (3)对生物滴滤塔处理煤矿瓦斯的工艺研究表明，对6种填料通过静态以及动态挂膜进行比较筛选，大陶粒以其适宜的比表面积、粒径以及密度，用其作为填料的滴滤塔能得到较大的氧化甲烷能力以及较强的抗冲击能力，非常适合作为处理煤矿瓦斯的生物反应器的填料。生物滴滤塔处理煤矿瓦斯的性能研究表明，生物滴滤塔的容积去除负荷随容积负荷的增加而增加。当导入口体积负荷增加到一定程度时，容积去除负荷将不再随着导入口体积负荷变化而变化，而是维持在一个稳定水平。而且对于不同的停留时间，这个稳定值基本相当，约为1470mg甲烷/L填料·h，此值也就是滴滤塔最大的氧化甲烷能力；当导入口甲烷浓度较低时，生物滴滤塔具有较高的甲烷去除率。而当入口甲烷浓度升高时，滴滤塔对甲烷的氧化效率开始下降，且停留时间越短，滴滤塔对甲烷的氧化效率也下降得越快；当导入口甲烷浓度较小(<50mg/L)时，停留时间对甲烷的去除效果影响不大；而当入口甲烷浓度增大时，则停留时间越长，对甲烷的氧化效果越好。对于不同的导入口甲烷浓度，反应器中各级填料对甲烷的去除均有一定的贡献。当停留时间较长，即入口气体流量较小时，对于低浓度甲烷，反应器中第一层填料对甲烷去除的贡献率最大。当入口甲烷浓度增大时，各层填料对甲烷去除的贡献差别逐步减小。而当停留时间较短，即入口气体流量较大时，反应器中第二层填料对甲烷去除的贡献率较大；入口甲烷浓度越高，气体流速越大，喷淋液流速对滴滤塔处理甲烷的效果影响越大。对于较小的气体流速以及甲烷浓度(30L/h，35mg/L)，当液体流速由25ml/min增加到75ml/min时，甲烷的去除率变化不大。当气体流速控制在30-90L/h时，液体流速控制在75ml/min较为合适；当喷淋液为75mL/min，气体流量小于60L/h时，每隔10h就必须再次喷淋以及时补充水分保证稳定的甲烷氧化效率。当气体流量大于60L/h时，要增大喷淋频率才能保证生物膜正常生长的需要。该处理煤矿瓦斯的生物滴滤塔系统具有较好的应对突发事件及故障的适应能力。控制入口气体流速为45L/h，生物滴滤塔中断3d后重新运行，9h后系统氧化甲烷性能即可获得较好恢复。而当生物滴滤塔中断7d后再次运行，至少需要16h系统才能获得较好的甲烷去除效率。当气体流速为45L/h，喷淋液流速为75mL/min，每10h喷淋一次的条件下，用大陶粒进行挂膜的生物滴滤塔大约有160d的寿命。在此期间，该系统具有较好的瓦斯净化能力，之后，装置系统由于滋生霉菌，处理瓦斯的能力迅速恶化。 (4)根据物料平衡和经典的Langmuir吸附公式，可以建立整个填料塔内的生物膜表面吸附和生化去除CH<,4>的宏观动力学模型。 经对比验证结果表明，对于不同的入口气体流速来讲，该动力学模型对出口CH<,4>浓度的计算值与实验值之间都具有较好的相关性，相关系数均达到0.94以上。在较低气体流速与入口甲烷浓度的条件下，CH4生化去除量的理论计算值与实验值之间有较好的相符性，但当气体流速增加以及入口甲烷浓度增大时，理论计算值与实验值之间逐渐出现偏差，但在所研究的入口甲烷浓度范围内(0％-20％)，二者之间的相关性系数仍然达到了0.89以上。这表明应用“吸附-生物膜理论”建立的动力学模式对在好氧条件下生物膜填料塔处理煤矿瓦斯气体中的甲烷具有较好的适用性，可以在实际工作中进行模拟研究，并为相关的理论研究和实际操作提供指导和帮助。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1煤矿瓦斯灾害以及现有防治措施

1.1煤矿瓦斯的定义以及其造成灾害的现状

1.2煤矿瓦斯灾害防治的研究现状及存在问题

2生物氧化法处理煤矿瓦斯技术的理论基础

2.1甲烷的生物氧化研究进展

2.2废气的生物处理技术研究进展

3生物技术治理煤矿瓦斯的研究进展及本课题的提出

3.1用生物技术治理煤矿瓦斯的研究进展

3.2本课题的研究意义

3.3本课题的研究内容

第二章甲烷氧化菌的富集以及培养条件的优化

1材料与方法

1.1供试土壤

1.2实验方法

2结果与分析

2.1甲烷氧化菌富集源的选择

2.2甲烷氧化菌培养基的优化

2.3甲烷氧化菌体系培养条件的优化

3本章小结

第三章煤矿有毒气体对微生物技术治理煤矿瓦斯效果影响的研究

1材料与方法

1.1气体来源

1.2单因素CO、H2S、SO2含量对甲烷氧化菌体系氧化甲烷效果的影响

1.3 CO、H2S、SO2 3种气体混合物对甲烷氧化菌体系氧化甲烷的影响

1.4 CH4、CO、H2S、SO2含量的测定

1.5甲烷单加氧酶活性的测定

1.6混合体系全蛋白的SDS-PAGE分析

2结果与讨论

2.1 CO浓度对甲烷氧化菌体系氧化甲烷和MMO活性的影响

2.2不同H2S浓度对甲烷氧化菌体系氧化甲烷和MMO活性的影响

2.3不同SO2浓度对甲烷氧化菌体系氧化甲烷和MMO活性的影响

2.4 CO、H2S、SO2混合效应对甲烷氧化菌体系氧化甲烷和MMO活性的影响

2.5甲烷氧化过程中CO、H2S、SO2的浓度变化

2.6在CO、H2S、SO2的胁迫下，甲烷氧化菌体系全蛋白表达变化

3小结

第四章应用生物滴滤池处理煤矿瓦斯工艺的研究

1材料与方法

1.1反应器的设计

1.2用于挂膜的甲烷氧化菌菌液以及培养基

1.3填料的选择

1.4反应器的启动

1.5生物滴滤塔处理煤矿瓦斯的性能研究

1.6生物滴滤塔中断运行后的性能恢复试验

1.7处理煤矿瓦斯的生物滴滤塔各阶段生物膜活性、形态以及寿命

2结果与讨论

2.1填料的选择

2.2生物滴滤塔处理煤矿瓦斯的性能研究

2.3生物滴滤塔各阶段生物膜活性、表观形态以及寿命

3本章小结

第五章生物滴滤塔净化煤矿瓦斯的动力学探讨

1动力学模型的建立

2动力学模型的验证

2.1动力学模型参数(b、λ)的求取

2.2对出口气体浓度以及甲烷生化去除量的计算及相关验证

3本章小结

第六章研究结论及展望

1全文主要结论

2本论文创新之处

3展望

参考文献

致谢