一种用于稳定煤体生物气化的煤层产甲烷菌群平衡人工控制技术

摘要

一种用于稳定煤体生物气化的煤层产甲烷菌群平衡人工控制技术，属于清洁能源与煤炭生物开采技术领域。煤体生物气化过程中稳定微生物对煤体的降解作用是推动该技术大范围推广与应用的重要先决条件。本发明借助营养供给与控制因子相结合的方法，实现煤层微生物群平衡的动态调整。该技术具有以下特点：1）控制方法具备远程控制特征；2）控制过程具备可逆特性；3）技术实施成本低廉，符合产业化条件。利用本发明技术，能够使产甲烷菌群在地下煤层中长期处于稳定状态。该技术还具有控制煤体生物气化速率的软减缓与软加速能力。

说明书

技术领域

一种用于稳定煤体生物气化的煤层产甲烷菌群平衡人工控制技术，属于清洁能源与煤炭生物开采技术领域。

背景技术

煤体生物降解与生物气化是一种经济效益高、稳定性好、具有可持续性的一种煤体生物法开采技术。煤体生物气化过程是由多种微生物相互作用，将煤中有机物逐级降解，最终生成甲烷的过程。煤体生物气化的效率与产甲烷菌群的平衡度有直接关系。

微生物在煤层中的代谢过程是以煤中有机质为碳源，其他元素部分需要由外部引入。煤层中各种元素营养的含量将直接作用于微生物群。不同微生物具有不同的营养需求特性与最佳环境条件。因此通过改变生物气化区域营养结构以及控制因子浓度，能够控制产甲烷菌群的平衡特征，从而实现煤层产甲烷菌群平衡的人工控制目的。

发明内容

本发明的目的：

本发明利用调节微生物活动空间的营养与控制因子含量，引导不同发酵特征的微生物群的代谢与繁殖速率。以此实现煤层产甲烷菌群的平衡特征。本发明主要服务于煤层生物气化技术，通过煤层产甲烷菌群平衡特征的控制，控制煤体生物气化速率，实现过程可控的目的。

技术方案：

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

首先将煤体产甲烷菌群的微生物按共生层级分为四大类：

第一类，初级降解微生物群：该微生物群直接以煤中有机质为营养源，终产物以大分子脂肪酸、或其他大分子有机质为主；

第二类，二级降解微生物群：该类微生物群的发酵位于初级降解微生物群与其他级别微生物群之间，该微生物群能够以大分子脂肪酸、或大分子有机质为营养源，终产物以脂肪酸或糖类物质为主；

第三类，三级降解微生物群：该类微生物群的发酵位于二级降解微生物群与产甲烷菌之间，该微生物群能够以脂肪酸或糖类物质为营养源，终产物以小分子酸或二氧化碳、氢气为主；

第四类，产甲烷菌：该类微生物群的发酵位于产甲烷微生物群的最末端，该微生物是完成煤到甲烷转化的最终环节，它只能以小分子酸或二氧化碳、氢气为营养源，完成生物生物甲烷的合成。

根据以上不同类微生物群在产甲烷菌群营养代谢链中的位置，以及营养需求与代谢产物特征，利用营养与控制因子可实现对不同类微生物代谢与繁殖速率的控制，最终实现煤层产甲烷菌群平衡的人工控制。具体控制技术方案如下：

技术方案遵循原则：

当判定一种微生物群繁殖速度迟缓于预期值，可通过增加该类微生物群营养，加速其代谢与繁殖速度；当判定该微生物群的发展以获得成功的提速，此时适当增加上一级微生物群的营养，并同时逐渐减少对该类微生物群的人工营养供给，使两类微生物群落间恢复稳定共生关系。

当判定一种微生物群繁殖速度高于预期值，则需要通过控制因子干扰该类微生物的代谢速度，从而降低它的繁殖速度。控制过程需要逐级进行，当该类微生物的繁殖速度出现下降，并接近于预期值50%时，需要及时对控制因子进行稀释，使该类微生物群的繁殖速度逐步恢复到正常水平。

技术方案：

提高微生物群代谢与繁殖速度方案：利用精细煤粉实现煤体初级降解微生物群的代谢与繁殖提速；利用有机质粗发酵产物实现二级降解微生物群的代谢与繁殖提速；利用脂肪酸或糖类物质实现三级降解微生物群的代谢与繁殖提速；利用小分子酸或碳酸根化合物实现产甲烷菌的代谢与繁殖提速。

其中：精细煤粉是用生物代谢区域的同层煤经过低温精磨，选取粒度小于120目煤粉获得；有机质粗发酵产物是借助植物纤维的耗氧或兼氧发酵，经萃取获得，不限定具体植物纤维类别与耗氧菌类别；脂肪酸优先选取以可乳化的高级脂肪酸，条件不满足是可使用分子结构较大的低级脂肪酸代替；糖类可选用多糖、二糖、或单糖，根据实际对菌种的刺激需要，分子结构越简单，刺激作用越明显，但是控制难度也越高，可根据实际需要与控制条件选择；小分子酸以乙酸为主，条件不允许时优先选择乙酸盐，甲酸、丙酸、丁酸以及对应盐类均可作为替代品。

抑制某类微生物群代谢与繁殖速度方案：利用提高生物作用区域中的初级降解微生物的代谢产物，抑制初级微生物群的繁殖速度；利用糖类物质抑制二级级降解微生物群的繁殖速度；利用含氮离子与小分子酸（乙酸、丙酸或丁酸）抑制三级降解微生物的繁殖速率；利用盐度抑制全部微生物的代谢活性。

其中：初级降解微生物的代谢产物需要在培育工厂模拟地层条件下定向培育获得；糖类可选用多糖、二糖、或单糖，根据实际对菌种的刺激需要，从抑制角度，多糖抑制效果优于二糖，与单糖；含氮离子可选用铵根离子、硝酸根离子或亚硝酸根离子，其中铵根离子对多数三级微生物的抑制作用更加明显；小分子酸以乙酸为主，条件不允许时优先选择乙酸盐，丙酸、丁酸以及对应盐类均可作为替代品。

有益效果：

采用上述方案，能够根据实际煤层产甲烷菌群的状态，根据需要对微生物群的平衡状态进行人工干预，该技术的有益效果主要体现在：

（1）通过营养与控制因子在生物作用区的浓度控制，直接作用于对应类别的微生物群落，能及时完成对目标类微生物群的抑制与促进控制；

（2）该技术方法控制过程可程序化进行，不仅能够利用产甲烷菌群的平衡优化加速煤体生物气化过程，也可以通过关键点控制，对生物气化速率进行抑制，以满足实际生产所需；

（3）技术方法对煤层产甲烷菌群的控制具有可逆性，可以根据生产需要实时调整产甲烷菌群的群落结构。

优点：

（1）控制技术方案借助营养与控制因子在生物作用区域的浓度实现对产甲烷菌群平衡的调整，技术方法可控性强；

（2）依托于人工营养与控制因子干扰，控制原料来源广、技术实施成本低；

（3）控制引入物均可以被微生物逐渐降解并消耗，专利技术环境污染小；

控制引入物无需特殊保存处理，技术所需材料库存管理方便。

具体实施方式

技术实施方式：

1.判定煤层产甲烷菌群出现失衡或者计划调整菌群属于四类中的哪一类；;

2.判定该微生物群的代谢与繁殖速度是需要刺激增长还是需要抑制，并设定预期目标；

3.以目标类菌群为首要技术实施对象，参考技术方案中的方法对目标注入相印的营养或抑制因子，实施刺激增长或者抑制；

4.实时监控微生物群落发展，当控制类微生物群的刺激增长或者抑制效果达到预期目标的50%时，逐步减少营养或控制因子的注入；

5.对刺激增长控制过程，当达到第4条目标时，同时向生物作用环境中适当添加上一级微生物群的营养元素，之后与第4条控制方式一起逐渐减少，使煤层产甲烷菌群能够逐步进入预期平衡结构与稳定的共生关系；

6.对抑制控制过程，当达到第4条目标时，同时向生物作用环境中适当添加下一级微生物群的抑制因子，之后与第4条控制方式一起逐渐减少，使煤层产甲烷菌群能够逐步进入预期平衡结构与稳定的共生关系；

操作完成后，对煤层产甲烷菌群的平衡稳定性需要进行实时监控与分析，必要时可以重复该步骤，稳定特点的平衡状态。