【摘要】：煤的原位微生物轉(zhuǎn)化是一項(xiàng)成本低、環(huán)境友好、可實(shí)現(xiàn)原位煤炭資源流態(tài)化開(kāi)發(fā)的一種新方法,實(shí)驗(yàn)室煤的高效生物液化以及原位微生物增產(chǎn)煤層氣的工業(yè)試驗(yàn)均證實(shí)了生物法實(shí)現(xiàn)煤的原位轉(zhuǎn)化具有很大的發(fā)展?jié)摿�。無(wú)論是注入外源菌,還是刺激強(qiáng)化本源菌來(lái)提高產(chǎn)率,微生物在煤體多孔介質(zhì)中的有效傳輸與代謝是生物法原位轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵技術(shù),目前還有許多問(wèn)題亟待深入研究。本文從微生物的代謝-傳輸理論分析入手,在優(yōu)選降解煤菌株的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)菌株馴化方案,通過(guò)煤的微生物降解實(shí)驗(yàn)、煤吸附微生物實(shí)驗(yàn)、煤體內(nèi)微生物代謝-傳輸?shù)葘?shí)驗(yàn),揭示了微生物傳輸過(guò)程的滯留和降解對(duì)對(duì)流-彌散的影響規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上對(duì)固體煤的原位生物流態(tài)化開(kāi)采的工程應(yīng)用進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)論如下:1、建立了煤體中微生物代謝-傳輸-煤體變形物理數(shù)學(xué)模型。將微生物降解固體煤的多階動(dòng)力過(guò)程簡(jiǎn)化為液化-氣化兩階段模型,量化了該模型的氣/液源匯項(xiàng);考慮非飽和煤體多孔介質(zhì)中的兩相三組分傳輸:氣液兩相在源匯項(xiàng)影響下滲流,微生物隨液相遷移,并伴隨著吸附滯留和生長(zhǎng)死亡;推導(dǎo)了生物降解、滯留、應(yīng)力和孔隙壓力四重作用下的孔隙率變化方程;在此基礎(chǔ)上建立了非飽和煤體中微生物代謝-傳輸-煤體變形的數(shù)學(xué)模型。2、成功馴化適應(yīng)煤層原位環(huán)境的黃孢原毛平革菌。基于煤自身木質(zhì)素和芳香化合物的結(jié)構(gòu),優(yōu)選黃孢原毛平革菌作為降解煤的實(shí)驗(yàn)菌株。設(shè)計(jì)馴化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方案,按照煤層原位條件設(shè)置壓力、氧含量和溫度參數(shù)對(duì)黃孢原毛平革菌進(jìn)行梯度馴化,測(cè)定了馴化后的菌株生長(zhǎng)曲線、菌落形態(tài)、A-C標(biāo)準(zhǔn)曲線。使用馴化的黃孢原毛平革菌開(kāi)展實(shí)驗(yàn),研究其對(duì)同粒徑褐煤的降解率,結(jié)果顯示:30℃、150 r min~(-1)條件下降解率可達(dá)25.6%;粒徑越小,降解率越高;降解率曲線有明顯的階段性,0~7d降解率線性上升,7~13d降解率穩(wěn)定增加,13d降解率基本穩(wěn)定。3、通過(guò)褐煤吸附黃孢原毛平革菌的吸附實(shí)驗(yàn),推薦了吸附模型,分析吸附影響因素。從熱力學(xué)分析發(fā)現(xiàn),褐煤吸附黃孢原毛平革菌為自發(fā)過(guò)程;通過(guò)靜態(tài)續(xù)批實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),Freundlich多分子層模型(擬合相關(guān)系數(shù)0.99)和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程(擬合相關(guān)系數(shù)0.99)比Langmuir單分子層吸附模型和準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程更能準(zhǔn)確地描述煤對(duì)黃孢原毛平革菌的吸附過(guò)程。自然褐煤煤樣吸附黃孢原毛平革菌后煤-水接觸角降低33%,表面潤(rùn)濕性增強(qiáng);粒徑越小,吸附能力越強(qiáng);初期吸附平衡時(shí)間約為30min。4、提出了一種微生物在煤層原位賦存條件相似的代謝-傳輸模擬實(shí)驗(yàn)方法。設(shè)計(jì)構(gòu)建了生物流體代謝-傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)系統(tǒng);在實(shí)驗(yàn)條件為軸壓5Mpa、圍壓4Mpa、溫度20℃、煤柱φ50×100mm、含氧量5%、注入壓力3Mpa、菌液濃度10~6個(gè)/mL,空白參比為無(wú)菌水,連續(xù)監(jiān)測(cè)48h菌液滲透通量、產(chǎn)氣量以及滲出菌液濃度;實(shí)驗(yàn)后煤柱按照注入方向分三段分別取樣進(jìn)行掃描電鏡和壓汞分析。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):隨注入時(shí)間的增加,菌液的滲透通量降低,自開(kāi)始到48h時(shí),累積代謝產(chǎn)氣220mL,黃孢原毛平革菌滯留量增加而滯留率降低;菌液降低的滲透通量與菌液的代謝產(chǎn)氣和菌液在煤體內(nèi)的滯留量相關(guān);掃描電鏡顯示了黃孢原毛平革菌隨壓降方向滯留在煤芯出口端,壓汞測(cè)試褐煤自然煤樣平均孔隙率為49.37%,注入黃孢原毛平革菌后煤芯注入端、中端和出口端三位置處孔隙率分別為34.3%、33.91%和27.62%,分別降低30%、31%和44%,與掃描電鏡結(jié)果一致。依照注入菌種的微米級(jí)尺度,將煤的孔隙分為5種,微孔(0.1μm)、小孔(0.1-1μm)、中孔(1-10μm)、大孔(10-100μm)和裂隙(100μm),結(jié)合注入前后五種孔隙的比例變化以及比表面積變化,發(fā)現(xiàn)注入菌液有壓裂和滯留雙重作用,而且對(duì)不同的尺度的孔隙影響不同,滯留在裂隙和大孔中黃孢原毛平革菌,對(duì)于裂隙和大孔來(lái)說(shuō)滯留效應(yīng)大于壓裂,使得裂隙和大孔比例降低進(jìn)而轉(zhuǎn)化為中孔,而對(duì)于微孔和小孔由于微生物無(wú)法進(jìn)入,壓裂占主導(dǎo)作用。5、原位生物流態(tài)化采煤工程應(yīng)用的初步設(shè)計(jì)。基于固體資源轉(zhuǎn)流態(tài)化開(kāi)采的理念,從微生物轉(zhuǎn)化煤的氣態(tài)和液態(tài)產(chǎn)物綜合利用角度出發(fā),歸納了微生物降解轉(zhuǎn)化固體煤的流態(tài)化產(chǎn)物,探討了生物法實(shí)現(xiàn)原位條件下煤轉(zhuǎn)流態(tài)化開(kāi)發(fā)的技術(shù)構(gòu)想。給出了生物流態(tài)化采煤的微生物激活體系:包括好氧-厭氧復(fù)合菌劑制備方法、營(yíng)養(yǎng)液配方、循環(huán)注采步驟;一注三回九孔道和一注四回十二孔道井網(wǎng)設(shè)計(jì);預(yù)處理系統(tǒng)、注入系統(tǒng)、地面發(fā)酵系統(tǒng)、反應(yīng)控制系統(tǒng)、回采系統(tǒng)等在內(nèi)的開(kāi)采系統(tǒng)以及對(duì)應(yīng)的開(kāi)采工藝。分析了原位生物流態(tài)化采煤的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用前景,為科學(xué)和綠色采煤提供了新思路。
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TD82
【圖文】：

圖 1-1 褐煤降解的 ABCDE 機(jī)理Fig.1-1ABCDE mechanism of lignite degradation進(jìn)一步按照現(xiàn)有的微生物降解轉(zhuǎn)化煤機(jī)理，梳理已報(bào)道的微生物菌種，如表降解煤的酶系可以使得煤的大分子被酶的活性中心氧化，以便于大分子物質(zhì)和細(xì)胞膜、氧化一系列的芳香族化合物以及擴(kuò)大利用底物的范圍。酶作用機(jī)化酶、酚氧化酶和水解酶，其中過(guò)氧化酶又分為木質(zhì)素過(guò)氧化物酶、木質(zhì)素降化酶為漆酶；水解酶主要是脂肪酶。對(duì)應(yīng)的菌種主要為曲霉菌、木耳、異擔(dān)原毛平革菌和云芝等。堿可以使煤的酸性基團(tuán)離子化，提高煤的親水性，促轉(zhuǎn)化的發(fā)生，這類(lèi)催化劑多為含氮堿性物質(zhì)，如多肽、氨、生物胺等。螯合微生物分泌的草酸鹽、羧基等基團(tuán)可以與煤中金屬陽(yáng)離子（Ca2+、Fe3+、Al3+成金屬螯合物，使煤體結(jié)構(gòu)解體后可溶性提高，降解率提高[19]。上述轉(zhuǎn)化機(jī)獨(dú)作用還是聯(lián)合作用，至今尚無(wú)定論。但堿作用和螯合物作用降解煤的不足能使 C-C 鍵斷裂，并不能使煤的分子量真正降低，在篩選微生物時(shí)還是將其

太原理工大學(xué)博士研究生學(xué)位論文分離出一株洋蔥假單胞菌，它能以褐煤為唯一碳源生存[45]，David[62]等從啤酒廠廢水污泥中篩選出了以銅黃和假單胞菌屬為主的降解低階煤菌株。煤的生物轉(zhuǎn)化通過(guò)對(duì)煤的結(jié)構(gòu)分析，能夠證明煤巖可以在微生物的作用中作為生氣基質(zhì)而產(chǎn)生煤層氣[78, 79]，特別是低級(jí)煤。Gao[80]等萃取出了不同埋深的煤層中脂肪烴和芳香烴等有機(jī)物質(zhì)，并認(rèn)為這些物質(zhì)標(biāo)志著生物降解過(guò)程的出現(xiàn)，并以此來(lái)判斷不同埋深煤層中生物降解可能性的大小。如圖 1-2 所示，煤的生物甲烷化大致經(jīng)過(guò)以下過(guò)程首先水解細(xì)菌將煤分子中的共價(jià)鍵或官能團(tuán)斷裂，變成小分子結(jié)構(gòu)片段，如多環(huán)芳烴酮類(lèi)和長(zhǎng)鏈烷烴等大分子；發(fā)酵細(xì)菌將上述大分子轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸、二氧化碳、氫氣和甲醇等中間產(chǎn)物；這些中間產(chǎn)物經(jīng)過(guò)發(fā)酵作用和氧化作用成為產(chǎn)甲烷底物；最后被產(chǎn)甲烷菌利用而生成甲烷。復(fù)雜的煤類(lèi)有機(jī)雜質(zhì)需要經(jīng)過(guò)水解、酸化、甲烷化等生物轉(zhuǎn)化過(guò)程才能生成甲烷，其中水解階段是整個(gè)過(guò)程的限速步驟。

附滯留究微生物在土壤中傳輸問(wèn)題時(shí)，發(fā)現(xiàn)微生物傳輸不同于傳統(tǒng)滯留過(guò)程，這些過(guò)程包括吸附、解吸、過(guò)濾和沉降。其中吸要原因，很多研究表明，雖然解吸、過(guò)濾和沉降作用存在為此，滯留過(guò)程又常常稱(chēng)作吸附滯留。程下多孔介質(zhì)中的滯留量的多少受環(huán)境中的物理、化學(xué)和生物括：水流速度、顆粒形狀與大小、顆粒表層性質(zhì)等[200,211,21子強(qiáng)度[212]、PH 值[200, 211]以及重金屬離子[213]和有機(jī)物的含生物種類(lèi)[215,216]、細(xì)胞形狀與大小[217]、細(xì)胞表面性質(zhì)[218]、性[220, 221]等。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 蘇現(xiàn)波;吳昱;夏大平;陳鑫;;瘦煤制取生物甲烷過(guò)程模擬實(shí)驗(yàn)研究[J];煤炭學(xué)報(bào);2013年06期

2 林海;隋夢(mèng)琪;汪涵;;微生物增產(chǎn)煤層氣菌種的馴化[J];煤炭學(xué)報(bào);2012年08期

本文編號(hào)：2794346