以風化煤為底物制取生物甲烷的潛力分析

郭紅玉，李云嵩，李賢忠，趙國俊，于洪飛，尹香菊

(1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000; 2.中原經濟區煤層(頁巖) 氣河南協同創新中心，河南 焦作 454000; 3.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室—省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454000)

風化煤，又稱露頭煤，一般是指暴露于地表或者位于地表淺層的煤，由煙煤、無煙煤以及褐煤等遭受風化而形成。我國有著非常豐富的風化煤儲量，主要分布在山西、內蒙、云南、貴州等省，儲量估計近千億噸[1]。風化煤水分和灰分含量較高，發熱量低，活性不穩定，因而利用價值不高，到目前為止，主要還是被用于改善土壤性質和制取腐殖酸[2-5]，其高度被氧化的性質，使其作為燃料的利用率較低，大量的風化煤被遺棄，不但造成資源浪費還嚴重污染環境。因此，拓展風化煤的利用途徑，提高其資源利用率具有顯著的經濟和環境效益。

煤的基本結構單元主要是以芳環、氫化芳環、雜環等為核心，周圍帶有側鏈、極性官能團的縮合芳香體系，各單元之間相互橋連，形成穩定的多維復雜結構[6]。微生物降解轉化煤是在酶或微生物參與下發生的大分子氧化解聚作用[7]，即煤的微生物降解程度與煤的氧化程度關系極大，分子中含氧量越高，越有利于微生物對煤降解效率的提高。含碳量高含氧量低，具有穩定結構的中高階煤不易被微生物降解，雖然近年來也有不少學者嘗試轉化高階煤[8-9]，但是大多研究還是集中在低階煤[10-12]。低階煤如褐煤相比中高階煤，煤化程度低，含有大量類木質素結構的物質，極易被含有木質素過氧化物酶的微生物降解[13-14]。低階煤含有包括游離腐殖酸、纖維素在內的多種有機質，其氧和側鏈官能團含量較高[15-17]，易被微生物攻擊解聚，大分子結構解體，分解為脂肪酸、有機酸、H2、CO2等多種小分子物質，產甲烷菌再以其為底物生成甲烷。風化煤主要成分為有機質、水分和少量礦物，有機質含量一般達到40%～80%，其中大部分為再生腐殖酸[18]。因其發生的氧化水解反應，大分子結構遭到破壞，側鏈及橋鍵較多，含氧活性官能團含量高而豐富[19]，化學活性甚至高于褐煤，更易被微生物降解。筆者通過不同風化程度煤的生物產氣及其化學官能團分析，探討風化煤的生物產氣潛力。

1 樣品制備

1.1 樣品采集與制備

采集內蒙烏海和山西晉城不同風化程度的煤樣，分別按照標準ISO 17247—2013和ISO 17246—2010進行元素分析和工業分析。采用ZDHW-6型微機全自動量熱儀按照GB/T 213—2008完成發熱量測試(表1)。

1.2 產甲烷菌的富集培養

為提高產甲烷菌群繁殖速度，需要提供微生物生長所需的C，N，P，S元素以及中性鹽等物質，微量元素和復合維生素也是維持厭氧微生物生長代謝和厭氧發酵酶系統活性的重要組成成分[20]，產甲烷菌群的富集培養按以下方案進行:

(1)產甲烷菌的富集培養:每1 000 mL新鮮礦井水中加入K2HPO40.4 g，MgCl22.0 g，KH2PO40.4 g，酵母浸入液1.0 g，NH4Cl 1.0 g，刃天青0.001 g，半胱氨酸0.5 g，Na2S 0.2 g，NaHCO30.2 g，乙酸鈉2.0 g，KCl 0.2 g，NaCl 2.0 g，微量元素溶液10.0 mL，復合維生素溶液10.0 mL，調節pH=7.0。

表1 煤樣基礎信息
Table 1 Coal samples basic information

樣品編號風化程度工業分析/%MadAadVadFCad元素分析/%CdafHdafNdafSdafOdaf發熱量/(MJ·kg-1)W-1烏海弱風化煤0.7015.0528.8455.4154.224.381.021.0639.3230.58W-2烏海中等風化煤14.1711.5830.3444.0943.893.360.86051.8919.71W-3烏海強風化煤13.9746.0821.7218.2334.182.750.58062.498.45J-1晉城弱風化煤2.5814.099.6173.7343.192.630.51053.6727.28J-2晉城中等風化煤12.9730.4721.7134.8538.252.880.61058.2614.62J-3晉城強風化煤12.8840.9819.9926.1553.772.460.72043.0511.43

(2)微量元素液(1 L):氨基三乙酸1.5 g，MnSO4·2H2O 0.5 g，MgSO4·7H2O 3.0 g，FeSO4·7H2O 0.1 g，NaCl 1 g，CoCl2·6H2O 0.1 g，CaCl2·2H2O 0.1 g，CuSO4·5H2O 0.01 g，ZnSO4·7H2O 0.1 g，H3BO30.01 g，AlK(SO4)20.01 g，NiCl2·6H2O 0.02 g，Na2MoO40.01 g。

(3)復合維生素溶液(1 L):生物素0.002 g，葉酸0.002 g，鹽酸吡多醇0.01 g，硫胺素(B1)0.005 g，核黃素(B2)0.005 g，煙酸0.005 g，泛酸鈣0.005 g，B120.1 g，對氨基苯甲酸0.005 g，硫辛酸0.005 g。

2 實驗方法

2.1 煤制生物甲烷實驗

將配制好的培養基放入121 ℃的滅菌鍋中滅菌3 h，滅菌結束后倒入新鮮礦井水，用封口膜密封，放置在35 ℃培養箱中培養4 d。將煤樣粉碎至60～80目，取20 g煤加入250 mL玻璃錐形瓶內，同時加入上述培養4 d的菌液200 mL，攪拌均勻，放入35 ℃恒溫培養箱進行產氣實驗。為保證厭氧環境，實驗操作在厭氧工作站中進行，每個錐形瓶利用N2驅替3 min，減少O2干擾。氣體收集采用排水集氣法，每3 d記錄1次產氣量，42 d結束產氣后，對氣體總量、氣體組分及體積分數進行測試(表2)。

由表2可知:各組煤樣隨著風化程度的加深，累計產氣量呈不斷增加趨勢。烏海組中W-3的產氣量最多，CH4體積分數也最高，W-1 CH4體積分數次之，W-2的CH4體積分數最低。晉城組中J-3產氣總量最大，J-2 CH4體積分數最高，J-1產氣量和CH4體積分數最低，主要原因是其風化程度最弱，大分子結構接近無煙煤。

表2 不同風化程度煤的生物產氣測試
Table 2 Biogas production test of coal with different weathering degrees

樣品編號累計產氣總量/mLCH4體積分數/%CO2及其他氣體的體積分數/%CH4生成量/(mL·g-1)可燃基累計產氣量/mL可燃基CH4生成量/(mL·g-1)W-16927.3672.640.9481.901.12W-28020.1779.830.81107.741.08W-318031.6768.332.85450.567.13J-11497.5792.430.56178.810.68J-218825.2774.732.37332.394.20J-321016.8083.201.76455.143.82

從圖1階段產氣量來看，不同風化程度的煤樣均出現了產氣高峰，時間基本都在15～30 d，各組中隨著風化程度不斷加深，產氣高峰也越來越早。烏海組中，W-1在15 d后迎來產氣高峰，W-2的產氣高峰在第12 d左右，W-3則在3 d后便開始持續不斷產氣;晉城組中，J-1在18 d以后開始迎來產氣高峰，J-2的產氣高峰在12 d以后，J-3則在7 d后產氣量便開始不斷上升。表明風化程度越深，煤樣越容易被微生物降解。

從圖2累計產氣量來看，各組煤樣均出現產氣量緩慢增加—急劇增加—相對穩定3個階段，烏海組中，W-1的增加幅度最為緩慢，隨著風化程度加深，W-3增幅最為明顯，且遠高于W-1和W-2。晉城組煤樣風化前屬于無煙煤，生物產氣效果差[21]，但風化后的3個煤樣累計產氣量J-3增幅最快，J-2增幅次之，J-1增幅最低。

圖1 不同風化程度煤的階段產氣量Fig.1 Stage gas production of coal with different weathering degrees

圖2 不同風化程度煤的累計產氣量Fig.2 Cumulative gas production of coal with different weathering degrees

2.2 不同風化程度煤的官能團分析

取表1中的6種煤樣，篩分粒度至小于200目，采用Nicolet 6700傅里葉紅外光譜儀(美國)對煤樣進行紅外光譜測試(圖3)。

PROVENTIA公司是一家總部位于芬蘭的科技公司。它致力于為發動機、機器設備與車輛行業提供技術解決方案。PROVENTIA公司的排氣后處理系統助力內燃機滿足不斷提高的環保法規的要求。其中，柴油發動機微粒過濾器、選擇性催化還原與尿素混合技術在業界享有盛譽。公司還設有模塊化測試實驗室，用于開發并測試發動機、動力系統、混合動力系統以及電池產品，已達到相應技術要求。

圖3 不同風化程度煤的吸光度譜Fig.3 Absorption spectra of coal with different weathering degrees

圖3中煤的FTIR圖主要可以分成4個吸收帶譜，即羥基吸收帶(3 600～3 000 cm-1)、脂肪結構吸收帶(3 000～2 800 cm-1)、含氧官能團吸收帶(1 800～1 000 cm-1)和芳香結構吸收帶(900～700 cm-1)。

3 600～3 000 cm-1為羥基的吸收振動峰，3 400～3 300 cm-1的吸收峰為自由締合的羥基以及與醚作用形成氫鍵的羥基，2組風化煤在此波段都出現了明顯的吸收峰，這是因為經歷風化作用后，煤中含氧官能團較多，因此各種氫鍵的作用較為強烈，且自締合的羥基形成的氫鍵的含量極高。

3 100～3 000 cm-1主要為芳香C—H的伸縮振動，3 000～2 800 cm-1為脂肪族CHx吸收振動帶，2組煤樣中除W-1在此處出現吸收峰外，其余樣品均未出現明顯吸收峰，表明風化作用可以導致煤中脂肪烴結構的大量脫落，且破壞煤的穩定大分子結構。

1 800～1 000 cm-1歸屬于各種含氧官能團，2組煤樣在此波段都出現了豐富的吸收峰，表明風化煤的含氧官能團含量很高;900～700 cm-1代表煤的芳香結構的C—H面外變形振動，反映了芳香結構的不同取代程度，2組煤樣在此波段都出現了大量吸收峰，位于870 cm-1附近為苯環五取代，815 cm-1附近的為苯環上鄰近2個或3個氫原子的取代，還有750 cm-1的為苯環二取代。此外，2 400～2 275 cm-1為空氣中CO2的吸收波段的干擾峰。

2.2.1脂肪結構變化

由圖3看出，烏海組中W-1在3 000～2 800 cm-1處存在明顯的吸收峰，主要原因是W-1相對其它樣品風化程度較淺，故脂肪結構僅少量脫落;W-2中羥基振動吸收峰較強烈，但3 000～2 800 cm-1處已無明顯吸收峰，表明隨著風化程度加深，煤中脂肪族結構不斷脫落，風化引發的氧化水解作用開始導致煤中自締合的羥基含量上升;隨著風化作用的進一步加深，W-3中3 000～2 800 cm-1處吸收峰已完全消失，且羥基等各類基團均大量脫落。晉城組中J-1已屬一定程度風化，故3 000～2 800 cm-1處僅有1個微小的吸收峰，隨著風化程度加深，J-2,J-3在此處已無明顯吸收峰。

2.2.2含氧官能團結構變化

由圖3看出，隨著風化程度的不斷加深，煤中羥基、氨基等基團含量呈降低趨勢，脂肪結構解體，但含氧官能團一直保持豐富且逐漸成為煤中主要結構。烏海組中W-1在3 050～3 030 cm-1(芳香次甲基 C—H 的伸縮振動)處出現小段波峰，且含氧官能團基團部分波峰并不強烈，主要原因是W-1風化程度相對其它樣品較淺，煤中還存在部分脂碳結構;隨著風化程度的加深，W-2中芳香結構含量開始降低，含氧官能團高度活躍;W-3中羥基、氨基等基團及脂肪族含量下降最為明顯，但其含氧官能團含量仍然較高且成為煤中主要結構，故W-3的可燃基CH4產氣量明顯高于W-1,W-2;晉城組J-2,J-3與J-1相比，羥基、氨基等基團及脂肪結構含量下降較多，J-3中含氧官能團部分甚至反超J-2，故J-1的可燃基CH4產氣量相較J-2,J-3明顯偏少。同時，隨著風化程度加深，2組煤樣在1 150～1 050 cm-1(醚鍵中C—O—C 伸縮振動)處吸收峰明顯越來越強烈，這是因為煤樣在風化環境中的微生物群作用下，苯環被打開，同時在斷開處引入了羥基。

根據煤結構中各官能團的FTIR吸收峰歸屬[22]，選取幾個具有代表性的特征峰，分別通過高斯擬合得到特征峰的峰面積(圖4)，以對比不同風化程度煤樣特征峰所對應基團含量以及相關表征參數的差異(表3)。

圖4 煤樣紅外光譜的分峰擬合Fig.4 Peak-splitting fitting chart of infrared spectra of coal samples

表3 煤樣 FTIR 譜中各峰歸屬及峰面積Table 3 Attribution and area of peaks in infrared spectra of coal samples

由圖4看出，含氧官能團基群在風化煤結構中始終占據著主體，同時，隨著風化程度的不斷加深，煤中芳環的面外彎曲振動峰面積呈降低趨勢，由表3計算可得，W-3的峰面積較之W-2降低了56.48%,J-2，J-3峰面積較之J-1分別降低了86.35%，70.54%。即煤的芳構化程度趨于降低，同時煤中各類結構基均呈降低趨勢，表明風化煤因其發生的氧化水解反應，大分子結構遭到破壞，芳環被打開，并導致基團減少。烏海組中，W-1四組峰面積均略小于W-2，其原因是W-1相較其他樣品風化程度較淺，在3 010 cm-1及2 900～2 800 cm-1等處仍存在吸收峰，占據了一定比例峰面積，隨著風化程度進一步加深，煤樣芳構化程度明顯趨于降低;晉城組中雖然J-2，J-3的芳構化程度相較J-1有明顯下降，但J-3的芳構化程度卻高于J-2，且由元素分析可得，J-3的氧含量略低于J-2，因此出現J-2可燃基CH4產氣量反而高于J-3的情況。

2.3 風化煤中本源菌的鑒定

選取各組中風化程度最高的煤樣W-3，J-3，將其從戶外露頭煤層中取出后，迅速裝入密封瓶中密封保存，配制好1 000 mL液體培養基，在厭氧工作臺中按1:10(g/mL)配制好2份培養基，于35 ℃恒溫箱中培養4 d完成后采用16S rDNA基因序列分析法進行菌種鑒定，測試由上海生工生物工程股份有限公司完成。測試結束后，選取各組中優勢菌種進行分析(圖5，6)。

經典厭氧發酵理論認為，生物氣的產生大致分為3個階段:第1階段為復雜有機質(煤)受厭氧發酵細菌作用，分解為有機酸或醇;第2階段為產氫和產乙酸細菌把第一階段產生的有機酸和醇進一步分解為乙酸、H2或CO2;第3階段即產甲烷菌利用底物產生甲烷。

圖5 煤樣所含的細菌鑒定Fig.5 Bacteria content in coal samples

圖6 煤樣所含的古菌鑒定Fig.6 Archaeal content in coal samples

圖5細菌鑒定中，W-3中的Rummeliibacillus為厭氧型瘤胃桿菌，可將復雜有機物分解為小分子物質;Brevundimonas是一種腸桿菌;Staphylococcus為葡萄球菌，可以分解葡萄糖、蔗糖等糖類物質;Aeromonas為氣單胞菌，能夠發酵葡萄糖產酸，Cetobacterium為醋酸桿菌;J-3中Pseudomonas為假單胞菌，它有極強的分解有機物的能力;Lysinibacillus為賴氨酸桿菌，能夠利用有機物產生賴氨酸;Clostridium是一種梭狀芽孢桿菌，善于分解大分子有機物;Desulfotomaculum為脫硫腸狀菌屬，可以分解有機酸生成H2或乙酸。

這些優勢菌種中，W-3中的Rummeliibacillus、Brevundimonas，J-3中的Clostridium、Pseudomonas、Lysinibacillus，屬于產生生物氣第1階段的水解、發酵型細菌，且兩組煤樣此類細菌含量都較大;W-3中的Staphylococcus、Aeromonas，J-3中的Desulfotomaculum、ClostridiumXIVa，則屬于第2階段的產氫產乙酸細菌。

圖6古菌鑒定中，W-3中的Methanothrix是一種嚴格厭氧型甲烷絲菌，能夠分解乙酸生成CH4與CO2;Methanoregula和Methanospirillum能夠轉化H2或CO2為CH4;Methanomassiliicoccus是一種甲基型產甲烷古菌，它們能夠轉化H2產生CH4。J-3中，Methanoculleus為嗜熱甲烷袋狀菌，能夠利用H2或CO2產生CH4，同時發現了與W-3中一樣的Methanomassiliicoccus、Nitrososphaera、Methanothrix等菌種。

這些優勢菌種中，包括了甲烷桿菌屬、甲烷球菌屬等在內的豐富產甲烷菌群，它們可以利用細菌分解有機物提供的各種底物，通過不同途徑產生CH4。

由菌群結構分析可知，風化煤本源菌群中包含有生物氣產生所需的所有類型菌種，表明風化煤依然還在進行著生物甲烷產氣過程。

3 結 論

(1)隨著風化程度加深，煤的生物產氣高峰明顯提前，累計產氣量不斷增加，W-2較W-1增加了15.94%，W-3較W-1增加了160.87%，J-2較J-1增加了26.17%，J-3較J-1增加了40.94%。可燃基CH4生成量增多，W-3較W-1增加了536.61%，W-3較W-2增加了560.19%，J-2較J-1增加了517.65%，J-3較J-1增加了461.76%。表明風化煤存在進行生物產氣的潛力。

(2)隨著風化程度加深，煤樣芳構化程度不斷降低，芳環被打開，羥基、羧基等基團及脂肪結構不斷解體，氧含量比例不斷升高，越容易被微生物降解。

(3)風化煤本源菌群中包含有生物氣產生所需的所有類型菌種，且菌種類型多樣，表明其目前依然還在進行著生物甲烷產氣過程。