低温氧化煤生物降解产甲烷机理研究

摘要

【目的】采空区作为煤炭开采后的主要遗留空间，其内部空间广阔，数量较多，遗煤资源丰富，可作为实施煤层气生物工程的重要潜在场所。尤其值得注意的是，遗煤经过低温氧化处理后，理论上可以显著提升生物甲烷的产量。目前关于生物降解采空区遗煤方面的研究依然较少。【方法】通过开展低、中、高三种不同低温氧化程度的煤（LOC、MOC、HOC）生物降解产甲烷实验，分析煤氧化程度对甲烷生成的影响，从煤结构、微生物群落结构、代谢产物探究低温氧化煤生物降解产甲烷机理。【结果】结果表明，在氧化温度80～180℃以内，生物甲烷产量与氧化程度正相关，氧化煤甲烷产量比原煤高29.63%～202.96%。低温氧化后，煤结构发生了显著变化，其中C—O官能团占比高于原煤7.60%～206.78%，支链化程度和芳香官能团破坏程度都增大。低温氧化显著提高煤的生物可利用度，是甲烷产量提高的主要原因。同时，煤结构的改变促使微生物群落结构发生显著变化，Macellibacteroides丰度明显提高，从原煤中仅占1.08%分别增加到31.97%,49.18%和58.84%。Methanobacterium丰度在低温氧化后显著增大，显示出与Macellibacteroides的协同产甲烷作用，也说明低温氧化导致产甲烷途径更倾向于氢营养型。产气结束后，氧化煤降解液中酸类有机物累积量较原煤增加30.99%～45.25%，促进了酯化反应，导致酯类在反应后占比提升。【结论】研究结果证明了采空区低温氧化煤更有利于生物降解，为采空区煤层气生物工程的实施奠定理论基础。

关键词

煤层气生物工程 / 低温氧化煤 / 官能团 / 菌群结构

基金资助

国家自然科学基金(U1810103,51404163); 山西省重点研发计划(国际合作项目,201903D421088)