我国煤炭资源丰富，石油和天然气相对短缺，以新能源、可再生能源为主的后续能源的开发和利用，还需要一段相当长的技术准备和过渡期。因此，在未来相当长的一段时期，煤炭仍将是我国的主要能源[1]。目前，国内外已有学者开始研究采用微生物降解的方法将煤炭转化为天然气，以实现煤炭的清洁利用，但是，微生物直接降解煤炭往往转化率较低，需要采用双氧水、硝酸等对煤样进行预处理以提高利用率，通过预处理可以把煤的天然大分子缩聚体分解成有反应能力的小分子，从而促进煤的进一步微生物降解。国外研究者的试验研究仅局限于低阶煤[2]，本文试图利用双氧水对寺河3号煤样进行不同时间的预处理，以增强其溶解性，随后再通过接种实验室长期驯化的菌群进行微生物成气试验，进一步研究双氧水预处理时间对高阶煤的降解效果[3-5]。

1 材料与方法

1.1 煤样

本试验煤样取自寺河矿区3号煤层，在实验室内将煤样进行破碎筛分，制成<60目(0.3 mm)粒度的样品用于试验。

1.2 菌源

试验菌液为从山西晋城寺河矿区煤层水中富集培养的产甲烷菌群，在实验室长期驯化后，菌群产气稳定。

1.3 无机盐培养基组成及配制

成气试验所用培养基为: K2HPO4 (2.9 g/L)，KH2PO4 (1.5 g/L)，NH4Cl(1.8 g/L)，YE(2.0 g/L)和MgCl2 (0.4 g/L)。配制试验所需适量培养基，调节 pH 至7.0，培养基中加入浓度为1%的刃天青1 ml/L，封口膜封口，121 ℃，高压灭菌20 min，灭菌后放入厌氧操作箱中，用0.22 μm微孔滤膜过滤器加入1 g/L 半胱氨酸，待培养基变为无色后备用。

1.4 试验方法

1.4.1 双氧水预处理试验

为了分析不同预处理时间对产气组分的影响，对比了不同预处理时间样品在产气初期(第1周)和产气高峰时(第5周)的CH4含量和CO2含量，图4和图5是产气第1周和第5周各组分含量，图中显示，不论是产气初期还是产气高峰期，CH4含量都存在峰值，在处理48 h之前，CH4含量随着预处理时间的增加而增大，但是在处理48 h之后，CH4含量随着预处理时间的增加反而减小，说明并不是处理时间越久甲烷产量越大，这和前述的对产气量的分析结果一致；而CO2含量的变化一直是随着处理时间的增加逐渐增大，但变化幅度并不大。另外，在产气初期，CH4含量和CO2含量基本相当，但是在产气高峰的第5周，成气实验中的CH4含量远远高于CO2含量，说明在整个产气过程中主要以CH4的生成为主，CH4的生成速率远远高于CO2的生成速率。

 

表1 双氧水预处理试验方案

  

反应时间煤样双氧水温度/℃摇床转速/(r·min-1)24 h6 g 寺河煤粉 60目30% 150 mL40 8048 h72 h96 h

如图4所示。由图4可知,三相电枢绕组自感的大小关系每60°电角度发生一次变化,因此注入脉冲检测端电压法是通过判断端电压在注入脉冲后的大小关系来判断静止时转子所在的60°电角度区域。

人才集聚是指在一定时间内，随着人才流动，大量相关或同类型人才按照一定的联系，在某一地区或者某一行业所形成的聚类现象。人才被各个国家和地区视为经济发展最为重要的战略资源。在信息经济时代，人才的多寡和结构起到关键性作用，直接关系到地区经济的发展速度，是保持经济稳定、持续、快速、健康增长的重要因素。

1.5 气体组分含量测定

对比各组的产气量，获得最高产气量的是处理48 h的煤样，在处理48 h之前，随着处理时间增加产气量增加，但是超过48 h后，随着处理时间的增加，产气量反而逐渐降低，由此可见，并不是处理时间越长产气效果越好，处理时间太长可能会对煤的某些支链分子结构破坏太过严重，从而抑制产气。所以，对于本试验煤样而言，最佳处理时间是48 h。

 

表2 成气试验方案

  

分组煤粉来源煤粉质量/g营养液/mL菌液/mLA组处理24 h后5 55 5 B组处理48 h后C组处理72 h后D组处理96 h后E组原煤样

1.6 气体体积测定

试验过程中产生的气体体积采用排水集气法进行测定。

2 结果与分析

2.1 双氧水处理前后煤样的变化

本试验对不同时间双氧水处理的煤样进行了工业分析(见表3)，由表3可知，与原煤样相比，经双氧水预处理的煤样的固定碳含量明显下降，灰分和挥发分含量增加，说明双氧水预处理对煤的组分和分子结构有较大的改变，挥发分的增加直接说明通过双氧水的作用使煤中某些稳定的大分子结构遭到破坏，煤中链状结构增多，这可能使得煤更容易被微生物降解利用[6-8]。

 

表3 煤样预处理前后的工业分析结果

  

样品工业分析/%MadAdVdFCd原煤样3.7210.515.3384.16处理24 h后煤样2.9221.678.1870.15处理48 h后煤样3.9122.968.5068.54处理72 h后煤样3.7023.708.7167.59处理96 h后煤样3.8424.278.9566.78

2.2 预处理时间对产气量的影响

本试验对每一组样品的最终产气量进行了测试，结果如图1所示，从图中可以看出，不同处理时间煤样成气试验总产气量差异较大，经过双氧水处理后煤样的最高产气量是原煤产气量的2倍，说明通过双氧水预处理可以获得较好的产气效果。所以，经过双氧水处理，煤样的某些分子结构将发生改变，促使分子结构在空间的排列变得不规则，某些容易打开的芳香环逐步被打开，并在断开处引入羧基、羟基等含氧基团，最终通过氧化方式使煤中某些基团由环状形成链状，从而使其更容易受到微生物的攻击而发生降解。

采用安捷伦7890A型气相色谱仪进行测定。色谱柱为Agilent Carbonplot(60 m×320 μm)，载气为高纯氮气。填充柱进样口温度为150 ℃，隔垫吹扫流量3 mL/min，进样量0.5 mL，柱箱温度25 ℃，保持7.5 min，检测器为TCD，检测温度为200 ℃，参比流量为40 mL/min，尾吹流量为8 mL/min。标气成分为10%CH4 、40%CO2 、10%H2 。

选用100 mL 厌氧瓶，设置5组试验A、B、C、D、E，每组设3个平行样，前四组分别加入5 g预处理24 h、48 h、72 h和96 h 后的灭菌煤粉，对应编号为A、B、C和D组，E组加入寺河原煤作为对照组，分别加入55 mL 备用培养基和5 mL 实验室培养菌液，放入25 ℃恒温培养箱中培养，整个试验操作过程要在厌氧环境中进行，试验设计见表2。每7 d检测产生气体组分中甲烷含量，整个试验结束后，测出总产气量。

  

图1 不同预处理时间煤样的产气量

2.3 预处理时间对产气过程的影响

1) 经过双氧水处理的煤样成气效果明显优于原煤，经过双氧水处理后煤样的最高产气量是原煤产气量的2倍。

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图2 不同预处理时间的煤样产气中的CH4含量

  

图3 不同预处理时间的煤样产气中的CO2含量

2.4 预处理时间对气体组分的影响

取寺河煤样若干磨碎筛分，制成<60目(0.3 mm)的煤粉备用。将制好的煤粉分成5份，取1份直接做工业分析，其余4份用双氧水处理后再做工业分析。双氧水的处理方法：取500 mL瓶子20个，每瓶装入煤粉6 g，分别再加入30%的双氧水150 mL，置于温度40 ℃和转速80 r/min的摇床中，平均分为4组，每组设5个平行样，分别对应反应24 h、48 h、72 h和96 h，试验设计见表1。反应结束后将各组的煤粉过滤，并使用旋转蒸发仪干燥煤粉，干燥后的煤粉分成两份备用，一份做反应后的工业分析，另一份做生物成气试验。

1.4.2 生物成气试验

  

图4 产气第1周各组分含量

  

图5 产气第5周各组分含量

3 结 语

本试验定期对5组样品所产气体中的成分进行了检测，图2是不同预处理时间的煤样产气中的CH4含量，由图可知，5组样品产气中的甲烷含量随着成气实验时间的增加逐渐增大直至趋于稳定，趋于稳定的时间基本都在第5周以后。图3是不同预处理时间的煤样产气中的CO2含量，其随着时间的变化趋势与CH4的变化趋势基本一致，但是在第5周以后其含量有所降低，说明菌群在产气稳定以后基本不产生CO2甚至还会消耗CO2。

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2) 并不是预处理时间越长产气效果越好，处理时间太长可能会对煤的某些支链分子结构破坏太过严重，从而抑制产气，对于本试验煤样而言，最佳处理时间是48 h。

3) 不同预处理时间的样品产气中的CH4和CO2含量随着实验时间的增加逐渐增大，基本都是在实验第5周达到最大值。

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4) 在产气初期，CH4含量和CO2含量基本相当，但在产气高峰期，产气中的CH4含量远远高于CO2含量，在整个产气过程中CH4的生成速率远远高于CO2的生成速率。

参考文献:

[1] 王 英，王 力，王学民.煤的预处理对高阶煤微生物溶解的影响[J].微生物学通报，2006,33(2):81-85.

[2] 夏大平，苏现波，吴 昊，等.不同预处理方式和模拟产气试验对煤结构的影响[J].煤炭学报，2013,38(1):129-133.

[3] 李俊旺，张明旭.煤样预处理对义马煤生物降解的影响[J].煤炭科学技术，2009,37(1):125-127.

[4] 赵红梅，徐俊驹，赵 艳，等.不同酸碱预处理对杂交狼尾草还原糖和挥发性脂肪酸的影响[J].安徽农业科学，2015,43(33):16-17,47.

[5] 王爱宽，秦 勇，兰凤娟，等.基于本源菌的褐煤生物气生成过程与可能途径[J].高校地质学报，2012,18(3):485-489.

[6] 苏现波，徐 影，吴 昱，等.盐度、pH对低煤阶煤层生物甲烷生产的影响[J].煤炭学报，2011,36(8):1 302-1 306.

[7] 王爱宽，秦 勇.生物成因煤层气试验研究现状与进展[J].煤田地质与勘探，2010,38(3):23-27.

[8] Gupta P，Gupta A.Biogas Production from Coal Via AnaeRobic Fermentation[J].Fuel，2014，118：238-242.