摘 要

摘　要：為查明煤發(fā)酵制生物氫和甲烷，以及連續(xù)發(fā)酵產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷的最佳產(chǎn)氣條件，以河南省鶴壁四礦的瘦煤為發(fā)酵底物，分別利用自主研發(fā)的產(chǎn)氫培養(yǎng)基和產(chǎn)甲烷培養(yǎng)基富集地層水中的混合

摘　要：為查明煤發(fā)酵制生物氫和甲烷，以及連續(xù)發(fā)酵產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷的最佳產(chǎn)氣條件，以河南省鶴壁四礦的瘦煤為發(fā)酵底物，分別利用自主研發(fā)的產(chǎn)氫培養(yǎng)基和產(chǎn)甲烷培養(yǎng)基富集地層水中的混合菌群，并以其為接種物，分析了在不同條件下生物氫氣和生物甲烷的生成量，并利用發(fā)酵產(chǎn)氫后的廢料為基底，使用不同方法進(jìn)行處理，研究了生物甲烷的生成量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①發(fā)酵產(chǎn)氫最適宜的初始pH值在6.0左右；②金屬離子絡(luò)合劑EDTA二鈉可顯著提高氫氣產(chǎn)率，當(dāng)EDTA二鈉濃度為2.0g／L時(shí)，氫氣產(chǎn)率達(dá)到最大值；③產(chǎn)甲烷發(fā)酵時(shí)，將白腐菌液和富集培養(yǎng)后的地層水菌液同時(shí)作為接種物時(shí)的甲烷產(chǎn)率最高；④向產(chǎn)氫后的廢料中補(bǔ)加堿液以及新鮮地層水，均可實(shí)現(xiàn)廢料再生甲烷，且直接補(bǔ)堿液時(shí)的甲烷產(chǎn)率更高；⑤相比于單獨(dú)發(fā)酵產(chǎn)甲烷工藝，連續(xù)產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷工藝可獲得更高的甲烷濃度和甲烷產(chǎn)率。該成果為微生物采煤技術(shù)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：瘦煤  厭氧發(fā)酵  氫氣  甲烷  EDTA二鈉  接種物  產(chǎn)氣率  連續(xù)發(fā)酵  微生物采煤

An experimental study of hydrogen and methane production from fermentation of coal

Abstract：To investigate the optimal gas-produced conditions for independent fermentation of coals producing hydrogen and methane and the continuous fermentation of hydrogen and methane，samples from the Hebi No.4 colliery were utilized as coal substrates，and specific media prepared in advance in laboratory for the production of hydrogen and methane respectively were used as inocula after the enrichment of mixed strain in stratum water，and the content of produced hydrogen and methane under various conditions were further examined．After that，the waste of fermentative hydrogen production was applied as substrates to investigate the production of methane with different pre-treatments．The results showed that the optimal initial pH value for fermentative hydrogen production was around 6.0；the disodium EDTA was able to significantly increase the hydrogen production which reached a maximum when the disodium EDTA was added at 2.0 g／L：the mixture of white-rot fungi and enriched strain in stratum water was the optimal inoculum for a highest production of methane；a reproduction of methane was achieved by the addition of alkali liquor and fresh stratum water in the waste of fermentative hydrogen production，and was in a comparatively higher production rate when the alkali liquor was directly added；and the continuous fermentation obtained a better methane production as compared with the independent methane fermentation．This experimental study provides a reference for the research of microbial biomass methane production following coal mining．

Keywords：lean coal，anaerobic condition，hydrogen，methane，disodium EDTA，inoculum，gas production rate，continuous fermentation，microbial biomass methane production，coal mining

目前的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)以煤、石油、天然氣等一次性化石燃料為主，但隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，化石燃料的儲(chǔ)量銳減，且一次性化石燃料在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量溫室氣體，對(duì)環(huán)境造成不利影響。因此，人們正努力尋求一種清潔高效新能源，以代替化石能源的過度消耗。

伴隨著以甲烷為主要成分的煤層生物氣藏在世界各地的不斷發(fā)現(xiàn)，學(xué)者們開始通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究煤層生物甲烷形成的條件和機(jī)理^[1-4]，以期實(shí)現(xiàn)煤制生物氣這一采殘煤工藝。近20年來，我國(guó)一批學(xué)者研究了煤層生物氣的形成過程^[5-13]，但至今仍停留在利用煤制取生物甲烷這一階段。近期筆者的研究表明，在一定的條件下微生物還可以降解煤炭生成氫氣^[14]。相比于甲烷，氫氣的熱值更高而且其燃燒產(chǎn)物只有水，對(duì)環(huán)境無任何污染。因此煤制生物氫氣技術(shù)很有可能成為未來煤層氣生物工程領(lǐng)域的主要發(fā)展方向。

筆者利用本源混合菌群，即煤礦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的地層水為接種物，對(duì)煤制生物氫氣、煤制生物甲烷的最適發(fā)酵條件進(jìn)行了研究，并且對(duì)產(chǎn)氫后再產(chǎn)甲烷的工藝條件進(jìn)行了初步探索，為微生物采煤技術(shù)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)材料及裝置

1．1　樣品采集

實(shí)驗(yàn)所使用的煤樣取自河南省煤業(yè)化工集團(tuán)有限責(zé)任公司鶴壁四礦下二疊統(tǒng)山西組下部的二¹煤，煤種為瘦煤，取樣方法分述如下：于回采工作面采集新鮮煤樣，迅速裝入充滿氮?dú)獾母蓛羲芰洗鼉?nèi)密封，帶回實(shí)驗(yàn)室常溫保存。實(shí)驗(yàn)所用菌種源為從煤層中流出的地層水，取樣方法如下：采用無菌的塑料桶在工作面排水溝中采集地層水，待桶內(nèi)裝滿后迅速封閉，回到實(shí)驗(yàn)室后置于4℃冰箱內(nèi)保存。

1．2　煤樣制備

為了提高發(fā)酵反應(yīng)的速度，需將煤樣進(jìn)行預(yù)處理：①粉碎。將煤樣放入破碎機(jī)中，研磨制成60～80目之間的煤粉。②滅菌。將篩選出的煤樣放入高壓滅菌鍋內(nèi)120℃滅菌30min，以排除外界微生物的干擾，然后將煤樣轉(zhuǎn)移至無菌的樣品袋中。③干燥。將樣品袋中的煤樣放入70℃的恒溫干燥箱中烘干至恒重，備用。

1．3　實(shí)驗(yàn)材料分析

采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)對(duì)煤和地層水中部分重金屬元素進(jìn)行檢測(cè)(表1)。

 

1．4　實(shí)驗(yàn)裝置

使用250mL反應(yīng)瓶，通過排水集氣法收集發(fā)酵產(chǎn)生的氣體。實(shí)驗(yàn)裝置如圖l所示。

 

2　實(shí)驗(yàn)方法

2．1　菌液富集

于錐形瓶中配制培養(yǎng)基，向瓶?jī)?nèi)充入高純氮?dú)怛?qū)替瓶子上部氧氣，將錐形瓶置于35℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)以富集地層水中的微生物。由于不同實(shí)驗(yàn)的主要產(chǎn)氣菌群不同，對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和pH值等介質(zhì)環(huán)境的適應(yīng)能力也不同，故需采用不同的培養(yǎng)基富集相應(yīng)的菌種，即產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)采用培養(yǎng)基Ⅰ，產(chǎn)甲烷實(shí)驗(yàn)采用培養(yǎng)基Ⅱ。

2．2　單獨(dú)發(fā)酵產(chǎn)氫氣

2．2．1最適初始pH值的選擇

按培養(yǎng)基Ⅰ的配方向地層水中加入各營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，搖勻后將地層水置于35℃恒溫培養(yǎng)箱中4d以富集地層水中的發(fā)酵產(chǎn)氫菌。富集完成后，用2mol／L的NaOH和1mol／L的稀HCl調(diào)節(jié)富集后地層水菌液的初始pH值分別為5.5、6.0、6.5、7.0、7.5(誤差±0.1)；最后將煤與菌液放入250mL三角瓶?jī)?nèi)，比例為l5g煤+200mL菌液，搖勻后向三角瓶?jī)?nèi)充入高純氮?dú)庖则?qū)替反應(yīng)瓶上部空間的氧氣，連接產(chǎn)氣裝置并置于35℃恒溫培養(yǎng)箱中。

2．2．2最適EDTA二鈉濃度的選擇

按培養(yǎng)基工的配方向地層水中加入各營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)后，分別向各瓶地層水中添加金屬離子絡(luò)合劑EDTA二鈉，使其在地層水中的濃度分別為0、1.0g／L、l.5g／L、2.0g／L、2.5g／L、3.0g／L、4.0g／L；調(diào)節(jié)各瓶地層水的初始pH值在7.0左右，然后在35℃下富集地層水中發(fā)酵產(chǎn)氫菌4d；調(diào)節(jié)富集后地層水菌液的pH值為6.0左右，連接好產(chǎn)氣裝置，研究不同梯度EDTA二鈉對(duì)產(chǎn)氫的影響。

2．3　單獨(dú)發(fā)酵產(chǎn)甲烷

采用以下3種實(shí)驗(yàn)方案，研究使用不同接種物時(shí)甲烷產(chǎn)率的大小(麥2)，白腐菌液由河南理工大學(xué)生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室提供。

 

2．4　連續(xù)產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷最適條件實(shí)驗(yàn)

以發(fā)酵產(chǎn)氫后的廢料為實(shí)驗(yàn)材料，通過調(diào)節(jié)pH值和補(bǔ)加新鮮地層水來研究產(chǎn)氫后連續(xù)產(chǎn)甲烷的可行性；以產(chǎn)氫階段結(jié)束后不進(jìn)行任何處理的樣品，即方案一中的樣品為對(duì)照組。在方案二和方案三中，為避免發(fā)酵液的pH值過低而造成反應(yīng)體系中產(chǎn)甲烷菌死亡，在產(chǎn)氫高峰期過后(第4天)便開始向反應(yīng)瓶?jī)?nèi)注射堿液或補(bǔ)充地層水，并調(diào)節(jié)各個(gè)樣品的pH值，密封后開始發(fā)酵，使產(chǎn)甲烷菌利用發(fā)酵產(chǎn)氫菌的代謝產(chǎn)物(如小分子酸類、二氧化碳和氫氣等)產(chǎn)出甲烷。具體方法如下。

2．4．1方案一

15g煤+200mL富集后地層水菌液，分別調(diào)節(jié)樣品初始pH值為5.5～7.5，于35℃培養(yǎng)箱內(nèi)開始發(fā)酵，待產(chǎn)氫發(fā)酵徹底完成后(第20天)換上新的集氣瓶，觀測(cè)瓶?jī)?nèi)有無新的氣體產(chǎn)生。

2．4．2方案二

1)產(chǎn)氫階段：15g煤+200mL富集后地層水菌液，并調(diào)節(jié)樣品的初始pH值在7.5左右，于35℃條件下產(chǎn)氫發(fā)酵4d。

2)產(chǎn)甲烷階段：為保證厭氧狀態(tài)，在厭氧手套箱內(nèi)向上述反應(yīng)瓶中注入2mol／L的稀NaOH溶液，使反應(yīng)瓶?jī)?nèi)的pH值在7.5左右，連接產(chǎn)氣裝置后于35℃恒溫箱內(nèi)開始發(fā)酵。

2．4．3方案三

1)產(chǎn)氫階段：7.5g煤+100mL富集后地層水菌液，并調(diào)節(jié)樣品的初始pH值在7.5左右，于35℃條件下厭氧發(fā)酵4d。

2)產(chǎn)甲烷階段：同樣的，在厭氧手套箱內(nèi)向上述反應(yīng)瓶中補(bǔ)加100mL新鮮地層水，并用2mol／L的稀NaOH溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)瓶?jī)?nèi)的pH值在7.5左右，連好產(chǎn)氣裝置后于35℃恒溫箱中開始發(fā)酵。

2．5　分析項(xiàng)目及方法

1)總產(chǎn)氣量測(cè)定：用量筒測(cè)量?jī)?chǔ)水瓶中的水量，以此反映產(chǎn)氣量。

2)氣體組分及濃度測(cè)定：氣相色譜檢測(cè)儀，TCD檢測(cè)器，5A硅膠柱，柱溫50℃，檢測(cè)器溫度100℃，熱絲溫度150℃，載氣為Ar，手動(dòng)進(jìn)樣，進(jìn)樣量為lmL。

3)氫氣產(chǎn)率(mL／g煤)：除去空白樣所產(chǎn)氫氣，用單位質(zhì)量煤產(chǎn)生的純氫氣量來表示。

4)甲烷產(chǎn)率(mL／g煤)：計(jì)算方法同氫氣。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3．1　初始pH值對(duì)產(chǎn)氫的影響

所有樣品在開始發(fā)酵后的第4天左右就達(dá)到產(chǎn)氣高峰，隨后產(chǎn)氣速率開始下降，到第8天左右之后幾乎不再產(chǎn)氣。發(fā)現(xiàn)在不同的初始pH值條件下，煤均可被微生物降解生成氫氣(圖2)。隨著初始pH值的升高，樣品的總產(chǎn)氣率和氫氣產(chǎn)率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，且當(dāng)初始pH值為6.0時(shí)，總產(chǎn)氣率最高，氫氣產(chǎn)率也最大。這說明在本實(shí)驗(yàn)條件下，發(fā)酵產(chǎn)氫最適的初始pH值在6.0左右。所有樣品中均未檢測(cè)到甲烷。

 

3．2　EDTA二鈉濃度對(duì)產(chǎn)氫的影響

在對(duì)地層水中的發(fā)酵產(chǎn)氫菌富集后，各地層水菌液的pH值隨著培養(yǎng)基中EDTA二鈉濃度的增加呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)(圖3)。這說明EDTA二鈉具有延緩菌液的pH值降低的作用。但是EDTA二鈉本身含有4個(gè)羧基，其溶于水后顯酸性，且EDTA二鈉的性質(zhì)穩(wěn)定，在酸性條件下不具有生物可降解性^[15-17]，這就排除了EDTA二鈉本身的影響。

 

因此，推測(cè)pH值升高的主要原因是地層水中微生物群落的代謝過程受EDTA二鈉的影響，其具體機(jī)理還有待深入研究。

產(chǎn)氫發(fā)酵結(jié)束后，測(cè)試各樣品在不同EDTA二鈉濃度下的產(chǎn)氣結(jié)果(圖4)。可見添加EDTA二鈉的樣品，其總氣體產(chǎn)率和氫氣產(chǎn)率均遠(yuǎn)高于不含EDTA二鈉的樣品，且隨著EDTA二鈉用量的增加，總產(chǎn)氣率和氫氣產(chǎn)率大致呈先增后減的趨勢(shì)，并在EDTA二鈉濃度為2.0g／L時(shí)達(dá)到最大值。這說明在本實(shí)驗(yàn)條件下，產(chǎn)氫最適宜的EDTA二鈉濃度為2.0g／L。EDTA二鈉的作用主要在以下兩點(diǎn)：①由于煤和地層水中存在重金屬元素(表1)，會(huì)對(duì)發(fā)酵體系中的微生物造成毒性抑制，EDTA二鈉可以絡(luò)合一部分重金屬，從而減輕了重金屬的抑制效應(yīng)；②EDTA二鈉還可以脫除煤中的Ca²⁺、Fe³⁺和Al³⁺等多價(jià)金屬陽離子，從而使煤的生物溶解力增強(qiáng)^[18]。

 

在所有絡(luò)合物當(dāng)中，堿金屬離子(Na⁺、K⁺)的配合物最不穩(wěn)定；堿土金屬離子(如Be²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺)和Ag⁺絡(luò)合物較穩(wěn)定，lgK穩(wěn)＝8～ll。過渡元素、稀土元素(如Fe²⁺、Co²⁺、Ni²⁺等)及Al³⁺絡(luò)合物穩(wěn)定，lgK穩(wěn)＝l5～19；3、4價(jià)金屬離子和Hg²⁺離子的絡(luò)合物最穩(wěn)定，lgK穩(wěn)>20。當(dāng)使用較少量的EDTA二鈉時(shí)，由于絡(luò)合物穩(wěn)定性的不同，EDTA二鈉優(yōu)先與K穩(wěn)較大的金屬形成絡(luò)合物，如Cr³⁺、Hg²⁺、Cu²⁺等，從而減輕了重金屬對(duì)微生物的抑制，提高了產(chǎn)氣量；當(dāng)EDTA二鈉用量增加時(shí)，一些對(duì)微生物生長(zhǎng)有利的金屬離子開始被絡(luò)合，如Fe²⁺、Co²⁺、Ni²⁺等，導(dǎo)致產(chǎn)氣量反而減少。

所有樣品中均未檢測(cè)到甲烷，因?yàn)楫a(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)的pH值范圍為6.0～8.0，超出此pH值范圍時(shí)生長(zhǎng)受到強(qiáng)烈抑制^[19-20]。在產(chǎn)氫發(fā)酵過程中，發(fā)酵產(chǎn)氫菌在產(chǎn)生氫氣的同時(shí)也產(chǎn)生大量酸性物質(zhì)，如丙酮酸、乙酸、丙酸、丁酸等，使反應(yīng)體系的pH值迅速降低(圖3)，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)代謝造成抑制。此外，產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)緩慢、世代周期長(zhǎng)^[4]；而產(chǎn)氫菌種類繁多、生長(zhǎng)迅速，且產(chǎn)氫發(fā)酵過程較為短暫^[21-23]，導(dǎo)致了產(chǎn)氫過程中體系內(nèi)的產(chǎn)甲烷菌不能大量繁殖，這也是產(chǎn)氫結(jié)束后在氣相產(chǎn)物中沒有檢測(cè)到甲烷的原因之一。

3．3　不同接種物對(duì)甲烷產(chǎn)率的影響

單獨(dú)發(fā)酵產(chǎn)甲烷工藝大約在第15天后才開始有甲烷產(chǎn)生，產(chǎn)氣持續(xù)時(shí)間約為30d，本實(shí)驗(yàn)于第35d測(cè)試各樣品的產(chǎn)氣結(jié)果(表3)。

 

可見，以新鮮地層水為接種物時(shí)的甲烷產(chǎn)率最低，僅有0.5mL／g；用培養(yǎng)基Ⅱ對(duì)地層水中的微生物富集之后，再作為接種物時(shí)甲烷產(chǎn)率有所提高，可達(dá)8.0mL／g；以培養(yǎng)基Ⅱ富集菌種之后的地層水和白腐菌液的混合菌液為接種物時(shí)，甲烷產(chǎn)率最大，達(dá)到l2.6mL／g。這是由于煤是大分子有機(jī)物，必須被發(fā)酵水解菌等微生物降解成小分子有機(jī)物(如揮發(fā)性脂肪酸、甲醇等)后才可以被產(chǎn)甲烷菌利用生成甲烷。因此，以新鮮地層水為接種物時(shí)，由于接種物中含有的菌落數(shù)目較少，微生物對(duì)煤的降解速率較低，產(chǎn)氣量小。當(dāng)使用經(jīng)富集處理后的地層水為接種物時(shí)，原地層水中的發(fā)酵菌等微生物被富集、數(shù)量增多，加快了對(duì)煤基質(zhì)的利用率，從而提高了甲烷產(chǎn)率。當(dāng)以富集處理過的地層水和白腐菌液為接種物時(shí)，由于白腐菌可將煤降解為小分子物質(zhì)^[24-25]，因而此時(shí)獲得的甲烷產(chǎn)率最高。

3．4　產(chǎn)氫廢料再產(chǎn)甲烷的產(chǎn)氣結(jié)果

產(chǎn)氫廢料的產(chǎn)甲烷反應(yīng)啟動(dòng)較慢，大約在第35天才開始有氣體產(chǎn)生，且產(chǎn)氣速率遠(yuǎn)比產(chǎn)氫階段要慢，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，直到第55天后才停止產(chǎn)氣。第65天測(cè)試各個(gè)集氣瓶中的氣體組分(表4)。所有樣品中均未檢測(cè)到氫氣。

 

可見，方案一在產(chǎn)氫完畢后不能再繼續(xù)產(chǎn)甲烷，而方案二和方案三均可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氫后再連續(xù)產(chǎn)甲烷，且方案二的甲烷產(chǎn)率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于方案三。方案一未產(chǎn)甲烷主要是因?yàn)樵诟患l(fā)酵產(chǎn)氫菌以及厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的過程中，發(fā)酵產(chǎn)氫菌生成了大量的酸性物質(zhì)，使反應(yīng)液的pH值過低(圖3)，從而抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性，甚至使其死亡；方案二是由于在產(chǎn)氫結(jié)束后調(diào)整了反應(yīng)液的pH值至中性范圍內(nèi)，使得反應(yīng)體系中的產(chǎn)甲烷菌被激活，從而大量繁殖并產(chǎn)生甲烷；方案三也產(chǎn)生了一定量甲烷，但其甲烷產(chǎn)率明顯低于方案二，是因?yàn)橄蚍磻?yīng)液中直接補(bǔ)加新鮮地層水這種處理方式使得原反應(yīng)體系中的有機(jī)物和無機(jī)物的濃度降低，產(chǎn)甲烷菌等微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的可獲得性降低，從而降低了產(chǎn)甲烷菌等微生物的代謝活性。

3．5　兩種產(chǎn)甲烷方案的對(duì)比

相比于單獨(dú)發(fā)酵產(chǎn)甲烷工藝，連續(xù)產(chǎn)氧產(chǎn)甲烷工藝所獲得的甲烷濃度提高了9.4％，甲烷產(chǎn)率提高了1.1倍，可燃?xì)怏w(氫氣和甲烷)總產(chǎn)率提高了2.2倍(表5)。這說明產(chǎn)氫后再產(chǎn)甲烷這一發(fā)酵工藝對(duì)煤基質(zhì)的利用率更高，產(chǎn)甲烷效果更好。

 

相比于單獨(dú)發(fā)酵產(chǎn)甲烷工藝，產(chǎn)氫后再產(chǎn)甲烷工藝多了一個(gè)產(chǎn)氫階段。在產(chǎn)氫階段內(nèi)，發(fā)酵產(chǎn)氫菌在產(chǎn)生氫氣的同時(shí)還分泌出乙酸、丙酸、丁酸等物質(zhì)，這些物質(zhì)均可直接被產(chǎn)甲烷菌用來合成自身物質(zhì)并產(chǎn)生甲烷。單獨(dú)發(fā)酵產(chǎn)甲烷時(shí)，由于沒有對(duì)發(fā)酵產(chǎn)氫菌進(jìn)行富集培養(yǎng)，且發(fā)酵時(shí)的初始pH值較高(一般大于7.0)，而產(chǎn)氫菌適宜生長(zhǎng)的pH值較偏酸性，所以此種工藝條件下反應(yīng)體系內(nèi)部產(chǎn)氫菌的活性較低，不能生成足夠多的乙酸、丙酸等物質(zhì)供產(chǎn)甲烷菌利用。

4　結(jié)論

煤連續(xù)產(chǎn)生物氫和甲烷是一個(gè)全新的研究領(lǐng)域，是對(duì)微生物采煤方法的重要補(bǔ)充。本次實(shí)驗(yàn)分別研究了煤制生物氫氣、煤制生物甲烷和連續(xù)產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷的最佳條件，實(shí)現(xiàn)了煤制生物氫氣和甲烷的可控性。pH值是控制產(chǎn)氫以及產(chǎn)甲烷的一個(gè)重要因素，發(fā)酵產(chǎn)氫最適宜的初始pH值在6.0左右，產(chǎn)甲烷pH值則在7.5左右。重金屬對(duì)產(chǎn)氫的影響較為嚴(yán)重，采用EDTA二鈉絡(luò)合一部分重金屬，可顯著提高氫氣產(chǎn)率。產(chǎn)氫廢料再發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單獨(dú)的產(chǎn)甲烷發(fā)酵時(shí)所產(chǎn)生的甲烷，此時(shí)所獲得的甲烷濃度提高了9.4％，甲烷產(chǎn)率提高l.1倍，產(chǎn)生的可燃?xì)怏w(氫氣與甲烷)總量提高了2.2倍。

煤連續(xù)產(chǎn)生物氫和甲烷充分利用了煤基質(zhì)，不僅獲取了甲烷，而且獲取了更為潔凈的氫氣。通過極端微生物的馴化培養(yǎng)，將其注入采空區(qū)，使之將一部分殘煤轉(zhuǎn)化為潔凈能源被利用是一個(gè)非常有潛在價(jià)值的研究領(lǐng)域，因?yàn)椴煽諈^(qū)的殘煤、未采的薄煤層以及巖層中的分散有機(jī)質(zhì)都可作為微生物的作用對(duì)象。如果這一技術(shù)取得突破，中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生重大調(diào)整，大氣環(huán)境質(zhì)量將得到根本改善。

 

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本文作者：蘇現(xiàn)波  陳鑫  夏大平  司青

作者單位：河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院

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