从非产气褐煤中用微生物生产天然气的可行性

本文的研究基于假设,即非生产褐煤中微生物甲烷可以被激发生成,微生物种群应在甲烷生产这些过程中进行转换。研究目的是,测定从已检测出无甲烷生产的褐煤样品中激发微生物甲烷生产的可行性。

一、引言

煤建造中的天然气是一种非常规能源。自20世纪90年代以来,人们对识别生物成因煤层天然气源的兴趣与日俱增,通过激发煤层中微生物活性来恢复和提高天然气产量。
本研究的假设是,非生产褐煤中微生物甲烷可以被激发生成,微生物种群应在甲烷生产这些过程中进行转换。本研究的目的是,测定从已检测出无甲烷生产的褐煤样品中激发微生物甲烷生产的可行性。

二、方法和材料

(一)采样地点和样品采集

从已知的褐煤层中以钻心的形式采集煤样品。褐煤矿心被储存在充入氮气或氩气的密封塑料容器中,以尽量减少与周围空气接触。在建造水样品采集(与钻心同一位置)之前,3个井体积的地层水被泵出。空气暴露被最小化,容器被密封且没有顶部空间,而氮气或氩气被用来清除容器内的水。
褐煤和建造水样品采自澳大利亚、中国和印度尼西亚。

(二)微生态系统设置

微生态系统由各取样点位的褐煤和建造水组成,建立在实验室中充满氮气背景气体厌氧手套箱内的125毫升血清瓶中。所有的实验活动,诸如煤和建造水的处理、称量、溶液配制和微生态系统的密封,都在手套箱内进行,以使氧接触最小化。所有用于微生态系统的容器和工具都经过蒸压灭菌,以避免微生物污染。

(三)气体和微生物分析

本研究通过直接取样的方式分析微生态系统顶部空间气体组分,即用注射器穿过每个微生态系统的隔膜进行取样,然后注射到一个装有热导检测器(GC-TCD)和3英尺×1/8英寸的不锈钢HayeSep D填充柱的SRI 310C气相色谱仪。用超高纯度氦气作载气。在注射器穿刺的位置,每个微生态系统的隔膜用硅酮密封。

三、结果

(一)天然气生产

微生态系统顶部空间气体成分分析测定单位质量褐煤中甲烷和二氧化碳的生成量(表1)。

表1 处理过的微生态系统的甲烷产率和产气率

(二)微生物分析

细菌量是相关微生态系统在用Total Lab软件分析的电泳凝胶DNA密度上来体现的。印度尼西亚褐煤的细菌量似乎最大(5.85×108 DOI),而中国褐煤的细菌量似乎最小(2.14×107 DOI)。营养处理大幅提高了3个地区褐煤样品中的细菌总量,印度尼西亚、中国和澳大利亚的样品分别提高了13%、350%和529%,与未处理的样品呈相反的趋势。
从产甲烷菌的计数数据上看,3个地区采集的褐煤样品中,印度尼西亚褐煤中的产甲烷菌最多。

四、讨论

微生态系统研究结果表明,在非产煤层的褐煤中,天然微生物群落可以被激发产生实时甲烷。
在我们的研究中,不同褐煤样品之间存在甲烷产率、细菌量和产甲烷菌的差异,这可以部分归因于每个采样点位的特殊地质条件。因此,微生物群落对营养改良剂具有不同的响应,并且由于微生物群落的变化可能导致甲烷主要产生途径的改变。

本研究的主要目的是确定煤中生物成因煤层天然气实时生产的可行性。通过利用实验室微生态系统这一工具得到的结果表明,随着非碳质营养物的改良,甲烷可以从褐煤中产生,这种天然气的产生完全归因于褐煤基质中的土著微生物。研究较少的褐煤的选择和从无产气历史地区的样品采集为支撑测定甲烷“实时”生成建立了一个明确的基准。这一研究成果对工业应用特别重要,这些应用依靠实施和提高低阶煤(如褐煤)的甲烷产量的工程技术。在3个不同地理区域的褐煤样品中,甲烷的产生显示了从具有较低或无社会经济价值的低热值的褐煤生产天然气的机会。

资料来源:Paul H. Fallgren, Cuiping Zeng, Zhiyong Ren, Anhuai Lu, Shijin Ren, Song Jin. Feasibility of microbial production of new natural gas from non-gas-producing lignite. International Journal of Coal Geology, 2013, 115: 79~84.

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