0 引 言
煤层气作为一种绿色清洁能源，其开发与利用， 可以大幅降低煤炭资源的开采成本，确保能源的可 持续发展。煤层气按其形成原因可分为生物成因煤 层气和热成因煤层气。生物甲烷是生物成因煤 层气的主要成分，其产生主要是通过微生物分泌的 很多胞外活性物质而发生作用的。然而相较于一般 的大分子有机物，煤的分子结构更加复杂，严重降低 了生物有效性，微生物直接作用率低，影响生物煤层 气的产率。为解决此问题，有学者提出了通过煤 的预处理技术改变煤体性质，从而提高煤本身的生 物有效性。已报道的预处理方法多应用于煤转化有 机酸和生物溶煤方面，而在煤转化生物甲烷方面 的研究较少。其中，煤的氧化是化学预处理的一 种重要手段，能够打断煤中的化学键，破坏煤的大分 子结构，有效实现煤的转化和改性。
1 试验材料和方法
1．1 试验材料
试验所用煤样有 2 种，分别是取自山西省中南 部沁水盆地的高煤阶煤和山西省左权县的中煤阶 煤。将样品破碎研磨，过 0．15 mm( 100 目) 筛，在 45 ℃下干燥 6 h 待用，2 种煤样的工业分析和元素分析 结果见表 1。试验所用菌种由沁水盆地煤层气田产 出水经过富集得到。试验所用培养基主要包括微量 元素、维 生 素、基 础 培 养 基 和 半 胱 氨 酸 － 硫 化 钠 溶液。
1．2 h2o2预处理煤样
将质量分 数 30% 的过氧化氢水溶液稀释为 0．05%、0．5%、5% 三 种 浓 度，分 别 对 2 种 煤 阶 的煤样进行 预 处 理。具 体 操 作 如 下: 准 确 称 取 5 g 干燥后的煤 样 置 于 100 ml 的洁净小烧杯中，加 入 25 ml 配制好的低浓度*，在 25℃ 的条件下通过磁力搅拌器（其林贝尔磁力搅拌器gl-6250b）以 700 r /min 的速度 持续搅拌 12 h。通过真空过滤装置搭配 0． 7 μm whatman 滤膜 进 行 固 液 分 离，收集残煤及滤液。 残煤置于烘箱中，45 ℃ 下干燥 6 h 待用; 向收集 到的滤液中加入 0．1 g mno2，不断搅拌以除去残 余的过氧化氢，待滤液中不再有气泡生成时，再 次通过真空过滤装置进行固液分离，收 集 滤 液 待用。
2 结果与讨论
高煤阶煤经不同浓度 h2o2预处理后，残煤( 固 相) 、滤液( 液相) 及混合( 固液混合) 的降解产甲烷 情况如图 1 所示。0．05%和 0．5% h2o2预处理的 2 组试验，甲烷产量趋势均为滤液＞混合＞残煤＞阳性 对照组。其中，0．05%h2o2处理过的样品，滤液单独 降解的甲烷产量为 66 μmol /g，相比阳性对照组的 26 μmol /g，高出 154%; 混合及残煤降解产气量分别 为 51、34 μmol /g，相比阳性对照组分别增产 96%和 31%。经过 0．5% h2o2处理的样品，滤液、混合、残 煤降解产气量分别为 69、45、41 μmol /g，相比阳性对 照组分别增产 165%、73%和 58%。经过 5%h2o2处 理的样品，残煤单独降解产气，甲烷产 量可达 38 μmol /g，相比阳性对照组的 26 μmol /g，高 出 46%。滤液及混合降解产气量均低于阳性对照 组，分别为 12、13 μmol /g。
分析上述数据，可以明显看出，h2o2预处理高 煤阶煤可以达到增产生物甲烷的效果。其中，0． 5% h2o2处理高煤阶煤的滤液产气，这是 因为煤分子中化学键断裂导致产出液中有机组分 的浓度增大，从而提高了生物有效性。将残煤 和滤 液 的 产 气 量 进 行 加 和，可 以 看 出，经 过 0． 05%、0．5%和 5% h2o2预处理的滤液和残煤单独 降解的甲烷产量加和分别为 100、110、50 μmol /g， 显著高于二者混合后的降解甲烷产量，比阳性对 照组分 别 高 出 280%、323% 和 92%，增 产 。同时，该结果也说明，单独分析预处理所得固 相、液相产物的生物甲烷生成情况可能会放大预 处理的增产效果，未来研究应更多考虑固液相混合 状态的生物甲烷生成情况，以明确预处理对生物甲 烷的增产能力。
3 结 论
1) 以 h2 o2 预处理增产生物甲烷为目的，用 0．05%、0．5%和 5%的 h2o2溶液分别处理高煤阶煤 和中煤阶煤，分析不同处理所得固相、液相、固液混 合的生物甲烷产生情况，以明确 h2o2预处理对生物 甲烷的增产效果，并通过试验验证了 2 种工业应用 方法。
2) 研究结果表明，液相产物单独降解的甲烷产 量，高煤阶煤可达 68 μmol /g，增产 161%; 中煤 阶煤可达 57 μmol /g，增产 338%。高阶残煤降解产 甲烷量随 h2o2浓度的增大而增大，5%h2o2 处理条 件下的甲烷产量为 38 μmol /g，相比对照组提高了 46%，增产效果突出。
3) 根据试验结果，对 h2o2预处理的工业应用方 法提出了 2 种思路，并进行了相应的试验研究。一 种是将 0．05%h2o2直接注入煤层进行反应; 另一种 是将预处理液注入煤层中，再进行生物降解。2 种 思路各具优势，试验证实均可实现生物甲烷的增产， 高煤阶煤分别增产 96%和 106%，中煤阶煤分别增 产 38%和 198%。该研究结果对微生物增产煤层气 的现场应用具有重要指导意义。
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