本發(fā)明屬于微生物制取生物煤層氣
技術(shù)領域：
，具體涉及一種利用微生物復合菌劑降解轉(zhuǎn)化低階煤以增產(chǎn)煤層氣的方法。
背景技術(shù)：
：低階煤是指煤化程度較低的煤，具體說來包括褐煤、長焰煤、不粘煤、弱粘煤和氣煤。我國低階煤儲量豐富，占全國煤炭儲量的46％，其中已探明的褐煤保有儲量已經(jīng)達到1013億噸，但長期以來，低階煤由于其熱值低、含水量高、含氧量高、容易風化或自燃，穩(wěn)定性差，不適宜作為動力燃料使用，開采不僅附加成本高且容易造成環(huán)境污染，不采又造成能源的浪費，對于低階煤的開發(fā)陷入兩難境地，因此如何高效利用低階煤是能源利用的新問題。近幾十年來，隨著次生生物氣理論的證實，煤層中原本就存在微生物群落，可以將煤從大分子到小分子逐級轉(zhuǎn)化為甲烷，只是微生物受原始地層環(huán)境影響，產(chǎn)氣量低。尤其是scott提出次生生物氣理論以來，大量高效產(chǎn)氣工程菌的發(fā)現(xiàn)，微生物增產(chǎn)煤層氣作為一種新的煤層氣增產(chǎn)方式進入人們的視野。煤是由植物演化而來的，特別是低階煤，通常含有大量木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的多環(huán)芳香的有機質(zhì)，現(xiàn)有研究已經(jīng)證實，低階煤更易被微生物降解，且經(jīng)過微生物處理后的煤，煤炭生物降解轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的發(fā)熱量與原煤的發(fā)熱量大致為原煤的94％-97％，而其中的腐殖酸會不同程度增加，如褐煤經(jīng)過微生物處理后中的腐植酸從原煤的13.6％提高到25％～26％。由此可見，微生物處理低階煤不僅可以產(chǎn)生清潔氣體能源，且處理后的煤樣又可以進一步成為腐植酸資源。因此，微生物增產(chǎn)煤層氣不僅是低階煤高效利用的新方法，更是煤炭清潔技術(shù)、綠色開發(fā)的不二之選?，F(xiàn)有技術(shù)雖然開啟了溶煤微生物原位降解低階煤產(chǎn)生生物甲烷氣體的研究和探索，但這些發(fā)明在自然條件注入后存在不產(chǎn)甲烷或產(chǎn)甲烷效率低的現(xiàn)象，分析其原因：1.煤層環(huán)境與實驗室條件差異大，注入的外源菌在實際煤層環(huán)境下難以適應。煤層為地下煤層賦存深淺不一，含氧量、溫度、ph值、壓力各異；2.產(chǎn)甲烷過程中功能菌群不完備，或各階段菌群數(shù)量配比失調(diào)，發(fā)揮菌群協(xié)同作用差，不能持續(xù)產(chǎn)甲烷；3.注入的菌群對氧的需求存在差異，有的好氧，有的厭氧，有的是兼性菌，一步式注入外源菌群不便于氧氣的控制；4.產(chǎn)甲烷菌是產(chǎn)甲烷的最后一步，其數(shù)量和質(zhì)量是產(chǎn)甲烷的關(guān)鍵，而煤層本源產(chǎn)甲烷菌在原生環(huán)境中專性嚴格厭氧，生長緩慢，數(shù)量少活性低，即使通過外源菌供給了產(chǎn)甲烷菌所需底物，受其數(shù)量和活性所限，產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速度仍舊緩慢。因此，解決上述問題是能否高效降解低階煤并將其轉(zhuǎn)化為甲烷的關(guān)鍵問題。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明提供了一種利用微生物復合菌劑降解轉(zhuǎn)化低階煤以增產(chǎn)煤層氣的方法，現(xiàn)有技術(shù)雖然開啟了溶煤微生物原位降解低階煤產(chǎn)生生物甲烷氣體的研究和探索，但是微生物在自然條件下注入后存在溶煤限速、不產(chǎn)甲烷或產(chǎn)甲烷效率低的問題。本發(fā)明提供了一種利用微生物復合菌劑降解轉(zhuǎn)化低階煤以增產(chǎn)煤層氣的方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1，菌劑的制備步驟1.1，菌種的富集和馴化將黃孢原毛平革菌活化后接種于黃孢原毛平革菌培養(yǎng)基中進行富集擴大培養(yǎng)以及馴化，馴化7-8代后，得到黃孢原毛平革菌發(fā)酵液；將球紅假單胞菌活化后接種于球紅假單胞菌培養(yǎng)基中進行富集擴大培養(yǎng)以及馴化，馴化7-8代后，得到球紅假單胞菌發(fā)酵液；將洋蔥假單胞菌活化后接種于洋蔥假單胞菌培養(yǎng)基中進行富集擴大培養(yǎng)以及馴化，馴化7-8代后，得到洋蔥假單胞菌發(fā)酵液；步驟1.2，好氧復合菌劑的制備按照以下重量份稱取各組分：所述黃孢原毛平革菌發(fā)酵液6-11份、所述球紅假單胞菌發(fā)酵液4-6份、所述洋蔥假單胞菌發(fā)酵液8-12份；然后將各組分混合均勻，即得到所述好氧復合菌劑，所述好氧復合菌劑中菌落總數(shù)為1.0×106-1.0×1011cfu/ml；步驟1.3，厭氧復合菌劑的制備將沼氣發(fā)酵池取樣接種于產(chǎn)甲烷菌培養(yǎng)基中進行富集擴大培養(yǎng)，擴大培養(yǎng)7-8代后，得到厭氧復合菌劑；所述厭氧復合菌劑中菌落總數(shù)為1.0×106-1.0×1011cfu/ml；步驟2，營養(yǎng)液的制備往1000g水中分別加入40g廢糖蜜、8.5g磷酸二氫鉀、22g磷酸氫二鉀、33g磷酸氫二鈉、5g氯化銨，攪拌使各組分溶解后得到營養(yǎng)液；步驟3，煤層氣的采集以三軸滲流實驗系統(tǒng)模擬微生物注入低階煤的產(chǎn)氣過程，取標準煤樣置于反應釜中，設定軸壓為3-6mpa，圍壓為2-5mpa，按照3-6mpa的滲透壓定壓往反應釜中注入好氧復合菌劑，注入完畢后記錄注入量，此后3天每天往反應釜中注入空氣8-12min，當觀測到出口處氣液分離后分別集氣和集液，并測定產(chǎn)氣量和氣體成分，當檢測到氣體中氧氣含量低于1％時，將厭氧復合菌劑以3-6mpa的滲透壓注入反應釜，并記錄注入量，當檢測到甲烷含量達到30％時，開始收集生物煤層氣，當檢測到甲烷含量低于5％時，停止收集生物煤層氣，并注入營養(yǎng)液，其中營養(yǎng)液的注入量為好氧復合菌劑與厭氧復合菌劑總注入量的40-60％，當檢測到甲烷含量達到30％時，再重新開始收集生物煤層氣；當注入營養(yǎng)液無法使注入井中甲烷含量達到5％時，按照上述順序循環(huán)注入好氧復合菌劑、厭氧復合菌劑和營養(yǎng)液；步驟4，煤層氣采集完畢后采氣煤層的處理對經(jīng)步驟3產(chǎn)氣完畢后的標準煤樣進行再利用。優(yōu)選的，每升所述黃孢原毛平革菌限氮培養(yǎng)基中包含下述組分：3.0g煤粉、2.0g糊精、1.0g酒石酸銨、1.5mg維生素b1、0.5g吐溫80，1.5g苯甲醇，3.0g磷酸二氫鉀，余量為無菌水，ph為5-6。優(yōu)選的，每升所述球紅假單胞菌培養(yǎng)基中包含下述組分：3.0g煤粉、1.0g酵母膏、1.0g氯化銨、0.2g磷酸氫二鉀、0.3g四水氯化錳、2.0mg五水硫酸銅、0.5g氯化鈉、1.0g碳酸氫鈉、2.0g醋酸鈉、3.0mg七水硫酸鋅，余量為無菌水。優(yōu)選的，每升所述洋蔥假單胞菌培養(yǎng)基中包含下述組分：3.0g煤粉、6.0g葡萄糖、2.0g牛肉膏、3.0g蛋白胨、5.0g谷氨酸鈉、1.0g磷酸二氫鉀、0.2g硫酸鎂、0.1g氯化鉀，余量為無菌水。優(yōu)選的，所述煤粉的粒徑≤0.2mm。優(yōu)選的，每升所述產(chǎn)甲烷菌培養(yǎng)基中包含下述組分：0.4g磷酸氫二鉀、2.0g氯化鎂、0.4g磷酸二氫鉀、1.0g酵母浸入液、1.0g氯化銨、2.0g乙酸鈉、0.2g氯化鉀、2.0g氯化鈉、10ml微量元素溶液，余量為無菌水。優(yōu)選的，對經(jīng)步驟3產(chǎn)氣完畢后的標準煤樣進行再利用具體包括：對經(jīng)步驟3產(chǎn)氣完畢后的標準煤樣的煤質(zhì)進行分析，若分析出標準煤樣中灰分降低至10％以下，則表明含有該標準煤樣的煤層在抽離煤層中菌液后，可以開采中低灰煤；若標準煤樣中腐殖酸成份增加，則往反應釜中注入體積濃度為10％的稀鹽酸溶解標準煤樣，并抽離溶解的標準煤樣液體后，將腐殖酸提純加以利用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：1)本發(fā)明給出的復合微生物菌劑呈現(xiàn)協(xié)同效應，可以加速產(chǎn)甲烷菌的富集，縮短厭氧產(chǎn)氣的時間，尤其對低階煤煤層中纖維素、腐殖質(zhì)以及各類含碳大分子的低階煤具有很強的降解產(chǎn)氣能力；此外，本發(fā)明中復合微生物菌劑注入方法簡單易行，具有投入低、綠色環(huán)保、清潔等優(yōu)點，且作用時間長，可以有效延長氣井壽命。2)本發(fā)明中復合微生物菌劑還具有溶煤的功效，溶煤產(chǎn)氣結(jié)束后可以有效提高多孔介質(zhì)-煤的孔隙數(shù)量和孔隙的連通性，使得孔隙、裂隙增加，較注水、注熱或壓裂有更優(yōu)越的增透效果。且本方法還從源頭上增加了煤層內(nèi)甲烷含量，不僅是低階煤高效清潔開采的好方法，同樣也是增產(chǎn)煤層氣的好方法，為此可以推廣到廢棄煤層氣氣井、采空區(qū)或尾礦中去。附圖說明圖1為本發(fā)明的復合菌劑制備流程圖；圖2為本發(fā)明階段實施效果圖。具體實施方式為了使本領域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案能予以實施，下面結(jié)合具體實施例以及附圖對本發(fā)明作進一步說明，但所舉實施例不作為對本發(fā)明的限定。本發(fā)明中所用黃孢原毛平革菌、球紅假單胞菌、洋蔥假單胞菌均購買于中國農(nóng)業(yè)微生物菌種保藏管理中心，下述各實施例中所述實驗方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法。實施例1一種利用微生物復合菌劑降解轉(zhuǎn)化低階煤以增產(chǎn)煤層氣的方法，包括以下步驟：步驟1.1，菌種的富集和馴化將黃孢原毛平革菌活化后接種于黃孢原毛平革菌培養(yǎng)基中進行富集擴大培養(yǎng)以及馴化，馴化8代后，得到黃孢原毛平革菌發(fā)酵液；黃孢原毛平革菌馴化培養(yǎng)時，梯度設置馴化培養(yǎng)條件，逐漸提高菌株對低氧、高壓、低溫的耐受度，具體的馴化梯度條件設置見表1：表1黃孢原毛平革菌馴化梯度條件將球紅假單胞菌活化后接種于球紅假單胞菌培養(yǎng)基中進行富集擴大培養(yǎng)及馴化8代后，得到球紅假單胞菌發(fā)酵液；將洋蔥假單胞菌活化后接種于洋蔥假單胞菌培養(yǎng)基中進行富集擴大培養(yǎng)以及馴化，馴化8代后，得到洋蔥假單胞菌發(fā)酵液；其中，球紅假單胞菌、洋蔥假單胞菌馴化培養(yǎng)時，梯度設置馴化培養(yǎng)條件，逐漸提高菌株對低氧、高壓、低溫的耐受度，具體的馴化梯度條件與黃孢原毛平革菌馴化培養(yǎng)梯度條件相同；步驟1.2，好氧復合菌劑的制備按照以下重量份稱取各組分：所述黃孢原毛平革菌發(fā)酵液8份、所述球紅假單胞菌發(fā)酵液5份、所述洋蔥假單胞菌發(fā)酵液10份；然后將各組分混合，攪拌均勻，即得到所述好氧復合菌劑，好氧復合菌劑中菌落總數(shù)為1.0×1010cfu/ml；步驟1.3，厭氧復合菌劑的制備將沼氣發(fā)酵池取樣接種于產(chǎn)甲烷菌培養(yǎng)基中進行富集擴大培養(yǎng)，擴大培養(yǎng)8代后，得到厭氧復合菌劑；厭氧復合菌劑中菌落總數(shù)為1.0×1010cfu/ml；步驟2，營養(yǎng)液的制備往1000g水中分別加入40g廢糖蜜、8.5g磷酸二氫鉀、22g磷酸氫二鉀、33g磷酸氫二鈉、5g氯化銨，攪拌使各組分溶解后得到營養(yǎng)液；步驟3，煤層氣的采集以三軸滲流實驗系統(tǒng)模擬微生物注入褐煤產(chǎn)氣過程，標準煤樣尺寸為φ50mmх100mm，質(zhì)量為251.2g,軸壓和圍壓分別設置為5mpa和4mpa，按照4mpa的滲透壓定壓往反應釜中注入好氧復合菌劑，注入時間為5h，注入量為420g，此后3天每天注入空氣一次10min，注入完畢后關(guān)閉注入閥門，當觀測到出口處氣液分離后分別集氣和集液，測定產(chǎn)氣量和氣體成分，當檢測到產(chǎn)氣中氧氣含量低于1％時，將厭氧復合菌劑以4mpa的滲透壓注入，注入量為380g，注入后關(guān)閉注入閥門，連續(xù)20天內(nèi)每天檢測產(chǎn)氣中甲烷含量，當檢測到甲烷含量達到30％時，開始收集生物煤層氣，收集過程中每天檢測產(chǎn)氣中甲烷含量，當檢測到甲烷含量低于5％時，停止收集生物煤層氣，并注入營養(yǎng)液，其中營養(yǎng)液的注入量為好氧復合菌劑與厭氧復合菌劑總注入量的60％，當檢測到甲烷含量達到30％時，再重新開始收集生物煤層氣；當注入營養(yǎng)液無法使注入井中甲烷含量達到5％時，按照上述順序循環(huán)注入好氧復合菌劑、厭氧復合菌劑和營養(yǎng)液；步驟4，煤層氣采集完畢后采氣煤層的處理對經(jīng)步驟3產(chǎn)氣完畢后標準煤樣的煤質(zhì)進行分析，分析出標準煤樣中灰分含量為8.3％，則表明含有該標準煤樣的煤層在抽離煤層中菌液后，可以開采煤層；若標準煤樣中腐殖酸成份增加，則往反應釜中注入濃度為10％的稀鹽酸溶解標準煤樣，并抽離溶解的標準煤樣液體后，將腐殖酸提純加以利用。實施例2步驟1，菌劑的制備步驟1.1，菌種的富集和馴化將黃孢原毛平革菌活化后接種于黃孢原毛平革菌培養(yǎng)基中進行富集擴大培養(yǎng)以及馴化，馴化7代后，得到黃孢原毛平革菌發(fā)酵液；黃孢原毛平革菌馴化培養(yǎng)時，梯度設置馴化培養(yǎng)條件，逐漸提高菌株對低氧、高壓、低溫的耐受度，具體的馴化梯度條件設置見表2：表2黃孢原毛平革菌馴化梯度條件將球紅假單胞菌活化后接種于球紅假單胞菌培養(yǎng)基中進行富集擴大培養(yǎng)以及馴化，馴化7代后，得到球紅假單胞菌發(fā)酵液；將洋蔥假單胞菌活化后接種于洋蔥假單胞菌培養(yǎng)基中進行富集擴大培養(yǎng)以及馴化，馴化7代后，得到洋蔥假單胞菌發(fā)酵液；其中，球紅假單胞菌、洋蔥假單胞菌馴化培養(yǎng)時，梯度設置馴化培養(yǎng)條件，逐漸提高菌株對低氧、高壓、低溫的耐受度，具體的馴化梯度條件與黃孢原毛平革菌馴化培養(yǎng)梯度條件相同；步驟1.2，好氧復合菌劑的制備按照以下重量份稱取各組分：所述黃孢原毛平革菌發(fā)酵液11份、所述球紅假單胞菌發(fā)酵液4份、所述洋蔥假單胞菌發(fā)酵液8份；然后將各組分混合均勻，即得到所述好氧復合菌劑，所述好氧復合菌劑中菌落總數(shù)為1.0×1011cfu/ml；步驟1.3，厭氧復合菌劑的制備將沼氣發(fā)酵池取樣接種于產(chǎn)甲烷菌培養(yǎng)基中進行富集擴大培養(yǎng)，擴大培養(yǎng)7代后，得到厭氧復合菌劑；所述厭氧復合菌劑中菌落總數(shù)為1.0×1011cfu/ml；步驟2，營養(yǎng)液的制備往1000g水中分別加入40g廢糖蜜、8.5g磷酸二氫鉀、22g磷酸氫二鉀、33g磷酸氫二鈉、5g氯化銨，攪拌使各組分溶解后得到營養(yǎng)液；步驟3，煤層氣的采集以三軸滲流實驗系統(tǒng)模擬微生物注入褐煤的產(chǎn)氣過程，取標準煤樣尺寸為φ50mmх100mm，質(zhì)量為239.3g，軸壓和圍壓分別設置為6mpa和5mpa，按照3mpa的滲透壓定壓往反應釜中注入好氧復合菌劑，注入時間為6h，注入量為380g，此后3天每天注入空氣12min，注入完畢后關(guān)閉注入閥門，當觀測到出口處氣液分離后分別集氣和集液，測定產(chǎn)氣量和氣體成分，當檢測到氣體中氧氣含量低于1％時，將厭氧復合菌劑以3mpa的滲透壓注入，注入量為360g，注入后關(guān)閉注入閥門，連續(xù)20天內(nèi)每天檢測產(chǎn)氣中甲烷含量，當檢測到甲烷含量達到30％時，開始收集生物煤層氣，收集過程中每天檢測產(chǎn)氣中甲烷含量，當檢測到甲烷含量低于5％時，停止收集生物煤層氣，并注入營養(yǎng)液，其中營養(yǎng)液的注入量為好氧復合菌劑與厭氧復合菌劑總注入量的40％，當檢測到甲烷含量達到30％時，再重新開始收集生物煤層氣；當注入營養(yǎng)液無法使注入井中甲烷含量達到5％時，按照上述順序循環(huán)注入好氧復合菌劑、厭氧復合菌劑和營養(yǎng)液；步驟4，煤層氣采集完畢后采氣煤層的處理對經(jīng)步驟3產(chǎn)氣完畢后標準煤樣的煤質(zhì)進行分析，分析出標準煤樣中灰分含量為7.8％，則表明含有該標準煤樣的煤層在抽離煤層中菌液后，可以開采低中灰煤；若標準煤樣中腐殖酸成份增加，則往反應釜中注入濃度為10％的稀鹽酸溶解標準煤樣，并抽離溶解的標準煤樣液體后，將腐殖酸提純加以利用。需要說明的是，每升黃孢原毛平革菌限氮培養(yǎng)基中包含下述組分：3.0g煤粉、2.0g糊精、1.0g酒石酸銨、1.5mg維生素b1、0.5g吐溫80，1.5g苯甲醇，3.0g磷酸二氫鉀，余量為無菌水，ph為5-6；每升球紅假單胞菌培養(yǎng)基中包含下述組分：3.0g煤粉、1.0g酵母膏、1.0g氯化銨、0.2g磷酸氫二鉀、0.3g四水氯化錳、2.0mg五水硫酸銅、0.5g氯化鈉、1.0g碳酸氫鈉、2.0g醋酸鈉、3.0mg七水硫酸鋅，余量為無菌水；每升洋蔥假單胞菌培養(yǎng)基中包含下述組分：3.0g煤粉、6.0g葡萄糖、2.0g牛肉膏、3.0g蛋白胨、5.0g谷氨酸鈉、1.0g磷酸二氫鉀、0.2g硫酸鎂、0.1g氯化鉀，余量為無菌水；煤粉的粒徑≤0.2mm；每升產(chǎn)甲烷菌培養(yǎng)基中包含下述組分：0.4g磷酸氫二鉀、2.0g氯化鎂、0.4g磷酸二氫鉀、1.0g酵母浸入液、1.0g氯化銨、2.0g乙酸鈉、0.2g氯化鉀、2.0g氯化鈉、10ml微量元素溶液，余量為無菌水。實施例1和實施例2的方法均利用微生物復合菌劑降解轉(zhuǎn)化了低階煤，極大的提高了煤層氣產(chǎn)量。為了說明實施例1和實施例2的效果，以同種實驗條件但沒有注入好氧微生物復合菌劑，直接注入馴化后厭氧菌劑的褐煤作為參照，對比三種注入方法的甲烷產(chǎn)生時間、產(chǎn)氣速率及總產(chǎn)氣量，具體結(jié)果見表3：表3微生物復合菌劑降解轉(zhuǎn)化低階煤的產(chǎn)氣參數(shù)樣品初始產(chǎn)氣時間(d)產(chǎn)氣速率(ml/d.kg)產(chǎn)氣量(l)實施例15103.22.59實施例2580.71.93對比樣920.60.5從表3可以看出，實施例1和實施例2的產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣量均遠遠高于不加入微生物復合菌劑的低階煤的產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣量，因此，本發(fā)明利用微生物復合菌劑降解轉(zhuǎn)化低階煤以增產(chǎn)煤層氣的方法具有明顯的優(yōu)勢，可以推廣使用。實施例1和實施例2在第一階段注入馴化好的好氧復合菌劑，利用好氧復合菌劑產(chǎn)生的厭氧生存環(huán)境和溶媒增加煤層的孔隙率和滲透性，從而使溶媒后的產(chǎn)物可被后續(xù)注入的厭氧微生物進一步轉(zhuǎn)化；而后第二階段注入?yún)捬鯊秃暇鷦搹秃暇鷦┌凑諏嶋H地層賦存條件進行馴化，主要功能是高效產(chǎn)甲烷，在厭氧條件下將第一階段的二氧化碳和氫氣轉(zhuǎn)化為甲烷；第三階段注入營養(yǎng)液，保持微生物活性并維持菌液ph值。這三個階段協(xié)同作用，加速了產(chǎn)甲烷菌的富集，縮短了厭氧產(chǎn)氣的時間，尤其對低階煤煤層中纖維素、腐殖質(zhì)以及各類含碳大分子的低階煤具有很強的降解產(chǎn)氣能力。因此，本發(fā)明從源頭上增加了煤層內(nèi)甲烷含量，不僅是低階煤高效清潔開采的好方法，同樣也是增產(chǎn)煤層氣的好方法，為此可以推廣到廢棄煤層氣氣井、采空區(qū)或尾礦中去。本發(fā)明權(quán)利要求書中涉及數(shù)值范圍時，應理解為每個數(shù)值范圍的兩個端點以及兩個端點之間任何一個數(shù)值均可選用，由于采用的步驟方法與實施例1-2相同，為了防止贅述，本發(fā)明的描述了優(yōu)選的實施例，但本領域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。顯然，本領域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。當前第1頁12