张娜 1 尹雪峰 1 ![]()
王子琛 1刘浩 1黄敏婕 1王浩 1梁东旭 1胡佳楠 2
1. 内蒙古大学生态与环境学院，内蒙古自治区环境污染控制与废物资源化重点实验室，内蒙古自治区 呼和浩特 010021
2. 呼和浩特市检验检测中心，内蒙古自治区 呼和浩特 010000DOI：10.12034/j.issn.1009-606X.223310
摘 要 微生物增产煤层气(Microbially Enhanced Coalbed Methane, MECBM)是一种具有潜力的清洁且低成本技术，在实现“碳中和”目标中发挥着重要作用。因此，MECBM的勘探开发已成为相关领域的研究热点。本工作详细阐述了MECBM的理论基础和反应过程，对影响该过程的环境因素和生物因素进行了系统分析，并且提出了各因素作用机理。研究发现，在MECBM过程中，甲氧基的酸化反应起到了决定性的作用，温度、接种量、营养元素的添加和预处理方式等都极大程度地影响微生物生长和代谢，优化以上生产条件不仅可以增加煤层气产量，还可以显著提高煤层气中甲烷的浓度。此外，本研究还提出了当前微生物增产煤层气需要进一步研究的技术领域，这些研究将为现场增产和加强煤层气开发提供理论基础。
我国拥有丰富的煤炭储量，同时也是世界上最大的煤炭消耗国，煤炭开采利用率低且燃烧带来的环境污染问题日益严重，因此，寻求清洁可替代能源已成为当务之急[1]。煤层气(Coalbed Methane, CBM)是一种清洁的非常规天然气，存在于煤层中并以甲烷为主要成分[2]。在过去的十年中，世界各地对煤炭转化为清洁可替代能源的兴趣越来越浓厚，并在多地发现了由本地微生物降解产生的生物煤层气[3]，然而，在煤层气的开发过程中，抽采率和利用率通常较低。为提高煤层气开发产量，基于原生煤层气的生物成因理论，Scott[4]在1999年首次提出微生物增产煤层气(Microbially Enhanced Coalbed Methane, MECBM)技术，该技术手段包括向煤层中投加产甲烷菌菌种及其成长所需的营养物质，以促进其更好地产生甲烷气体，达到煤层气增产的效果。MECBM具有安全性高、低成本、环境友好等优点，对社会和生态环境保护具有重大意义。这一技术有望在未来得到更广泛的应用和发展，为我国的能源结构调整和生态环境保护作出更大的贡献。生物煤层气的生成是由一系列产甲烷菌复杂的厌氧发酵过程所组成的，该过程受到许多单因素和多因素的联合影响。多年来，学者们主要对煤矿地质条件、煤生物甲烷化发生过程及煤生物甲烷化影响因素进行了研究，包括煤层中水文地质条件、煤转化过程微生物菌群变化及各种甲烷增强方式[5]。其中甲烷增强方式能够极大地提高煤厌氧发酵产气量，其增产方式大致分为：(1) 煤样的预处理；(2) 使用不同培养基；(3) 改变培养条件。这些方式已经对MECBM的发展作出了贡献，然而，目前该领域的系统总结较少，为弥补这一不足，笔者从MECBM作用机理及近年来学者们研究的影响因素两个方面总结了国内外关于MECBM的相关研究，并对其中的影响因素发生机理进行分析，综合概述并比较了生物煤层气的增产方式。在此基础上提出目前研究中遇到的挑战与未来展望，为我国MECBM现场试验提供理论支撑，促进煤层气产业的发展。天然煤层气通过两种途径生成：即热能成因和生物成因。热能成因煤层气是煤在高温和地面压力的共同作用下，使煤中的有机物发生脱氧、脱氢、富含碳的同时产生大量甲烷和其他气体[6]。生物成因煤层气是多种微生物在适宜的环境条件下，将煤炭中复杂的有机质转变为气态的CH4和CO2的过程[7]。此外，煤层气还可以根据其成因分为原生生物煤层气和次生生物煤层气，原生生物煤层气是煤炭通过泥炭化形成的，在地面压力的作用下从地面溢出；次生生物煤层气是经过一系列地质变化形成的，如盆地边缘的埋藏、煤化及发生隆起和侵蚀后由水中的细菌发酵所产生[8,9]，我国主要次生生物煤层气特征见表1。表 1 我国次生生物煤层气地球化学组成特征Table 1 Characteristics of geochemical composition of secondary biogenic gas coalbed methane generation in China
厌氧发酵的水解阶段是发酵过程中的限速步骤，因此如何有效提高水解速率是当前研究的主要内容。研究表明，高等级的煤是由更难以生物降解的化合物组成，所以更加难以降解；而低等级的煤相对而言更易降解，例如，美国北达科他州有一种风化后的褐煤，在自然条件下即可降解。多年来，学者们已经进行了一系列的研究，探讨了各种因素对生物成因煤层气的影响，主要分为两种类型：一种是通过改变微生物环境或添加微生物生长发育所需物质以增加煤的生物产气率；另一种则是通过物理、化学和生物预处理的方式破坏煤的结构以提高煤的生物产气率。这些方法均已被证明可以有效提高生物甲烷产量，表2中详细讨论了以上方法的工作机制及其相对于空白实验的加强效果。表2 不同实验条件下甲烷生产潜力Table 2 Methane production potential under different experimental conditions
微生物生长需要适宜的温度，温度对发酵过程水解和酸化作用的影响显著，在适宜温度下，水解酶的活性增强，能够加快大分子转化为小分子。产甲烷菌对温度极其敏感，其生长发育会在一定程度上受到温度的影响，国内外学者为了解温度对厌氧发酵甲烷生成的影响，进行了不同温度条件下厌氧发酵产甲烷过程的相关研究[36-38]。研究表明，中温条件下，产甲烷菌在4~45℃的环境中最活跃，且甲烷产量与温度呈正相关，最适宜生存温度为35~42℃。然而，当温度达到48℃时，被认为是耐受极限，主要限制原因是：随着温度升高，水解过程的发生速率有所提高，但是酸化过程会受到抑制，使得产甲烷菌生存环境发生改变，活性降低。郭鑫等[39]在对沁水煤田矿井水的研究中发现，产甲烷菌最适生长环境温度为30℃。由于大多数不可开采的煤层均处于较高的温度范围，所以学者们也对产甲烷菌的耐高温程度进行了探究。通过实验发现，本土嗜热产甲烷菌的最佳温度为45℃，产甲烷菌群在该条件下产甲烷浓度最大[8]。嗜热条件下(55℃)，污泥的厌氧发酵产甲烷量与产氢量最大，极端嗜热(70℃)的发酵条件下，产甲烷量与产氢量居于第二，嗜热条件下的发酵液中测得乙酸盐和丁酸盐的浓度最高[40]。低温状态有利于生物质乙酸和丙酸降解，嗜热条件有利于乳酸发酵[41]，超嗜热条件下乳酸成为代谢的主要有机酸。高温可以提高水解酶活性，促进水解，并促进大分子转化为微分子过程，提升煤基质的溶解度；还可以增强参与发酵的细菌细胞新陈代谢和生长动力学，使甲烷生产率得到提高。随着温度升高，甲烷分子的扩散速率也在不断增大，发酵时间缩短[42]。但温度的不断升高也会增加发酵液中的挥发性脂肪酸浓度，从而导致发酵系统停滞，而且随着温度不断升高微生物多样性也在逐渐减少。产甲烷菌会在一定温度范围内活性较强，通常来说生物甲烷的产气率随温度升高而增大，达到峰值后再减小，温度超过阈值会对微生物产生负面影响，微生物生长速度减慢，生物活动停止，这与学者们研究的实验结果相吻合[43-47]。研究发现，温度对厌氧发酵影响如图2所示，可知当温度为30~50℃时产气量最大值出现的频率较高。![]()
图2 温度对厌氧发酵累积产气量的影响Fig.2 Effect of temperature on cumulative gas production in anaerobic fermentation
微生物对厌氧发酵产甲烷的生物利用度主要取决于底物浓度，煤炭与发酵液用量配比也会对实验结果产生影响，煤作为限制发酵产量的营养物质，投加量不同会导致不同的产气效果。理论上，煤作为有机物的添加量与煤发酵的产气量成正比，底物越多，微生物可利用的物质越多，产气量也会增加。但在有限的空间内过多的煤粉累积会限制甲烷活动，导致产气量降低。研究表明，煤粉过量会对生物制甲烷产生抑制作用，当煤浓度在介质中超过24% (w/v)时，观察到煤生成甲烷的转化率会有所降低[48,49]。经研究发现，添加煤粉量的不同会导致不同的质荷比，进而导致产气量不同[50]。李文哲等[51]在研究糠醛废水与秸秆联合厌氧发酵产甲烷实验中发现，当底物浓度为7%时，甲烷产量最大；底物浓度为8%和6%时，甲烷产量均低于底物浓度为7%的试验组。然而也有研究结果[25]表明，对不同质量的煤粉生产沼气进行研究时，发现随煤粉用量增加，甲烷的产生量与煤粉的用量呈正相关。对煤样进行不同固液比产甲烷实验，在固液比为1:20~1:10时，固液比对煤炭产气的影响并不明显[52]。发酵底物浓度较低时，产甲烷菌可利用的底物量不足，在这种情况下，发酵第一阶段产生的脂肪酸较少，此时产气量随有机物含量增加而增加，在剩余活性污泥(Waste Activated Sludge, WAS)和餐厨垃圾(Food Waste, FW)共发酵过程中，随着FW由10%增加至30%，溶液中最高的挥发性脂肪酸(Volatile Fatty Acids, VFAs)产量提高约2.6倍[53]。但过高的底物浓度会导致发酵底物不完全转化，并且造成有机酸的大量堆积，反而降低细胞活性。煤粒径对生物气生成量的影响较为明显。如图3(a)所示，粒径<0.075 mm和粒径>0.425 mm的煤与其他粒径的煤相比产气量存在明显差异；如图3(b)所示，粒径<0.30 mm与粒径为0.30~0.60 mm, 0.60~0.85 mm的煤产气量也存在显著性差异[54,55]。研究表明，当煤粉与微生物接触比表面积较小时，其有机物转化率会受到限制[56]。使用较小粒径的煤炭颗粒可以产生更多的高浓度甲烷气体，小颗粒培养物达到高产气量的时间较早，而大颗粒培养物的产气时间则较晚。使用三种不同大小粒径的煤炭颗粒进行实验，颗粒越小，产生的甲烷越多[57,58]。文献[59]表明，义马煤矿亚烟煤在粒径较小(0.15~0.109 mm)时可达到最大产甲烷量，将煤粒径由1.7 mm减小至0.106 mm时，产甲烷率增加了200%。但并不是煤粒径越小产甲烷率越大，Gupta等[60]对印度Jitpur矿的煤样进行了不同煤粒径的研究，分别设置-0.24+0.12 mm到-0.03+0.015 mm四个梯度粒径，结果表明，最佳煤粒径为-0.06+0.015 mm，而非实验处理的最小或最大粒径。Yan等[61]研究表明，使用大块立方体煤在较大空间的容器中进行产气实验，结果反而比压碎的煤样得到更大的产甲烷量。![]()
图 3 粒径对厌氧发酵最大甲烷产量的影响(a和b表示显著差异)[54,55]
Fig.3 Effect of particle size on maximum methane production in anaerobic fermentation (a and b represent significant differences)[54,55]
随着煤粒径减小，固液之间的接触面积与煤表面的破碎程度增大，某些难降解的复杂结构被打碎，从而加快煤中有机质的溶出，促进产甲烷菌群的降解。随着煤粒径不断减小，煤粉造成大面积堆积，反而缩小与菌液的接触面积，并且促进有毒物质大量累积，使产甲烷量呈下降趋势。当煤粒径<0.15 mm时，随着煤粒径减小，平均产气量增大，但粒径减小会导致发酵液中长链脂肪酸量增加[62]。水解效率低是固体发酵甲烷产量低的原因之一，因此大多数研究都集中在对发酵物进行预处理，从而加快水解速率，通过物理(研磨、超声波处理、超临界萃取、热预处理)、化学(酸碱氧化处理、臭氧预处理[63])和生物方法(酶预处理、真菌预处理)破坏煤的复杂结构，降低煤的顽固性，增加煤降解产生的基质[64]。热预处理(Thermal Pre-treatment, TPT)可以使厌氧发酵过程中的有机物被破坏，增加生物降解率和挥发性脂肪酸的产量[65]。物理预处理方法可以降低煤的聚合程度以提高其水解性能，但存在耗能高的缺点[66]。研究相对较多的是强氧化剂预处理，可在很大程度上对甲烷产量起积极的影响作用。经浓度为0.1和0.3 mol/L的NaOH预处理后，煤的最终产气量分别比原煤提高22.5%和38.8%；相较于原煤，低浓度NaOH (0.01 mol/L)预处理后，产气量反而受到抑制[67]。研究[36]表明，烟煤经H2O2预处理后，最大甲烷产量比原煤提高29.44%，烟煤经H2O2预处理后，可增加煤的含氧官能团，降低煤的晶体结构。通过强氧化剂高锰酸钾对煤进行预处理，可使煤中5.4%的总碳被溶解在水相中，这大大增加了煤的产气能力[68]。生物预处理在煤的降解过程中也起到了很好的效果，Haider等[69]利用真菌对煤样进行预处理，发现在厌氧条件下经青霉属菌处理后，能够溶解碳中的有机物，进而促进细菌和产甲烷菌的联合作用，提高煤炭中甲烷的释放量。此外，也有学者对白腐菌预处理煤样的增产能力进行了研究，白腐菌可以降解煤中的木质素，进而缩短煤产甲烷过程的水解时间，处理后的煤样表面更加粗糙，为微生物的吸附提供了更多的位点[23]。Chen等[70]分别对煤样进行化学预处理和生物预处理，结果表明，经过碱处理后，煤发酵气体的产量相较于对照组有所提高，且其产生的甲烷浓度增大，其次为酸处理的煤样，最后为经过白腐菌生物处理的煤样，但相较于未处理的煤样，几种预处理后的煤样产气能力均有不同程度的提高。为了解预处理对煤降解过程的作用，本工作对煤预处理过程中的可溶性有机物进行了分析，经过氧化处理的煤样和未经处理的空白煤样的非极性提取物成分不同。处理后的提取液中，乙酸盐浓度较高，乙酸盐是产甲烷菌发生作用的直接底物，预处理使得微生物降解和代谢更进一步[71]。煤经真菌预处理后，其中的多芳烃被解溶出来，细菌对煤预处理后，主要产生芳香族和脂肪族的混合有机物。但是传统的预处理方法会导致发酵液中挥发性脂肪酸含量增加，从而抑制发酵液中菌种的生长，因此需要寻找更为有效的方法以提高产气量。表3列举了较为典型的预处理方式及其作用机理。表 3 不同化学预处理方式作用机理Table 3 Reaction mechanism of different chemical pretreatment methods
营养元素是刺激微生物生长和繁殖的关键，同时也是促厌氧代谢过程中关键酶的合成的主要元素，营养元素可为微生物生长提供所需的化合物，也是微生物产甲烷作用中不可或缺的物质。适当的添加营养元素可对产甲烷起促进作用，学者们对营养元素在厌氧发酵产甲烷过程中的影响进行了广泛研究。添加微量元素在一定程度上能够促进生物甲烷的产气[75]，Zhu等[76]研究表明，微量元素(如Fe, Co, Ni)的添加对厌氧发酵产氢和产甲烷过程有积极的影响作用，其中Fe和Ni两种元素的促进作用尤为明显。学者们通过正交实验分析发现，添加四种微量元素(Fe, Co, Mo, Ni)均能在不同程度上提高产气量，对产气量大小的影响顺序依次为Co>Fe>Ni>Mo，添加合成材料(CoAl0.2Fe1.8O4 NPs)的实验组与未添加的对照组相比，甲烷产量提高了34.15%，此外，添加稀土元素同样证明有利于褐煤的降解，并提高产甲烷量[28,77,78]。最新研究[79,80]表明，在以煤为底物的发酵系统中添加0.1 g/L藻类生物质，可使煤样达到产气高峰的时间缩短17~19天，添加0.4 mg/L的石墨烯可有效提高整个发酵系统的产甲烷量，大大提高了产甲烷率。多位学者通过实验已证明，微量元素的添加在厌氧发酵过程中可以显著提高产气速率和产气量，同时对产甲烷菌的生长起到积极的激活作用。促进实验中优势菌的成长及微生物体内酶的合成。铁离子作为产甲烷菌能量代谢的关键功能蛋白的重要组成部分，能够增加腐植酸状态和游离状态的铁，这两种状态下的铁能够促进硫酸盐还原菌和甲烷菌的活性。镍是甲基辅酶还原酶的关键组成元素，其添加对产甲烷菌的生长也同样有促进作用。添加纳米级金属材料可促进优势菌的生长，抑制产酸细菌，加速乳酸的生物降解和丙酸的转化，从而促进生物甲烷的产生。研究[81]表明，添加化学试剂氧化钙与乙醇也可以促进厌氧发酵过程中有机物的释放和关键酶的活性，增加煤的溶解度。石墨烯具有极高的导电性和较大的比表面积，石墨烯的加入可使反应液中优势菌群发生变化，高导电性石墨烯增强了细菌降解过程中的电子转移，促进了细菌的增长繁殖，能够提高生物甲烷产量和乙醇的生产率。虽然添加微量元素对煤层气产气量有不同程度的提高，但会出现明显“低促高抑”现象，需要进一步对不同发育程度的煤样进行最佳添加量的具体研究。微生物增产煤层气技术为煤层气的开发提供了一条有效途径，多位学者使用简单的优化策略确定了微生物增产煤层气的最大甲烷产量，并证明了该技术的现场试验可行性。其研究结果主要包括以下几个方面：(1) 通过对微生物增产煤层气的影响因素线性优化，可以确定最佳操作条件，从而实现最大甲烷产量。(2) 微生物增产煤层气各因素的作用是独立的，其中外部因素对产气的促进作用显著大于内部因素。(3) 在煤层中注入营养物质及驯化后的菌种、改变煤层气环境、对煤样进行预处理等外部条件的改变可以有效提高微生物增产煤层气的能力。这些发现为实际生产提供了新的思路和方法。在进一步推广应用微生物增产煤层气技术时，需要深入研究和评估可能存在的风险和挑战。对于未来研究微生物增产煤层气技术，需要从以下方面进行加强：(1) 加强对产气机理与影响因素的研究。由于煤的复杂结构，目前对煤炭生物转化过程中小分子产物的研究仍停留在表面。未来研究需要继续深入，明晰产气机理与各种影响因素，并提出更为行之有效的方法促进煤层中甲烷产量的提高。(2) 探索新的微生物增产煤层气技术。利用基因工程技术改造或引入高效产气微生物，筛选和培养具有高降解能力和产甲烷能力的微生物菌株，优化产气效果。(3) 生物改造煤层。研究利用工程手段改变煤层条件，以提高微生物活性和煤层气产量。综上所述，未来研究需要从多个方面加强微生物增产煤层气技术的研究和应用，以实现该技术的可持续发展和广泛应用。
Research progress on the mechanism and influencing factors of microorganisms to increase coalbed methane production
Na ZHANG 1 Xuefeng YIN 1 ![]()
Zichen WANG 1Hao LIU 1Minjie HUANG 1Hao WANG 1Dongxu LIANG 1Jianan HU 2
1. State Key Laboratory of Environmental Pollution Control and Waste Recycling in Inner Mongolia Autonomous Region, Department of Ecology and Environment, Inner Mongolia University, Hohhot, Inner Mongolia 010021, China
2. Hohhot Inspection and Testing Center, Hohhot, Inner Mongolia 010000, ChinaAbstract: Microbially enhanced coalbed methane (MECBM) is an innovative technology for the extraction and utilisation of coalbed methane (CBM), which involves the microbial degradation and conversion of certain organic components of coal into methane gas. MECBM has great potential and environmental characteristics, and offers the prospect of establishing a new type of energy system, which will hopefully lead to the development of a sustainable energy source, and will effectively alleviate the challenges posed by energy shortages and greenhouse gas emissions. However, widespread application of MECBM technology faces the obstacles of historically low natural CBM production and sub-optimal quality. In order to understand the production potential of coal biogenic methane and the factors controlling the process, with a view to advancing the direction of its research towards continuous progress and effectively increasing coalbed methane production. This review summarises the mechanism and influencing factors of microbial CBM production, providing a theoretical basis for microbial CBM production. Firstly, the background and current research status of microbial production of CBM are reviewed. Subsequently, the basic theory and reaction process of coal biogenic methane production are summarised, showing that acidification of methoxy plays a decisive role in the process of coal biogenic methane production. Then, the environmental and biological factors affecting microbial enhancement of coalbed methane production are summarised, including the temperature of the coalbed, inoculum amount, nutrient addition, and pretreatment method. These factors have a significant impact on microbial CBM production, and optimising natural gas production conditions can not only increase CBM production but also significantly improve the methane concentration in CBM. In conclusion, microbial enhanced CBM technology has great potential and is expected to provide new solutions to the problems of energy shortage and greenhouse gas emissions by optimising production conditions and improving the viability and adaptability of microorganisms. Finally, this study outlines the current challenges and areas for further research in biogenic CBM development, providing a theoretical basis for increasing on-site production and enhancing CBM development.Keywords: coalbed methane；microbiological production increase；mechanism；factors引用本文： 张娜, 尹雪峰, 王子琛, 等. 微生物增产煤层气作用机理及影响因素研究进展. 过程工程学报, 2024, 24(6): 636-646. (Zhang N, Yin X F, Wang Z C, et al. Research progress on the mechanism and influencing factors of microorganisms to increase coalbed methane production (in Chinese). Chin. J. Process Eng., 2024, 24(6): 636-646, DOI: 10.12034/j.issn.1009‑606X.223310.)
作者简介：张娜，硕士研究生，环境科学与工程专业，E-mail: 1638773629@qq.com
作者简介：尹雪峰，副教授，燃烧污染物控制，E-mail: 107981216@qq.com
基金信息： 国家自然科学基金资助项目(编号：21767019)；内蒙古自治区科技成果转化引导项目(编号：2020CG0086)
中图分类号： P618.11
文章编号：1009-606X(2024)06-0636-11
文献标识码： A
收稿日期：2023-11-10
修回日期：2023-12-19
出版日期：2024-06-28
网刊发布日期：2024-06-26
