专利名称：一种利用微生物降解煤以制取生物气的方法煤层甲烷，又称煤层气，是一种新型洁净能源，也是我国重要的潜在接替能源。经过30余年的煤层气勘探开发历程，在美国已经实现了大规模商业化开发，2007年全美煤层气产量突破600亿立方米。我国在经历了 20余年的艰难探索后，目前在山西的沁水盆地、河东煤田实现了局部商业化开发，标志着这一洁净能源即将成为我国一次能源的重要补充， 将对我国能源结构的改善起推动作用。煤层气在全球范围内具有较大的储备量，然而，根据弗洛雷斯等的研究，一口典型煤层气井的开采期约为7-8年左右，此外，煤层气的消耗量也在逐年增加。因此，如何勘探开发出更多的潜在煤层气资源，是目前人们关注的焦点。常规煤层气开采方式主要为注水压裂开采煤层气以及新提出的注气压裂开采煤层气。然而，由于技术限制，目前的可采煤层多为可渗透煤层和浅煤层，且这种可利用的煤层气也面临枯竭。因此，寻找新的煤层气开采方式是目前各国面临的挑战。将煤转化为煤层气以增强煤层中煤层气的富集程度，便于常规煤层气的开采也是解决这个问题的新方法。20世纪80年代，国内外很多学者在实验室条件下发现微生物可以降解煤，随着研究的深入，越来越多的实验室证据证明煤可以被微生物降解产生甲烷，即煤可以在一定的条件下转化为生物成因煤层气。传统的采煤技术往往会产生采空区，煤矿采空区残留的煤占其资源总量的30-50%，是不可被再开采的资源，若能接种微生物进行原位处理，则可使这部分残煤转化为甲烷，实现生物采残煤，形成新的煤层气生物工程领域。此外，煤层生物甲烷的形成存在CO2还原途径已成为共识，因此，可向煤层注入CO2强化甲烷产出，同时将(X)2注入目前经济技术条件下还不可采的煤层(如深部煤层或薄煤层)，还能实现温室气体减排。
本发明的目的在于提供一种利用微生物降解煤以制取生物气的方法，以对目前的采空区中残煤进行充分利用。本发明采用的技术方案如下一种利用微生物降解煤以制取生物气的方法，步骤如下1)对目的区进行地质、采矿基础资料的收集，并采取煤样和水样，并对所取水样进行厌氧菌群检测；2)在目的区原始温度、pH和矿化度条件下，在实验室内模拟生物甲烷产出的环境，利用煤样进行无氧条件制生物气小样实验，以单位质量煤产出的甲烷量为标准，确定最适合的培养基配方以富集培养矿井水及煤中所含菌种；其中，目的区原始温度基本上在15-35°C间。无氧条件可以通过在反应瓶中充填N2进行保持。培养基为产甲烷菌富集培养基。3)在实验室小样实验中，同时设计需氧菌-厌氧菌联合降解模式的样品在煤样中同时加入白腐真菌菌液、水样以及培养基，确定各物质最佳的添加比例；
此步骤小样研究是为了与完全厌氧菌发酵样品做对比，以明确需氧菌对煤体降解及甲烷产出的贡献。在与步骤2)相同的温度、ρΗ、Η!条件下，添加白腐真菌菌液于反应瓶中(以菌液形式与煤体以一定比例进行混合)，不充填队，利用白腐菌消耗反应瓶内残余02，为后续的厌氧菌发酵提供无氧环境。同时也利用白腐菌对煤的良好降解能力，为后续甲烷的产出提供大量的小分子物质。后续厌氧菌只需加入水样以及培养基即可，为了试验便于进行，可将水样、培养基与白腐真菌菌液一起加入。4)根据目的区的含氧情况确定采用厌氧菌群发酵还是需氧菌-厌氧菌联合发酵的方式，根据实验室小样实验结果，确定培养基以及白腐真菌菌液的投加量；
5)对目的区制取生物气若为有氧环境，通过钻孔预先投加白腐真菌菌液于目的区中， 监测反应产出的CO2气体浓度，待目的区内形成无氧环境后，将步骤2)中确定的培养基与目的区所采水样混合，注入采空区中，密封井口，监测产出气体成分和浓度的变化；此过程中， 根据甲烷和二氧化碳的产出浓度、产出量，调整投加白腐真菌以及矿井水和培养基的量，最大程度地降解残煤；若为无氧环境，略去投加白腐真菌的步骤，直接进行注入培养基与目的区所采水样的操作；
6)待甲烷浓度达到可利用程度，通过地面煤层气抽采方式将转化后的生物气采出利用。步骤1)中所述对所取水样进行厌氧菌群检测为对矿井水中本源微生物进行分离计数并进行生理生化特征鉴定。对目的区进行地质、采矿基础资料的收集，具体可以通过煤岩学、煤化学、稳定同位素地球化学、水文地质学以及气相色谱技术研究，分析所采煤样的岩石学、化学组成和煤与气体碳同位素组成，查明目的区地下水水质和地下水介质条件。具体的，煤样可以通过绳索取心取样，水样通过钻孔处抽出取样。
所述的厌氧菌群为厌氧发酵菌、厌氧纤维素分解菌、硫酸盐还原菌以及产甲烷菌。步骤3)中，添加白腐真菌菌液进行实验的同时，设计无煤空白样以消除培养基产气的干扰。所述的白腐真菌菌液为白腐菌接种于PDA种子培养基中于35°C恒温培养3天所获得的菌液。步骤5)中，白腐菌菌液投加量以小样实验中添加量为参照注入采空区中。白腐真菌以及只含有产甲烷菌富集培养基的矿井水的第一次添加比例以小样实验为参照。然后根据监测结果进行调整，有必要时可多次添加。步骤6 )中，具体可建立地面煤层气井抽采装置，将转化后的生物气抽出利用。本发明提供的一种利用微生物降解煤以制取生物气的方法，主要是利用微生物对煤的有效降解和转化的能力，将采空区中大量残余煤转化为生物甲烷，以地面煤层气开采方式进行开发利用。一方面，对采空区中原有菌种(利于生物气产出的菌群)进行有针对性的原位富集，同时可根据不同的初始环境(有氧、无氧)选择不同的产气模式，亦可通过重复添加营养物质，以稀释有害代谢产物浓度并对菌群进行再次富集，使其多次降解转化残煤以产出生物甲烷，以达到有效利用残煤的目的。
本发明相对于现有技术，有以下优点
1)本发明适用于任何环境，有氧、无氧都可。可以采用需氧菌(白腐真菌)和厌氧菌联合降解煤体。白腐真菌需氧降解的特性可以预先消耗采空区内氧气，并产生大量二氧化碳等物质，为厌氧菌群创造生长环境，以保障生物甲烷的产出；同时，白腐真菌对煤体大分子结构(包括木质素、纤维素等)的有效降解也为产甲烷菌创造了大量的小分子物质，以辅助厌氧菌群合成生物甲烷气，增加煤体转化率，提高生物甲烷的浓度。
2 )白腐真菌对环境具有良好的适应性，且成本较低，具有工程开发的可行性。3)本发明在室温(15°C 35°C)情况下，均能保证生物甲烷的持续产出，无需考虑以升温方式激活菌种，从而有效降低开发成本。4)本发明有选择性和针对性的进行菌种的多次富集、投加，能更加有效地利用不同类型菌群，并提高其作用效果，增加煤体降解率，提高生物甲烷产出量。


图1为本发明微生物降解煤以制取生物气的方法流程框图。

(1)收集资料，同时采取煤样和水样，并对所取水样进行厌氧菌群检测。(2)以所采矿井水样作为菌种来源，在厌氧手套箱中，用产甲烷菌、产氢产乙酸细菌、厌氧纤维素分解菌及硫酸盐还原菌的培养基，进行分离计数，以明确其中本源微生物种类，并进行选择性培养，具体所用培养基配方如下
1)厌氧产氢产乙酸菌培养基
葡萄糖25g，胰蛋白胨3g，牛肉膏2.5g，酵母汁1. 5g, NaCl 5g, K2HPO4 lg，MgCl2 0. 4g，FeSO4 · 7H20 0. 3g，L-半胱氨酸 0. 5g，pH 7. 0-7. 2
2)厌氧纤维素分解菌培养基
硫酸氨3g，二水合磷酸氢二钾lg，硫酸镁0. 58g，NaCl lg，蒸馏水1000ml，pH 7. 0-7. 2。每管插入滤纸片一片，另加入还原剂L-半胱氨酸和氧化还原指示剂刃天青。3)产甲烷菌富集培养基
氯化铵lg，三水磷酸氢二钾0.4g，氯化钠40g，酵母膏lg，0. 1%刃天青lml，氯化镁 0. lg，胰蛋白胨lg，半胱氨酸0. 5g，蒸馏水1000ml。4)产甲烷菌分离培养基
NH4Cl IgjMgCl2 lg, K2HPO4 0. 4g, KH2PO4 0.4g，胰蛋白胨 2g，酵母浸膏 lg，微量元素液 10ml，维生素溶液 10ml，0. 2% 刃天青 1ml，蒸馏水 1000ml, pH 6.8-7.0。5)厌氧硫酸盐还原菌培养基
乳酸钠 3. 5g, Ii2HPO4 0. 5g, Na2SO4 0. 5g, MgSO4 · 7H20 2. Og, NH4Cl 1. Og, FeS04 · 7H20 0.5g，CaC12 O.lg，酵母膏 1. 0g，刃天青(0. 1%) lmL，蒸馏水 1000ml, pH 6.8-7.0。
6)基础厌氧培养基
蛋白胨20g，目示胨1.5g，牛肉膏1. 15g，酵母浸膏10g，葡萄糖3g，磷酸二氢钾2. 5g， 氯化钠3g，可溶性淀粉5g，L-半胱氨酸0.3g，硫乙醇酸钠0.3g，琼脂15g，蒸馏水 1000ml。7)白腐菌用PDA培养基
马铃薯60g，葡萄糖6g，蛋白胨1.5g，蒸馏水1000ml。8)微量元素液
氨基三乙酸 1. 5g, MnSO4 · 2H20 0. 5g, MgSO4 · 7H20 3. Og, FeSO4 · 7H20 0. lg, NaCl lg, CoCl2 · 6H20 0. lg, CaCl2 · 2H20 0. lg, CuSO4 · 5H20 0. Olg, ZnSO4 · 7H20 0. lg, H3BO3 0. Olg, Al(SO4)2 0. Olg，NiCl2 · 6H20 0. 02g, Na2MoO4 O.Olg，蒸溜水 1000ml。9)维生素溶液
生物素 2mg，叶酸 2mg, B6 IOmg, B2 5mg, Bl 5mg，烟酸 5mg，泛酸钙 5mg, B12 0. lg，对氨基苯甲酸5mg，硫辛酸5mg，蒸馏水1000ml。(3)实验室内模拟生物甲烷产出的过程，将煤样(粉状，过60目筛)与矿井水和产甲烷菌富集培养基以1:10:2的质量比例混合，在初始pH为7左右、Eh为0左右条件下进行培养，调节温度为35°C，于恒温培养箱中培养；利用排水集气法收集气体；利用气相色谱法分析气体成分及CH4含量为甲烷二氧化碳氮气浓度比为14:3:1。(4)将白腐真菌菌液(白腐真菌接种PDA培养基中，于35 °C条件下恒温培养3天后获得的菌液)与煤粉、矿井水和产甲烷菌富集培养基以1:1:10:2的质量比例进行混合。(5)根据目的区的含氧情况确定采用厌氧菌群发酵还是需氧菌-厌需氧菌联合发酵的方式，根据实验室小样实验成果，确定培养基投加量本例需采用需氧菌-厌需氧菌联合发酵的方式，物质投加量参照步骤4)。(6)对目的区制取生物气通过钻孔预先投加白腐真菌菌液于目的区中，监测反应产出的(X)2和&的气体浓度，待目的区内形成无氧环境后，将培养基与目的区所采水样以 1:10的比例充分混合，通过井口注入目的区中，密封井口，监测产出气体成分和浓度的变化；此过程中，根据甲烷和二氧化碳的产出浓度、产出量，调整投加白腐真菌以及矿井水的量，最大程度地降解残煤；
(7)待甲烷浓度达到30%后，通过地面煤层气抽采方式将转化后的生物气采出利用。上述实施例为本发明优选的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明所作的改变均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。


本发明涉及一种利用微生物降解煤以制取生物气的技术。本发明适用于任何环境，有氧、无氧都可。在室温(15℃～35℃)情况下，均能保证生物甲烷的持续产出，无需考虑以升温方式激活菌种，从而有效降低开发成本；采用的白腐真菌对环境具有良好的适应性，且成本较低，具有工程开发的可行性；能更加有效地利用不同类型菌群，并提高其作用效果，增加煤体降解率，提高生物甲烷产出量。