基于生物成气的高级氧化还原降解褐煤的机理研究

Biogenic fuel gas generation of coal is an effective and clean way for coal utilization. However, due to the complex macromolecular structure of coal, it is difficult to achieve ideal effect rely on a single microbial method. The bio-availability of coal has been a bottleneck problem for biogenic fuel gas generation of coal. To resolve this proplem, we attemp apply advanced oxidation-reduction processes (AORPs) into the biogenic fuel gas generation of lignite as a pretreatment method to break down the complex macromolecular structure of lignite. In this research, various AORPs will be used to treat lignite, followed by the bio-converting of lignite using exogenous bacteria. Basing on the intermediate products difference between the pretreated lignite by AORPs and non-pretreated lignite, the suitable AORPs for lignite will be developed. And on this basis, the key target and mechanism of the lignite degradation will be studied exploratively. Using the theory and method of free radicals, the degradation behaviour in different AORPs will be studied basing on the free radicals production. Comparing the difference between AORPs before and after microbial solubilization, the influence mechanism of AORPs on bio-degradation will be illuminated. The main objects of this research are: 1) to develop AOPRs suitable for lignite pretreatment to realize the degradation of lignite at normal pressure and temperature for better bio-converting of coal; 2) to deeply undersand the mechnism of lignite bio-converting from the perspectives of free radical theory and method.

煤生物成气是煤炭清洁高效利用的有效途径，但煤立体网状结构复杂，单依靠微生物方法难达到理想效果。目前，微生物利用率低是煤生物成气的瓶颈。本研究拟将高级氧化还原过程引入生物成气模拟实验中，尝试在中低温和常压下打破煤的复杂结构。通过研究反应参数的变化对褐煤降解效果的影响趋势，确定优化的降解条件，促进后续微生物对褐煤的转化利用率；引入自由基的理论和方法，阐明降解行为与自由基产生量的构效关系，揭示高级氧化还原降解褐煤的关键靶位和机理；在明确褐煤降解过程中关键步骤和关键中间产物的基础上，阐明高级氧化还原对褐煤生物成气的影响机制。本研究的开展，一方面，实现在温和条件下破坏煤立体网状大分子结构，为提高煤炭生物转化率提供一种新思路，为煤炭清洁高效利用提供一种新途径；另一方面，结合自由基的理论和方法，在分子水平上研究高级氧化还原降解褐煤的机理，为煤高附加值的深加工利用提供理论依据。

为推动煤炭清洁高效利用，国内外在煤层本源微生物和外源微生物降解生烃方面取得了不少研究成果，但生物转化率低一直是制约煤生物气化的瓶颈。为提高成气速率，在微生物降解煤炭的实验中，常用强酸、强碱、高温、高压等方式预处理原煤，但这些方式属于高能耗的方法，不利于后续微生物成气。因此，如何在温和条件下打破煤的立体网状大分子结构，提高微生物对煤的利用效率，已成为目前亟需解决的重要课题。.采用自制沼液作为外源菌群，将高级氧化还原引入煤生物成气模拟实验中，通过研究高级氧化还原各参数的变化对煤降解的影响趋势，确定优化实验条件，提高后续生物成气率；通过分析中间产物的光谱学特征和含量变化，确定产气中间产物随时间的变化规律；通过分析成气过程中微生物群落结构的变化情况，明确对煤生物成气起主要作用的功能微生物；对比分析原煤和氧化煤在不同产气阶段的差异，探讨高级氧化与微生物联合降解对煤成气的影响。.通过研究确定了微波/超声波协同H2O2方法降解褐煤成气的最佳实验条件。产气量与原煤相比提高了约30%，有效地增加了生物甲烷产量。初步揭示了前置高级氧化还原预处理降解煤的机理，预处理能破坏原煤中羟基形成的氢键，使脂肪族C-H被转化，部分苯环被打开，芳环被降解成脂肪烃基，有利于煤大分子解聚，微生物对预处理后煤样的适应性更强。预处理后，类富里酸和类腐殖酸的含量更多；类酪氨酸和微生物代谢产物是主要的成气中间产物。中间产物的组成和产气周期关系密切。明确了煤生物成气过程中不同产气阶段的优势细菌和古菌群落结构，水解发酵细菌在快速和慢速产气阶段发挥重要作用；古菌Methanoculleus和Methanobacterium在整个产气过程有优势，成气过程以氢营养型为主，产气初期以甲基营养型为主。前置高级氧化还原与微生物联合降解褐煤的研究有效提高了甲烷产量，为提高生物转化煤炭率提供了一种新思路，为煤炭清洁高效利用提供一种新途径。