微量元素对煤层生物甲烷生成的响应机理

Coalbed methane(CBM) is an important alternative energy, and the commercial development of CBM is playing a significant supplementary role in the shortage of energy domestically and globally. Biogenic methane increasingly contributes to the whole reserves of CBM, while the production of biogenic methane is possibly influenced by the various trace elements in coal. .In order to investigate the impact of trace elements on biogenic methane, low-grade and middle-grade coals will be sampled as substrates, biogenic gaseous products will be gathered by water drainage, the chemical bonding states of trace elements in coal will be examined by Stover six-steps extraction methods before and after gas production and the laws associated with migration and transformation of trace elements in coal samples will be further studied. By experimenting the effects of single trace element, concentration ratio of mixed trace elements and types of complexant on gas production, the coupling relationship between trace elements and biogenic methane production will be discussed. Based on ICP-MS, HPLC, SEM-EDX and enzyme-labeled instrument, etc, the mechanisms of dynamics and enzymology between substrates consumption and gas production will be revealed, and the impacts of trace elements on biogenic methane production will be thoroughly illustrated,and laboratory experiment and practical utilization of biogenic methane will be supported.

煤层气是我国重要的潜在接替能源，煤层生物气的商业开发能够实现对我国能源短缺现状的有效补充，而生物成因气资源量对煤层气的贡献率也日益凸显，而其中微量元素的种类和含量对生物成因气的产出有着重要的影响。.为查明微量元素对生物成因气的影响，本项目中研究拟以中低阶煤为研究对象，利用倒置排水集气法搜集煤层生物甲烷产出过程中产生的气体，利用Stover六步抽提法分析反应前后煤中微量元素的化学结合态的变化，从而探讨微量元素的迁移转化规律；考虑单种和复合微量元素浓度配比及不同络合剂对产气影响的基础上，查明微量元素与生物产气之间的耦合关系；基于ICP-MS、HPLC、SEM-EDX、酶标仪等设备与技术，揭示底物消耗与产物产出的在机制动力学规律及其酶学机制，从而阐明微量元素对生物成因甲烷的作用机理，并且为生物成因气实验室实验现场实际应用提供必要的理论支撑。

本研究基于煤层次生生物气生成模拟实验，考察煤层生物甲烷生成的微量元素迁移特征，研究Fe2+和Ni2+及其组合对煤层生物甲烷生成的影响，分析其地球化学和微生物学相关指标，阐明Fe2+和Ni2+及其组合对煤层生物甲烷生成影响及其控制机理。. （1）大柳塔煤中的微量元素的总量都有所减少，腐殖酸结合态和可交换态的明显增加，而无机态的和大分子结合态有所减少，这是生物产气后煤中微量元素含量和赋存状态变化的结果。煤阶影响要远大于煤中微量元素的影响，低阶煤中微量元素总参与量要大于高阶煤。不同煤阶煤中微量元素赋存状态在不同的产气阶段有类似的变化过程，自由态和腐植酸态呈先增加后减小再增加的变化趋势，而无机态和大分子态一直呈下降趋势。. （2）Fe2+15 mg/L，Ni2+0.005 mg/L搭配具有最好的产气量和产气浓度，且可使产气时间明显提前。. （3）对空白样和二元离子搭配（对照样）进行地球化学指标分析，结果发现：反应类型属于丁酸型发酵；对照样降解煤的能力更强，对液相中间产物的利用程度更高。固相产物分析结果表明煤结构的破坏程度要大，且芳香结构变化更明显，有机官能团、烷基侧链的减少变化幅度更大。. （4）辅酶F420与产气结果呈现基本一致性，且对照样比空白样的辅酶F420要大。氢化酶活性与产气量变化呈现一致性，且由于Fe2+中激活脱氢酶活性的能力要比Ni2+强，最佳Fe2+氢化酶活大于最佳Ni2+。纤维素酶活与氢化酶结果基本一致，但纤维素酶活出现峰值的时间比氢化酶出现峰值时间更早。. （5）进行流加微量元素铁和镍和菌种，批次搜集产出气体等方面的改进。通过建立动力学模型，证明了优化实验的动力学参数产甲烷潜势/底物降解潜势、最大产甲烷速率/最大底物降解速率、延迟时间等都优于二元离子组合的小样。..