專利名稱：一種利用外源微生物增產煤層氣方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微生物增產煤層氣領域，涉及一種利用微生物增產煤層氣方法。
背景技術：
微生物增產煤層氣是利用微生物自身的代謝活動降解煤表面有機質和/或代謝產物如有機酸、醇等溶解性有機物從而增加煤層孔隙度，提高滲透率，最終提高煤層氣中甲烷濃度，提高抽采量。美國1999年首次提出微生物強化煤層氣開采(MECR)，主要是通過向煤層中注入營養(yǎng)液和/或菌種，使菌種在煤層中大量繁殖，解吸煤層表面吸附的甲烷氣體并利用煤表面有機質生成甲烷氣體從而增加噸煤產氣量。2004年美國將這項技術應用于粉河盆地。加拿大、澳大利亞等也很重視對MECR的研究，并把研究成果應用于煤層。與常規(guī)煤層氣增產方法相比，微生物增產煤層氣以其可觀的經濟效益、獨特的優(yōu)點和廣闊的發(fā)展前景引起各國煤層氣開采公司的重視。20世紀90年代以后，我國也開始對微生物增產煤層氣技術的研究與應用工作。一些高校如中國礦業(yè)大學、中國科學院、北京科技大學等相繼開展我國生物成因煤層氣的研究，如柴達木盆地、云南保山盆地、安徽新集煤層氣等，進行了大量的基礎理論研究工作，同時也在進行微生物增產煤層氣的菌種篩選及有關的室內試驗。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種具體的微生物增產煤層氣方法，該種方法施工簡單，對環(huán)境影響變化不大，適應性強。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術步驟如下
(1)外源菌種的富集和馴化。從城市污水廠厭氧消化罐或污泥消化池或河流厭氧底泥等環(huán)境中取樣進行富集培養(yǎng)，富集培養(yǎng)后的混合厭氧菌群經過進一步適應煤礦環(huán)境的馴化，以及營養(yǎng)液成分配比的確定(元素含量:K :0. 004-0. 008 mol/L、P :0. 005-0. 009 mol/L、 N :0. 015-0. 020 mol/L、Mg :0. 010-0. 020 mol/L,Na :0. 012-0. 018 mol/L)，最后進行生理生化指標(微生物生長周期、硫酸鹽還原菌)和代謝產物的測試(氣體中甲烷濃度、揮發(fā)性脂肪酸)以及菌種鑒定，最終獲得所需要的菌種。其中生理生化指標和代謝產物的檢測方法如下1)微生物生長周期采用分光光度計測定。適應期第1-15天、對數生長期第12-35 天、穩(wěn)定期第30-55天、衰亡期第50-60天；2)硫酸鹽還原菌通過測定產生的氣體中H2S 濃度，分為 4 個級別，I :0 200ppm;II :20(Tl000ppm ;III :100(Tl500ppm ;IV :>1500ppm。由于硫酸鹽還原菌與產甲烷菌競爭營養(yǎng)物質，因此當產生的氣體中H2S濃度在I范圍內產甲烷菌活性最高，此時產氣量最大。代謝產物的測定方法為1)氣體中甲烷濃度采用氣相色譜儀測定CH4濃度，當氣體中CH4濃度大于80%、0)2小于20%為經濟有效可采范圍。2)揮發(fā)性脂肪酸采用高效液相色譜儀測定。其中主要檢測指標為乙酸，含量為Tl4g/L。(2)外源菌種的發(fā)酵和數量擴增。在地面工廠發(fā)酵反應罐中進行外源微生物發(fā)酵， 擴增菌種數量，提高微生物活性。
(3)在培養(yǎng)上述外源菌期間，采用分子生物學方法對煤層中的內源菌(又稱本源菌)的數量和活性進行測定。(4)外源菌種注入煤層采用高壓鉆孔注入的方法將地面工廠發(fā)酵罐中的發(fā)酵液注入煤層，注入完畢后封孔30-40天。期間檢測鉆孔內甲烷濃度、礦井水中有機酸含量的變化和微生物群落結構。其中，甲烷濃度采用便攜式甲烷測定儀進行測定；礦井水中有機酸含量采用高效液相色譜測定；微生物群落結構采用PCR-DGGE技術測定。(5)甲烷氣體濃度達到經濟可采值即可進行煤層氣抽采。淺埋深煤層具備微生物生長的適宜條件，但本源菌活性及數量低導致含氣量不足，外源產甲烷菌的注入可以激活煤層中的本源菌。本發(fā)明在地面工廠的發(fā)酵反應罐中，發(fā)酵培養(yǎng)增產煤層氣外源微生物，并將發(fā)酵液(微生物和營養(yǎng)物質)注入煤層。該法的優(yōu)點是在地面發(fā)酵，并在微生物生長對數期通過鉆孔高壓注入煤層，注入完畢后封孔30-40天。利用外源菌激活煤層中的本源菌，降解煤表面有機質生成甲烷氣體；營養(yǎng)液的注入給微生物代謝提供了啟動能量，縮短了產氣滯后時間。


圖1為本發(fā)明實施例1、2、3中外源菌、本源菌及混菌模擬產氣實驗結果。
具體實施例方式下面結合具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的說明
(1)外源菌取自城市污水廠厭氧消化罐或污泥消化池或河流厭氧底泥，將污泥接入產甲烷菌富集培養(yǎng)基富集，25-30天后取上清液接種到新的富集培養(yǎng)基中再次富集，如此反復接種2-3次，直至產氣穩(wěn)定再將富集液接種到無碳源培養(yǎng)基中并加入一定量粉碎至小于 0. 074mm煤樣馴化培養(yǎng)，25-30天后取上清液接種到新的培養(yǎng)基中馴化，馴化過程中煤的加入量不斷增加，馴化7-8次后微生物已能夠利用煤產氣，且產氣時間由15-20天縮短為5-8 天，噸煤產甲烷量為0. 86-0. 66m3/t.天。馴化后的微生物是外源菌種的混合物，組成為水解發(fā)酵細菌、產氫產乙酸菌、纖維素分解菌、產甲烷菌。產甲烷菌不能直接降解煤，因此需要發(fā)酵性細菌、產氫產乙酸菌、纖維素分解菌先將煤表面大分子有機物分解為乙酸、甲酸、二氧化碳等可被產甲烷菌利用的物質。其增產煤層氣的原理和過程如下
(2)在地面工廠的發(fā)酵反應罐中，將營養(yǎng)液和馴化好的外源微生物加入發(fā)酵罐中進行增殖培養(yǎng)。營養(yǎng)液中各元素成分為(mol/L)
K 0. 004-0. 008、P 0. 005-0. 009、N :0. 015-0. 020、Mg :0. 010-0. 020、Na :0. 012-0. 018 (3)分別富集煤層和礦井水中本源產甲烷菌群鉆孔取不同深度煤樣，將巖芯迅速裝入密封解析管中，待無甲烷氣體析出后在無氧條件下將其粉碎至一定細度，加入裝有無菌產甲烷菌富集培養(yǎng)基的血清瓶中進行模擬產氣實驗；用無菌無氧容器取礦井水，在無氧條件下接種到裝有無菌產甲烷培養(yǎng)基和滅菌煤的血清瓶中進行模擬產氣實驗。產氣期間進行生理生化指標和代謝產物的測試，最后進行菌種鑒定，采用PCR-DGGE技術取樣進行菌群數量和結構的分析。(4)當地面發(fā)酵罐中外源菌進入對數生長期后，采用高壓鉆孔注入的方法將發(fā)酵液注入煤層，注入完畢后封孔30-40天。期間檢測鉆孔內甲烷濃度、礦井水中有機酸含量的變化和微生物群落結構。其中，甲烷濃度采用便攜式甲烷測定儀進行測定；礦井水中有機酸含量采用高效液相色譜測定；采用PCR-DGGE技術分析微生物群落結構，確定不同產氣時期的優(yōu)勢菌群。(5)甲烷氣體濃度達到經濟可采值即可進行煤層氣抽采。實施例1 外源菌利用煤產氣實驗
按照發(fā)明內容配置15-20ml營養(yǎng)液，滅菌除氧后在無氧條件下加入5-10g粒度小于 0. 074mm無菌煤，接種2_細1外源菌發(fā)酵液，密封后放入33_38°C培養(yǎng)箱中進行模擬產氣實驗。實施例2 本源菌利用煤產氣實驗
按照發(fā)明內容2配置15-20ml營養(yǎng)液，滅菌除氧后在無氧條件下加入5_10g粒度小于 0. 074mm無菌煤，接種2_細1煤礦礦井水，密封后放入32_38°C培養(yǎng)箱中進行模擬產氣實驗。實施例3 外源菌和本源菌聯(lián)合利用煤產氣實驗
按照發(fā)明內容2配置15-20ml營養(yǎng)液，滅菌除氧后在無氧條件下加入6_10g粒度小于 0. 074mm無菌煤，接種0. 5-lml外源菌發(fā)酵液和0. 6-lml煤礦礦井水，密封后放入32_37°C 培養(yǎng)箱中進行模擬產氣實驗。
權利要求
1.一種利用外源微生物增產煤層氣方法，其特征在于該方法的具體步驟是(1)菌種的富集和馴化從城市污水廠厭氧消化罐或污泥消化池或河流厭氧底泥等環(huán)境中取樣進行富集培養(yǎng)，富集培養(yǎng)后的混合厭氧菌種經過進一步適應煤礦環(huán)境的馴化以及營養(yǎng)液成分配比的確定，其元素含量配比和范圍為κ :0. 004-0. 008 mol/L、P :0. 005-0. 009 mol/L、N :0. 015-0. 020 mol/L、Mg :0. 010-0. 020 mol/L、Na :0. 012-0. 018 mol/L,再進行生理生化指標和代謝產物的測試以及菌種鑒定，最終獲得外源菌種，外源菌種組成為水解發(fā)酵細菌、產氫產乙酸菌、纖維素分解菌和產甲烷菌；其中生理生化指標和代謝產物的檢測方法如下1)微生物生長周期采用分光光度計測定；適應期第1-15天、對數生長期 第12-35天、穩(wěn)定期第30-55天、衰亡期第50-60天；2)硫酸鹽還原菌通過測定產生的氣體中 H2S 濃度，分為 4 個級別，I :0 200ppm ； II :20(Tl000ppm ；III :100(Tl500ppm ；IV >1500ppm ；由于硫酸鹽還原菌與產甲烷菌競爭營養(yǎng)物質，因此當產生的氣體中H2S濃度在I 范圍內產甲烷菌活性最高，此時產氣量最大；代謝產物的測定方法為1)氣體中甲烷濃度 采用氣相色譜儀測定CH4濃度，當氣體中CH4濃度大于80%、0)2小于20%為經濟有效可采范圍；2)揮發(fā)性脂肪酸采用高效液相色譜儀測定；其中主要檢測指標為乙酸，含量為4 14g/ L；(2)外源菌種的發(fā)酵和數量擴增在地面工廠發(fā)酵反應罐中進行微生物發(fā)酵，擴增菌種數量，提高微生物活性；(3)在培養(yǎng)外源菌種期間，采用分子生物學方法對煤層中的內源菌數量和活性進行測定；(4)外源菌種注入煤層采用高壓鉆孔注入的方法將發(fā)酵液注入煤層，注入完畢后封孔 35-40天；期間檢測鉆孔內甲烷濃度、礦井水中有機酸含量的變化、微生物種群、數量和結構的變化；(5)甲烷氣體濃度達到經濟可采值即可進行煤層氣抽采。
2.如權利要求1所述的一種利用外源微生物增產煤層氣方法，其特征在于步驟(4)中， 甲烷濃度采用便攜式甲烷測定儀進行測定；礦井水中有機酸含量采用高效液相色譜測定； 采用PCR-DGGE技術分析微生物群落結構，確定不同產氣時期的優(yōu)勢菌群。
全文摘要
本發(fā)明屬于微生物增產煤層氣領域，涉及一種利用外源微生物增產煤層氣方法。其特征是在地面工廠的發(fā)酵反應罐中，發(fā)酵培養(yǎng)增產煤層氣微生物，并將發(fā)酵液(微生物和營養(yǎng)物質)注入煤層。該法的優(yōu)點是在地面發(fā)酵，并在微生物生長指數期通過鉆孔高壓注入煤層，注入完畢后封孔35-40天。利用外源菌激活煤層中的本源菌，降解煤表面有機質生成甲烷氣體；營養(yǎng)液的注入給微生物代謝提供了啟動能量，可縮短產氣滯后時間。本方法施工簡單，對環(huán)境影響變化不大，適應性強。
文檔編號C12P5/02GK102559772SQ20121003568
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月16日 優(yōu)先權日2012年2月16日
發(fā)明者李洋子, 林海, 汪涵, 董穎博 申請人:北京科技大學