用于提高来源于含碳物质的生物甲烷生产的营养组合物、方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于提高来源于含碳物质的生物甲烷生产的营养组合物、方法和系 统。
【背景技术】
[0002] 甲烷与大多数煤炭储量有关，其含量各不相同。可以在煤埋藏和成熟过程中生热 产生形成，或者可以通过微生物的作用而生物性产生。据认为细菌是煤的主要降解菌，其产 生一系列的中间体，所述中间体依次降解为甲烷前体，例如氢气、二氧化碳、乙酸盐和各种 其他化合物（如二甲基硫醚、甲酸盐，甲醇和甲胺）。然后这些前体通过产甲烷古生菌转化 成甲烷。通过多种机制，包括co2还原、乙酸分解（从乙酸盐）或甲基营养过程，可以发生 这种产甲烷过程。
[0003] 产生生物甲烷的煤层环境是缺氧的和还原的。由于主要营养素的限制，生物甲烷 产生是缓慢的，经过长时间尺度发生。来自典型的煤层甲烷（CSM)井的生产可能存在5-7 年，之后生产速率变得不经济，该井可能被放弃。
[0004] 有可能通过引入产甲烷微生物种群延长井的生产寿命。美国公开 No. 2004/0033557记载了将所选的厌氧微生物的聚生体引入到将地层中的有机化合物原位 转化为甲烷和其他化合物的表面地层中。
[0005] 也可以通过刺激存在于煤和/或相关的水中的微生物相对迅速补充埋藏的煤 层中的甲烷。已知的是，这可以通过将营养素添加到系统中来实现。例如，美国专利 No. 7, 832, 475描述了提高生物甲烷产生的方法，所述方法涉及引入不加选择的微生物种群 的刺激组合物，例如玉米糖浆、乳化油和牛奶以全面促进含烃形成层的微生物种群。该方法 进一步涉及通过使一种或多种微生物群体选择性饥饿以选择性供养至少一种所促进的微 生物种群的微生物种群后续处理。
[0006] 在旨在提高甲烷生产的方法中，通过营养补充剂增强微生物活性，需要考虑到整 个系统的生命周期分析。例如，US4826769公开了来自煤的微生物产生的甲烷优选要求 C:N:P的比为100: 5:1。通常对于来源于能源密集源例如氨生产的氮，需要高效率和有效的 剂量的计划。
[0007] 虽然通过增强微生物聚生体的生长在提高甲烷生产方面已取得显著进展，但仍有 进一步改进的余地。
【发明内容】
[0008] 根据第一个方面，提供用于提高来自含碳物质的生物甲烷生产的营养组合物，所 述营养组合物包括磷（P)源和氮（N)源，其中磷氮（P/N)的摩尔比大于1.5,并且氮的浓度 为至少0.ImM且小于1. 7mM。
[0009] 令人惊讶地发现，为刺激甲烷产生所需要的有效浓度的氮具有双峰，通常增加氮 浓度促进涉及甲烷产生的微生物的活动，然而在如本发明所教导的意外的低氮磷比下可以 获得提高的甲烷产生峰。
[0010] 优选的营养组合物进一步包括一个或多个产甲烷微生物种群。更优选一个或多 个产甲烷微生物种群包括选自由如下所组成的组中的微生物：甲烷杆菌、甲烷球菌、甲烷微 菌、甲烷火菌。
[0011] 术语"碳质物质"广义地用于指能够支持并优选存在或供有一个或多个产甲烷微 生物种群的任何含碳物质。含碳物质经过所述一个或多个产甲烷微生物种群的降解产生甲 烷或甲烷前体。含碳物质的合适实例包括，但不限于，煤、褐煤、泥煤、钻粉、废煤、煤衍生物、 油页岩、油层、沥青砂、烃污染的土壤和石油污泥。含碳物质优选在干燥无灰基底上包括至 少〇. 5重量％N，更优选至少1. 0重量％N。
[0012] 含碳物质可以是原位含碳物质或非原位含碳物质。原位含碳物质可以指存在于原 始来源位置，如承载含碳物质的地层或采空区的含碳物质。非原位含碳物质可以指已从其 原始来源位置移除的含碳物质。非原位含碳物质可以存在于反应器、生物反应器、堆积堆或 可选择的地上建筑物、地坑等等。
[0013] 营养组合物中相对高的磷氮（P/N)比是出乎意料的，尤其考虑到微生物通常由相 对于P超过约10倍多的N组成。在某些实施方案中磷氮（P/N)比可以大于2。磷氮比（P/ N)可以小于8。
[0014] 营养组合物可以包括至少0.2mM的氮浓度。在一个实施方式中氮浓度可以小于 1. 6mM。在另一个实施方式中氮浓度可以小于1. 5mM。在另一个实施方式中氮浓度可以小于 l.OmM。在其他实施方式中氮浓度可以小于0. 5mM。
[0015] 营养组合物可以包含至少1. 5mM，优选至少1. 7mM，更优选至少2mM的磷浓度。 [0016] 原位含碳物质可以与相关水或地层水共存。因此，应理解在某些实施方案中营养 组合物可以经过所述相关水的稀释。
[0017] 因此，在第二方面，提供了用于生产营养组合物的浓缩液，配制所述浓缩液以在用 与含碳物质有关的液体稀释的基础上提供营养组合物，所述营养组合物中的有效磷氮摩尔 比（P/N)大于1. 5且有效氮浓度为至少0.ImM且小于1. 7mM。
[0018] 有效P/N摩尔比由与含碳物质接触或接近含碳物质的任何溶液、乳液、胶体悬浮 液或凝胶中的磷和氮的各自的摩尔浓度确定。同样，有效氮浓度是指与含碳物质接触或接 近含碳物质的任何溶液、乳液、胶体悬浮液或者凝胶的氮浓度。应理解的是，在与含碳物质 接触或置于接近含碳物质之前在，这些溶液、乳液、胶体悬浮液或者凝胶可被与所述含碳物 质相关的液体稀释，在随后的过程中再使其接触。
[0019] 应理解的是，如上限定的磷和氮的比值和浓度是基于根据平推流模型将浓缩液注 入原位含碳物质。应理解的是，可以采用其他传送模型，因此浓缩液（和营养组合物）中磷 和氮的摩尔比和浓度根据传送模型的各种参数和条件而不同。
[0020] 根据第三个方面，提供了提高来自含碳物质的生物甲烷生产的方法，包括以下步 骤：
[0021] 使营养组合物与含碳物质接触一段时间以生物性产生甲烷，所述营养组合物包括 磷（P)源和氮（N)源，其中磷氮（P/N)的摩尔比大于1. 5,有效氮浓度为至少0.ImM且小于 1. 7mM，或另外如上所限定，以及从含碳物质收集甲烷。
[0022] 优选地，营养组合物与含碳物质紧密接触以使居于其中的产甲烷微生物种群能够 容易利用所述营养组合物。
[0023] 优选地，通过混合或搅拌营养组合物使其遍及接近于含碳物质的存在环境（例如 地层水），实现所述营养组合物与含碳物质的接触。
[0024] 营养组合物与含碳物质的接触可以使用相关领域技术人员可以获得的已知技术， 通过调节使营养组合物进入到含碳物质中的注射压力来实现。
[0025] 在优选的实施方案中，使营养组合物与含碳物质接触通过潜流操作技术，例如 W02011/017771所公开的技术实现，W02011/017771通过引用而并入本文中。
[0026] 优选营养组合物与含碳物质紧密接触的时间段为至少1周，更优选为至少2周，甚 至更优选为至少3个月，然而甚至更优选为至少6个月，最优选为至少1年。一般情况下， 营养组合物与含碳物质接触的时间越长，产生的适于收集的甲烷的量越大。商业考虑可以 至少部分推动在从含碳物质收集甲烷之前将营养组合物分散遍及含碳物质的时间段。
[0027] 在第三个方面优选的实施方案中，该方法还包括，使第二营养组合物与含碳物质 接触一段时间以生物性产生甲烷的步骤，在所述第一营养组合物与含碳物质接触之后，所 述第二营养组合物与含碳物质接触。
[0028] 在优选的实施方案中个，据认为第一营养组合物增强微生物种群的活动至在含碳 物质内微生物种群释放足够量的氮，以致具有低氮浓度或根本无氮的额外营养补充剂有效 提高甲烷产生。第一营养组合物可以起到再活化相对休眠的微生物种群的作用，第二营养 组合物补充再次活跃的微生物种群的营养需要。
[0029] 第二营养组合物优选含有大于第一营养组合物的P/N比的有效P/N比。
[0030] 第二营养组合物中的氮浓度优选低于第一营养组合物中的氮浓度。
[0031] 第二营养组合物优选基本上不包含氮。对于本发明的目的，在营养组合物中基本 上不包含氮意味着氮水平仅仅是微量，对应于组成营养组合物的其他成分的杂质水平。
[0032] 第一营养组合物与含碳物质的接触和第二营养组合物与含碳物质的接触之间的 时延优选为至少1周，更优选为至少一个月，更