专利名称：一种利用外源微生物增产煤层气方法
技术领域：
本发明属于微生物增产煤层气领域，涉及一种利用微生物增产煤层气方法。
背景技术：
微生物增产煤层气是利用微生物自身的代谢活动降解煤表面有机质和/或代谢产物如有机酸、醇等溶解性有机物从而增加煤层孔隙度，提高渗透率，最终提高煤层气中甲烷浓度，提高抽采量。美国1999年首次提出微生物强化煤层气开采(MECR)，主要是通过向煤层中注入营养液和/或菌种，使菌种在煤层中大量繁殖，解吸煤层表面吸附的甲烷气体并利用煤表面有机质生成甲烷气体从而增加吨煤产气量。2004年美国将这项技术应用于粉河盆地。加拿大、澳大利亚等也很重视对MECR的研究，并把研究成果应用于煤层。与常规煤层气增产方法相比，微生物增产煤层气以其可观的经济效益、独特的优点和广阔的发展前景引起各国煤层气开采公司的重视。20世纪90年代以后，我国也开始对微生物增产煤层气技术的研究与应用工作。一些高校如中国矿业大学、中国科学院、北京科技大学等相继开展我国生物成因煤层气的研究，如柴达木盆地、云南保山盆地、安徽新集煤层气等，进行了大量的基础理论研究工作，同时也在进行微生物增产煤层气的菌种筛选及有关的室内试验。
发明内容
本发明的目的是提供一种具体的微生物增产煤层气方法，该种方法施工简单，对环境影响变化不大，适应性强。为实现上述目的，本发明采取的技术步骤如下
(1)外源菌种的富集和驯化。从城市污水厂厌氧消化罐或污泥消化池或河流厌氧底泥等环境中取样进行富集培养，富集培养后的混合厌氧菌群经过进一步适应煤矿环境的驯化，以及营养液成分配比的确定(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)，最后进行生理生化指标(微生物生长周期、硫酸盐还原菌)和代谢产物的测试(气体中甲烷浓度、挥发性脂肪酸)以及菌种鉴定，最终获得所需要的菌种。其中生理生化指标和代谢产物的检测方法如下1)微生物生长周期采用分光光度计测定。适应期第1-15天、对数生长期第12-35 天、稳定期第30-55天、衰亡期第50-60天；2)硫酸盐还原菌通过测定产生的气体中H2S 浓度，分为 4 个级别，I :0 200ppm;II :20(Tl000ppm ;III :100(Tl500ppm ;IV :>1500ppm。由于硫酸盐还原菌与产甲烷菌竞争营养物质，因此当产生的气体中H2S浓度在I范围内产甲烷菌活性最高，此时产气量最大。代谢产物的测定方法为1)气体中甲烷浓度采用气相色谱仪测定CH4浓度，当气体中CH4浓度大于80%、0)2小于20%为经济有效可采范围。2)挥发性脂肪酸采用高效液相色谱仪测定。其中主要检测指标为乙酸，含量为Tl4g/L。(2)外源菌种的发酵和数量扩增。在地面工厂发酵反应罐中进行外源微生物发酵， 扩增菌种数量，提高微生物活性。
(3)在培养上述外源菌期间，采用分子生物学方法对煤层中的内源菌(又称本源菌)的数量和活性进行测定。(4)外源菌种注入煤层采用高压钻孔注入的方法将地面工厂发酵罐中的发酵液注入煤层，注入完毕后封孔30-40天。期间检测钻孔内甲烷浓度、矿井水中有机酸含量的变化和微生物群落结构。其中，甲烷浓度采用便携式甲烷测定仪进行测定；矿井水中有机酸含量采用高效液相色谱测定；微生物群落结构采用PCR-DGGE技术测定。(5)甲烷气体浓度达到经济可采值即可进行煤层气抽采。浅埋深煤层具备微生物生长的适宜条件，但本源菌活性及数量低导致含气量不足，外源产甲烷菌的注入可以激活煤层中的本源菌。本发明在地面工厂的发酵反应罐中，发酵培养增产煤层气外源微生物，并将发酵液(微生物和营养物质)注入煤层。该法的优点是在地面发酵，并在微生物生长对数期通过钻孔高压注入煤层，注入完毕后封孔30-40天。利用外源菌激活煤层中的本源菌，降解煤表面有机质生成甲烷气体；营养液的注入给微生物代谢提供了启动能量，缩短了产气滞后时间。
图1为本发明实施例1、2、3中外源菌、本源菌及混菌模拟产气实验结果。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
对本发明作进一步的说明
(1)外源菌取自城市污水厂厌氧消化罐或污泥消化池或河流厌氧底泥，将污泥接入产甲烷菌富集培养基富集，25-30天后取上清液接种到新的富集培养基中再次富集，如此反复接种2-3次，直至产气稳定再将富集液接种到无碳源培养基中并加入一定量粉碎至小于 0. 074mm煤样驯化培养，25-30天后取上清液接种到新的培养基中驯化，驯化过程中煤的加入量不断增加，驯化7-8次后微生物已能够利用煤产气，且产气时间由15-20天缩短为5-8 天，吨煤产甲烷量为0. 86-0. 66m3/t.天。驯化后的微生物是外源菌种的混合物，组成为水解发酵细菌、产氢产乙酸菌、纤维素分解菌、产甲烷菌。产甲烷菌不能直接降解煤，因此需要发酵性细菌、产氢产乙酸菌、纤维素分解菌先将煤表面大分子有机物分解为乙酸、甲酸、二氧化碳等可被产甲烷菌利用的物质。其增产煤层气的原理和过程如下
(2)在地面工厂的发酵反应罐中，将营养液和驯化好的外源微生物加入发酵罐中进行增殖培养。营养液中各元素成分为(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)分别富集煤层和矿井水中本源产甲烷菌群钻孔取不同深度煤样，将岩芯迅速装入密封解析管中，待无甲烷气体析出后在无氧条件下将其粉碎至一定细度，加入装有无菌产甲烷菌富集培养基的血清瓶中进行模拟产气实验；用无菌无氧容器取矿井水，在无氧条件下接种到装有无菌产甲烷培养基和灭菌煤的血清瓶中进行模拟产气实验。产气期间进行生理生化指标和代谢产物的测试，最后进行菌种鉴定，采用PCR-DGGE技术取样进行菌群数量和结构的分析。(4)当地面发酵罐中外源菌进入对数生长期后，采用高压钻孔注入的方法将发酵液注入煤层，注入完毕后封孔30-40天。期间检测钻孔内甲烷浓度、矿井水中有机酸含量的变化和微生物群落结构。其中，甲烷浓度采用便携式甲烷测定仪进行测定；矿井水中有机酸含量采用高效液相色谱测定；采用PCR-DGGE技术分析微生物群落结构，确定不同产气时期的优势菌群。(5)甲烷气体浓度达到经济可采值即可进行煤层气抽采。实施例1 外源菌利用煤产气实验
按照发明内容配置15-20ml营养液，灭菌除氧后在无氧条件下加入5-10g粒度小于 0. 074mm无菌煤，接种2_細1外源菌发酵液，密封后放入33_38°C培养箱中进行模拟产气实验。实施例2 本源菌利用煤产气实验
按照发明内容2配置15-20ml营养液，灭菌除氧后在无氧条件下加入5_10g粒度小于 0. 074mm无菌煤，接种2_細1煤矿矿井水，密封后放入32_38°C培养箱中进行模拟产气实验。实施例3 外源菌和本源菌联合利用煤产气实验
按照发明内容2配置15-20ml营养液，灭菌除氧后在无氧条件下加入6_10g粒度小于 0. 074mm无菌煤，接种0. 5-lml外源菌发酵液和0. 6-lml煤矿矿井水，密封后放入32_37°C 培养箱中进行模拟产气实验。
权利要求
1.一种利用外源微生物增产煤层气方法，其特征在于该方法的具体步骤是(1)菌种的富集和驯化从城市污水厂厌氧消化罐或污泥消化池或河流厌氧底泥等环境中取样进行富集培养，富集培养后的混合厌氧菌种经过进一步适应煤矿环境的驯化以及营养液成分配比的确定，其元素含量配比和范围为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,再进行生理生化指标和代谢产物的测试以及菌种鉴定，最终获得外源菌种，外源菌种组成为水解发酵细菌、产氢产乙酸菌、纤维素分解菌和产甲烷菌；其中生理生化指标和代谢产物的检测方法如下1)微生物生长周期采用分光光度计测定；适应期第1-15天、对数生长期 第12-35天、稳定期第30-55天、衰亡期第50-60天；2)硫酸盐还原菌通过测定产生的气体中 H2S 浓度，分为 4 个级别，I :0 200ppm ； II :20(Tl000ppm ；III :100(Tl500ppm ；IV >1500ppm ；由于硫酸盐还原菌与产甲烷菌竞争营养物质，因此当产生的气体中H2S浓度在I 范围内产甲烷菌活性最高，此时产气量最大；代谢产物的测定方法为1)气体中甲烷浓度 采用气相色谱仪测定CH4浓度，当气体中CH4浓度大于80%、0)2小于20%为经济有效可采范围；2)挥发性脂肪酸采用高效液相色谱仪测定；其中主要检测指标为乙酸，含量为4 14g/ L；(2)外源菌种的发酵和数量扩增在地面工厂发酵反应罐中进行微生物发酵，扩增菌种数量，提高微生物活性；(3)在培养外源菌种期间，采用分子生物学方法对煤层中的内源菌数量和活性进行测定；(4)外源菌种注入煤层采用高压钻孔注入的方法将发酵液注入煤层，注入完毕后封孔 35-40天；期间检测钻孔内甲烷浓度、矿井水中有机酸含量的变化、微生物种群、数量和结构的变化；(5)甲烷气体浓度达到经济可采值即可进行煤层气抽采。
2.如权利要求1所述的一种利用外源微生物增产煤层气方法，其特征在于步骤(4)中， 甲烷浓度采用便携式甲烷测定仪进行测定；矿井水中有机酸含量采用高效液相色谱测定； 采用PCR-DGGE技术分析微生物群落结构，确定不同产气时期的优势菌群。
全文摘要
本发明属于微生物增产煤层气领域，涉及一种利用外源微生物增产煤层气方法。其特征是在地面工厂的发酵反应罐中，发酵培养增产煤层气微生物，并将发酵液(微生物和营养物质)注入煤层。该法的优点是在地面发酵，并在微生物生长指数期通过钻孔高压注入煤层，注入完毕后封孔35-40天。利用外源菌激活煤层中的本源菌，降解煤表面有机质生成甲烷气体；营养液的注入给微生物代谢提供了启动能量，可缩短产气滞后时间。本方法施工简单，对环境影响变化不大，适应性强。
文档编号C12P5/02GK102559772SQ20121003568
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月16日 优先权日2012年2月16日
发明者李洋子, 林海, 汪涵, 董颖博 申请人:北京科技大学