利用微生物技術(shù)治理煤礦瓦斯的研究.pdf

1、本論文以浙江大學華家池校區(qū)實驗農(nóng)場水稻田土壤作為甲烷氧化菌體系的富集源，經(jīng)長期馴化以及培養(yǎng)基、培養(yǎng)條件的優(yōu)化后得到一種具有優(yōu)良的氧化甲烷能力的甲烷氧化菌混合體系。以略大于煤礦瓦斯爆炸范圍(5％-16％)的甲烷濃度(0-20％)作為研究對象，設(shè)計了一種生物滴濾塔，用該甲烷氧化菌體系作為掛膜的微生物，進行煤礦瓦斯甲烷的氧化從而達到提高煤礦安全性的目的。對該滴濾塔掛膜過程以及運行工藝進行了較系統(tǒng)地探討，當反應(yīng)器穩(wěn)定運行后，對其去處甲烷的過程進

2、行數(shù)學模擬，建立了生物法氧化煤礦瓦斯中甲烷的動力學模型，預(yù)測在操作條件改變時滴濾塔凈化甲烷效果的變化，從而實現(xiàn)對實際凈化過程的預(yù)測計算。主要的研究結(jié)論如下： (1)以浙江大學華家池校區(qū)實驗農(nóng)場水稻田以及杭州天子嶺垃圾填埋場2種土壤作為甲烷氧化菌體系的富集源，經(jīng)30d的富集培養(yǎng)后，比較兩者甲烷氧化菌氧化甲烷的效果。結(jié)果表明，經(jīng)水稻田土壤樣品富集而來的甲烷氧化菌體系氧化甲烷的能力明顯強于經(jīng)垃圾填埋場土壤富集而來的甲烷氧化菌體系。然后

3、，以水稻田富集的甲烷氧化菌體系作為研究對象，對該甲烷氧化菌體系的培養(yǎng)基以及培養(yǎng)條件進行優(yōu)化，得出適合該甲烷氧化菌體系生長的培養(yǎng)基組成為(g/L)：MgSO<,4>·7H<,2>O O.5；KNO<,3> 1；Na<,2>HPO<,4>·12H<,2>O 0.36；KH<,2>PO<,4> 0.28；CaCl<,2>·6H<,2>O0.1；NH<,4>Cl0.25；<'*>微量元素溶液lmL；<'*>微量元素溶液配方(g/L)：Na<,2

4、>EDTA0.5；FeSO<,4>·7H<,2>O0.4；CuSO<,4>.5H<,2>O 0.06。對影響甲烷氧化菌體系生長以及甲烷氧化的環(huán)境條件的實驗結(jié)果表明，當培養(yǎng)基初始pH為6，培養(yǎng)溫度為30℃，V<,02>∶V<,CH4>>2∶1時，最適宜該甲烷氧化菌體系的生長和對甲烷的氧化。在經(jīng)優(yōu)化的培養(yǎng)基以及培養(yǎng)條件下，該甲烷氧化菌體系能在較短時問內(nèi)對處于瓦斯爆炸范圍內(nèi)的甲烷進行徹底的氧化。當CH<,4>含量為5％時，40h內(nèi)即可被甲烷氧

5、化菌體系完全利用；當CH<,4>含量為10％時，達到100％的氧化只需要48h；而當CH<,4>含量升高到15％時，達到100％的氧化也只需要56h，而且，在此過程中甲烷氧化菌菌體生長OD<,560>值一直呈上升趨勢，表明該甲烷氧化菌體系具有氧化更高濃度甲烷的潛力存在。 (2)煤礦有毒氣體對微生物技術(shù)治理煤礦瓦斯效果影響的研究表明，CO、H<,2>S、SO<,2>3種氣體單獨存在時，當CO濃度由增0加到煤礦安全規(guī)程規(guī)定的煤礦最高

6、允許濃度的250倍，H<,2>S和SO<,2> 度由0增加到煤礦安全規(guī)程規(guī)定的煤礦最高允許濃度的100倍，甲烷氧化菌對甲烷的氧化率變化都不大，甲烷單加氧酶活性雖有時表現(xiàn)為顯著差異，但其絕對數(shù)值與對照CK差距并不大，對甲烷氧化菌氧化甲烷的過程并未造成顯著抑制作用，有時候反而表現(xiàn)為一定的促進作用。因此，可以說在煤礦可產(chǎn)生的CO、H<,2>S、SO<,2>濃度范圍內(nèi)，單一的CO、H<,2>S、SO<,2>對本甲烷氧化菌體系無明顯的毒害作用。由

7、3種氣體混合影響試驗表明，盡管3種氣體的混合對甲烷氧化菌體系氧化甲烷的效果產(chǎn)生了輕微的抑制作用，甲烷氧化率與對照間差異不顯著(p>0.05)。由于所設(shè)定的實驗濃度遠遠超出煤礦所規(guī)定的這3種氣體的安全濃度，所以在煤礦可產(chǎn)生的CO、H<,2>S、SO<,2>濃度范圍內(nèi)，CO、H<,2>S、SO<,2>對本甲烷氧化菌體系也不會產(chǎn)生明顯的毒害作用。在含有CO、H<,2>S、SO<,2>而不接種甲烷氧化菌的樣品中均能檢測到CO、H<,2>S、SO

8、<,2>的存在，但接種有甲烷氧化菌的樣品中卻檢測不到CO、H<,2>S、SO<,2>的含量，說明在本甲烷氧化菌體系中存在著可以利用CO、H<,2>S、SO<,2>的微生物種。這可能是CO、H<,2>S、SO<,2>在所研究的濃度范圍內(nèi)對甲烷氧化菌體系氧化甲烷的效果無顯著影響的原因之一。SDS-PAGE圖譜表明，在CO、H<,2>S、SO<,2>的單獨存在下，所有樣品的條帶數(shù)量以及位置并無顯著差異，這說明所研究濃度范圍內(nèi)的CO、H<,2>

9、S、SO<,2>對甲烷氧化菌體系并無明顯的毒害作用。3種氣體一起存在時，SDS-PAGE圖譜上缺失一條條帶，但此時甲烷氧化菌體系的甲烷氧化率以及MMO活性變化都不大，說明該缺失的條帶與甲烷單加氧酶無關(guān)。所有試驗結(jié)果都表明，在煤礦可產(chǎn)生的CO、H<,2>S、SO<,2>濃度范圍內(nèi)，對本甲烷氧化菌體系不產(chǎn)生明顯的抑制作用。因此，用本甲烷氧化菌體系處理煤礦瓦斯是穩(wěn)定、安全、可靠的。 (3)對生物滴濾塔處理煤礦瓦斯的工藝研究表明，對6種

10、填料通過靜態(tài)以及動態(tài)掛膜進行比較篩選，大陶粒以其適宜的比表面積、粒徑以及密度，用其作為填料的滴濾塔能得到較大的氧化甲烷能力以及較強的抗沖擊能力，非常適合作為處理煤礦瓦斯的生物反應(yīng)器的填料。生物滴濾塔處理煤礦瓦斯的性能研究表明，生物滴濾塔的容積去除負荷隨容積負荷的增加而增加。當導(dǎo)入口體積負荷增加到一定程度時，容積去除負荷將不再隨著導(dǎo)入口體積負荷變化而變化，而是維持在一個穩(wěn)定水平。而且對于不同的停留時間，這個穩(wěn)定值基本相當，約為1470mg

11、甲烷/L填料·h，此值也就是滴濾塔最大的氧化甲烷能力；當導(dǎo)入口甲烷濃度較低時，生物滴濾塔具有較高的甲烷去除率。而當入口甲烷濃度升高時，滴濾塔對甲烷的氧化效率開始下降，且停留時間越短，滴濾塔對甲烷的氧化效率也下降得越快；當導(dǎo)入口甲烷濃度較小(<50mg/L)時，停留時間對甲烷的去除效果影響不大；而當入口甲烷濃度增大時，則停留時間越長，對甲烷的氧化效果越好。對于不同的導(dǎo)入口甲烷濃度，反應(yīng)器中各級填料對甲烷的去除均有一定的貢獻。當停留時間較長

12、，即入口氣體流量較小時，對于低濃度甲烷，反應(yīng)器中第一層填料對甲烷去除的貢獻率最大。當入口甲烷濃度增大時，各層填料對甲烷去除的貢獻差別逐步減小。而當停留時間較短，即入口氣體流量較大時，反應(yīng)器中第二層填料對甲烷去除的貢獻率較大；入口甲烷濃度越高，氣體流速越大，噴淋液流速對滴濾塔處理甲烷的效果影響越大。對于較小的氣體流速以及甲烷濃度(30L/h，35mg/L)，當液體流速由25ml/min增加到75ml/min時，甲烷的去除率變化不大。當氣體

13、流速控制在30-90L/h時，液體流速控制在75ml/min較為合適；當噴淋液為75mL/min，氣體流量小于60L/h時，每隔10h就必須再次噴淋以及時補充水分保證穩(wěn)定的甲烷氧化效率。當氣體流量大于60L/h時，要增大噴淋頻率才能保證生物膜正常生長的需要。該處理煤礦瓦斯的生物滴濾塔系統(tǒng)具有較好的應(yīng)對突發(fā)事件及故障的適應(yīng)能力?？刂迫肟跉怏w流速為45L/h，生物滴濾塔中斷3d后重新運行，9h后系統(tǒng)氧化甲烷性能即可獲得較好恢復(fù)。而當生物滴濾

14、塔中斷7d后再次運行，至少需要16h系統(tǒng)才能獲得較好的甲烷去除效率。當氣體流速為45L/h，噴淋液流速為75mL/min，每10h噴淋一次的條件下，用大陶粒進行掛膜的生物滴濾塔大約有160d的壽命。在此期間，該系統(tǒng)具有較好的瓦斯凈化能力，之后，裝置系統(tǒng)由于滋生霉菌，處理瓦斯的能力迅速惡化。 (4)根據(jù)物料平衡和經(jīng)典的Langmuir吸附公式，可以建立整個填料塔內(nèi)的生物膜表面吸附和生化去除CH<,4>的宏觀動力學模型。 經(jīng)

15、對比驗證結(jié)果表明，對于不同的入口氣體流速來講，該動力學模型對出口CH<,4>濃度的計算值與實驗值之間都具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均達到0.94以上。在較低氣體流速與入口甲烷濃度的條件下，CH4生化去除量的理論計算值與實驗值之間有較好的相符性，但當氣體流速增加以及入口甲烷濃度增大時，理論計算值與實驗值之間逐漸出現(xiàn)偏差，但在所研究的入口甲烷濃度范圍內(nèi)(0％-20％)，二者之間的相關(guān)性系數(shù)仍然達到了0.89以上。這表明應(yīng)用“吸附-生物膜理論”