煤层次生生物气是煤层气资源的重要补充,基于次生生物气理论发展起来的有机质生物甲烷化技术可实现生物采煤、生物采残煤,是提高煤炭采收率的一种途径;具有增加能源储备和温室气体减排的社会和环境意义。Fe²⁺和Ni²⁺是煤层生物甲烷生成过程中厌氧发酵微生物酶保持活性必不可少成分,对厌氧发酵的产甲烷阶段起着重要调控作用。本研究基于煤层次生生物气模拟实验,考察煤层生物甲烷生成的微量元素迁移特征,并采用有机地球化学、煤化学、微生物学等现代生化理论,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,从地球化学和微生物学角度阐明Fe²⁺和Ni²⁺及其组合对煤层生物甲烷生成影响及其控制机理。主要研究内容如下:(1)考察煤层生物气生成的微量元素迁移特征及其规律:选择内蒙古大柳塔的煤样,在环境条件适合的情况下下进行生物产气实验,对反应前后煤中的微量元素铁、钴、镍、锰、钼、锌、铜、铅、镉含量和赋存状态分析,发现生物产气后,大柳塔煤中的微量元素的总量都有所减少,反应后煤中微量元素的赋存形态改变较多,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,归根到底主要在于生物产气前后煤结构的变化造成微量元素的含量和存在状态发生改变。(2)选择铁和镍作为生物产气的外源添加营养元素:实验证明了Fe²⁺对次生生物气生成的“低促高抑”现象不明显,而Ni²⁺的“低促高抑”效应显著,二元离子组合效果最佳,具有显著的增产效应,且缩短了产气周期;即:Fe²⁺15 mg/L,Ni²⁺0.005mg/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:对照样要比空白样的菌群生存活力更强,pH变化与VFA变化呈现相对应关系,为丁酸型发酵;COD和木质素结果表明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。固相产物分析结果都表明由于对照样的微生物生理活性更强,与空白样相比,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)从酶学角度分析与产气机制方面分析,发现能够表征产甲烷菌活性的辅酶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。氢化酶与单因子浓度关系表明,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⁺。氢化酶随时间变化曲线表明,氢化酶出现峰值时间早于产气峰值。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,这与酶活种类关系密切,且对照样的辅酶F₄₂₀、氢化酶、纤维素酶的活性值都比空白样要大。(5)由于发酵罐结构的局限性,仅放大实验规模的发酵罐实验产气效果要比小样差。对发酵罐实验进行工艺流程包括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,证实了优化实验能明显提升产甲烷效率。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。