煤生物成气是在微生物作用下,实现对煤的降解并气化产生以甲烷为主的气体。近年来,煤生物成气的产生过程及影响因素受到了广泛关注,但对于成气过程中伴生的环境问题关注较少。本文针对煤生物成气过程中的潜在环境问题进行研究,选择沁水盆地作为煤层气开发的典型区域,开展了煤层气井排出水污染调查和评价;选择潞安、义煤和平煤三地的煤样进行模拟生物成气实验,研究了煤生物成气过程中常量离子、有机物和重金属元素的变化特征,并对有机物和重金属的潜在环境风险进行了初步评价。论文主要取得以下研究成果:(1)沁水区块煤层气井排出水中苯酚平均超标4.4倍,其他区块排出水存在萘超标。襄垣、太原、阳泉区块排出水中Cr分别超标1.55倍、2.71倍、3.11倍,太原区块排出水中Ni超标1.90倍。综合污染评价显示襄垣区块排出水水质为IV级、水质较差,其他区块排出水水质均为V级、水质极差。沁水盆地煤层气井排出水中存在重金属离子和有机物的污染。(2)煤生物成气主要包括三个阶段,在快速产气阶段,溶液中存在着较高浓度的脂肪酸;进入慢速产气阶段后脂肪酸的浓度下降到几乎为零,芳香族化合物在体系中占主要地位。成气过程中的典型有机物主要包括对甲酚、脂肪酸、酯、苯系物和正构烷烃,其中脂肪酸、酯类的浓度较高,辛酸浓度范围为519.55¹891.10μmol/L、邻苯二甲酸二甲酯浓度范围为298.34⁴12.72μmol/L;苯系物和正构烷烃的浓度相对较低,正构烷烃的浓度均低于1μmol/L。(3)模拟实验表明:成气过程中液相中的常量离子含量未发生明显变化,但As、Ba、Co、Ni、Pb、Se、Cu和Ti等重金属含量明显升高。Ba的含量最高,范围为23.88¹44.79μg/L、砷和铜的含量范围分别为5.88²5.07μg/L和5.47¹4.17μg/L,其他金属元素含量较低。通过对比煤的浸泡试验,成气过程中与羟基、羰基、羧基等基团结合的非水溶态的金属元素会进入到液相中。(4)吸附试验表明:煤粉能够对酵母提取物产生吸附,72h内的酵母提取物的去除率达40%以上,随着煤粉质量的增加,去除率能够达到60%以上。煤粉没有对Na⁺、NH₄⁺、K⁺和Cl^-、SO₄^2-和PO₄^3-产生吸附。(5)煤生物成气过程中重金属Ba、Co、Ni、Pb、Se、Cu的含量均未超过地下水III标准值,类金属As超标2倍。有机物中对甲酚、邻苯二甲酸二甲酯和1,2,3,4-四氢化-9-丙基-蒽超过III标准,其中对甲酚、邻苯二甲酸二甲酯均严重超标。健康风险评价结果表明:饮用条件下各指标的非致癌风险值分布范围在4.37×10^-122.10×10^-6,小于非致癌风险阈值1,说明在生物成气过程中的有机物和重金属的非致癌风险处于可接受水平。致癌风险计算结果显示,三种煤样中As的致癌风险值分布范围在4.61×10^-51.96×10^-4,均超过了致癌风险阈值1×10^-6,表明As是煤生物成气过程中对人体危害最大的潜在污染物质。