作为一种非常规能源资源,煤层气的开发与利用,一方面可以大大降低煤炭资源的开采成本,另一方面可以确保能源的可持续发展。按照形成原因,煤层气可以分为两类:生物成因煤层气和热成因煤层气。目前普遍认为,生物成因煤层气的生成过程主要是由煤层中的本源产甲烷菌群将煤中的大分子有机物逐步转化为小分子有机化合物,进而转化为生物甲烷。由此,生物成因煤层气能够在一定程度上实现煤层气的“再生”,对改变我国“富煤少气”的能源结构具有重要作用,科学及现实意义重大。然而,多种因素导致生物成因煤层气的产气效率较低。目前普遍认为,生物降解煤的限制因素主要是煤结构的复杂性和难降解性。本文提出采用有效方法在生物转化之前对煤进行预处理,来降低煤分子的复杂性,提升煤分子的生物有效性,以提高生物煤层气的产生效率。本文采用传代、富集的方法从沁水盆地煤层气田产出水中获得了无烟煤降解高效菌群,并确定了最佳生长条件;利用FTIR、X-RD、GC-MS技术,通过煤官能团、煤晶核、降解中间产物3方面初步分析了菌群的降解机理。在此基础上,研究了不同浓度硝酸、高锰酸钾、双氧水、氢氧化钠预处理煤的生物煤层气增产效果,以产气量为核心评价指标,优选出最佳的预处理条件,并通过FTIR、X-RD技术分析了预处理及随后的产气过程中煤官能团和煤晶核的变化情况,初步分析了预处理增产生物甲烷的机理。研究发现:(1)成功培育出降解无烟煤的高效菌群,其最佳产气条件为:温度,35℃;耐盐度,1.1%¹.2%;粒径,0.15⁰.25mm;p H,8⁹;煤(g)与菌液(ml)之比,1:5;最佳接种时间,20d。在降解煤产甲烷的过程中,酚、醇、醚、脂的C-O的伸缩振动以及苯环骨架振动的吸收峰面积逐渐减小;煤的晶核结构不断减小,煤的芳环结构变得膨胀疏松;培养液中的中间代谢产物有芳香族物质、长链脂肪酸、甲酸、乙酸、酚、醇、醚、脂等物质出现。整个降解过程遵循了厌氧生物典型发酵理论的模式,即煤的大分子不断降解为小分子,最终被微生物利用产生甲烷的过程。(2)优选出最佳煤预处理条件为:30%的H₂O₂处理12h和1.5M Na OH处理12h,产气量分别提高12.5%和15.5%。(3)H₂O₂预处理过程中,煤官能团主要体现在取代芳烃以及苯环的骨架振动的吸收峰不断减小,煤晶核结构主要体现在其体积的缩小,这是以双氧水对其外部分子的氧化作用为前提而完成的,即这是一个使小分子被氧化脱落的过程。Na OH预处理过程中,煤官能团主要体现在甲基、亚甲基的吸收峰不断减小,这是碱机理作用的结果,而煤的晶核结构的减小,主要是氢氧化钠的强腐蚀性的原因造成的。(4)H₂O₂预处理后煤产气过程中,煤官能团主要体现在酚类、醇类、醚类物质的C-O吸收峰以及苯环的骨架振动的吸收峰的面积是不断减小的,这说明经H₂O₂处理后,以酚类、醇类、醚类以及芳香族物质作为主要产气基质的物质更易被利用;煤的晶核结构呈现出不断减小的趋势,这表明在微生物的作用下,其堆砌高度以及延展度都有所减小,这正与产甲烷过程中煤中有机质的降解过程相对应。Na OH预处理后的煤产气过程中,煤官能团主要体现在含有苯环的骨架振动的吸收峰不断减小,这说明煤的大分子不断降解,进而转化为酚类、醇类等物质,进而被利用产气;煤的晶核结构虽有所减小,但减小量并不是特别显著。(5)H₂O₂预处理增产生物煤层气,主要是由于其本身的氧化性发生作用,Na OH预处理增产生物煤层气,主要是碱作用的结果。(6)煤的生物降解产甲烷过程十分复杂,在煤的生物转化之前,采用有效的预处理方式对煤进行处理,如H₂O₂和Na OH对煤进行处理,可有效提高生物甲烷的产生效率。