煤层气生物工程研究进展

苏现波^1,2,3，夏大平^3,4，赵伟仲⁵，伏海蛟²，郭红光⁶，何环⁷，鲍园⁸，李丹⁴，魏国琴⁹

1. 河南理工大学非常规天然气研究院2. 中国地质大学(武汉)资源学院3. 中原经济区煤层(页岩)气协同创新中心4. 河南理工大学能源科学与工程学院5. 河南理工大学资源环境学院6. 太原理工大学矿业工程学院7. 中国矿业大学化工学院8. 西安科技大学地质与环境学院9. 山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司煤与煤层气共采国家重点试验室

摘 要：煤层气生物工程是将营养液或经过驯化、改良的菌种注入地下煤层或通过地面发酵产气的方式,把煤的部分有机组分转化为甲烷,实现微生物强化煤层气产出的一种特殊发酵工程。该工程作为多学科交叉的新兴边缘学科,涉及到能源、环境和新材料三大领域,具有多重效益,越来越受到关注,详细总结了国内外煤层气生物工程10余年的发展历程,首先从煤层(水)的生物多样性、厌氧发酵系统产气机制和控制因素等方面系统分析了煤层气生物工程的微生物学基础;以研究厌氧发酵系统中气固液菌为核心,整合其他学科的研究方法,初步形成了煤层气生物工程自身的研究方法,最后提出了煤层气生物工程的实施方案及发展趋势。生物多样性为煤层生物甲烷的生成提供了菌种来源,根据发酵系统中气固液菌的变化规律将发酵过程区分为4个阶段,系统中的底物和环境因子控制了微生物群落结构,影响了生物甲烷的产量,甲烷的成因区分为乙酸营养型、氢营养型、甲基营养型3种,这一认识初步构成了煤层气生物工程的理论基础。分子生物学、地球化学与煤化学等的结合为该学科的发展提供了方法支撑。地面发酵池产气工程除了获取生物甲烷这一洁净能源外,还可以与褐煤提质、高硫煤微生物脱硫和新材料合成相结合,使得经济效益最大化;地下煤层气生物工程以其增气、增解、增透作用可大幅度提升煤层气井的产量,并获取液相有机物,同时可以实现二氧化碳的甲烷化,二氧化碳矿化对采空区可起到固化作用,减排效果显著。煤层气生物工程以其理论性、方法性和实用性正在成为一个全新的领域,将有力推进中国煤层气大规模商业化开发进程。

关键词：煤层气生物工程;煤层生物甲烷;厌氧发酵;微生物强化煤层气产出;二氧化碳减排;新材料;