不同变质程度煤的微生物絮凝优化试验研究

张东晨，戴 雯，冀敏敏

(安徽理工大学材料科学与工程学院，安徽 淮南 232001)

不同变质程度煤的微生物絮凝优化试验研究

张东晨，戴 雯，冀敏敏

(安徽理工大学材料科学与工程学院，安徽 淮南 232001)

对贫煤、焦煤和气煤等三种不同变质程度煤开展微生物絮凝试验研究，利用具有良好絮凝活性的黄孢原毛平革菌作为煤炭生物絮凝剂产生菌，对贫煤、焦煤和气煤等三种不同变质程度煤的煤泥水进行生物絮凝优化试验。采用非线性拟合回归分析，分别建立了微生物絮凝剂投加量与贫煤、气煤和焦煤煤泥水透光率之间的量化模型，模型的显著性好，曲线的拟合度较高。研究表明，不同变质程度煤的结构组成与煤质特性不同，其煤泥水在絮凝沉降方面存在着一定差异。研究为深入揭示煤炭微生物絮凝的规律、特点及其适应性等提供了重要的试验依据。

贫煤；气煤；焦煤；黄孢原毛平革菌；生物絮凝

煤炭是重要的能源和化工原料，在我国的一次能源中约占70%，中国煤炭的品种齐全，从褐煤到无烟煤各种不同变质程度煤均有一定的储备[1]。其中贫煤作为烟煤中变质程度最高的煤种，主要作为电厂燃料；焦煤作为一种结焦性较好的煤种，主要用于制取性能较好的焦炭；气煤是一种变质程度较低、挥发分较高的煤种，常用来炼焦。由于不同变质程度的煤结构组成和煤质特性均不同，它们形成煤泥水的特性也存在差异。

微生物絮凝剂与传统化工产品类絮凝剂相比具有绿色、可降解等许多优点，对煤炭环境保护等具有重要意义。近年来对煤炭微生物絮凝技术的研究越来越受到重视，目前煤泥水生物絮凝技术的研究多是针对单一煤种[2-4]。文献[5]采用酱油曲霉产生物絮凝剂对无烟煤产生的煤泥水进行了絮凝沉降试验，试验表明酱油曲霉发酵液的破碎离心液絮凝活性最高，在适宜的外界条件下絮凝率最高达90.76%；文献[6]研究了白腐菌对某种煤产煤泥水进行了絮凝试验，试验证明起絮凝作用的是胞外分泌物，而且絮凝剂在高温的环境作用下对絮凝活性影响较小，热稳定性较好，在最优条件下絮凝率高达98.17%；本实验室在前期的研究中采用球红假单胞菌产生物絮凝剂进行了单煤种煤泥水的絮凝沉降试验，在最优条件下煤泥的絮凝率达到90.3%，取得较好的絮凝效果[7]。

不同变质程度煤的结构组成与煤质性质不同，生物絮凝剂能否用于不同变质程度煤的煤泥水絮凝中，这是煤炭生物絮凝得以广泛应用的关键问题。目前尚未见这方面的研究报道。本文重点选取贫煤、焦煤、气煤三种不同变质程度的煤泥水开展生物絮凝试验，采用具有良好絮凝活性黄孢原毛平革菌作为生物絮凝剂产生菌[8]，研究不同变质程度煤泥水的微生物絮凝规律及特点，为微生物絮凝技术在煤炭领域的广泛应用提供重要的试验依据。

1 试验材料与设备

1.1 菌种及培养基

絮凝试验菌种采用对煤炭具有良好絮凝作用的真菌属黄孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)，菌样来自广东微生物菌种保藏中心。编号：BKMF-1767。

菌种培养基：马铃薯200g，葡萄糖20g，KH2PO43g，MgSO4·7H2O 1.5g，维生素B18mg，蒸馏水1 000mL，pH6。

1.2 试验煤样

试验煤样来源：贫煤取自山西长治，气煤取自山西大同，焦煤取自山西屯兰。三种不同变质程度的煤采用-0.5mm标准筛筛分，取筛下物作为试验煤样。

1.3 主要试验仪器

主要试验仪器设备有：标准套筛；马弗炉；电子分析天平；PHSCAN-10防水笔型计；SK2200H型超声波破碎仪；YXO.SG41.280型手提式压力蒸汽灭菌器；ZHWY 211B型卧式全温度恒温摇床；TDZ5-WS低速离心机；UV-5100紫外可见分光光度计； BIO-RAD EXALIBUR FTS3000型傅立叶红外光谱仪等。

2 试验方法

2.1 煤泥水的配制及相关特性的测定

配制方法：根据现场煤泥水的特性配制煤泥水浓度35g/L，按比例称取3.5g的三种不同变质程度的煤样分别置于250mL的烧杯中，加入90mL的蒸馏水并搅拌均匀，最后倒入100mL的量筒中并补加至100mL。

煤样性质的测定：采用pH测试仪对煤泥水的pH值进行测定；根据国标GB212—91《煤的工业分析方法》对煤泥水中煤泥的粒度及灰分进行分析测定；以及采用紫外可分光光度计测定自然沉降前后30min上清液的吸光度值，计算透光率等。

2.2 微生物絮凝剂的制备及提纯

微生物絮凝剂的制备：将2mL黄孢原毛平革菌接种到100mL的液体培养基中，置于30℃、140r/min的摇床中培养3d，取培养原液于超声波破碎仪中破碎30min，再将培养原液的破碎液于离心机中以转速4 000r/min，离心10min左右，既得含微生物絮凝剂离心上清液。

生物絮凝剂的提纯与检测：往离心上清液加入2 倍体积的95%乙醇溶液，混合均匀得到絮状沉淀物，离心分离沉淀，用少量的乙醇洗涤后，再用离心机离心，在40 ℃下干燥获得白色片状固体，即为微生物絮凝剂样品；用红外光谱仪对样品成分进行检测，分析样品中活性基团的种类及特性等[9]。

2.3 微生物絮凝剂絮凝煤泥水试验

取100mL煤泥水于250mL烧杯中，加入质量分数2%的CaCl2助凝剂，磁力搅拌器慢搅1min，然后加入一定量的生物絮凝剂，调节pH值为特定值，磁力搅拌器慢搅5min，静置30min，利用UV-5100紫外分光光度计在波长660nm处测定上清液透光率值。本试验以煤泥水透光率作为试验指标，定量分析贫煤、气煤及焦煤三种不同变质程度煤泥水的絮凝沉降效果。透光率越高，煤泥水的絮凝沉降效果越好[10]。

3 试验结果及分析

3.1 煤泥的特性分析

(1) 煤泥的组成及性质分析如表1所示。

表1 不同变质程度煤泥的粒度组成及其灰分

由表1可知，三种煤样普遍具有细粒级含量大和灰分高的特点，与气煤和焦煤相比，贫煤粗粒级0.5～0.25mm的比例占到27.74%，自然沉降效果优于气煤和焦煤。气煤细粒级含量较大且灰分较高，在粗粒级沉降下来后，细粒级仍然非常难沉降。焦煤细粒级含量较高，粗粒级0.5～0.25mm的比例占到30.14%，在大粒级煤泥颗粒沉降后细粒煤泥仍然难以沉降。

(2) 煤泥水的自然沉降分析如表2所示。

表2 不同变质程度煤泥水性质的检测

由表1和表2可知：贫煤煤泥水显碱性，煤泥水中小于0.045mm粒级的细粒含量很大，占到49.81%，将近一半。气煤煤泥水显弱碱性，煤泥水中小于0.045mm粒级的细粒含量相当大，占到55.16%，大于一半。焦煤煤泥水显碱性，煤泥水中小于0.045mm粒级的细粒含量很大，占到49.85%，将近一半[11]。

将100mL煤泥水搅拌均匀后置于量筒内自然沉降30min，吸取80mL到90mL刻度处的煤泥水上清液，用UV-5100紫外可见分光光度计在波长660nm处测其上清液透光率。贫煤煤泥水自然沉降透光率为15.8，气煤煤泥水自然沉降透光率为0.15，煤泥水几乎不沉降，焦煤煤泥水自然沉降透光率为1.15。可见三种不同变质程度煤泥水自然沉降效果差，均需添加和使用絮凝剂来加速其沉降。

3.2 微生物絮凝剂的FTIR光谱试验分析

黄孢原毛平革菌破碎离心上清液中提取得到的试验样品，利用FTIR红外光谱仪，采用嗅化钾压片法进行测定分析，得到其红外光谱(见图1)。

图1 黄孢原毛平革菌的红外光谱

图1是一个多糖的红外光谱，其在1 082 cm-1,1 661 cm-1,2 930 cm-1,3 395 cm-1等多处具有多糖的特征吸收峰。1 661cm-1处的吸收峰是COO-不对称振动的结果；2 930 cm-1处的吸收峰是糖类的C-H键伸缩振动的结果；3 395cm-1处的吸收峰是糖类的-OH伸缩振动的结果；621 cm-1和528cm-1处的吸收峰是芳烃的-CH弯曲振动的结果；708 cm-1和762 cm-1处主要是芳烃的面外弯曲振动结果；1 024 cm-1和1 082 cm-1处是酯内C-O-C反对称伸缩振动吸收谱带所致。

综上分析，该多糖为活性基团主要以COO-形式存在的酸性多糖，表明黄孢原毛平革菌絮凝剂分子的主要成分为酸性多糖。

3.3 不同变质程度煤的絮凝优化试验结果分析

(1)贫煤微生物絮凝优化试验结果分析

试验条件及步骤：调节煤泥水pH值为7，将2mL质量浓度2%的CaCl2助凝剂加到100mL贫煤煤泥水中，改变絮凝剂的投加量，絮凝后煤泥水透光率值如图3所示。

利用数据处理系统(Date Processing System,DPS)[12-13]，得到微生物絮凝剂投加量与贫煤煤泥水上清液透光率的相关曲线拟合图，如图2所示。根据分析可知，絮凝剂投加量与煤泥水透光率为二次曲线关系。

图2 絮凝剂投加量与贫煤煤泥水透光率的关系曲线

根据图2，建立了微生物絮凝剂投加量与贫煤煤泥水透光率之间的数学模型，即

y=36.6480+29.0517x-5.3312x2

(1)

式中：为絮凝剂投加量/mL，为贫煤煤泥水透光率/%，其中，相关系数=0.9187，P=0.0019(<0.05)，说明回归方程显著性好，数据点与拟合曲线高度吻合。从图1中可以看出，絮凝剂的投加量大于1.6mL后，煤泥水透光率呈下降趋势，投加量继续增加上清液略出现浑浊，透光率下降。试验结果表明：絮凝剂的投加量为1.6mL絮凝效果最优。

(2)焦煤微生物絮凝优化试验结果分析

试验条件及步骤：调节煤泥水pH值为7，将2mL质量浓度2%的CaCl2助凝剂加到100mL焦煤煤泥水中，改变絮凝剂的投加量，絮凝后煤泥水透光率值见图4。

利用DPS数据处理系统，得到微生物絮凝剂投加量与焦煤煤泥水上清液透光率的相关曲线拟合图，如图3所示。根据分析可知，絮凝剂投加量与煤泥水透光率为逻辑斯蒂模型关系。

图3 絮凝剂投加量与焦煤煤泥水透光率的关系曲线

根据图3，建立了微生物絮凝剂投加量与焦煤煤泥水透光率之间的数学模型，即

y=61.8139/(1+EXP(0.247760-

0.700066x))

(2)

式中：为絮凝剂投加量/mL，为焦煤煤泥水透光率/%，其中，相关系数=0.9503，P=0.0006(<0.05)，说明回归方程显著性好，数据点与拟合曲线高度吻合。从图3中可以看出，絮凝剂的投加量大于3mL后，煤泥水透光率呈下降趋势，絮凝剂投加量再增加，上清液变浑浊。试验结果表明：絮凝剂的投加量为4mL时絮凝效果最优。

(3)气煤微生物絮凝优化试验结果分析

试验条件及步骤：调节煤泥水pH值为7，将2mL质量浓度2%的CaCl2助凝剂加到100mL气煤煤泥水中，改变絮凝剂的投加量，絮凝后煤泥水透光率值。

利用DPS数据处理系统，得到微生物絮凝剂投加量与气煤煤泥水上清液透光率的相关曲线拟合图，如图4所示。根据分析可知，絮凝剂投加量与煤泥水透光率为二次曲线关系。

图4 絮凝剂投加量与气煤煤泥水透光率的关系曲线

根据图4，建立了微生物絮凝剂投加量与气煤煤泥水透光率之间的数学模型，即

y=26.1965+33.7054x-5.7917x2

(3)

式中：为絮凝剂投加量/mL，为气煤煤泥水透光率/%，其中，相关系数=0.9469，P=0.0007(<0.05)，说明回归方程显著性好，数据点与拟合曲线高度吻合。从图4中可以看出，絮凝剂的投加量大于2.2mL后，煤泥水透光率呈下降趋势，投加量大于2mL时透光率开始下降。试验结果表明：絮凝剂的投加量为2.2mL时絮凝效果最优。

4 结论

(1)试验研究发现黄孢原毛平革菌作为煤炭生物絮凝剂产生菌，对贫煤、焦煤和气煤均具有良好的絮凝效果。红外光谱测试结果表明，黄孢原毛平革菌生物絮凝剂的主要成分是酸性多糖，含有活性基团COO-，酸性多糖的负电性使其絮凝分子长链能充分伸展，有利于煤炭生物絮凝剂絮凝活性的提高。

(2)通过对贫煤、焦煤和气煤三种不同变质程度的煤泥水开展生物絮凝试验研究，建立了生物絮凝剂投加量与煤泥水透光率之间的非线性回归量化模型，回归方程显著性良好，数据点与拟合曲线吻合度较高。试验结果表明：不同变质程度煤由于结构组成及煤质特性不同，其煤泥水在絮凝沉降效果方面存在着一定差异。

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The Optimal Experiment Research on Microbial Flocculating of Coal with Different Metamorphic Degrees

ZHANG Dong-chen, DAI Wen, JI Min-min

(School of Material Science and Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

This paper carries out the microbial flocculation experiment of coal with different metamorphic degrees, coal, gas coal and coking coal and the coal slime water biological flocculation experiment of coal with three different metamorphic degrees, by using good flocculating activity of bacteria fungi sporePhanerochaetechrysosporiumas coal bacteria biological flocculating agent. With nonlinear fitting regression analysis method, the biological flocculant dosing quantity and slime water mathematical model between the light transmittance were established. The model and curve fitting degree is higher. The results show that the coal structure of different metamorphic degrees and coal quality characteristic is different, and there are differences in terms of the formation of slime water and flocculating sedimentation. By studying the coal with different metamorphic degrees of slime water and the law of microbial flocculation, the different metamorphic degree of coal slime water of microbial flocculation process parameters optimization and bio-flocculation adaptability provide an important experimental basis for further research.

meager coal; gas coal; coking coal;Phanerochaetechrysosporium;bio-flocculation

2016-11-19

国家自然科学基金资助项目(51274012)

张东晨(1965-)，男，安徽省合肥人，教授，博士，研究方向：从事矿物加工与生物洁净煤技术研究。

TD926.2

A

1672-1098(2016)06-0006-06