CN104884569B - 用于提高来源于含碳物质的生物甲烷生产的营养组合物、方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明记载了用于提高来自含碳物质的生物甲烷生产的营养组合物。所述营养组合物包含磷(P)源和氮(N)源，其中磷氮(P/N)的摩尔比大于1.5，氮浓度为至少0.1mM且小于1.7mM。本发明还记载了用于提高来自含碳物质的生物甲烷生产的方法。所述方法涉及使本发明的营养组合物与含碳物质接触一段时间，从而生物性产生甲烷，随后从所述含碳物质中收集甲烷。所述方法还可以包括将含碳物质与第二营养组合物接触，其中第二营养组合物的P/N的摩尔比高于第一营养组合物的P/N的摩尔比。

Description

用于提高来源于含碳物质的生物甲烷生产的营养组合物、方 法和系统
技术领域
本发明涉及用于提高来源于含碳物质的生物甲烷生产的营养组合物、方法和系统。
背景技术
甲烷与大多数煤炭储量有关，其含量各不相同。可以在煤埋藏和成熟过程中生热产生形成，或者可以通过微生物的作用而生物性产生。据认为细菌是煤的主要降解菌，其产生一系列的中间体，所述中间体依次降解为甲烷前体，例如氢气、二氧化碳、乙酸盐和各种其他化合物(如二甲基硫醚、甲酸盐，甲醇和甲胺)。然后这些前体通过产甲烷古生菌转化成甲烷。通过多种机制，包括CO2还原、乙酸分解(从乙酸盐)或甲基营养过程，可以发生这种产甲烷过程。
产生生物甲烷的煤层环境是缺氧的和还原的。由于主要营养素的限制，生物甲烷产生是缓慢的，经过长时间尺度发生。来自典型的煤层甲烷(CSM)井的生产可能存在5-7年，之后生产速率变得不经济，该井可能被放弃。
有可能通过引入产甲烷微生物种群延长井的生产寿命。美国公开No.2004/0033557记载了将所选的厌氧微生物的聚生体引入到将地层中的有机化合物原位转化为甲烷和其他化合物的表面地层中。
也可以通过刺激存在于煤和/或相关的水中的微生物相对迅速补充埋藏的煤层中的甲烷。已知的是，这可以通过将营养素添加到系统中来实现。例如，美国专利No.7,832,475描述了提高生物甲烷产生的方法，所述方法涉及引入不加选择的微生物种群的刺激组合物，例如玉米糖浆、乳化油和牛奶以全面促进含烃形成层的微生物种群。该方法进一步涉及通过使一种或多种微生物群体选择性饥饿以选择性供养至少一种所促进的微生物种群的微生物种群后续处理。
在旨在提高甲烷生产的方法中，通过营养补充剂增强微生物活性，需要考虑到整个系统的生命周期分析。例如，US4826769公开了来自煤的微生物产生的甲烷优选要求C:N:P的比为100:5:1。通常对于来源于能源密集源例如氨生产的氮，需要高效率和有效的剂量的计划。
虽然通过增强微生物聚生体的生长在提高甲烷生产方面已取得显著进展，但仍有进一步改进的余地。
发明内容
根据第一个方面，提供用于提高来自含碳物质的生物甲烷生产的营养组合物，所述营养组合物包括磷(P)源和氮(N)源，其中磷氮(P/N)的摩尔比大于1.5，并且氮的浓度为至少0.1mM且小于1.7mM。
令人惊讶地发现，为刺激甲烷产生所需要的有效浓度的氮具有双峰，通常增加氮浓度促进涉及甲烷产生的微生物的活动，然而在如本发明所教导的意外的低氮磷比下可以获得提高的甲烷产生峰。
优选的营养组合物进一步包括一个或多个产甲烷微生物种群。更优选一个或多个产甲烷微生物种群包括选自由如下所组成的组中的微生物：甲烷杆菌、甲烷球菌、甲烷微菌、甲烷火菌。
术语“碳质物质”广义地用于指能够支持并优选存在或供有一个或多个产甲烷微生物种群的任何含碳物质。含碳物质经过所述一个或多个产甲烷微生物种群的降解产生甲烷或甲烷前体。含碳物质的合适实例包括，但不限于，煤、褐煤、泥煤、钻粉、废煤、煤衍生物、油页岩、油层、沥青砂、烃污染的土壤和石油污泥。含碳物质优选在干燥无灰基底上包括至少0.5重量％N，更优选至少1.0重量％N。
含碳物质可以是原位含碳物质或非原位含碳物质。原位含碳物质可以指存在于原始来源位置，如承载含碳物质的地层或采空区的含碳物质。非原位含碳物质可以指已从其原始来源位置移除的含碳物质。非原位含碳物质可以存在于反应器、生物反应器、堆积堆或可选择的地上建筑物、地坑等等。
营养组合物中相对高的磷氮(P/N)比是出乎意料的，尤其考虑到微生物通常由相对于P超过约10倍多的N组成。在某些实施方案中磷氮(P/N)比可以大于2。磷氮比(P/N)可以小于8。
营养组合物可以包括至少0.2mM的氮浓度。在一个实施方式中氮浓度可以小于1.6mM。在另一个实施方式中氮浓度可以小于1.5mM。在另一个实施方式中氮浓度可以小于1.0mM。在其他实施方式中氮浓度可以小于0.5mM。
营养组合物可以包含至少1.5mM，优选至少1.7mM，更优选至少2mM的磷浓度。
原位含碳物质可以与相关水或地层水共存。因此，应理解在某些实施方案中营养组合物可以经过所述相关水的稀释。
因此，在第二方面，提供了用于生产营养组合物的浓缩液，配制所述浓缩液以在用与含碳物质有关的液体稀释的基础上提供营养组合物，所述营养组合物中的有效磷氮摩尔比(P/N)大于1.5且有效氮浓度为至少0.1mM且小于1.7mM。
有效P/N摩尔比由与含碳物质接触或接近含碳物质的任何溶液、乳液、胶体悬浮液或凝胶中的磷和氮的各自的摩尔浓度确定。同样，有效氮浓度是指与含碳物质接触或接近含碳物质的任何溶液、乳液、胶体悬浮液或者凝胶的氮浓度。应理解的是，在与含碳物质接触或置于接近含碳物质之前在，这些溶液、乳液、胶体悬浮液或者凝胶可被与所述含碳物质相关的液体稀释，在随后的过程中再使其接触。
应理解的是，如上限定的磷和氮的比值和浓度是基于根据平推流模型将浓缩液注入原位含碳物质。应理解的是，可以采用其他传送模型，因此浓缩液(和营养组合物)中磷和氮的摩尔比和浓度根据传送模型的各种参数和条件而不同。
根据第三个方面，提供了提高来自含碳物质的生物甲烷生产的方法，包括以下步骤:
使营养组合物与含碳物质接触一段时间以生物性产生甲烷，所述营养组合物包括磷(P)源和氮(N)源，其中磷氮(P/N)的摩尔比大于1.5，有效氮浓度为至少0.1mM且小于1.7mM，或另外如上所限定，以及从含碳物质收集甲烷。
优选地，营养组合物与含碳物质紧密接触以使居于其中的产甲烷微生物种群能够容易利用所述营养组合物。
优选地，通过混合或搅拌营养组合物使其遍及接近于含碳物质的存在环境(例如地层水)，实现所述营养组合物与含碳物质的接触。
营养组合物与含碳物质的接触可以使用相关领域技术人员可以获得的已知技术，通过调节使营养组合物进入到含碳物质中的注射压力来实现。
在优选的实施方案中，使营养组合物与含碳物质接触通过潜流操作技术，例如WO2011/017771所公开的技术实现，WO2011/017771通过引用而并入本文中。
优选营养组合物与含碳物质紧密接触的时间段为至少1周，更优选为至少2周，甚至更优选为至少3个月，然而甚至更优选为至少6个月，最优选为至少1年。一般情况下，营养组合物与含碳物质接触的时间越长，产生的适于收集的甲烷的量越大。商业考虑可以至少部分推动在从含碳物质收集甲烷之前将营养组合物分散遍及含碳物质的时间段。
在第三个方面优选的实施方案中，该方法还包括，使第二营养组合物与含碳物质接触一段时间以生物性产生甲烷的步骤，在所述第一营养组合物与含碳物质接触之后，所述第二营养组合物与含碳物质接触。
在优选的实施方案中个，据认为第一营养组合物增强微生物种群的活动至在含碳物质内微生物种群释放足够量的氮，以致具有低氮浓度或根本无氮的额外营养补充剂有效提高甲烷产生。第一营养组合物可以起到再活化相对休眠的微生物种群的作用，第二营养组合物补充再次活跃的微生物种群的营养需要。
第二营养组合物优选含有大于第一营养组合物的P/N比的有效P/N比。
第二营养组合物中的氮浓度优选低于第一营养组合物中的氮浓度。
第二个营养组合物优选基本上不包含氮。对于本发明的目的，在营养组合物中基本上不包含氮意味着氮水平仅仅是微量，对应于组成营养组合物的其他成分的杂质水平。
第一营养组合物与含碳物质的接触和第二营养组合物与含碳物质的接触之间的时延优选为至少1周，更优选为至少一个月，更优选为至少两个月。第一营养组合物与含碳物质的接触和第二营养组合物与含碳物质的接触之间的最大时延优选为不超过一年，更优选不超过6个月。
“提高甲烷的生物性产生”可指在给定的时期内由含碳物质产生的生物甲烷的体积相对于在同一时期在不存在营养组合物的情况下由含碳物质产生的生物甲烷的体积增加。或者，“提高甲烷的生物性产生”可指来自含碳物质的生物甲烷的生产率与在不存在营养组合物的情况下由含碳物质所产生的生物甲烷的生产率相比加快。
通过增加一个或多个产甲烷微生物种群的大小或增加所述微生物种群菌的产甲烷速率，可实现提高生物甲烷产生。
一个或多个产甲烷微生物种群可以是能够产甲烷的任何微生物种菌，换句话说，是可降解含碳物质生成甲烷或甲烷前体，如氢气、二氧化碳、乙酸盐和其他有机化合物，例如甲酸盐、甲醇和甲胺等。
所述微生物种群可以是自然存在或与含碳物质共存的土著微生物种群。
可选择或者另外，可以将产甲烷微生物种群引入到含碳物质中。相对于单独的或交替的含碳物质，引入的产甲烷微生物种群可以是土著的。或者，引入的产甲烷微生物种群可以是来自生物反应器或改造的微生物培养物。改造的微生物培养物包括通过经典选择方法或其他遗传修饰方法产生的微生物培养物。
根据第四个方面，提供了生物甲烷生产系统，包括:
用于提高来自含碳物质的生物甲烷生产的营养组合物，所述营养组合物包括磷(P)源和氮(N)源，其中磷氮的摩尔比(P/N)大于1.5，有效氮浓度为至少0.1mM且小于1.7mM；
用于将所述营养组合物传送到含碳物质的传送系统；以及
收集来自含碳物质的甲烷的收集器。
附图说明
尽管任何其它形式可能落入如摘要所述的营养组合、方法和系统的范围内，现在参考附图仅作为示例的方式描述具体实施例，其中：
图1是显示通过苏拉特地层水聚生体孵育4周和6周后营养组合物中的磷氮比和氮浓度对苏拉特煤的甲烷生成(如顶部空间的甲烷％)的影响的3D-插值网格图。在SigmaPlotv.1 1.0中使用LOESS回归算法和适合性状的不规则的网将散点图数据平滑；以及
图2是来自于图1中3D数据图的二维图，其中组合物中的磷源具有恒浓度为1.90mM的K2HPO4.2H2O并且氮源的浓度(例如，NH4Cl)有变化。
具体实施方式
在一个方面，本发明涉及用于提高来源于含碳物质的生物甲烷生产的营养组合物。
营养组合物
用于提高来自含碳物质的生物甲烷生产的营养组合物包括磷(P)源和氮(N)源，其中磷氮的摩尔比(P/N)大于1.5，有效氮浓度为至少0.1mM且小于1.7mM。
在一些实施例中，磷氮的摩尔比(P/N)大于2。磷氮的摩尔比(P/N)可以小于8。
有趣的是，本发明人发现在高氮浓度下甲烷产量下降。他们推测，这可能是由于一种或多种转移能量和/或碳通量而不生产甲烷的微生物种群的生长增加。在这方面，营养组合物的磷和氮的总组合浓度不可以超过10mM。
营养组合物可以包含至少1mM，优选至少1.5mM，更优选至少2mM的磷浓度。
营养组合物可以包括至少0.2mM的氮浓度。
在一个实施方式中氮浓度可以小于2.0mM。在一个实施方式中氮浓度可以小于1.5mM。在其他实施方式中氮浓度可以小于1.0mM。在另一个实施方式中氮浓度可以小于0.5mM。
营养组合物可能是溶液形式的液体，特别是含水溶液。含水溶液的溶剂(水源)可以是水、去离子水、超纯水、蒸馏水、市政水、地下水、采出水、地层水、循环水、工艺水、废水、微咸水或盐水。
优选地，含水溶液包含地层水或其类似的组合物。通过使用与碳沉积物周围的地层水相同或相似的含水溶液，经改良(即，富含营养)的含水溶液能够更好地将加强的营养物质传送到微生物种群，而不需要适应新的含水环境的显著的滞后时间。
优选，所述水源的温度、pH和/或离子强度基本上与所得到的营养组合物的温度、pH值和/或离子强度相同。
对于本发明的目的，基本上相同的温度优选为差异不超过20℃的温度，更优选为差异不超过10℃。
对于本发明的目的，基本上相同的pH优选为差异不超过2，更优选为不超过1，甚至更优选为不超过0.5。
优选地，营养组合物的pH在5.0-10.0，更优选6.0-9.0，甚至更优选7.0-8.0的pH值范围内。
对于本发明的目的，基本上相同的离子强度优选为离子强度差不超过100％，更优选不超过50％，甚至更优选不超过10％。
优选地，营养组合物基本上不含氧气(即，缺氧的)。
在一些实施方案中，配制营养组合物之前，可以将地层水(或其它溶剂)存储在蓄水库，例如储罐或水坝。因此，可以理解，在这些特定的实施方案中，地层水可能需要先经过处理以从中除去氧气。这样的处理可以包括，但不限于，用气体如氮气或类似的惰性气体净化地层水(或其它溶剂)以置换其中的氧气。
应当理解的是，可以选择磷源和气态氮源为可溶解于含水溶液中的。还应当理解的是，可以用乳化剂来增加含水溶液中磷源和/或氮源的溶解度。因此，所述营养组合物还可以包括乳化剂。
在另一个实施方案中，营养组合物可以为乳液，例如水包油型乳液，或胶体或悬浮液或凝胶。
在各种实施方案中，所述营养组合物还可以包含选自包含铁、锰、钴、锌、钼、镍、铝、硼、铜、钨和硒的组中的至少一种微量元素。微量元素可以以其水可溶盐形式存在于溶液中。营养组合物中各微量元素的浓度可以小于200ppm。
在其他实施方案中，营养组合物还可以包含选自包含吡哆醇、对氨基苯甲酸、泛酸盐、烟酸、核黄素、硫胺素、硫辛酸、生物素、叶酸、丙酮酸和B12的组中的至少一种维生素。营养组合物中各维生素的浓度可以小于100ppm。
在进一步的实施方案中，所述营养组合物还可包括至少一种刺激物。刺激物可以是可用于增加或刺激含碳物质中甲烷生物产生的任何因子。刺激物的例子包括，但不限于，酵母提取物、辅酶M、乳酸、矿物改良剂(如氯化物、钠、钾，镁和钙)、烷基醇、甲醇、乙醇、2-丙醇、2,3-丁二醇、香子兰酸盐、甘氨酸、半胱氨酸、3,4,5-三甲氧基苯甲酸酯、纤维素，肉桂酸、苯甲酸、几丁质、壳聚糖、氯酸盐、高氯酸盐以及它们的任意组合。
为各种目的，例如，稳定溶液以抵抗其随时间而变质并延长保存期限，维持恒定的pH值等等，营养组合物中也可以包括其它添加剂。这样的添加剂可以包括，但不限于，酸、碱、缓冲剂、氧化剂、抗氧化剂、表面活性剂、乳化剂、胶凝剂，它们的任何组合等。
磷源
营养组合物的磷源可以是对一个或多个产甲烷微生物种群来说是生物可利用的并具有刺激生物甲烷产生作用的形式的任何含磷物质。确定是否特定磷源具有刺激作用的方法是本领域技术人员所熟知的。
在各种实施方案中，磷源可以是含磷化合物，如磷的含氧酸盐、磷脂或其衍生物、有机磷酸酯及其任意组合等。
合适的磷的含氧酸盐的例子包括，但不限于，次磷酸盐(H3PO2)、磷酸(H3PO3)、偏磷酸(HPO2)、可溶性正磷酸(H3PO3)、偏磷酸(((HPO3)n)、多聚磷酸((HPO3)n+2)、三聚磷酸(H5P3O10)、焦磷酸(H4P2O7)、正磷酸(H3PO4)等。
合适的磷脂的例子包括，但不是限于，卵磷脂湿胶、卵磷脂、脑磷脂、磷脂酸、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇、磷脂酰肌醇磷酸、磷脂酰肌醇二磷酸、磷脂酰肌醇三磷酸、神经酰胺磷酸胆碱、神经酰胺磷酰胆碱、神经酰胺磷酸乙醇胺、神经酰胺磷酰甘油等。
合适的磷脂衍生物的例子包括，但不是限于，在鸡蛋、大豆、氢化大豆中发现的天然磷脂衍生物，或磷脂酸、卵磷脂、磷脂酰甘油、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸、聚乙二醇磷脂等合成的磷脂衍生物。
合适的有机磷酸酯的例子包括，但不是限于，磷酸三二甲苯酯、叔丁基苯酚磷酸酯、异丙基苯酚磷酸酯等。
氮源
营养组合物中的氮源可以是对一个或多个产甲烷微生物种群来说是生物可利用的形式的任何含氮物质。
在各种实施例中，氮的来源可能是无机氮化合物，例如氮氢化物及其盐，氮的含氧酸及其盐、尿素、碳酰二胺、羟胺、酰胺、硫氰酸盐、其任何组合物等。
适合的氮氢化物的例子包括，但不是限于氨，氮烷如肼、三氮烷等，二氮烯、三氮烯等。
合适的氮的含氧酸的例子包括，但不是限于，连二次硝酸(H2N2O2)、亚硝酸(HNO2)、硝酰(HNO)、硝酸(HNO3)、过氧亚硝酸(HONO2)，其任何组合等。
在其他实施方案中，氮源可以是有机氮化合物，例如胺和其铵盐、酰胺、氨基酸、多肽、低聚肽、蛋白质、任何组合等。
在可选择的实施方案中，氮源可以是在环境温度和压力下是气相的氮化合物。所述气态氮化合物也可以是在环境温度和压力下在水溶液中可溶的。这种气态氮化合物的说明性例子包括氨气、氮气和氮氧化物。尤其，当可以在承载含碳物质的地层中使用营养组合物提高产甲烷的甲烷产生，预期相应于所述地层中升高的温度和压力，营养组合物中所述气态氮化合物的溶解度可能增加。
本领域技术人员将理解，合适的磷源或氮源可以不同，取决于产甲烷微生物种群和含碳物质。通过筛选过程可以容易地进行合适的磷源和氮源的选择，其中各种营养组合物的有效性在特定的含碳物质和产甲烷的微生物种群上进行检测。
提高生物甲烷生产的方法
可以在提高来自含碳物质的生物甲烷生产的方法中使用本申请描述的营养组合物。
所述方法包括使所述营养组合物与含碳物质接触一段时间从而生物性产生甲烷，以及从含碳物质中收集甲烷。
营养组合物与含碳物质接触
本领域技术人员将理解，使营养组合物与含碳物质接触的方式取决于含碳物质是否为原位含碳物质或非原位含碳物质。
例如，使营养组合物与承载含碳物质的地层(如煤层)的原位含碳物质接触可以包括通过再生CSM领域的技术人员所熟知的注射技术，将营养组合物注射到原位含碳物质内部或接近于其自然存在或人工诱导的裂缝或割理系统，所述注射技术包括，但不是限于，在压力下注射、通过重力注射、其他水注射方法等。
同样，原位含碳物质包括油页岩地层，使营养组合物接触可以包括注射营养组合物通过油母页岩地层的裂缝。在另一个实施方案中，使营养组合物接触可以包括将营养组合物与水力压裂液、沙支撑剂和各种化学品一起注射。以这种方式，可以将营养组合物传送到含碳物质的裂缝，同时来自水力压裂液和/或沙支撑剂的高压导致裂缝形成。在后面的实施方案中，优选在缺氧或低氧条件下使用水力压裂液，以便裂缝中的缺氧条件保持不变，或者在不久之后可以容易得到。
使营养组合物与原位含碳物质接触的另一种实施方案包括提供一个或多个接近原位含碳物质的支渠并将营养组合物(或浓缩液)注射到支渠中。可以提供大致平行(水平)于原位含碳物质的顶部和底部的支渠。可以从主要井筒向外表面上钻出这些支渠，或者可以通过高压水技术产生这些支渠。高压水射流技术可以适用于穿过易碎或较多孔的地下地层钻出支渠。水平钻出的支渠和/或水射流的支渠可以从主要井筒延长数百或数千米，因此这样做可更好地接近含碳物质。此外，特别是在多孔地下地层，注射的营养组合物在毛细管作用下将倾向于穿过可渗透的或多孔的地下地层，从而迁移到含碳物质的较小的裂缝和微裂缝中。
应当理解，注射营养组合(或浓缩液)可以是连续的或间歇的。此外，可以在初始时期之后完全停止注射营养组合物(或浓缩液)，所述时期足以使足量的营养组合物(或浓缩液)与含碳物质接触。
原位含碳物质可以与相关水或地层水共存。在裂缝性油页岩地层的情况下，也可以存在一些与含碳物质相关的水力压裂液。含碳物质中的这些液体或接近含碳物质的这些液体的存在可以用来稀释营养组合物。因此，可以理解，在一些实施方案中使营养组合物接触可以包含将浓缩物传送到含碳物质，由此传送的浓缩物经过与含碳物质相关的液体的稀释从而提供营养组合物，其中磷氮(P/N)的摩尔比大于1.5，有效氮浓度为至少为0.1mM且小于1.7mM。浓缩物中磷源和氮源的浓度可以按照已知或估计的稀释程度计算出来。
关于非原位含碳物质，使营养组合物与含碳物质接触的方式可以不同。
例如，在实施方案中，非原位含碳物质可以布置成堆积堆，使营养组合物与含碳物质的堆积堆接触可以包括以足以使营养组合物在重力下从堆积堆的外表面流过或淌过含碳物质堆积堆下面的量将营养组合物施加到堆积堆的外表面。
通过考虑堆积堆的高度和体积、含碳物质的颗粒大小等因素可以计算可以施加到堆积堆上的营养组合物的量。
优选地，在缺氧气氛下将营养组合物施加到含碳物质堆积堆上。在一个实施例中，缺氧气氛包括惰性气体或燃烧废气体(即烟气)。在后面的实施方案中，主要包含氮气和二氧化碳的燃烧气体可以经过进一步的处理去除可能对产甲烷微生物产生不利影响的少量或微量组分。
在其他实施方案中，非原位含碳物质可以位于反应器(或生物反应器)中，使营养组合物与含碳物质接触可以包括在反应器(或生物反应器)下将营养组合物与含碳物质混合。应当理解，混合可以是连续的或间歇的。此外，可以在初始时期之后完全停止混合，所述时期足以使营养组合物与含碳物质紧密接触。
优选，如上所述，在反应器(或生物反应器)中在缺氧气氛下将营养组合物与含碳物质混合。
生物甲烷产生的一段时间
生物甲烷产生的一段时间根据几个因素而不同，这几个因素包括，但不是限于，环境条件、含碳物质的性质和大小、一个或多个微生物种群的性质和大小。
一般将理解，可能需要孵育期。孵育期可以是从将营养组合物传送到含碳物质的时间起，延续至相对于在不存在营养组合物的情况下、生物甲烷产生增加的时间。一个或多个微生物种群可以生长到足够大小从而在孵育期提高生物甲烷产生。孵育期可以延长到大约数周至数年，虽然可能因上述各种因素而有所不同。
收集甲烷
本领域技术人员将理解，收集甲烷的方式将取决于含碳物质是否为原位含碳物质或非原位含碳物质。
涉及原位含碳物质，收集甲烷的技术是从各种承载油和气的地层的回收井回收CSM和相关气体的技术领域的技术人员熟知的。例如，为开采气体，可以在煤层(地下100-1500米)上钻出包钢孔。由于自然产生或抽吸煤层的水产生的煤层内压力下降，气和“采出水”都通过管子来到表面。然后，气体被送到压缩机站并进入天然气管道。同样，涉及非原位含碳物质，收集甲烷的技术是从反应器、生物反应器、堆积堆等回收生物气的技术领域的技术人员所熟知的。例如，可以将非原位含碳物质局限于封闭的空间中以保留其顶部空间中的生物甲烷。封闭的空间可以由设置在堆积堆上的壳体或任何合适的覆盖物例如防水帆布来限定。可在正压力或负压力下从顶部空间收回甲烷。
提高生物甲烷生产的系统
生物甲烷生产系统包括:
本申请所述的营养组合物
用于使所述营养组合物与含碳物质接触的传送系统，和
收集来自含碳物质的甲烷的收集器。
用于使所述营养组合物与含碳物质接触的传送系统
本领域技术人员将理解，用语使营养组合物与含碳物质接触的传送系统取决于含碳物质是否为原位含碳物质或非原位含碳物质。
优选传送系统是缺氧传送系统。
用于使营养组合物与含碳物质接触的传送系统可以包括用于将营养组合物注射到原位含碳物质中或接近原位含碳物质的注射系统。这种系统是回收CSM技术领域的技术人员熟知的，可以包括但不是限于，压力下注射、通过重力注射、其他水注射方法等。在一些实施方案中，这种系统可以适合于营养组合物与其他注射液体例如水力压裂液同时一起注射。
关于非原位含碳物质，使营养组合物与含碳物质接触的传送系统可以不同。
在一些实施方式中，用于使营养组合物与含碳物质堆积堆(或上述含碳物质地面结构)接触的传送系统可以包含用于将营养组合物施加到堆积堆(或上述地面结构)外表面的敷料器。合适的敷料器包括但不是限于，设置在上述堆积堆或所述结构之上的滴灌系统。
滴灌系统可操作地与液体体积控制器、多个传感器等相关联以控制施加到堆积堆或所述结构上的营养组合物的量。可以规划液体体积控制器、传感器等，以确保施加足够量的营养组合物以使其在重力作用下从堆积堆或所述结构的外表面流过或淌过下面的含碳物质。
也可以将堆积堆局限于封闭的空间中，以在缺氧气氛下保持堆积堆。缺氧气氛可以包含气体(例如惰性气体)或气体混合物(例如烟气)，其基本上不含有氧气(O2)。封闭的空间可以由设置在堆积堆上的壳体或任何合适的覆盖物例如防水帆布来限定。所述覆盖物不必是基本上气密的，尤其在正压力下将惰性气体供应给堆积堆的条件下。可以通过覆盖物上的一个或多个输入口将惰性气体施加到封闭的空间中。
在其他实施方案中，在反应器(或生物反应器)中使营养组合物与含碳物质接触的传送系统包括与反应器(或生物反应器)流体连通、用于将营养组合物运输到反应器的管道，以及混合器。混合器可以是能够混合多相混合物的任何合适的混合器。
收集甲烷的收集器
本领域技术人员将理解，收集甲烷的收集器将取决于含碳物质是否为原位含碳物质或非原位含碳物质。
涉及原位含碳物质，收集甲烷的收集器是从各种承载油和气的地层回收CSM和相关气体的技术领域的技术人员熟知的。例如，可以钻出回收井以从原位含碳物质中回收甲烷。回收井可以与用于压缩回收的甲烷的压缩机、用于天然气配送的存储库或运输管道流体连通。
同样，涉及非原位含碳物质，用于收集甲烷的各种收集器是从反应器、生物反应器、堆积堆等回收生物气的技术领域的技术人员所熟知的。例如，收集器可以包括设置于非原位含碳物质之上的壳体，或任何合适的覆盖物如防水帆布，从而限制其顶部空间的生物甲烷。所述覆盖物可以具有一个或多个与配置用于在正压力或负压力下从顶部空间收回甲烷的泵和存储库流体连通的口。
应理解的是，注射部位、支渠和回收井的几何形状可以不同，但必须基于当地地质、结构和水文条件，以使营养组合物的注入体积(浓度)最大化，从而实现最大量地回收甲烷。此外，在某些时间点上，注射部位或支渠和回收井之间的含碳物质可能对甲烷生成是无价值的。随后，回收井可以转换成注射部位，可以钻出一系列新的回收井。
实施例
现在将描述营养组合物和提高生物甲烷生产的方法的非限制性例子。
样品
第二个微生物聚生体由起源于澳大利亚昆士兰苏拉特盆地的煤层地层水样本获得。从那个地点获得两个样品，将一个大体积的样品收集到塑料酸瓶中，运到实验室，过滤灭菌，作为介质。在原位收集的第二个较小的样品并立即通过使氦气在其中形成气泡而将其脱气，然后加入Na2S以保持还原条件。运送到实验室后，缺氧下存储并用作实验的微生物接种物。作为原料的煤是由原产地澳大利亚提供的次烟煤成熟度的混合的苏拉特盆地煤，它们来自大约500-700米地下。
微缩培养
为了检验氮和磷的作用，在缺氧腔中，以表1中所述的氮和磷浓度修改包括20ml灭菌的苏拉特地层水连同2ml(约2g)压碎的苏拉特煤(<1.2mm>0.5mm)的120ml血清瓶。通过添加8ml/l的100mM Na2S还原介质。这些小瓶的顶空气体混合物最初是约100％的氦气。以铵(NH4Cl)和磷酸盐(K2HPO4.3H2O)形式的不同浓度(表1)的铵和磷酸盐加入到一式三份的小瓶中，最后加入200μl的苏拉特地层水作为接种物。营养组合物添加后，用丁基橡胶隔膜和铝卷曲物(美国伊利诺伊州格雷斯戴维森探索科技公司)密封烧瓶，并从缺氧的手套箱中移出。将培养物倒置并在42℃在黑暗中孵育。培养小瓶倒置孵育以使通过丁基橡胶隔膜的气体损失最小化。在大约2、4、6周进行三次甲烷的气相色谱(GC)测定。采样后，采样后用约100％的氦气重新给小瓶充气。使用相同的地层水还一式三份建立了各种对照。
表1对苏拉特盆地煤/地层水混合物的氮和磷的修改(N:P,g/l)
气体测定
从隔膜密封瓶用气密注射器收集了五毫升气体样本。在Micro-GC上进行培养气体的组成分析。用注射器泵将样品注入GC的前注入口。Micro-GC配备了三个不同的色谱柱模块：带有反洗的10米Molsieve柱，带有反洗的10米Pora Plot Q柱和10米CP-Sil-5CB柱。使用针对每个模块的微机械加工的热导检测器检测气体；检测限是约1ppm级。注射器具有内置10μl样品环，将氦载体压力设置为15psi，注射器温度为90℃。Molsieve 5A柱的通道1的温度，Pora Plot Q柱的通道2的温度，CP-Sil-5CB柱通道3的温度分别设置为90℃、70℃和60℃。注入到Micro-GC之后，用真空泵将气体抽出通过样品环，然后入口系统将来自样品环的气体样品注入载气流。O2/Ar、N2、CH4和CO在Molsieve 5A柱上分离。CO2、C2H6和C3H8在Pora Plot Q柱上分离。C4-C5烃气和H2S在CP-Sil-5CB柱上分离。
结果和讨论
优化氮(N)和磷(P)输入
在该实验中，来自苏拉特盆地的粉碎的次烟煤与地层水孵育，已在氩气氛下用各个浓度的NH4Cl和/或K2HP04对所述地层水进行了修改。每两周对顶空气体进行分析持续六周。通常气体产量随时间增加。表2中给出了4周和6周的甲烷结果。一式三份进行处理。在没有额外的N和P、CH4下，产量最低。当N的浓度增加时，除非存在P，观察到甲烷生成没有增加。相反，当存在P没有N时，有少量的甲烷生成，这大概是表示地层水或煤中有足够可利用的N，以使某些细胞的生长，产甲烷。实际上，超出在本实验中所使用的最低水平的补充，238μΜNH4Cl，增加N可能无法提供任何好处。与此相反，如果添加一些N，P的添加对CH4的产率有显着影响(图1)。在P的最高浓度(约1-3.5mM)可以得到CH4的最高产量。在这些较大的磷浓度中，很可能少量的N是促进细胞初期生长所需的全部，此后最初的N耗尽，微生物能从煤本身获得足够的N以促进他们的持续增长。在本研究中所用的煤通常包含在干燥无灰基础上1-2.4重量％的N。当氮水平增加时，据认为额外的可用性氮刺激非生产性(就CH4生产而言)菌群生长，其与产甲烷途径竞争能量和碳或氢。
令人惊讶的是，与P相比需要相对少的N，以产生甲烷的最佳产率。公认“典型”的细菌和古菌的大量化学成分的摩尔比范围(C:N:P)是102:12:1，或在P耗尽条件的情况下，259：69：1(Cotner等人2010)。即，微生物中N的量超出P的量10以上，甚至在P耗尽条件下。因此，我们预期，对于微生物的最佳生长和甲烷产生，可能一直需要比P更多的N。
对于所有浓度和来自一式三份进行的实验的P/N比，甲烷(顶空气体％)的平均产率如表2所示。将一式三份的数据绘制成图1中的插值网格图，其显示磷氮摩尔比和氮摩尔浓度对甲烷生成的影响。在SigmaPlot v.1 1.0中使用LOESS回归算法(Cleveland,1979)和适合性状的不规则的网已将图1的数据平滑。该算法已去除由实验变化引起的统计生成的异常和实验失败发生率。这种方法试图描述观察到一般趋势，同时避免由异常值造成的过度扭曲。
为解吸，已通过减去在其中加入70体积/体积％的乙醇将微生物群体杀死的处理中每种气体所观测到的浓度将数据校正。
表2
图2是来自于图1中3D数据图的二维图，其中组合物中的磷源具有恒浓度为1.90mM的K2HPO4.2H2O并且氮源的浓度(例如，NH4Cl)有变化。结果表明，如果营养组合物的氮浓度超过1.7mM，甲烷产生下降。
在某些样品中，在至少三周结束后，由于将营养组合物添加到样品中，甲烷产生下降或停止。在其中甲烷产生下降的样品中，将一剂含有P的第二营养组合物(即，不存在N或具有可忽略的N)引入所述样品中，从而将甲烷产生恢复到与在初始剂量的营养组合物后所观察到的甲烷产生类似的水平。当甲烷产生开始下降时，不时将后续剂量的第二营养组合物引入。观察到甲烷产生恢复到类似水平。
本领域的技术人员所理解的是，如具体实施方案所示的对本发明作出的许多变化和/或修改不背离广泛描述的本发明的精神或范围。因此，应当认为本发明的实施方案在所有方面是说明性的而不是限制性。
应该理解的是，如果任何现有技术出版物在这里被引用，在澳大利亚或任何其它国家不构成承认该出版物是本领域的公知常识的一部分。
在本发明下面的权利要求和前面的描述中，除了上下文需要，否则由于语言表达或必要的暗示，在包含意义中使用单词“包含”或变体，例如“包含”或“含有”，即说明所述特征的存在，但不排除存在或添加本发明的各种实施方案中的进一步的特征。
此外，对于在整个本说明书中提到的各种系统，任何系统都可以理解为包括个体以及可以物理连接或可以不物理连接的多个结构。
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Claims (25)

1.用于提高来自含碳物质的生物甲烷生产的营养组合物，所述营养组合物包括磷(P)源和氮(N)源，其中所述含碳物质为能够支持一个或多个产甲烷微生物种群的任何含碳物质，且所述含碳物质经过所述一个或多个产甲烷微生物种群的降解产生甲烷或甲烷前体，其中磷氮(P/N)的摩尔比大于2且小于8，并且氮浓度为至少0.1mM但小于1.7mM。
2.根据权利要求1所述的营养组合物，还包含一个或多个产甲烷微生物种群。
3.根据权利要求2所述的营养组合物，其中所述一个或多个产甲烷微生物种群含有选自由甲烷杆菌、产甲烷球菌、甲烷微菌、甲烷火菌所组成的组中的一种或多种产甲烷微生物。
4.根据权利要求1所述的营养组合物，包含至少0.2mM的氮浓度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的营养组合物，其中所述氮浓度小于1.0mM。
6.根据权利要求5所述的营养组合物，其中所述营养组合物包含至少1mM的磷浓度。
7.根据权利要求6所述的营养组合物，其中所述营养组合物包含至少1.5mM的磷浓度。
8.根据权利要求7所述的营养组合物，其中所述营养组合物包含至少2mM的磷浓度。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的营养组合物，其中所述含碳物质选自由煤、泥煤、钻粉和煤衍生物组成的组。
10.根据权利要求9所述的营养组合物，其中所述煤为褐煤或废煤。
11.浓缩液用于生产营养组合物的用途，所述营养组合物用于提高来自含碳物质的生物甲烷生产，所述含碳物质为能够支持一个或多个产甲烷微生物种群的任何含碳物质且所述含碳物质经过所述一个或多个产甲烷微生物种群的降解产生甲烷或甲烷前体，所述浓缩液被配制为，在被来自含碳物质的液体稀释后提供的营养组合物中，有效磷氮(P/N)摩尔比大于2且小于8，且有效氮浓度为至少0.1mM但小于1.7mM。
12.用于提高来自含碳物质的生物甲烷生产的方法，所述含碳物质为能够支持一个或多个产甲烷微生物种群的任何含碳物质且所述含碳物质经过所述一个或多个产甲烷微生物种群的降解产生甲烷或甲烷前体，所述方法包括以下步骤:
使第一营养组合物与含碳物质接触一段时间生物性产生甲烷，所述第一营养组合物包括磷(P)源和氮(N)源，其中磷氮(P/N)的摩尔比大于2且小于8，氮浓度为至少0.1mM但小于1.7mM；以及，从所述含碳物质收集甲烷。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一营养组合物包括根据权利要求1至10中任一项所述的营养组合物。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括使第二营养组合物与所述含碳物质接触一段时间生物性产生甲烷的步骤，在所述第一营养组合物与所述含碳物质接触之后，所述第二营养组合物与所述含碳物质接触。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第二营养组合物包含比所述第一营养组合物的P/N的摩尔比大的P/N的摩尔比。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述第二组合物中的氮浓度低于所述第一营养组合物中的氮浓度。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述第二营养组合物不含氮。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一营养组合物与所述含碳物质的接触和所述第二营养组合物与所述含碳物质的接触之间的时延是至少1周。
19.根据权利要求14所述的方法，其中将所述第一营养组合物和/或所述第二营养组合物传送到原位含碳物质，包括将所述营养组合物注射到所述原位含碳物质中，或靠近所述原位含碳物质注射。
20.根据权利要求19所述的方法，其中将所述第一营养组合物和/或所述第二营养组合物传送到所述原位含碳物质，包含将所述营养组合物与水力压裂液同时一起注射。
21.根据权利要求19所述的方法，其中传送营养组合物包括将如权利要求11中所定义的浓缩液注射到所述含碳物质中，由此在所述浓缩液被来自所述含碳物质的液体稀释后提供的营养组合物中，有效P/N的摩尔比大于2且小于8，有效氮浓度为至少0.1mM但小于1.7mM。
22.根据权利要求12所述的方法，其中将所述营养组合物传送到非原位含碳物质堆积堆内，包含以足以使所述营养组合物在重力下，能够从堆积堆的外表面流过或淌过所述含碳物质堆积堆下面的量，将所述营养组合物施加到所述堆积堆的外表面上。
23.根据权利要求12所述的方法，其中在反应器中将所述营养组合物传送到非原位含碳物质，包含在所述反应器中将所述营养组合物与所述含碳物质混合。
24.根据权利要求23所述的方法，其中混合是连续的、间歇的，或者在初始混合时期之后完全停止，所述时期足以使所述营养组合物与所述含碳物质接触。
25.生物甲烷生产系统，包括:
营养组合物，所述营养组合物具有大于2且小于8的有效P/N摩尔比和至少0.1mM但小于1.7mM的有效氮浓度；
用于使所述营养组合物与含碳物质接触的传送系统；以及
用于收集来自含碳物质的甲烷的收集器。
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