Способ утилизации метансодержащих шахтных газов

 

Использование: получение белка в процессе культивирования бактерий, для полезного использования метансодержащих шахтных газов, снижения загрязнения ими атмосферы и снижения газообильности выемочных участков угольных шахт. Цель: увеличение продуктивности процесса культивирования бактерий и повышение эффективности использования углеводородного сырья. Сущность изобретения: культивирование в ферментере метанокисляющих бактерий с использованием метановоздушной смеси, извлекаемой из угольной шахты, и технологической или шахтной воды после соответствующей подготовки газовой и жидкой фаз питательной среды. Положительный эффект: повышение полноты извлечения и эффективности использования углеводородного сырья, снижение выбросов шахтных газов в атмосферу, получение высококалорийных белковых кормовых добавок. 1 з.п.ф-лы, 1 ил., 2 табл.

Изобретение относится к микробиологической промышленности, а именно к способам выращивания микроорганизмов, и может быть использовано для получения белка в процессе культивирования бактерий, а также для полезного использования метансодержащих шахтных газов и снижения загрязнения ими атмосферы. Биомасса микроорганизмов, получаемая при утилизации метансодержащих шахтных газов, может использоваться в животноводстве в качестве ценных кормовых добавок и в угольной промышленности для снижения газообильности выемочных участков шахт.

Известен способ выращивания метанокисляющих бактерий, предусматривающий их культивирование в ферментере в аэробных условиях в присутствии источников азота, фосфора, минеральных солей и микроэлементов при подаче метана в качестве источника углерода и аэрации среды [1].

Однако в этом способе для подачи в ферментер используют метан, извлекаемый из газового месторождения, что связано с нерациональным использованием углеводородного сырья.

Известен способ дегазации угольных шахт, включающий извлечение метансодержащей смеси шахтной дегазационной установкой и отвод ее на земную поверхность [2] . Однако вследствие подсоса воздуха в дегазационную систему, каптируемая смесь зачастую содержит низкую концентрацию метана, что обуславливает ее взрывоопасность, низкое энергетическое качество, сложность утилизации и непригодность к использованию в промышленных целях.

Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является способ утилизации метансодержащих шахтных газов, включающий культивирование в ферментере метанокисляющих бактерий на питательной среде, содержащей источники азота, фосфора, калия, магния, микроэлементы и метановоздушную смесь дегазационной шахтной установки в качестве источника углерода и кислорода [3].

Недостатком способа является низкая продуктивность процесса культивирования бактерий вследствие несбалансированности элементов питательной среды, и как следствие, низкая эффективность использования метансодержащих шахтных газов. Кроме того, продуктивность процесса культивирования бактерий снижает колебания расхода и состава каптируемой из шахты метановоздушной смеси.

Целью предлагаемого способа является увеличение продуктивности процесса культивирования бактерий и повышение эффективности использования углеводородного сырья.

Цель достигается тем, что в известном способе, включающем культивирование в ферментере метанокисляющих бактерий на питательной среде, содержащей источники азота, фосфора, калия, магния, микроэлементы и метановоздушную смесь дегазационной шахтной установки в качестве источника углерода и кислорода, бактерии культивируют на технологической или шахтной воде, из которой удаляют постороннюю микрофлору и корректируют состав минерального питания, а засеваемую в ферментер культуру барботируют метановоздушной смесью дегазационной шахтной установки до достижения ферментативной активности 30 нмоль О2/мин. мг, причем перед подачей в ферментер стабилизируют расход и состав метановоздушной смеси и диспергируют ее в жидкой фазе питательной среды. При этом состав подаваемой в ферментер метановоздушной смеси стабилизируют метаном, извлекаемым из полостей расслоения подрабатываемого газоносного горного массива, или наполняемых метаном горных выработок, или газообильных выработанных пространств шахты.

Сопоставительный анализ заявляемого способа с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что бактерии культивируют на технологической или шахтной воде, из которой удаляют постороннюю микрофлору и корректируют состав минерального питания, а засеваемую в ферментер культуру барботируют метановоздушной смесью дегазационной шахтной установки, причем перед подачей в ферментер стабилизируют расход и состав метановоздушной смеси и диспергируют ее в жидкой фазе питательной среды. Кроме того, отличие заявляемого способа состоит в том, что состав подаваемой в ферментер метановоздушной смеси стабилизируют метаном, извлекаемым из полостей расслоения подрабатываемого газоносного горного массива, или наполняемых метаном горных выработок, или газообильных выработанных пространств шахты.

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Культивирование бактерий на технологической воде позволяет улучшить экономические показатели применения предлагаемого способа за счет снижения затрат на подготовку жидкой фазы питательной среды.

Культивирование бактерий на шахтной воде позволяет увеличить продуктивность процесса их роста за счет использования природного комплекса содержащихся в этой воде минеральных веществ и микроэлементов. Шахтная вода является естественной средой жизнедеятельности метанокисляющихся микроорганизмов.

Удаление из технологической или шахтной воды посторонней микрофлоры позволяет за счет получения в ферментере сравнительно чистой культуры выращиваемых микроорганизмов и предотвращения ингибирования их роста увеличить продуктивность процесса культивирования бактерий.

Корректировка состава минерального питания при использовании для культивирования шахтной воды обеспечивает поддержание в ферментере оптимального состава компонентов питательной среды и максимальную продуктивность процесса роста бактерий.

Барботаж засеваемой в ферментер культуры метановоздушной смесью дегазационной шахтной установки позволяет предварительно адаптировать микроорганизмы к условиям среды шахтной ферментационной установки, что обеспечивает активацию инокулята засевной культуры, увеличивает продуктивность процесса культивирования бактерий и повышает эффективность использования углеводородного сырья.

Лабораторными и промышленными исследованиями установлено, что при активности засевной культуры 30 нмольО2/мин.мг процесс последующего культивирования бактерий в ферментере носит устойчивый характер. Поэтому барботаж засеваемой культуры до достижения ею ферментативной активности 30 нмольО2/мин. мг является целесообразным для обеспечения устойчивости и увеличения продуктивности процесса культивирования бактерий.

Расход метановоздушной смеси, исходящей из вакуум-насоса шахтной дегазационной установки, изменяется в значительных пределах, что обусловлено технологическими особенностями функционирования дегазационной системы шахты. Поэтому стабилизация расхода подаваемой в ферментер метановоздушной смеси позволяет обеспечить постоянство массообмена в ферментере и тем самым обеспечить высокую продуктивность процесса культивирования бактерий.

Концентрация метана в смеси, каптируемой шахтной дегазационной установкой, может составлять 5-15%, что менее концентрации метана, оптимальной для жизнедеятельности метанокисляющих бактерий. Поэтому обогащение метановоздушной смеси с целью стабилизации ее состава перед подачей в ферментер обеспечивает создание условия жизнедеятельности бактерий, оптимальных по содержанию источников углерода и кислорода в питательной среде, и увеличение продуктивности процесса культивирования бактерий.

Диспергация метановоздушной смеси в жидкой фазе питательной среды перед подачей ее в ферментер обеспечивает образование большой удельной поверхности контакта клеток микроорганизмов с источниками углерода и кислорода, что повышает эффективность использования углеводородного сырья за счет интенсификации процесса роста бактерий.

Использование для стабилизации состава подаваемой в ферментер метановоздушной смеси метана, извлекаемого из полостей расслоения подрабатываемого газоносного горного массива, обеспечивает создание оптимального для бактерий содержания углерода в питательной среде и повышение степени использования углеводородного сырья угольного месторождения.

Использование в этих целях метана, извлекаемого из наполняемых метаном горных выработок или газообильных выработанных пространств шахты обеспечивает, кроме того, предотвращение попадания метансодержащих газов в горных выработки и повышение безопасности ведения горных работ.

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной области техники, и, следовательно, обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".

На чертеже представлена схема реализации предлагаемого способа утилизации метансодержащих шахтных газов 2.

На схеме обозначены угольный пласт 1, выработанное пространство 2, полости расслоения подрабатываемого горного массива 3, горная выработка 4, дегазационная установка 5, ферментер 6, штуцеры 7, 8, 9, 10, скважины 11, узел подготовки метановоздушной смеси 12, диспергатор 13, ультрафильтрационная установка 14, узел подготовки питательной среды 15, питательная среда 16. На схеме показаны направления движения метановоздушной смеси (МВС), метана (СН4), питательной среды (ПС). Предлагаемый способ утилизации метансодержащих шахтных газов реализуется следующим образом.

В результате отработки части угольного пласта 1 образовалось выработанное пространство 2, газонаполненные полости расслоение подрабатываемого горного массива 3, в котором может быть проведена наполняемая метаном горная выработка 4. Добыча угля ведется с применением каптажа из шахты 20 м3/мин метановоздушной смеси с помощью дегазационной установки 5. Концентрация метана в смеси составляет 10%.

На поверхности шахты располагают ферментер 6 объемом 1 м3 со штуцерами; для подвода (7) и отвода (8) от него метановоздушной смеси, подвода питательной среды (9) и отвода биомассы (10).

С земной поверхности бурят скважины 11, пересекающие наполняемые метаном полости расслоения подрабатываемого горного массива 3, или наполняемые метаном горные выработки 4 и (или) газообильное выработанное пространство 2.

В узле подготовки метановоздушной смеси 12 выполняют стабилизацию метановоздушной смеси, каптируемой дегазационной установкой 5, создавая концентрацию метана в смеси, равную 16-420%. Метан для обогащения подаваемой в ферментер смеси извлекают из указанных подземных пустот с помощью скважин 11. В узле 12 осуществляют также стабилизацию расхода метановоздушной смеси, после чего ее подают к штуцеру 7 ферментера 6 и к диспергатору 13.

В диспергаторе 13 происходит насыщение метановоздушной смесью жидкой фазы питательной среды, которая подводится к штуцеру 9 ферментера 6. Отработанная метановоздушная смесь через штуцер 8 отводится из ферментера.

Воду, используемую для культивирования бактерий, пропускают через ультрафильтрационную установку 14, в которой производится удаление из воды посторонней микрофлоры, и через узел подготовки питательной среды 15, в котором корректируют состав минерального питания бактерий. Положительное влияние предварительной очистки воды и корректировки ее состава на процесс культивирования бактерий следует из анализа результатов исследований, приведенных в табл.1.

Приготовление питательной среды в узле 15 выполняют путем добавления в воду биогенных элементов, недостающих для роста и развития бактерий, исходя из следующего расчета для получения 1 г абсолютно сухой биомассы (в мг): азота 110-130; фосфора 15-30; калия 8-15; магния 1,8-2,8; железа 0,4-0,6; меди 0,4-0,55; цинка 0,06-0,08; марганца 0,2-40,4; бора 0,2-0,3; кобальта 0,018-0,022; молибдена 0,009-0,018. В узле 15 доводят также величину рН среды до оптимальной (5,5-6,5) с помощью раствора NH4OH. Количество подаваемого солевого раствора рассчитывают на прирост 1-2 г биомассы (АСВ)/л.

В качестве засевного материала отдельно приготавливают активизированную суспензию метанокисляющих бактерий штамма ВСБ-874. Для этого в технологическую или шахтную воду, из которой удаляют постороннюю микрофлору и корректируют состав минерального питания изложенным выше способом, вносят культуру бактерий и барботируют полученную суспензию до тех пор, пока активность бактерий не достигнет 30 нмольО2/мин.мг клеток бактерий.

Для обоснования величины активности бактерий, засеваемых в ферментер, было исследовано влияние предварительного барботажа микробиологической суспензии метановоздушной смесью на продуктивность процесса культивирования бактерий (табл.2). Из табл.2 следует, что максимальная продуктивность процесса наблюдается при предварительной активации инокулята до ферментативной активности 30 нмольО2/мин.мг.

Для культивирования бактерий засевной материал вносят в ферментер 6, доводят объем питательной среды 16 до 700 л и пропускают через нее метановоздушную смесь, непрерывно подаваемую через штуцер 7. При этом в качестве титрующего реагента используют аммиачную воду и поддерживают рН среды в пределах 5,5-6,5.

Отводимую из ферментера через штуцер 8 метановоздушную смесь можно использовать для сушки биомассы, либо в котлеутилизаторе для полного использования метана в технологическом процессе.

В результате реализации предлагаемого способа продуктивность процесса культивирования бактерий составляет 1,8 г (АСВ)/л.ч, а при применении известного решения - 0,85 г (АСВ)/л.ч. При этом эффективность утилизации каптируемой из шахты метансодержащей смеси одним работающим ферментером увеличивается более чем в 2 раза и достигает 55%.

Использование предлагаемого способа утилизации метансодержащих шахтных газов обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущества: 1) эффективное использование углеводородного сырья в виде метана в составе метановоздушной смеси, каптируемой шахтной дегазационной установкой; 2) повышение полноты извлечения метана из газонаполненных подземных пустот; 3) снижение выбросов метансодержащих шахтных газов в атмосферу; 4) дополнительное получение высококалорийного белка в качестве добавок в корм животным и птице.

Формула изобретения

1. СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ МЕТАНСОДЕРЖАЩИХ ШАХТНЫХ ГАЗОВ, включающий культивирование в ферментере метанокисляющих бактерий на питательной среде, содержащей источники азота, фосфора, калия, магния, микроэлементы и метановоздушную смесь дегазированной шахтной установки в качестве источника углерода и кислорода, отличающийся тем, что бактерии культивируют на технологической или шахтной воде, из которой предварительно удаляют постороннюю, кроме бактерий, микрофлору и корректируют добавкой минеральных компонентов состав питания бактерий, а засеваемую в ферментер культуру барботируют метановоздушной смесью дегазационной шахтной установки до достижения метанокислительной ферментативной активности бактерий 30 нмоль О₂/мин · мг, при этом перед подачей в ферментер стабилизируют расход и состав метановоздушной смеси и диспергируют ее в жидкой фазе питательной среды.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что состав подаваемой в ферментер метановоздушной смеси стабилизируют добавлением метана из полостей расслоения подрабатываемого газоносного горного массива или из заполненных метаном горных выработок, или из газообильных выработанных полостей шахты.

РИСУНКИ

Рисунок 1