Спосіб утилізації метановмісних шахтних газів

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 ша хтных газов и снижения загрязнения ими атмосферы. Биомасса микроорганизмов, получаемая при утилизации метансодержащих ша хтных газов, может использоваться в животноводстве в качестве ценных кормовых добавок и в угольной промышленности для снижения газообильности выемочных участков ша хт. 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. В известном способе дегазации угольных шахт предусмотрено извлечение метансодержащей смеси шахтной дегазационной установкой и отвод ее на земную поверхность [2], что вследствие подсоса воздуха в дегазационную систему приводит к ее взрывоопасности, низкому энергетическому качеству, сложности утилизации и непригодности к использованию в промышленных целях. Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является способ утилизации метан содержащих ша хтны х газов, включающих 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]. В этом способе наблюдается низкая продуктивность процесса культивирования бактерий вследствие несбалансированности элементов питательной среды и, как следствие, низкая эффективность использования метансодержащих ша хтны х газов. Кроме того, продуктивность процесса культивирования бактерий снижают колебания расхода и состава каптируемой из шахты метановоздушной смеси. Задача изобретения - увеличение продуктивности процесса культивирования бактерий и повышение эффективности использования углеводородного сырья. Поставленная задача решена тем, что в способе утилизации метансодержащих шахтных газов 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 культур у барботируют метановоздушной смесью дегазационной шахтной установки до достижения метанокислительной ферментативной активности бактерий 30 нмоль 0 2/мин ·мг, при этом 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 добавлением метана из полостей расслоения подрабатываемого газоносного горного массива или из наполненных метаном горных выработок, или из газообильных выработанных полостей шахты. Сопоставительный анализ заявляемого способа с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что бактерии культивируют на те хнологической или шахтной воде, из которой предварительно удаляют постороннюю, кроме бактерий, микрофлору и корректируют добавкой минеральных компонентов состав питания бактерий, а засеваемую в ферментер культур у барботируют метановоздушной смесью дегазационной шахтной установки до достижения метанокислитель-ной ферментативной активности бактерий 30 нмоль 02/мин ·μγ, при этом 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 добавлением метана, извлекаемого из полостей расслоения подрабатываемого газоносного горного массива или из наполненных метаном горных выработок, или из газообильных выработанных полостей шахты. 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 содержащих в этой воде минеральных веществ и микроэлементов. Шахтная вода является естественной средой жизнедеятельности метанокисляющих микроорганизмов. Предварительное удаление из технологической или шахтной воды посторонней, кроме бактерий, микрофлоры позволяет за счет получения в ферментере сравнительно чистой культуры выращиваемых микроорганизмов и предотвращения ингибирования их роста увеличить продуктивность процесса культивирования бактерий. Корректировка добавкой минеральных компонентов состава питания при использовании для культивирования шахтной воды обеспечивав; 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 активизацию инокулята засевной культуры, увеличивает продуктивность процесса культивирования бактерий и повышает эффективность использования углеводородного сырья. Лабораторными и промышленными исследованиями установлено, что при метанокислительной активности засевной культуры 30 нмоль 02/мин*мг процесс последующего культивирования бактерий в ферментере носит устойчивый характер. Поэтому барботаж засеваемой культуры до достижения ею метанокислительной ферментативной активности 30 нмоль 0,/мин-мг является целесообразным для обеспечения устойчивости и увеличения продуктивности процесса культивирования бактерий. Расход метановоздушной смеси, исходящей из вакуум-насоса шахтной дегазационной установки, как правило, изменяется в значительных пределах, что обусловлено технологическими особенностями функционирования дегазационной системы шахты. Поэтому стабилизация расхода подаваемой в ферментер метановоздушной смеси позволяет обеспечить постоянство массообмена а 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 метаном метановоздушной смеси с целью стабилизации ее состава пород подачей в ферментер обеспечивает создание условий 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 эти х целях метана, извлекаемого из наполненных метаном горных выработок или из газообильных выработанных полостей шахты обеспечивает, кроме того, предотвращение попадания метансодержащих газов в горные выработки и повышение безопасности ведения горных работ. На чертеже представлена схема реализации предлагаемого способа утилизации метансодержащих шахтных газов. 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 ша хтны х газов реализуется следующим образом. В результате отработки части угольного пласта 1 образовалось выработанное пространство 2, газонаполненные полости расслоения подрабатываемого горнего массива 3, в котором может быть проведена наполняемая метаном горная выработка 4. Добыча угля ведется с применением каптажа из шахты 20 м 3/мин метановоздушной смеси с помощью дегазационной установки 5. Концентрация метана в смеси составляет 10%. На поверхности шахты располагают ферментер 6 объемом 1 м 3 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, добавлением метана, создавая концентрацию метана в смеси, равную 16-20%. 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 бик 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, кроме бактерий, микрофлоры, и через узел подготовки питательной среды 15, в котором корректируют добавкой минеральных компонентов состав 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 - 0,2-0,4, 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 NH^OH. Количество подаваемого солевого раствора рассчитывают на прирост 1-2 г биомассы (АСБ)/л. В качестве засевного материала отдельно приготавливают активизированную суспензию метанокислящих бактерий штамма ВСБ-874. Для этого в технологическую или шахтн ую воду, из которой удаляют постороннюю, кроме бактерий, микрофлору и корректируют состав минерального питания изложенным вышеспособом, вносят культуру бактерий и барботируют полученную суспензию до тех пор, пока метанокислительная активность бактерий не достигнет 30 нмоль 02/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 (таблица 2}. Из таблиц 2 следует, что максимальная продуктивность процесса наблюдается при предварительной активации инокулята до метанокислительной ферментативной активности 30 нмоль О2/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 котле-утилизаторе для полного использования метана в технологическом процессе. В результате реализации предлагаемого способа продуктивность процесса культивирования бактерий составляет 1,8 г (АСВ)/л *час, а при применении известного решения - 0,85 г (АСВ)/л*час. При этом эффективность утилизации каптируемой из шахты метансодержащей смеси одним работающим ферментером увеличивается более чем в 2 раза и достигает 55%.