Luận án tiến sĩ công nghệ sinh học nghiên cứu khả năng khí hóa than của hệ vi sinh vật từ bể than sông hồng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hồng Lan NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÍ HÓA THAN CỦA HỆ VI SINH VẬT TỪ BỂ THAN SÔNG HỒNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC Hà Nội - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hoàng Lan NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÍ HĨA THAN CỦA HỆ VI SINH VẬT TỪ BỂ THAN SƠNG HỒNG Ngành: Cơng nghệ sinh học Mã số: 9420201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Nguyễn Lan Hương Hà Nội - 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi, số liệu, kết quả, hình ảnh nêu Luận án trung thực chưa công bố cơng trình tác giả khác Giáo viên hướng dẫn Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Nghiên cứu sinh Hoàng Lan i LỜI CÁM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Lan Hương, Viện Công nghệ Sinh học Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội tận tình hướng dẫn giúp đỡ suốt thời gian nghiên cứu để tơi hồn thiện Luận án Để hồn thành Luận án này, vô cảm ơn PGS.TS Tô Kim Anh, khơng người thầy mà cịn người truyền cảm hứng để tơi hồn thành luận văn cịn xa lạ với tơi phần lớn cán làm sinh học Tôi xin chân thành cảm ơn thầy, cô, đồng nghiệp Viện công nghệ Sinh học Công nghệ Thực phẩm Viện tiên tiến Khoa học Công nghệ giúp đỡ, động viên tơi q trình nghiên cứu Luận án sống hàng ngày Xin trân trọng cảm ơn Tổng cục Địa chất Khoáng sản Việt Nam, Liên đoàn Vật lý địa chất, Liên đoàn INTERGEO chuyên gia lĩnh vực địa chất tạo điều kiện để tập thể cán Viện Công nghệ Sinh học Công nghệ Thực phẩm Viện tiên tiến Khoa học Công nghệ tham gia thực chuyên đề nghiên cứu khoa học khó, đa ngành thành cơng đóng góp sản phẩm khoa học quan trọng việc bảo vệ khai thác nguồn lượng Việt Nam Nhân dịp muốn gửi lời cám ơn đến TS Phùng Thị Thủy, khơng có chị nhiều tơi muốn bỏ Nhưng tất chị đồng hành động viên để tơi hồn thành cơng việc đến ngày hôm Cám ơn TS Nguyễn Đức Dũng, bạn khơng thể có ảnh khơng đẹp mà thể phần nghiên cứu quan trọng đề án Khí hóa sinh học than ngầm Cám ơn TS Phạm Thị Mai Phương, kết phân tích em đóng góp khơng nhỏ vào thành công chung nghiên cứu Cám ơn TS Lê Quang Hòa, người gác lại nhiều bận rộn để dành thời gian đọc đưa góp ý sâu sắc cho nghiên cứu Luận án Xin chân thành cảm ơn thầy cô Hội đồng cấp Bộ môn Hội đồng cấp Cơ sở cho tơi góp ý vơ quý báu để hoàn thiện luận án Để hồn thiện Luận án tơi khơng thể khơng nói lời cảm ơn chân thành đến bạn bè tôi, người động viên, chia sẻ khích lệ tơi Xin dành lời cám ơn đặc biệt cho người bạn thân tôi, TS Trần Ngọc Hân, người khơng bạn, đồng nghiệp mà cịn người dẫn dắt khoa học Trong sâu thẳm trái tim, tơi xin dành tất lịng biết ơn tình u đến gia đình tơi, chỗ dựa niềm tin vững để tơi kiên trì theo đuổi ước mơ mình, nơi sẻ chia niềm vui nỗi buồn, lo lắng trăn trở, thất bại thành công ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CÁM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC HÌNH VẼ vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ix MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ Q TRÌNH KHÍ HĨA THAN BẰNG VI SINH VẬT 1.1 Hiện trạng khai thác, sử dụng than truyền thống giải pháp thay tình hình 1.2 Tình hình nghiên cứu triển khai ứng dụng giải pháp khí hóa than ngầm vi sinh vật giới 1.2.1 Lịch sử đời 1.2.2 Tình hình nghiên cứu triển khai giải pháp khí hóa than ngầm vi sinh vật giới 1.2.2.1 Tăng cường sinh học trình chuyển hóa sinh học than thành khí methane 10 1.2.2.2 Kích thích sinh học q trình chuyển hóa sinh học than thành khí methane 10 1.2.3 Tình hình triển khai ứng dụng giải pháp khí hóa than ngầm vi sinh vật giới – ví dụ tiêu biểu 12 1.2.3.1 Triển khai ứng dụng công ty Luca Technologies, Inc 12 1.2.3.2 Triển khai ứng dụng công ty Next Fuel, Inc 13 1.2.3.3 Triển khai ứng dụng công ty Ciris Energy, Inc 13 1.2.3.4 Triển khai ứng dụng công ty Artech 14 1.3 Q trình hình thành khí than tự nhiên 14 1.3.1 Quá trình hình thành chất sinh học than 14 1.3.1.1 Quá trình hình thành than 14 1.3.1.2 Bản chất sinh học dạng vật chất hữu than 18 1.3.2 Sự thay đổi điều kiện mơi trường q trình hình thành than 22 1.3.3 Q trình hình thành khí methane bể than 24 1.3.3.1 Cơ chế hình thành tích tụ khí q trình bùn hóa 24 1.3.3.2 Cơ chế hình thành tích tụ khí q trình than hóa 26 1.3.4 Hệ vi sinh vật đường chuyển hóa than thành khí 27 1.3.4.1 Đa dạng sinh học metagenomics 27 1.3.4.2 Hệ vi sinh vật đường chuyển hóa than thành khí 28 1.3.4.1 Mối quan hệ hợp dưỡng quần xã vi sinh vật chuyển hóa than thành khí methane 31 1.3.4.2 Hệ vi sinh vật tham gia chuyển hóa than thành khí methane số bể than lớn giới 33 1.4 Bể than Sông Hồng vùng nghiên cứu 35 Chương NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1 Đối tượng nghiên cứu 2.2 Hóa chất thiết bị sử dụng 2.2.1 Hóa chất 2.2.2 Thiết bị sử dụng 2.3 Thiết kế thí nghiệm phương pháp nghiên cứu 2.3.1 Phương pháp lấy mẫu chuẩn bị mẫu than nước 2.3.1.1 Lấy mẫu chuẩn bị mẫu nước ngầm để phân tích vi sinh phân tích hóa lý 2.3.1.2 Lấy mẫu chuẩn bị mẫu than để phân tích vi sinh 2.3.2 Phương pháp xác định đặc tính hóa lý than nước 2.3.3 Phương pháp phân tích cấu trúc than 2.3.4 Phương pháp phân tích hình ảnh 40 40 40 40 42 42 42 42 43 43 43 46 iii 2.3.5 Phương pháp tách chiết khuếch đại DNA 2.3.5.1 Phương pháp tách chiết DNA mẫu than nước nguyên trạng 2.3.5.2 Phương pháp tách chiết DNA mẫu than nước sau q trình ni cấy 2.3.5.3 Phương pháp khuếch đại DNA 2.3.6 Phương pháp phân tích trình tự gen phát sinh lồi 2.3.7 Phương pháp phân tích đa dạng sinh học alpha 2.3.8 Phương pháp ni cấy đánh giá hiệu suất sinh khí quần xã vi sinh vật kị khí 2.3.9 Phương pháp sắc kí khí 2.3.10 Phương pháp phân tích thống kê 2.4 Sơ đồ triển khai nghiên cứu khí hóa sinh học than ngầm quy mơ phịng thí nghiệm Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46 46 46 47 47 47 49 51 52 55 56 3.1 Nghiên cứu tính khả dụng sinh học nguồn chất than Sông Hồng 56 3.1.1 Đặc tính thành phần than 56 3.1.1.1 Đặc tính hóa học 56 3.1.1.2 Đặc tính thạch học 57 3.1.2 Đặc tính thành phần hóa nước 60 3.1.3 Đặc điểm cấu trúc than 62 3.1.3.1 Đặc điểm phân bố kích thước hình dạng lỗ rỗng hấp phụ 63 3.1.3.2 Đặc điểm phân bố kích thước tính liên thông lỗ rỗng thấm 65 3.1.3.3 Đặc điểm nguồn gốc hình thành lỗ rỗng 69 3.2 Đánh giá tiềm chuyển hóa than thành khí quần xã vi sinh vật địa theo chiều sâu bể than 71 3.3 Nghiên cứu cấu trúc quần xã vi sinh vật địa 77 3.3.1 Tính đa dạng alpha quần xã vi sinh vật địa 77 3.3.1.1 Tính đa dạng alpha mẫu nước nguyên trạng 77 3.3.1.2 Tính đa dạng alpha mẫu than nguyên trạng 77 3.3.2 Cấu trúc quần xã vi sinh vật địa nước nguyên trạng 79 3.3.2.1 Sự đa dạng nhóm vi sinh vật mẫu nước (FW) phân chia theo ngành lớp 79 3.3.2.2 Sự đa dạng nhóm vi sinh vật mẫu nước (FW) phân chia theo chi 81 3.3.3 Cấu trúc quần xã vi sinh vật địa than nguyên trạng 87 3.3.3.1 Sự đa dạng nhóm vi sinh vật mẫu than phân chia theo ngành lớp 87 3.3.3.2 Sự đa dạng nhóm vi sinh vật mẫu than phân chia theo chi 88 3.3.4 Sự khác biệt quần xã vi sinh vật địa tồn mẫu nước mẫu than nguyên trạng 90 3.4 Nghiên cứu đánh giá đáp ứng thay đổi quần xã vi sinh vật địa q trình sinh khí 93 3.4.1 Tính đa dạng alpha quần xã vi sinh vật đáp ứng 94 3.4.1.1 Tính đa dạng alpha pha rắn CR 94 3.4.1.2 Tính đa dạng alpha pha lỏng AS 95 3.4.2 Cấu trúc quần xã vi sinh vật đáp ứng pha rắn 95 3.4.2.1 Phân ngành phân lớp vi sinh vật đáp ứng pha rắn CR 95 3.4.2.2 Phân chi vi sinh vật đáp ứng pha rắn CR 97 3.4.3 Cấu trúc quần xã vi sinh vật đáp ứng pha lỏng 98 3.4.3.1 Phân ngành phân lớp vi sinh vật đáp ứng pha rắn AS 98 3.4.3.2 Phân chi vi sinh vật đáp ứng pha lỏng AS 99 3.4.4 Sự thay đổi đáp ứng quần xã vi sinh vật địa trình bổ sung dinh dưỡng theo chiều sâu tập vỉa than 101 3.4.5 Phân tích tương quan đáp ứng quần xã vi sinh vật địa theo chiều sâu vỉa than 107 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Kiến nghị 113 113 114 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AS ASTM bp Adapted Consortium Pha lỏng sau bổ sung dinh dưỡng American Society for Testing and Materials Hiệp hội Thí nghiệm Vật liệu Hoa Kỳ Base pair Cặp bazơ BET Brunauer-Emmett-Teller BJH Barret-Joyner-Halenda BTEX Benzene, Toluene, Ethylbenzene Xylene C CBM CCA CR CS DNA FID FW GC GCMS GDP IEA ISO IUPAC Coal Mẫu than Coal Bed Methane Khí methane than Canonical Correspondence analysis Phương pháp phân tích tương quan Coal Residual Pha rắn sau bổ sung dinh dưỡng Coal Seam Vỉa than Deoxyribonucleic Acid Axit deoxyribonucleic Flame Ionizing Detector Đầu dị ion hóa lửa Formation water Mẫu nước liên kết bể than Gas Chromatography Sắc kí khí Gas Chromatography Mass Spectrometry Sắc kí khối phổ Gross Domestic Product Tổng sản phẩm quốc nội International Energy Agency Cơ quan lượng quốc tế International Organization for Standardization Tổ chức quốc tế tiêu chuẩn hóa International Union of Pure and Applied Chemistry Liên minh Quốc tế Hóa học Hóa học ứng dụng v LTNA MECoM MIP NMDS OECD OTU PAH PCR PD PV R0 RNA rRNA SEM TCVN TOC TPH TV Low Temperature Nitrogen Adsorption Hấp phụ Nitơ nhiệt độ thấp Microbial Enhanced Coalbed Methane Tăng cường chuyển hóa sinh học than thành khí methane Mercury Intrusion Porosimetry Bơm ép thủy ngân Non-metric Multidimensional Scaling Analysis Phân tích tiêu độ đa chiều phi biến Organization for Economic Co-operation and Development Tổ chức Hợp tác Phát triển Kinh tế Operational Taxonomic Unit Đơn vị phân loại Polycyclic Aromatic Hydrocarbon Hydrocacbon thơm đa vòng Polymerase Chain Reaction Phản ứng tổng hợp chuỗi ADN Pore Diameter Đường kính lỗ rỗng Pore Volume Thể tích lỗ rỗng Vitrinite reflectance Hệ số phản xạ vitrinite Ribonucleic Acid Axit ribonucleic Ribosomal RNA RNA riboxom Scanning Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử quét Tiêu Chuẩn Việt Nam Total Organic Carbon Tổng hàm lượng cacbon hữu Total Petroleum Hydrocarbon Tổng hydrocacbon dầu mỏ Tập Vỉa vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Con đường hình thành than từ thực vật [4] 15 Hình 1.2 Cấu trúc số nhãn than [45] 16 Hình 1.3 Cấu trúc phần kerogen với vị trí cơng phân cắt tiềm 19 Hình 1.4 Thành phần nhóm hữu phần bitumen [59] 19 Hình 1.5 Mơ hình cấu trúc than- hệ thống hai cấu tử [4] 22 Hình 1.6 Các giai đoạn trình than hóa với hình thành khí than (Tham khảo điều chình theo [46,89]) 23 Hình 1.7 Quá trình hình thành tích tụ khí giai đoạn bùn hóa [10] 25 Hình 1.8 Mơ hình q trình hình thành khí sinh học thứ cấp bể than San Juan [11] 27 Hình 1.9 Giản đồ q trình chuyển hóa sinh học than thành khí methane 30 Hình 1.10 Cây phân loại cổ khuẩn methanogen dựa trình tự gen 16S rRNA đường chuyển hóa dựa nguồn chất khác [46,53] 31 Hình 1.11 Thành phần vi khuẩn (A) cổ khuẩn (B) số bể than lớn giới Biểu diễn mức ngành vi khuẩn trừ ngành Proteobacteria biểu diễn đến mức lớp biểu diễn đến mức cổ khuẩn [27-29,33,35,36,39,49,114] 34 Hình 1.12 Vị trí bể than Sông Hồng khu vực nghiên cứu 36 Hình 1.13 Cột địa tầng khu vực nghiên cứu [121,122] 37 Hình 1.14 Mặt cắt địa chất bình đồ khu vực nghiên cứu 39 Hình 2.1 Các dạng lỗ rỗng than 45 Hình 2.2 Sơ đồ thí nghiệm ni cấy vi sinh vật kị khí (dung dịch vitamin mơi trường Tanner bổ sung sau giai đoạn trùng 121 °C /15 phút) 50 Hình 2.3 Mơ hình phương pháp đo lượng khí methane sinh q trình ni cấy 51 Hình 2.4 Sơ đồ triển khai nghiên cứu khí hóa sinh học than ngầm quy mơ phịng thí nghiệm 55 Hình 3.1 Phân bố thành phần hữu (maceral) mẫu than 58 Hình 3.2 Đặc tính thạch học chất hữu phân tán mẫu than Sông Hồng qua kính hiển vi quang học 59 Hình 3.3 Biểu đồ so sánh đặc tính cấu trúc mẫu than 63 Hình 3.4 Kết hấp phụ/nhả hấp phụ N2 nhiệt độ thấp (77 K) mẫu than 65 Hình 3.5 Kết phân tích MIP mẫu than 68 Hình 3.6 Hình ảnh chụp SEM hình dạng lỗ rỗng mẫu than Sơng Hồng 70 Hình 3.7 Hiệu suất sinh khí methane nhóm thí nghiệm sau 21 ngày ni cấy 72 Hình 3.8 Sự thay đổi hiệu suất sinh khí methane tích lũy theo thời gian ni cấy mẫu than Sông Hồng 74 Hình 3.9 Đường cong rarefaction mẫu than (C) nước nguyên trạng (FW) 78 Hình 3.10 Đa dạng 16S rRNA mức ngành mẫu nước FW 79 Hình 3.11 Đa dạng 16S rRNA mức lớp mẫu nước FW 80 Hình 3.12 Hình ảnh chụp SEM phân tích EDS bề mặt than Sông Hồng 82 Hình 3.13 (A) Đa dạng 16S rRNA mức ngành, từ ngoài: C1-C5; (B) Đa dạng 16S rRNA mức lớp, từ ngoài: C1 ̶ C5 mẫu than nguyên trạng 88 Hình 3.14 So sánh tương đồng mơt số chi vi khuẩn cổ khuẩn phổ biến mẫu nước FW bể than Sông Hồng số bể than khác giới Mỹ [261], Trung Quốc [36,37], Nhật Bản [27], Úc [28,98] 91 Hình 3.15 Hình ảnh chụp SEM bám dính vi sinh vật lên bề mặt than độ phóng đại khác x5000; x9000; x10000 x50000 lần 92 Hình 3.16 Đường cong rarefaction pha rắn sau bổ sung dinh dưỡng CR1 đến CR5 94 Hình 3.17 Đường cong rarefaction pha rắn sau bổ sung dinh dưỡng AS1 đến AS5 95 Hình 3.18 Đa dạng 16S rRNA mức ngành mẫu pha rắn sau làm giàu CR 96 Hình 3.19 Đa dạng 16S rRNA mức ngành mẫu pha lỏng AS 99 Hình 3.20 Sơ đồ giả định q trình chuyển hóa vật chất hữu phức tạp than thành khí methane bể than Sơng Hồng Màu cam chi vi sinh vật phát triển trình bổ sung dinh dưỡng 101 Hình 3.21 Phân tích NMDS khác cấu trúc quần xã VSV mẫu nguyên trạng (C FW) đáp ứng (pha rắn CR pha lỏng AS) Giá trị nhiễu = 0,039 102 Hình 3.22 Đa dạng 16S rRNA mức ngành mẫu nguyên trạng than/nước mẫu đáp ứng sau trình bổ sung dinh dưỡng pha rắn CR/pha lỏng AS 103 Hình 3.23 Phân tích phả hệ hiển thị đồ nhiệt mối quan hệ phân bố theo ngành vi sinh vật/ 16 mẫu phân tích 105 vii Hình 3.24 Phân tích phả hệ hiển thị đồ nhiệt mối quan hệ phân bố theo 30 chi vi sinh vật phổ biến có tần suất OTUs>1%/ 16 mẫu phân tích 106 Hình 3.25 Phân tích tương quan Pearson đặc tính than hiệu suất sinh khí methane * tương ứng với p 500 m) thường khó khơng có khả tiếp cận cách an toàn phương pháp khai thác truyền thống với hiệu suất thu hồi khả thi Về phương diện bảo vệ môi trường, `1 việc chuyển đổi đối tượng tận thu lượng từ than sang khí đóng vai trị quan trọng việc giảm thiểu hiệu ứng khí nhà kính Hiệu q trình khí hóa bể than ngầm phụ thuộc vào nhiều yếu tố thủy-địa-hóa-sinh, đặc tính than quần thể vi sinh vật địa bể than đóng vai trị then chốt đến hiệu suất khí hóa Do việc khảo sát có mặt quần xã vi sinh vật địa bể than Sông Hồng đánh giá khả chuyển hóa than thành khí điều kiện địa sinh học phù hợp để áp dụng/xây dựng quy trình cơng nghệ khí hóa sinh học than ngầm (MECoM – Microbial enhanced coal bed methane) vô cấp thiết Đề tài nghiên cứu sinh “Nghiên cứu khả khí hóa than hệ vi sinh vật từ bể than Sông Hồng” thực khuôn khổ đề án “Điều tra, đánh giá tổng thể tài nguyên than phần đất liền bể Sơng Hồng” góp phần quan trọng việc khởi đầu công nghệ khai thác than ngầm chỗ đáp ứng yêu cầu cấp thiết từ thực tế than Việt Nam chiến lược an ninh lượng Quốc gia Luận án tập trung vào mục tiêu nghiên cứu đây: Nghiên cứu đánh giá đặc tính địa sinh học bể than Sơng Hồng, nhằm kiểm tra tính khả dụng sinh học phục vụ triển khai công nghệ khí hóa than ngầm vi sinh vật Nghiên cứu, xác nhận tồn hệ vi sinh vật địa bể than Sông Hồng khả chuyển hóa than thành khí hệ thống theo chiều sâu vỉa than Đối tượng xác định để nghiên cứu Luận án: (1) hệ vi sinh vật địa bể than Sông Hồng; (2) nguồn chất than vỉa than theo chiều sâu tồn nước ngầm liên kết bể than Phạm vi nghiên cứu tập trung khu vực thử nghiệm huyện Giao Thủy, Nam Định huyện Tiền Hải, Thái Bình Than lấy liên tục theo chiều sâu vỉa từ 300 m đến 1000 m Nước ngầm liên kết bể than lấy với quy trình bảo quản đặc biệt tầng chứa nước Những mẫu than nước ngầm phân tích thành phần hóa học, thành phần thạch học cấu trúc than nhằm xác định thông số phù hợp cho xâm nhập phát triển vi sinh vật Sự tồn quần xã vi sinh vật địa xác định mẫu than nước nguyên trạng sau trình ni cấy bổ sung dinh dưỡng quy mơ phịng thí nghiệm Đây nghiên cứu đánh giá tồn khả chuyển hóa than thành khí quần xã vi sinh vật địa bể than Sơng Hồng Bên cạnh Luận án đánh giá mối liên quan đặc tính địa sinh học để phân tích tính khả dụng sinh học phục vụ triển khai cơng nghệ khí hóa than vi sinh vật bể than Sông Hồng Đây lần xác định giới hạn hiệu theo chiều sâu ứng dụng công nghệ khí hóa than vi sinh vật bể than Sơng Hồng Giải pháp khí hóa sinh học than ngầm bể than Sông Hồng không giải pháp khai thác than an toàn, hiệu mà giải pháp khai thác bền vững nguồn tài nguyên không tái tạo, giảm thiểu tác động môi trường góp phần đảm bảo an ninh lượng quốc gia lâu dài Các kết Luận án đạt được: Lần phát quần xã vi sinh vật địa chuyển hóa than thành khí bể than Sơng Hồng Lần xác định điều kiện địa sinh học thuận lợi cho xâm nhập phát triển vi sinh vật nguồn chất than Sông Hồng theo chiều sâu tồn Luận án chia làm ba chương Trong đó, hai chương đầu cung cấp thơng tin tảng để tiến hành triển khai nghiên cứu tổng quan tài liệu Chương nghiên cứu độc lập, luận giải kết để hướng đến giải mục tiêu Luận án đề Chương Tổng quan q trình khí hóa than vi sinh vật Chương tập trung đánh giá tổng quan thông tin trạng khai thác sử dụng than mối quan tâm đến tác động mơi trường hướng đến tìm kiếm giải pháp công nghệ khai thác phù hợp với bể than Sông Hồng Thu thập đánh giá thơng tin liên quan đến lịch sử hình thành tình hình nghiên cứu phát triển cơng nghệ khí hóa than ngầm vi sinh vật nước giới Phân tích chi tiết q trình hình thành khí tự nhiên vai trị tham gia vào q trình chuyển hóa vi sinh vật đặc điểm nguồn chất than nhằm xác lập kiến thức thông tin cần thiết cho q trình xây dựng mơ hình mơ nghiên cứu phịng thí nghiệm Cung cấp thơng tin liên quan đến bể than Sơng Hồng nói chung xác định vị trí vùng nghiên cứu nói riêng Chương Nguyên vật liệu phương pháp Các phương pháp nguyên vật liệu sử dụng Luận án mơ tả chi tiết để thực thí nghiệm nhằm đạt mục tiêu nghiên cứu đề Các phương pháp nghiên cứu lựa chọn phù hợp thông qua việc đánh giá tổng quan phương pháp thực giới khả thi Việt Nam Chương Kết thảo luận Tồn q trình thực nghiên cứu việc luận giải kết thí nghiệm trình bày chi tiết theo nội dung sau: Bằng việc xây dựng thực quy trình khoa học xây dựng, Luận án giải toàn mục tiêu nghiên cứu, xác định nhiều điểm hướng nghiên cứu Thông qua Luận án này, số nội dung đề xuất cần tiếp tục nghiên cứu để công nghệ khí hóa than ngầm vi sinh vật triển khai bể than Sông Hồng Chương TỔNG QUAN VỀ Q TRÌNH KHÍ HĨA THAN BẰNG VI SINH VẬT 1.1 Hiện trạng khai thác, sử dụng than truyền thống giải pháp thay tình hình Năng lượng cần thiết cho phát triển kinh tế - xã hội cải thiện chất lượng sống người Theo số liệu phân tích cho thấy nhu cầu lượng toàn cầu dự kiến tăng khoảng 25% giai đoạn từ năm 2018 đến năm 2040 Sự gia tăng phản ánh tốc độ gia tăng dân số, phát triển kinh tế công nghiệp Tính từ thời kỳ đầu cách mạng cơng nghiệp năm 2018, dân số giới tăng từ 700 triệu lên 7,6 tỷ người dự đoán tiếp tục tăng đến 9,2 tỷ vào năm 2040 hay nói cách khác khoảng thời gian có thêm khoảng 1,6 tỷ đối tượng tiêu thụ lượng [1] Quá trình gia tăng dân số kèm với với việc phát triển không ngừng công nghệ, phương tiện giao thông, tiêu chuẩn sống, cơng nghiệp hóa dẫn đến gia tăng việc sử dụng lượng Tổng sản phẩm quốc nội (GDP) tồn cầu giai đoạn 2018-2040 tăng trung bình 3,4 %/ năm Trong đó, GDP nước phát triển thuộc Tổ chức Hợp tác Phát triển Kinh tế - OECD (Organization for Economic Co-operation and Development) tăng trung bình 1,4 %/năm Các nước phát triển ngồi khối OECD tăng GDP cách nhanh chóng với tốc độ trung bình 3,5 %/năm Các nước có GDP tăng mạnh khối nước thuộc châu Á (4,4 %/năm) Trung Quốc (4,3 %/năm) Ấn Độ (6,4 %/năm) Nhu cầu lượng từ nước OECD chiếm đến 56% [1] Cùng với kinh tế phát triển cách nhanh chóng, phần lớn gia tăng dân số tập trung nước thuộc khu vực châu Á châu Phi Theo số liệu Cơ quan lượng quốc tế (IEA – International Energy Agency), năm 2018 khoảng 860 triệu người giới (chiếm 11% dân số giới) chưa có điện để sử dụng Phần lớn số thuộc khu vực ngoại ô nước lân cận sa mạc Sahara, châu Phi nước phát triển Châu Á Cũng theo thống kê vào năm 2018 IEA, khoảng 2,5 tỷ người (chiếm 33% dân số giới) dựa vào việc sử dụng nguồn sinh khối rắn truyền thống để phục vụ sinh hoạt Các nước châu Á phát triển lân cận sa mạc Sahara, châu Phi tiếp tục chiếm tỷ lệ lớn số Theo IEA dự báo đến năm 2050 726 triệu người thiếu điện 1,5 tỷ người dựa nguồn sinh khối truyền thống để sinh sống [1] Các số cụ thể cho thấy nhu cầu sử dụng lượng dự báo tiếp tục tăng tương lai gần Để đáp ứng nhu cầu lượng ngày tăng, lượng thu nhận từ nhiên liệu hóa thạch chiếm vai trò chủ đạo (81% vào năm 2018) Theo dự báo đến năm 2030 IEA, nguồn nhiên liệu tiếp tục giữ vững vai trò việc cung cấp lượng cho tồn cầu (79%) [1] Trong nguồn lượng hóa thạch, than xem nguồn nhiên liệu phong phú phân bố rộng rãi nhiều quốc gia hẳn so với dầu khí tự nhiên (hơn 75 quốc gia giới) Với tốc độ tiêu thụ nay, IEA dự báo nguồn lượng từ than kéo dài 142 năm, so với 61 năm khí tự nhiên 54 năm dầu Nhu cầu than dự báo tăng khoảng 14,7% giai đoạn từ 2018 đến 2040 với sách lượng Hiện nay, than sử dụng chủ yếu lĩnh vực sản xuất điện (65%), nguồn vật liệu thơ cho q trình sản xuất thép (74%), xi măng (61%) hóa chất (13%) [1] Qua số liệu cho thấy, không tiếp tục trì vai trị trụ cột cơng nghiệp sản xuất điện năng, than nhiên liệu củng cố cho phát triển nhanh chóng trình cơng nghiệp hóa thị trường trỗi dậy, giúp nâng cao mức sống đưa hàng trăm triệu người khỏi tình trạng thiếu thốn lượng Xu hướng nhu cầu than toàn cầu phân thành hai khuynh hướng theo nhóm quốc gia Đối với nước thuộc OECD, chí nhu cầu điện gia tăng không ngừng thập kỷ vừa qua lượng than sử dụng cho lĩnh vực giảm từ 42% xuống 39% tổng lượng sử dụng [1] Trong đó, quốc gia khơng thuộc OECD, than tiếp tục đóng vai trị then chốt sản xuất điện ngành công nghiệp khác Nhu cầu lượng lĩnh vực sản xuất điện mở rộng đến 75% vào cuối thập kỷ vừa qua với việc gia tăng gấp đôi lượng than sử dụng [1] Các quốc gia không thuộc OECD chiếm đến 70% lượng than sử dụng toàn cầu [1] Và tương lai xa để thúc đẩy trình phát triển kinh tế xã hội, nhu cầu lượng quốc gia không thuộc OECD, yếu tố định đến tăng trưởng nhu cầu than, gia tăng không ngừng Trên giới Việt Nam, việc khai thác than tiến hành theo hai phương pháp khai thác lộ thiên khai thác hầm lò (gọi chung phương pháp khai thác truyền thống) Trong đó, khai thác lộ thiên áp dụng với mỏ than có độ sâu nông, gần bề mặt trái đất Thông thường, khả khai thác phương pháp không vượt độ sâu 100 m Phương pháp khai thác hầm lò cho phép tiếp cận với mỏ than sâu khoảng 300 m so với bề mặt trái đất Trong số trường hợp đặc biệt, độ sâu lên đến 500 ̶ 600 m Tuy nhiên, việc khai thác sử dụng than truyền thống cách thức tất yếu để đáp ứng nhu cầu lượng không kèm với quản lý môi trường xử lý chất thải phù hợp đưa lại vơ số hệ lụy (1) Ơ nhiễm mơi trường – Biến đổi khí hậu: Để tiếp cận khai thác vỉa than sâu lòng đất, hai phương pháp khai thác lộ thiên hầm lò phải thực việc loại bỏ lớp đất đá phía Sụt lún xem tác động mạnh mẽ trình khai thác than lên địa hình bề mặt mơi trường đất [2] Quy mô mức độ nguy hiểm trình sụt lún phụ thuộc vào nhiều yếu tố độ dày lớp đất đá phủ quy mô phương pháp khai thác Quá trình sụt lún đất khơng làm giảm suất mùa màng mà gây vấn đề môi trường tàn phá hủy hoại hệ thực vật, làm biến đổi bề mặt đất, phá hỏng hệ thống thoát nước, tàn phá khu dân cư Quá trình khai thác than truyền thống gây tác động đến môi trường nước, bao gồm nước mặt nước ngầm Việc loại bỏ lớp che phủ thực vật khai thác lộ thiên hầm lò làm lộ ngày nhiều lớp đá địa tầng dẫn đến làm giảm tốc độ thấm thay đổi hướng dòng chảy [2] Tuy nhiên, tác động đến mơi trường khí xem tác động nghiêm trọng sâu sắc thay đổi ảnh hưởng cách đặc biệt tiêu cực đến sức khỏe người Ơ nhiễm khơng khí từ việc khai thác than chủ yếu phát xạ không bền vật liệu dạng hạt siêu mịn khí methane, sulphua dioxide oxit nitơ [2] Đối với trình sử dụng, than chủ yếu đốt để sản xuất nhiệt điện Lượng khí CO2 khí nhà kính khác giải phóng khí kilowatt-giờ điện tạo thành phụ thuộc vào hàm lượng cacbon có than, hiệu suất cách thức vận hành nhà máy điện Trên thực tế, khoảng phần ba lượng nhiệt sinh từ việc đốt than chuyển hóa thành điện Theo số liệu IEA, năm 2018, lượng phát thải CO2 từ than toàn cầu 14.664 Mt (chiếm khoảng 45% tổng phát thải CO2) [1] Quá trình phát thải hệ hai trình khai thác sử dụng than Mức gia tăng thúc đẩy nhanh hiệu ứng khí nhà kính, làm nhiệt độ tồn cầu trung bình tăng 0,85 oC/năm Con số tưởng chừng khơng lớn thực tế lại có tác động mạnh mẽ đến môi trường gây nhiều tượng thời tiết cực đoan hạn hán lũ lụt với cường độ xuất mạnh thường xuyên Những vấn đề nghiêm trọng liên quan đến ô nhiễm môi trường tàn phá tự nhiên tất yếu dẫn đến tác động tiêu cực đến sức khỏe người theo cách trực tiếp gián tiếp Theo Tổ chức y tế giới (WHO) đánh giá vào năm 2012, ước tính tồn giới có khoảng 3,7 triệu người chết bệnh có liên quan đến nhiễm mơi trường khí với 70% liên quan đến dạng hạt siêu mịn [3] Các hạt mịn hít vào thấm qua phổi máu gây nên nhiều tác động có hại cho thể bệnh nghiêm trọng liên quan đến hô hấp tim mạch (2) Cạn kiệt nguồn tài nguyên hóa thạch: Do nguồn tài nguyên phong phú phổ biến nguồn nhiên liệu hóa thạch, than khai thác sử dụng nhiều quốc gia giới Hiện nguồn tài nguyên đánh giá tình trạng cạn kiệt.Tình trạng liên quan đến nhiều nguyên nhân, đặc biệt phải kể đến khả tiếp cận tầng sâu điều kiện địa chất phức tạp mỏ than Trên thực tế, trữ lượng than khai thác tiềm khai thác chiếm khoảng 10% tổng tài nguyên than toàn giới [4] Do đó, khái niệm cạn kiệt hiểu theo nghĩa nguồn dự trữ than có khả tiếp cận phương pháp khai thác truyền thống dần cạn kiệt Ngoài ra, 50% tổng tài nguyên than thuộc dạng than có độ biến chất thấp (có nhiệt trị thấp) vốn khơng xem đối tượng ưu tiên để thu nhận lượng bối cảnh sử dụng than truyền thống (chủ yếu cung cấp lượng thông qua nhà máy điện than) Tại Việt Nam, khai thác than chủ yếu theo phương pháp truyền thống tập trung khu vực Quảng Ninh Theo thống kê Tập đoàn than khoáng sản Việt Nam, từ năm 2015 đến này, vùng than ng Bí, Hịn Gai, Cẩm Phả (Quảng Ninh) kết thúc khai thác thực đóng cửa 35/72 mỏ, chủ yếu liên quan đến độ sâu tiếp cận tiếp cận cách không hiệu vỉa than Theo số liệu phân tích Quy hoạch phát triển ngành than Việt Nam đến năm 2020 xét triển vọng đến năm 2030 [5], nhu cầu than nước tăng mạnh với việc xây dựng đưa vào vận hành hàng loạt nhà máy nhiệt điện than Trong đó, hiệu suất khai thác than truyền thống thấp (40% cho phương pháp khai thác hầm lị), với hiệu suất chuyển hóa nhà máy nhiệt điện than cũ khơng vượt q 40% [3] Tình trạng dẫn đến sản phẩm than thương mại có trở nên thấp so với nhu cầu than nước Số liệu thống kê IEA năm 2020, tổng sản lượng sản xuất than Việt Nam đạt 48,6 triệu tấn, tổng sản lượng tiêu thụ than đạt 71,65 triệu [6] Như vậy, để bù đắp cho lượng than thiếu hụt, việc nhập than nhu cầu tất yếu (tương đương 33% năm 2020), với trữ lượng nhập có xu hướng ngày gia tăng Tuy nhiên việc nhập than đối mặt với nhiều thách thức Các nước có sản lượng than thương mại lớn nhập Úc có vị trí địa lý cách q xa so với Việt Nam Điều đồng nghĩa với việc giá thành than bị tăng cao chi phí vận chuyển lớn Đối với nước nhập than khu vực Indonesia, việc nhập than với trữ lượng lớn tăng dần thời gian dài không dễ dàng hầu khu vực có nhu cầu nhập than từ nước Cách thức khai thác sử dụng than Việt Nam đưa đến lượng CO2 phát thải từ nguồn nhiên liệu tổ chức Global Carbon Project thống kê năm 2020 126 Mt (chiếm 50% tổng phát thải CO2) đưa Việt Nam đứng thứ 15 giới phát thải CO2 từ than [7] Rõ ràng tình trạng nghiêm trọng liên quan đến an ninh lượng ô nhiễm môi trường biến đổi khí hậu đặt yêu cầu cấp thiết đối giới nói chung Việt Nam nói riêng việc tìm kiếm phát triển công nghệ khai thác sử dụng than Các công nghệ nhằm hướng đến khai thác nguồn tài nguyên than lớn (hơn 90%) vốn trước chưa chạm tới độ sâu lớn sử dụng dạng than có độ biến chất thấp cách hiệu quả, xanh Bằng cách chuyển đổi dạng thu nhận lượng từ than thành khí nơi vỉa than tồn tại, giải pháp khí hóa than ngầm giải pháp cho phép tiếp cận với vỉa than nằm sâu hiệu với dạng than có độ biến chất thấp Than hồn tồn khơng cần đưa lên mặt đất, hồn tồn khơng hình thành mỏ than thiết bị vận chuyển than Cùng với đó, nguồn nhiên liệu đầu vào nhà máy sản xuất điện để cung cấp lượng thay khí thay than Thơng thường, để tạo đơn vị điện năng, trình đốt cháy khí tự nhiên giảm 56% phát thải CO2 so sánh với trình đốt cháy than nhãn than trung bình [8] Ngồi ra, việc đốt khí tự nhiên cịn khơng gây phát thải thủy ngân (một chất độc thần kinh tích lũy sinh học bền), oxit lưu huỳnh (SO2), oxit nitơ (NOx) hạt rắn Cùng với việc giảm phát thải CO2, nhà máy điện khí cho hiệu nhiệt cao nhà máy điện than, với hiệu suất nhiệt đạt khoảng 60% [3] Hiện có hai cách tiếp cận giải pháp khí hóa than ngầm khí hóa than ngầm nhiệt khí hóa than ngầm vi sinh vật 1.2 Tình hình nghiên cứu triển khai ứng dụng giải pháp khí hóa than ngầm vi sinh vật giới 1.2.1 Lịch sử đời Than dạng nhiên liệu có trữ lượng lớn dạng nhiên liệu hóa thạch (chiếm 71,4%), phân bố phong phú thành nhiều tầng than có độ sâu khác bể than giới [9] Tại độ sâu thích hợp, than chứa hàm lượng đáng kể khí tự nhiên, sử dụng nguồn cung cấp lượng Khí methane than (coalbed methane-CBM) chiếm thành phần chủ yếu khí methane (90 ̶ 95% thể tích) với lượng nhỏ thể tích khí khác CO2, ethane, propane butane Các khí hình thành tích tụ q trình than hóa giai đoạn khác với hàm lượng trung bình đạt 150 ̶ 200 cc/g than tùy thuộc vào thành phần vật chất hữu nhãn than [10] Dựa vào nguồn gốc cấu thành than, khí methane sinh bể than phân loại sơ cấp thành khí sinh có chất từ nhiệt chất từ sinh học Khí methane có chất từ nhiệt hình thành vật liệu hữu bị chôn lấp chuyển hóa nhiệt độ áp suất tăng Trong đó, khí methane có chất từ sinh học hình thành hoạt động vi sinh vật, chiếm khoảng 15 ̶ 30% tổng lượng khí mỏ than [11] So với vật liệu hữu thông thường, than nguồn chất lý tưởng cho vi sinh vật cấu trúc thành phần khó phân hủy phức tạp Tuy nhiên, ý tưởng chuyển hóa than nhờ vi sinh vật ý tưởng Ý tưởng xuất sớm từ đầu kỷ 20 [12] Ngay từ đầu năm 1908, Potter báo cáo việc vi khuẩn đóng vai trị tác nhân xúc tác sinh học q trình oxi hóa than nâu vơ định hình [12] Hai năm sau đó, Galle lần phân lập vi khuẩn sinh trưởng mẫu than nâu [13] Tiếp nối kết nghiên cứu vào năm 1927, Fischer Funchs công bố hai báo sinh trưởng nấm loại than khác [14,15] Các trình điều tra chi tiết vi sinh vật địa mỏ than tự nhiên Lieske Hofmann tiến hành vào năm 1928 [16] ghi nhận tồn đa dạng vi sinh vật Tác giả lần quan tâm đến ứng dụng sinh học than vi sinh vật phát triển than sử dụng than làm phân bón nơng nghiệp [17,18] Vào năm 1981, Rene Fakoussa chứng minh vi khuẩn sử dụng dạng chuyển hóa hữu từ than cứng nguồn cacbon hóa lỏng phần than tự nhiên dẫn đến việc hình thành dung dịch có màu [19] Tác giả nhận tiềm sinh học vi sinh vật chuyển hóa than cơng bố mối quan tâm cụ thể chủ đề lần vào năm 1983 [20] Cũng khoảng thời gian này, Cohen Gabriel Mỹ tìm nấm đảm Basidiomycetes (nấm mục nâu trắng) có khả phân hủy gỗ hình thành giọt màu đen từ hạt leonardite (một dạng oxi hóa đặc biệt than nâu) [21] Cả hai nghiên cứu khởi đầu cho hàng loạt nghiên cứu sâu tiến hành Mỹ, sau Đức, Tây Ban Nha Úc việc tìm chủng vi sinh vật thích hợp để chuyển hóa than thành sản phẩm hữu ích loại hóa chất nhiên liệu 1.2.2 Tình hình nghiên cứu triển khai giải pháp khí hóa than ngầm vi sinh vật giới Q trình vi sinh vật chuyển hóa nguồn chất than phức tạp thành khí có tốc độ chậm tích lũy hàng triệu năm Tuy nhiên điều kiện khai thác lại làm ảnh hưởng đến tồn phát triển hệ vi sinh vật địa Do đó, q trình hình thành khí chí kết thúc nguồn chất than phong phú, dẫn đến thời gian tận thu khai thác khí methane than thường ngắn Scott lần đề cập đến cách tiếp cận hoàn tồn vào năm 1999, bể than xem lò phản ứng sinh học [22] Bản chất hướng tiếp cận ... TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hồng Lan NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÍ HÓA THAN CỦA HỆ VI SINH VẬT TỪ BỂ THAN SƠNG HỒNG Ngành: Cơng nghệ sinh học Mã số: 9420201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC NGƯỜI... địa sinh học bể than Sơng Hồng, nhằm kiểm tra tính khả dụng sinh học phục vụ triển khai cơng nghệ khí hóa than ngầm vi sinh vật Nghiên cứu, xác nhận tồn hệ vi sinh vật địa bể than Sơng Hồng khả. .. thủy-địa -hóa -sinh, đặc tính than quần thể vi sinh vật địa bể than đóng vai trị then chốt đến hiệu suất khí hóa Do vi? ??c khảo sát có mặt quần xã vi sinh vật địa bể than Sông Hồng đánh giá khả chuyển hóa than