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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:146

Thêm vào BST

Báo xấu

38
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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" trình bày các nội dung chính sau: Nghiên cứu và đánh giá được các đặc tính địa sinh học của bể than Sông Hồng, nhằm kiểm tra tính khả dụng sinh học phục vụ triển khai công nghệ khí hóa than ngầm bằng vi sinh vật; Nghiên cứu, xác nhận được sự tồn tại của hệ vi sinh vật bản địa trong bể than Sông Hồng cùng khả năng chuyển hóa than thành khí của hệ thống này theo chiều sâu của các vỉa than.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: 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 Hoàng 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 HÓA THAN CỦA HỆ VI SINH VẬT TỪ BỂ THAN SÔNG HỒNG Ngành: Công 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 đây là công trình nghiên cứu của tôi, các số liệu, kết quả, hình ảnh nêu trong Luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình của tác giả nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Giáo viên hướng dẫn Nghiên cứu sinh Hoàng Lan i
LỜI CÁM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Lan Hương, Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu để tôi hoàn thiện Luận án này. Để hoàn thành Luận án này, tôi vô cùng cảm ơn PGS.TS. Tô Kim Anh, không chỉ là người thầy mà còn là người truyền cảm hứng để tôi hoàn thành luận văn còn rất xa lạ với tôi cũng như phần lớn cán bộ làm sinh học. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô, đồng nghiệp của tôi trong Viện công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm và Viện tiên tiến Khoa học và Công nghệ đã luôn giúp đỡ, động viên tôi trong quá trình nghiên cứu Luận án và trong cuộc sống hàng ngày. Xin trân trọng cảm ơn Tổng cục Địa chất và Khoáng sản Việt Nam, Liên đoàn Vật lý địa chất, Liên đoàn INTERGEO và các chuyên gia trong lĩnh vực địa chất đã tạo điều kiện để tôi cùng tập thể cán bộ Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm và Viện tiên tiến Khoa học và Công nghệ được tham gia thực hiện một chuyên đề nghiên cứu khoa học rất khó, đa ngành và sự thành công của nó đã đóng góp một sản phẩm khoa học quan trọng trong việc bảo vệ và khai thác nguồn năng lượng của Việt Nam. Nhân dịp này tôi rất muốn gửi lời cám ơn đến TS. Phùng Thị Thủy, không có chị nhiều khi tôi muốn bỏ cuộc. Nhưng trên tất cả chị đã luôn đồng hành và động viên để tôi có thể hoàn thành công việc đến ngày hôm nay. Cám ơn TS. Nguyễn Đức Dũng, không có bạn không thể có được những bức ảnh không chỉ đẹp mà còn thể hiện được một phần nghiên cứu quan trọng của đề án Khí hóa sinh học than ngầm. Cám ơn TS. Phạm Thị Mai Phương, các kết quả phân tích của em đã đóng góp không nhỏ vào thành công chung của nghiên cứu này. Cám ơn TS. Lê Quang Hòa, người đã gác lại rất nhiều bận rộn để dành thời gian đọc và đưa ra những góp ý sâu sắc cho các nghiên cứu trong Luận án. Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Hội đồng cấp Bộ môn và Hội đồng cấp Cơ sở đã cho tôi những góp ý vô cùng quý báu để hoàn thiện bản luận án này. Để hoàn thiện Luận án này tôi không thể không nói lời cảm ơn chân thành nhất đến bạn bè tôi, những người đã luôn động viên, chia sẻ và khích lệ tôi. Xin dành lời cám ơn đặc biệt cho người bạn thân tôi, TS. Trần Ngọc Hân, người không chỉ là bạn, là đồng nghiệp mà còn là người dẫn dắt khoa học của tôi. Trong sâu thẳm trái tim, tôi xin dành tất cả lòng biết ơn và tình yêu đến gia đình tôi, là chỗ dựa và niềm tin vững chắc để tôi có thể kiên trì theo đuổi những ước mơ của mình, là nơi sẻ chia mọi niềm vui và nỗi buồn, lo lắng và trăn trở, thất bại cũng như 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 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA THAN BẰNG VI SINH VẬT 5 1.1 Hiện trạng khai thác, sử dụng than truyền thống và các giải pháp thay thế trong tình hình mới 5 1.2 Tình hình nghiên cứu và triển khai ứng dụng giải pháp khí hóa than ngầm bằng vi sinh vật trên thế giới 8 1.2.1 Lịch sử ra đời 8 1.2.2 Tình hình nghiên cứu và triển khai giải pháp khí hóa than ngầm bằng vi sinh vật trên thế giới 9 1.2.2.1 Tăng cường sinh học quá trình chuyển hóa sinh học than thành khí methane 10 1.2.2.2 Kích thích sinh học quá 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 bằng vi sinh vật trên thế giới – các ví dụ tiêu biểu 12 1.2.3.1 Triển khai ứng dụng tại công ty Luca Technologies, Inc. 12 1.2.3.2 Triển khai ứng dụng tại công ty Next Fuel, Inc. 13 1.2.3.3 Triển khai ứng dụng tại công ty Ciris Energy, Inc. 13 1.2.3.4 Triển khai ứng dụng tại công ty Artech 14 1.3 Quá trình hình thành khí than trong tự nhiên 14 1.3.1 Quá trình hình thành và bản chất sinh học than 14 1.3.1.1 Quá trình hình thành than 14 1.3.1.2 Bản chất sinh học và các dạng vật chất hữu cơ trong than 18 1.3.2 Sự thay đổi về các điều kiện môi trường trong quá trình hình thành than 22 1.3.3 Quá trình hình thành khí methane trong bể than 24 1.3.3.1 Cơ chế hình thành và tích tụ khí trong quá trình bùn hóa 24 1.3.3.2 Cơ chế hình thành và tích tụ khí trong quá trình than hóa 26 1.3.4 Hệ vi sinh vật và con đường chuyển hóa than thành khí 27 1.3.4.1 Đa dạng sinh học và metagenomics 27 1.3.4.2 Hệ vi sinh vật và con đường chuyển hóa than thành khí 28 1.3.4.1 Mối quan hệ hợp dưỡng trong 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 tại một số bể than lớn trên thế giới 33 1.4 Bể than Sông Hồng và vùng nghiên cứu 35 Chương 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 40 2.1 Đối tượng nghiên cứu 40 2.2 Hóa chất và thiết bị sử dụng 40 2.2.1 Hóa chất 40 2.2.2 Thiết bị sử dụng 42 2.3 Thiết kế thí nghiệm và phương pháp nghiên cứu 42 2.3.1 Phương pháp lấy mẫu và chuẩn bị mẫu than và nước 42 2.3.1.1 Lấy mẫu và chuẩn bị mẫu nước ngầm để phân tích vi sinh và phân tích hóa lý 42 2.3.1.2 Lấy mẫu và chuẩn bị mẫu than để phân tích vi sinh 43 2.3.2 Phương pháp xác định đặc tính hóa lý than và nước 43 2.3.3 Phương pháp phân tích cấu trúc than 43 2.3.4 Phương pháp phân tích hình ảnh 46 iii
2.3.5 Phương pháp tách chiết và khuếch đại DNA 46 2.3.5.1 Phương pháp tách chiết DNA mẫu than và nước nguyên trạng 46 2.3.5.2 Phương pháp tách chiết DNA mẫu than và nước sau quá trình nuôi cấy 46 2.3.5.3 Phương pháp khuếch đại DNA 47 2.3.6 Phương pháp phân tích trình tự gen và phát sinh loài 47 2.3.7 Phương pháp phân tích đa dạng sinh học alpha 47 2.3.8 Phương pháp nuôi cấy và đánh giá hiệu suất sinh khí của quần xã vi sinh vật kị khí 49 2.3.9 Phương pháp sắc kí khí 51 2.3.10 Phương pháp phân tích thống kê 52 2.4 Sơ đồ triển khai nghiên cứu khí hóa sinh học than ngầm quy mô phòng thí nghiệm 55 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 56 3.1 Nghiên cứu tính khả dụng sinh học của nguồn cơ 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 và hình dạng lỗ rỗng hấp phụ 63 3.1.3.2 Đặc điểm phân bố kích thước và 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 năng chuyển hóa than thành khí của quần xã vi sinh vật bản địa theo chiều sâu bể than 71 3.3 Nghiên cứu cấu trúc quần xã vi sinh vật bản địa 77 3.3.1 Tính đa dạng alpha của quần xã vi sinh vật bản địa 77 3.3.1.1 Tính đa dạng alpha trong mẫu nước nguyên trạng 77 3.3.1.2 Tính đa dạng alpha trong các mẫu than nguyên trạng 77 3.3.2 Cấu trúc quần xã vi sinh vật bản địa trong nước nguyên trạng 79 3.3.2.1 Sự đa dạng các nhóm vi sinh vật trong mẫu nước (FW) được phân chia theo ngành và lớp 79 3.3.2.2 Sự đa dạng các nhóm vi sinh vật trong mẫu nước (FW) được phân chia theo chi 81 3.3.3 Cấu trúc quần xã vi sinh vật bản địa trong than nguyên trạng 87 3.3.3.1 Sự đa dạng các nhóm vi sinh vật trong các mẫu than được phân chia theo ngành và lớp 87 3.3.3.2 Sự đa dạng các nhóm vi sinh vật trong các mẫu than được phân chia theo chi 88 3.3.4 Sự khác biệt giữa quần xã vi sinh vật bản địa tồn tại trong mẫu nước và mẫu than nguyên trạng 90 3.4 Nghiên cứu đánh giá sự đáp ứng và thay đổi của quần xã vi sinh vật bản địa trong quá trình sinh khí 93 3.4.1 Tính đa dạng alpha của quần xã vi sinh vật đáp ứng 94 3.4.1.1 Tính đa dạng alpha trong pha rắn CR 94 3.4.1.2 Tính đa dạng alpha trong pha lỏng AS 95 3.4.2 Cấu trúc quần xã vi sinh vật đáp ứng trong pha rắn 95 3.4.2.1 Phân ngành và phân lớp vi sinh vật đáp ứng trong pha rắn CR 95 3.4.2.2 Phân chi vi sinh vật đáp ứng trong pha rắn CR 97 3.4.3 Cấu trúc quần xã vi sinh vật đáp ứng trong pha lỏng 98 3.4.3.1 Phân ngành và phân lớp vi sinh vật đáp ứng trong pha rắn AS 98 3.4.3.2 Phân chi vi sinh vật đáp ứng trong pha lỏng AS 99 3.4.4 Sự thay đổi và đáp ứng của quần xã vi sinh vật bản địa đối với quá trình bổ sung dinh dưỡng theo chiều sâu tập vỉa than 101 3.4.5 Phân tích tương quan về đáp ứng của quần xã vi sinh vật bản địa theo chiều sâu vỉa than 107 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 113 Kết luận 113 Kiến nghị 114 iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Adapted Consortium AS Pha lỏng sau bổ sung dinh dưỡng American Society for Testing and Materials ASTM Hiệp hội Thí nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ Base pair bp Cặp bazơ BET Brunauer-Emmett-Teller BJH Barret-Joyner-Halenda BTEX Benzene, Toluene, Ethylbenzene và Xylene Coal C Mẫu than Coal Bed Methane CBM Khí methane than Canonical Correspondence analysis CCA Phương pháp phân tích tương quan Coal Residual CR Pha rắn sau bổ sung dinh dưỡng Coal Seam CS Vỉa than Deoxyribonucleic Acid DNA Axit deoxyribonucleic Flame Ionizing Detector FID Đầu dò ion hóa ngọn lửa Formation water FW Mẫu nước liên kết bể than Gas Chromatography GC Sắc kí khí Gas Chromatography Mass Spectrometry GCMS Sắc kí khối phổ Gross Domestic Product GDP Tổng sản phẩm quốc nội International Energy Agency IEA Cơ quan năng lượng quốc tế International Organization for Standardization ISO Tổ chức quốc tế về tiêu chuẩn hóa International Union of Pure and Applied Chemistry IUPAC Liên minh Quốc tế về Hóa học cơ bản và Hóa học ứng dụng v
Low Temperature Nitrogen Adsorption LTNA Hấp phụ Nitơ tại nhiệt độ thấp Microbial Enhanced Coalbed Methane MECoM Tăng cường chuyển hóa sinh học than thành khí methane Mercury Intrusion Porosimetry MIP Bơm ép thủy ngân Non-metric Multidimensional Scaling Analysis NMDS Phân tích tiêu độ đa chiều phi biến Organization for Economic Co-operation and Development OECD Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế Operational Taxonomic Unit OTU Đơn vị phân loại Polycyclic Aromatic Hydrocarbon PAH Hydrocacbon thơm đa vòng Polymerase Chain Reaction PCR Phản ứng tổng hợp chuỗi ADN Pore Diameter PD Đường kính lỗ rỗng Pore Volume PV Thể tích lỗ rỗng Vitrinite reflectance R0 Hệ số phản xạ vitrinite Ribonucleic Acid RNA Axit ribonucleic Ribosomal RNA rRNA RNA riboxom Scanning Electron Microscopy SEM Kính hiển vi điện tử quét TCVN Tiêu Chuẩn Việt Nam Total Organic Carbon TOC Tổng hàm lượng cacbon hữu cơ Total Petroleum Hydrocarbon TPH Tổng hydrocacbon dầu mỏ TV 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 của một số nhãn than [45] .................................................................................. 16 Hình 1.3 Cấu trúc phần kerogen với các vị trí tấn công và phân cắt tiềm năng .............................. 19 Hình 1.4 Thành phần các nhóm hữu cơ trong phần bitumen [59] ................................................... 19 Hình 1.5 Mô hình cấu trúc than- hệ thống hai cấu tử [4].................................................................. 22 Hình 1.6 Các giai đoạn của quá trình than hóa cùng với sự hình thành khí than (Tham khảo và điều chình theo [46,89]) ........................................................................................................................... 23 Hình 1.7 Quá trình hình thành và tích tụ khí trong giai đoạn bùn hóa [10] ......................................... 25 Hình 1.8 Mô hình quá trình hình thành khí sinh học thứ cấp tại bể than San Juan [11].................. 27 Hình 1.9 Giản đồ quá trình chuyển hóa sinh học than thành khí methane ...................................... 30 Hình 1.10 Cây phân loại cổ khuẩn methanogen dựa trên trình tự gen 16S rRNA và các con đường chuyển hóa dựa trên các nguồn cơ chất khác nhau [46,53] ............................................................ 31 Hình 1.11 Thành phần vi khuẩn (A) và cổ khuẩn (B) tại một số bể than lớn trên thế giới. Biểu diễn ở mức ngành đối với vi khuẩn trừ ngành Proteobacteria biểu diễn đến mức lớp và biểu diễn đến mức bộ đối với cổ khuẩn [27-29,33,35,36,39,49,114] .............................................................................. 34 Hình 1.12 Vị trí bể than Sông Hồng và khu vực nghiên cứu ............................................................ 36 Hình 1.13 Cột địa tầng tại khu vực nghiên cứu [121,122] ................................................................ 37 Hình 1.14 Mặt cắt địa chất và bình đồ khu vực nghiên cứu ............................................................. 39 Hình 2.1 Các dạng lỗ rỗng trong than .............................................................................................. 45 Hình 2.2 Sơ đồ thí nghiệm nuôi cấy vi sinh vật kị khí (dung dịch vitamin trong môi trường Tanner chỉ được bổ sung sau giai đoạn thanh trùng tại 121 °C /15 phút) .................................................... 50 Hình 2.3 Mô hình phương pháp đo lượng khí methane sinh ra trong quá trình nuôi cấy ................ 51 Hình 2.4 Sơ đồ triển khai nghiên cứu khí hóa sinh học than ngầm quy mô phòng thí nghiệm ....... 55 Hình 3.1 Phân bố thành phần hữu cơ (maceral) của các mẫu than ................................................ 58 Hình 3.2 Đặc tính thạch học của các chất hữu cơ phân tán trong các mẫu than Sông Hồng qua kính hiển vi quang học ..................................................................................................................... 59 Hình 3.3 Biểu đồ so sánh về đặc tính cấu trúc giữa các mẫu than ................................................. 63 Hình 3.4 Kết quả hấp phụ/nhả hấp phụ N2 tại nhiệt độ thấp (77 K) của các mẫu than. .................. 65 Hình 3.5 Kết quả phân tích MIP của các mẫu than.......................................................................... 68 Hình 3.6 Hình ảnh chụp SEM hình dạng lỗ rỗng trên các mẫu than Sông Hồng ............................ 70 Hình 3.7 Hiệu suất sinh khí methane trên các nhóm thí nghiệm sau 21 ngày nuôi cấy .................. 72 Hình 3.8 Sự thay đổi về hiệu suất sinh khí methane tích lũy theo thời gian nuôi cấy trên các mẫu than Sông Hồng................................................................................................................................ 74 Hình 3.9 Đường cong rarefaction của các mẫu than (C) và nước nguyên trạng (FW) .................... 78 Hình 3.10 Đa dạng 16S rRNA mức ngành của mẫu nước FW ........................................................ 79 Hình 3.11 Đa dạng 16S rRNA mức lớp của mẫu nước FW ............................................................. 80 Hình 3.12 Hình ảnh chụp SEM và phân tích EDS trên bề mặt than Sông Hồng ............................. 82 Hình 3.13 (A). Đa dạng 16S rRNA mức ngành, từ trong ra ngoài: C1-C5; (B) Đa dạng 16S rRNA mức lớp, từ trong ra ngoài: C1 ̶ C5 của các mẫu than nguyên trạng ............................................... 88 Hình 3.14 So sánh sự tương đồng giữa môt số chi vi khuẩn và cổ khuẩn phổ biến trong mẫu nước FW tại bể than Sông Hồng và một số bể than khác trên thế giới tại Mỹ [261], Trung Quốc [36,37], Nhật Bản [27], Úc [28,98] ................................................................................................................. 91 Hình 3.15 Hình ảnh chụp SEM sự bám dính của vi sinh vật lên bề mặt than tại các độ phóng đại khác nhau x5000; x9000; x10000 và x50000 lần ............................................................................. 92 Hình 3.16 Đường cong rarefaction của pha rắn sau bổ sung dinh dưỡng CR1 đến CR5 ............... 94 Hình 3.17 Đường cong rarefaction của pha rắn sau bổ sung dinh dưỡng AS1 đến AS5 ................ 95 Hình 3.18 Đa dạng 16S rRNA mức ngành của các mẫu pha rắn sau làm giàu CR ........................ 96 Hình 3.19 Đa dạng 16S rRNA mức ngành của các mẫu pha lỏng AS ............................................ 99 Hình 3.20 Sơ đồ giả định quá trình chuyển hóa các vật chất hữu cơ phức tạp trong than thành khí methane tại bể than Sông Hồng. Màu cam chỉ các chi vi sinh vật phát triển trong quá trình bổ sung dinh dưỡng. .................................................................................................................................... 101 Hình 3.21 Phân tích NMDS chỉ ra sự khác nhau trong cấu trúc quần xã VSV giữa mẫu nguyên trạng (C và FW) và đáp ứng (pha rắn CR và pha lỏng AS). Giá trị nhiễu = 0,039. ....................... 102 Hình 3.22 Đa dạng 16S rRNA mức ngành trong mẫu nguyên trạng than/nước và trong mẫu đáp ứng sau quá trình bổ sung dinh dưỡng tại pha rắn CR/pha lỏng AS. ............................................ 103 Hình 3.23 Phân tích cây phả hệ và hiển thị bản đồ nhiệt mối quan hệ và phân bố theo ngành vi sinh vật/ 16 mẫu phân tích ............................................................................................................. 105 vii
Hình 3.24 Phân tích cây phả hệ và hiển thị bản đồ nhiệt mối quan hệ và 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 giữa các đặc tính than và hiệu suất sinh khí methane. * tương ứng với p
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thành phần quần xã VSV sinh khí ưu thế tại một số bể than trên thế giới ...................... 11 Bảng 1.2 So sánh cấu trúc trên các nhãn than khác nhau [60] ...................................................... 16 Bảng 1.3 Hệ thống phân loại than ASTM [61]................................................................................. 17 Bảng 1.4 Nồng độ một số hợp chất hữu cơ trong phần bitumen trong than và trong nước ngầm liên kết bể than tại một số bể than trên thế giới ..................................................................................... 20 Bảng 1.5 Các trạng thái hình thành khí nguồn gốc nhiệt học và sinh học trong bể than [11]............ 21 Bảng 2.1 Tổng hợp thông tin và đặc tính mẫu nghiên cứu .............................................................. 40 Bảng 3.1 Đặc tính hóa lý, thành phần và phân loại các mẫu than................................................... 56 Bảng 3.2 Đặc tính lý hóa của mẫu nước liên kết bể than Sông Hồng FW ...................................... 61 Bảng 3.3 Đặc tính cấu trúc của các mẫu than nguyên trạng phân tích dựa trên phương pháp MIP .......................................................................................................................................................... 66 Bảng 3.4 So sánh hiệu suất chuyển hóa than thành khí giữa bể than sồng Hồng và một số bể than trên thế giới....................................................................................................................................... 76 Bảng 3.5 Đa dạng alpha của mẫu nước FW và các mẫu than nguyên trạng .................................. 77 Bảng 3.6 Các chi vi khuẩn và cổ khuẩn trong mẫu nước FW .......................................................... 81 Bảng 3.7 Tóm tắt một số đặc tình quần xã vi sinh vật bản địa phổ biến trong mẫu nước nguyên trạng FW (xét đến %OTUs>1%) ...................................................................................................... 85 Bảng 3.8 Đặc tình quần xã vi sinh vật bản địa trong các mẫu than nguyên trạng........................... 89 Bảng 3.9 Đa dạng alpha của pha rắn các mẫu than sau bổ sung dinh dưỡng................................ 94 Bảng 3.10 Đa dạng alpha của pha lỏng các mẫu than sau bổ sung dinh dưỡng ............................ 95 Bảng 3.11 Phân bố các chi vi sinh vật phổ biến trong pha rắn sau bổ sung dinh dưỡng CR ......... 97 Bảng 3.12 Phân bố các chi vi sinh vật phổ biến trong pha lỏng sau bổ sung dinh dưỡng AS ...... 100 ix
MỞ ĐẦU Sự gia tăng dân số cùng với việc phát triển không ngừng của các ngành công nghiệp, phương tiện giao thông cũng như tiêu chuẩn sống đã làm gia tăng nhu cầu năng lượng toàn cầu. Theo đánh giá của IEA, Việt Nam hiện đang nằm trong 10 nước đứng đầu về tổng số các nhà máy điện than với mức phát thải khí nhà kính rất lớn. Trong vòng hai thập kỷ gần đây, Việt Nam đã nhanh chóng chuyển từ nước xuất khẩu sang nước nhập khẩu than với trữ lượng dự kiến là ~50% vào năm 2025. Thực trạng này đưa Việt Nam đối mặt với nhiều thách thức về an ninh năng lượng cũng như ô nhiễm môi trường trong tương lai nếu không có một cách tiếp cận mới phù hợp với tài nguyên than sẵn có. Bể than Sông Hồng, nằm ở phía Đông Bắc Việt Nam, là bể than lớn nhất nước ta với trữ lượng ước tính lên tới hàng trăm tỷ tấn. Mới đây nhất đề án: “Điều tra, đánh giá tổng thể tài nguyên than phần đất liền bể Sông Hồng”, do Tổng cục Địa chất và Khoáng sản Việt Nam thực hiện từ năm 2012 – 2020, đã tiến hành điều tra, đánh giá tổng thể tài nguyên than phần đất liền bể Sông Hồng trên diện tích 2.765 km2, trong đó đánh giá tài nguyên than cấp 333 trên diện tích 265 km2 ở Đông Hưng - Kiến Xương - Tiền Hải, tỉnh Thái Bình và Giao Thủy, tỉnh Nam Định. Kết quả tính được tổng tài nguyên than phần đất liền bể Sông Hồng là 212.676.990 ngàn tấn. Trong đó, khu Bình Minh - Khoái Châu với diện tích đánh giá 265 km2 (khu vực Đông Hưng - Tiền Hải tỉnh Thái Bình và Giao Thủy tỉnh Nam Định) là 5.649.218 ngàn tấn, dải nâng Khoái Châu - Tiền Hải là 24.396.726 ngàn tấn. Đây là nguồn tài nguyên khổng lồ, nếu được quản lý và khai thác hiệu quả sẽ góp phần đảm bảo an ninh năng lượng phục vụ kinh tế xã hội của Việt Nam. Tuy nhiên, với điều kiện địa chất phức tạp, các vỉa than sâu cũng như nằm dưới khu vực đông dân cư và khu vực canh tác nông nghiệp. Do vậy, việc khai thác than hiệu quả, an toàn và hài hòa với môi trường sinh thái đang là bài toán khó đặt ra đối với các nhà khoa học và các nhà quản lý khi các phương thức khai thác truyền thống (khai thác lộ thiên và khai thác hầm lò) không khả thi trên các khía cạnh này. Để giải quyết bài toán trên, một giải pháp thay thế dựa trên việc khí hóa than ngầm nhờ sự chuyển hóa của vi sinh vật đã và đang được quan tâm nghiên cứu và triển khai rộng rãi tại nhiều bể than trên thế giới. Đây là cách tiếp cận khai thác nguồn năng lượng ngay tại nơi có các vỉa than tồn tại. Thông qua quá trình khí hóa, than được chuyển hóa ngay tại chỗ trong các vỉa nguyên trạng một cách hiệu quả thành hỗn hợp khí với thành phần chủ yếu là khí methane. So với than, khí methane nhận được nhiều sự quan tâm cả dưới góc độ phát triển năng lượng bền vững và bảo vệ môi trường. Về phương diện phát triển năng lượng bền vững, việc khai thác và sử dụng khí methane có nguồn gốc sinh học cho phép (1) tiếp tục duy trì khả năng khai thác khí than (coalbed methane – CBM) vốn được xem là có thời gian thu hồi ngắn, (2) tận thu nguồn năng lượng từ phế thải than và phần than còn lại tại các mỏ than đã qua khai thác, vốn chiếm tỷ lệ khá cao trong các phương pháp khai thác truyền thống (trung bình khoảng 30%) và (3) quan trọng nhất là cho phép tiếp cận nguồn năng lượng than phong phú chưa thể khai thác, chiếm 90,7 % tổng sản lượng than. Phần lớn là do các mỏ than nằm than nằm quá sâu (> 500 m) thường khó hoặc hầu như không có khả năng tiếp cận một cách an toàn bằng các 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 năng lượng từ than sang khí cũng đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu hiệu ứng khí nhà kính. Hiệu quả của quá trình khí hóa các bể than ngầm phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố thủy-địa-hóa-sinh, trong đó đặc tính của than và quần thể vi sinh vật bản địa tại bể than đóng vai trò then chốt đến hiệu suất khí hóa. Do vậy việc khảo sát sự có mặt của quần xã vi sinh vật bản địa tại bể than Sông Hồng cũng như đánh giá được khả năng chuyển hóa than thành khí và các điều kiện địa sinh học phù hợp để áp dụng/xây dựng quy trình công nghệ khí hóa sinh học than ngầm (MECoM – Microbial enhanced coal bed methane) là vô cùng cấp thiết. Đề tài nghiên cứu sinh “Nghiên cứu khả năng khí hóa than của hệ vi sinh vật từ bể than Sông Hồng” được thực hiện trong khuôn khổ đề án “Điều tra, đánh giá tổng thể tài nguyên than phần đất liền bể Sông Hồng” góp phần quan trọng trong việc khởi đầu công nghệ khai thác than ngầm tại chỗ đáp ứng yêu cầu cấp thiết từ thực tế than Việt Nam trong chiến lược an ninh năng lượng Quốc gia. Luận án này tập trung vào các mục tiêu nghiên cứu chính dưới đây: 1. Nghiên cứu và đánh giá được các đặc tính địa sinh học của bể than Sông Hồng, nhằm kiểm tra tính khả dụng sinh học phục vụ triển khai công nghệ khí hóa than ngầm bằng vi sinh vật. 2. Nghiên cứu, xác nhận được sự tồn tại của hệ vi sinh vật bản địa trong bể than Sông Hồng cùng khả năng chuyển hóa than thành khí của hệ thống này theo chiều sâu của các vỉa than. Đối tượng được xác định để nghiên cứu trong Luận án: (1) hệ vi sinh vật bản địa trong bể than Sông Hồng; (2) nguồn cơ chất than tại các vỉa than theo chiều sâu tồn tại cũng như nước ngầm liên kết bể than. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại khu vực thử nghiệm huyện Giao Thủy, Nam Định và huyện Tiền Hải, Thái Bình. Than được lấy liên tục theo chiều sâu vỉa từ 300 m đến 1000 m. Nước ngầm liên kết bể than được lấy với quy trình bảo quản đặc biệt tại các tầng chứa nước. Những mẫu than và nước ngầm này sẽ được phân tích về thành phần hóa học, thành phần thạch học và cấu trúc than nhằm xác định các thông số phù hợp cho sự xâm nhập và phát triển của vi sinh vật. Sự tồn tại của quần xã vi sinh vật bản địa được xác định trên cả mẫu than và nước nguyên trạng cũng như sau quá trình nuôi cấy bổ sung dinh dưỡng trong quy mô phòng thí nghiệm. Đây là nghiên cứu đầu tiên đánh giá sự tồn tại cũng như khả năng chuyển hóa than thành khí của quần xã vi sinh vật bản địa tại bể than Sông Hồng. Bên cạnh đó Luận án đã đánh giá được mối liên quan giữa các đặc tính địa sinh học để phân tích tính khả dụng sinh học phục vụ triển khai công nghệ khí hóa than bằng vi sinh vật tại bể than Sông Hồng. Đây cũng là lần đầu tiên xác định được giới hạn hiệu quả theo chiều sâu ứng dụng công nghệ khí hóa than bằng vi sinh vật tại bể than Sông Hồng. Giải pháp khí hóa sinh học than ngầm đối với bể than Sông Hồng không chỉ là một giải pháp khai thác than an toàn, hiệu quả mà còn là giải pháp khai thác bền vững nguồn tài nguyên không tái tạo, giảm thiểu tác động môi trường và góp phần đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia lâu dài. 2
Các kết quả mới của Luận án đã đạt được: 1. Lần đầu tiên phát hiện quần xã vi sinh vật bản địa chuyển hóa than thành khí tại bể than Sông Hồng. 2. Lần đầu tiên xác định được các điều kiện địa sinh học thuận lợi cho sự xâm nhập và phát triển của vi sinh vật trên nguồn cơ chất than Sông Hồng theo chiều sâu tồn tại. Luận án được chia làm ba chương. Trong đó, hai chương đầu cung cấp thông tin và nền tảng để tiến hành triển khai nghiên cứu và tổng quan tài liệu. Chương 3 là các nghiên cứu độc lập, luận giải các kết quả để hướng đến giải quyết các mục tiêu của Luận án đề ra. Chương 1 Tổng quan về quá trình khí hóa than bằng vi sinh vật. Chương này tập trung đánh giá tổng quan các thông tin về hiện trạng khai thác và sử dụng than trong mối quan tâm đến tác động môi trường và hướng đến tìm kiếm một giải pháp công nghệ khai thác mới phù hợp với bể than Sông Hồng. Thu thập và đánh giá các thông tin liên quan đến lịch sử hình thành và tình hình nghiên cứu phát triển công nghệ khí hóa than ngầm bằng vi sinh vật trong nước và trên thế giới. Phân tích chi tiết quá trình hình thành khí trong tự nhiên và vai trò tham gia vào quá trình chuyển hóa của vi sinh vật cũng như đặc điểm của nguồn cơ chất than nhằm xác lập các kiến thức và thông tin cần thiết cho quá trình xây dựng mô hình mô phỏng nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Cung cấp các thông tin liên quan đến bể than Sông Hồng nói chung và xác định vị trí vùng nghiên cứu nói riêng. Chương 2 Nguyên vật liệu và phương pháp Các phương pháp và nguyên vật liệu được sử dụng trong Luận án được mô tả chi tiết để thực hiện các thí nghiệm nhằm đạt được các mục tiêu nghiên cứu đã đề ra. Các phương pháp nghiên cứu này được lựa chọn phù hợp thông qua việc đánh giá tổng quan các phương pháp đang được thực hiện trên thế giới và khả thi ở Việt Nam. Chương 3 Kết quả và thảo luận Toàn bộ quá trình thực hiện các nghiên cứu cũng như việc luận giải các kết quả thí nghiệm được trình bày chi tiết theo các nội dung sau: 3
Bằng việc xây dựng và thực hiện quy trình khoa học đã xây dựng, Luận án đã giải quyết được toàn bộ mục tiêu nghiên cứu, xác định được nhiều điểm mới và hướng nghiên cứu tiếp theo. Thông qua Luận án này, một số nội dung được đề xuất cần tiếp tục nghiên cứu để công nghệ khí hóa than ngầm bằng vi sinh vật được triển khai tại bể than Sông Hồng. 4
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA THAN BẰNG VI SINH VẬT 1.1 Hiện trạng khai thác, sử dụng than truyền thống và các giải pháp thay thế trong tình hình mới Năng lượng cần thiết cho sự phát triển kinh tế - xã hội cũng như cải thiện chất lượng cuộc sống của con người. Theo số liệu phân tích cho thấy nhu cầu năng lượng toàn cầu dự kiến tăng khoảng 25% trong giai đoạn từ năm 2018 đến năm 2040. Sự gia tăng này phản ánh tốc độ gia tăng dân số, phát triển kinh tế và công nghiệp. Tính từ thời kỳ đầu của cách mạng công nghiệp cho đến năm 2018, dân số thế giới đã tăng từ 700 triệu lên 7,6 tỷ người và dự đoán sẽ tiếp tục tăng đến 9,2 tỷ vào năm 2040 hay nói một cách khác trong khoảng thời gian này sẽ có thêm khoảng 1,6 tỷ đối tượng tiêu thụ năng lượng mới [1]. Quá trình gia tăng dân số đi kèm với với việc phát triển không ngừng của công nghệ, phương tiện giao thông, tiêu chuẩn sống, công nghiệp hóa... sẽ dẫn đến gia tăng việc sử dụng năng lượng. Tổng sản phẩm quốc nội (GDP) toàn cầu trong giai đoạn 2018-2040 tăng trung bình 3,4 %/ năm. Trong đó, GDP tại các nước phát triển thuộc Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế - OECD (Organization for Economic Co-operation and Development) tăng trung bình 1,4 %/năm. Các nước đang phát triển ngoài khối OECD tăng GDP một cách nhanh chóng với tốc độ trung bình 3,5 %/năm. Các nước hiện đang có GDP tăng mạnh nhất trong khối này là các nước thuộc châu Á (4,4 %/năm) như Trung Quốc (4,3 %/năm) và Ấn Độ (6,4 %/năm). Nhu cầu năng lượng từ các nước ngoài OECD chiếm đến 56% [1]. Cùng với nền kinh tế đang được phát triển một cách nhanh chóng, phần lớn sự gia tăng dân số cũng sẽ tập trung tại các nước thuộc khu vực châu Á và châu Phi. Theo số liệu của Cơ quan năng lượng quốc tế (IEA – International Energy Agency), cho đến năm 2018 vẫn còn khoảng 860 triệu người trên thế giới (chiếm 11% dân số thế giới) chưa có điện để sử dụng. Phần lớn trong số này thuộc khu vực ngoại ô của các nước lân cận sa mạc Sahara, châu Phi và các nước đang phát triển ở Châu Á. Cũng theo thống kê vào năm 2018 của IEA, khoảng 2,5 tỷ người (chiếm 33% dân số thế giới) vẫn dựa vào việc sử dụng nguồn sinh khối rắn truyền thống để phục vụ sinh hoạt. Các nước châu Á đang phát triển và lân cận sa mạc Sahara, châu Phi tiếp tục chiếm tỷ lệ lớn trong số này. Theo IEA dự báo đến năm 2050 thì vẫn còn 726 triệu người thiếu điện và 1,5 tỷ người vẫn dựa trên các nguồn sinh khối truyền thống để sinh sống [1]. Các con số cụ thể này cho thấy nhu cầu về sử dụng năng lượng dự báo sẽ tiếp tục còn tăng trong tương lai gần. Để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, năng lượng thu nhận từ nhiên liệu hóa thạch hiện vẫn đang chiếm vai trò chủ đạo (81% vào năm 2018). Theo dự báo đến năm 2030 của IEA, nguồn nhiên liệu này sẽ vẫn tiếp tục giữ vững vai trò của mình trong việc cung cấp năng lượng cho toàn cầu (79%) [1]. Trong các nguồn năng lượng hóa thạch, than được xem là nguồn nhiên liệu phong phú và được phân bố rộng rãi tại nhiều quốc gia hơn hẳn so với dầu và khí tự nhiên (hơn 75 quốc gia trên thế giới). Với tốc độ tiêu thụ như hiện nay, IEA dự báo nguồn năng lượng từ than có thể kéo dài trong 142 năm, so với 61 năm của khí tự nhiên và chỉ 54 năm 5
của dầu. Nhu cầu than dự báo tăng khoảng 14,7% trong giai đoạn từ 2018 đến 2040 với các chính sách năng lượng như hiện nay. Hiện nay, than được sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực sản xuất điện năng (65%), nguồn vật liệu thô cho quá trình sản xuất thép (74%), xi măng (61%) và hóa chất (13%) [1]. Qua các số liệu cho thấy, không chỉ tiếp tục duy trì vai trò trụ cột trong công nghiệp sản xuất điện năng, than còn là nhiên liệu củng cố cho sự phát triển nhanh chóng của quá trình công nghiệp hóa tại các thị trường mới trỗi dậy, giúp nâng cao mức sống và đưa hàng trăm triệu người thoát khỏi tình trạng thiếu thốn năng lượng. Xu hướng về nhu cầu than toàn cầu hiện được phân thành hai khuynh hướng chính theo nhóm quốc gia. Đối với các nước thuộc OECD, thậm chí ngay cả khi nhu cầu về điện năng gia tăng không ngừng trong một thập kỷ vừa qua thì lượng than được sử dụng cho lĩnh vực này vẫn giảm từ 42% xuống còn 39% trên tổng năng lượng sử dụng [1]. Trong khi đó, đối với các quốc gia không thuộc OECD, than vẫn tiếp tục đóng vai trò then chốt trong cả sản xuất điện năng và trong các ngành công nghiệp khác. Nhu cầu năng lượng trong lĩnh vực sản xuất điện mở rộng đến 75% vào cuối thập kỷ vừa qua cùng với việc gia tăng gấp đôi lượng than sử dụng [1]. Các quốc gia không thuộc OECD hiện đang chiếm đến 70% lượng than sử dụng trên toàn cầu [1]. Và trong tương lai xa để thúc đẩy quá trình phát triển kinh tế xã hội, nhu cầu năng lượng tại các quốc gia không thuộc OECD, yếu tố quyết định đến sự tăng trưởng về nhu cầu than, sẽ gia tăng không ngừng. Trên thế giới cũng như tại Việt Nam, việc khai thác than được tiến hành theo hai phương pháp là khai thác lộ thiên và khai thác hầm lò (gọi chung là phương pháp khai thác truyền thống). Trong đó, khai thác lộ thiên được áp dụng với các mỏ than có độ sâu nông, gần bề mặt trái đất. Thông thường, khả năng khai thác của phương pháp này không vượt quá độ sâu 100 m. Phương pháp khai thác hầm lò cho phép tiếp cận với các mỏ than sâu hơn khoảng 300 m so với bề mặt trái đất. Trong một số trường hợp đặc biệt, độ sâu này có thể lên đến 500 ̶ 600 m. Tuy nhiên, việc khai thác và sử dụng than truyền thống như một cách thức tất yếu để đáp ứng nhu cầu về năng lượng khi không đi kèm với quản lý môi trường và xử lý chất thải phù hợp đang đưa lại vô số các hệ lụy. (1) Ô nhiễm môi trường – Biến đổi khí hậu: Để tiếp cận khai thác các vỉa than sâu trong lòng đất, cả hai phương pháp khai thác lộ thiên và hầm lò đều phải thực hiện việc loại bỏ các lớp đất đá phía trên. Sụt lún được xem là một trong những tác động mạnh mẽ nhất của quá trình khai thác than lên địa hình bề mặt môi trường đất [2]. Quy mô và mức độ nguy hiểm của quá trình sụt lún phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố như độ dày của lớp đất và đá phủ cũng như quy mô và phương pháp khai thác. Quá trình sụt lún đất không chỉ làm giảm năng suất mùa màng mà còn gây ra những vấn đề về môi trường như tàn phá và hủy hoại hệ thực vật, làm biến đổi bề mặt và mất đất, phá hỏng hệ thống thoát nước, tàn phá các khu dân cư... Quá trình khai thác than truyền thống cũng gây ra những tác động đến môi trường nước, bao gồm cả nước mặt và nước ngầm. Việc loại bỏ lớp che phủ thực vật trong khai thác lộ thiên cũng như hầm lò làm lộ ra ngày càng nhiều các lớp đá địa tầng dẫn đến làm giảm tốc độ thấm và thay đổi hướng dòng chảy [2]. Tuy nhiên, những tác động đến môi trường khí được xem là những tác động nghiêm trọng và sâu sắc nhất khi những thay đổi này đang ảnh hưởng một cách đặc 6
biệt tiêu cực đến sức khỏe của con người. Ô nhiễm không khí từ việc khai thác than chủ yếu là do sự phát xạ không bền của các vật liệu dạng hạt siêu mịn và khí như methane, sulphua dioxide và các oxit của nitơ [2]. Đối với quá trình sử dụng, than chủ yếu được đốt để sản xuất nhiệt và điện. Lượng khí CO2 và các khí nhà kính khác giải phóng ra khí quyển trên một kilowatt-giờ điện tạo thành phụ thuộc vào hàm lượng cacbon có trong than, hiệu suất và cách thức vận hành của nhà máy điện. Trên thực tế, chỉ khoảng một phần ba lượng nhiệt sinh ra từ việc đốt than được chuyển hóa thành điện. Theo số liệu của IEA, năm 2018, lượng phát thải CO2 từ than trên toàn cầu là 14.664 Mt (chiếm khoảng 45% tổng phát thải CO2) [1]. Quá trình phát thải này là hệ quả của cả hai quá trình khai thác và sử dụng than. Mức gia tăng này sẽ thúc đẩy nhanh hiệu ứng khí nhà kính, làm nhiệt độ toàn cầu trung bình tăng 0,85 oC/năm. Con số này tưởng chừng không lớn nhưng trên thực tế lại có tác động mạnh mẽ đến môi trường gây ra nhiều hiện tượng thời tiết cực đoan như hạn hán và lũ lụt với cường độ xuất hiện mạnh và thường xuyên hơn. Những vấn đề nghiêm trọng liên quan đến ô nhiễm môi trường và tàn phá tự nhiên tất yếu sẽ dẫn đến những tác động tiêu cực đến sức khỏe của con người theo cách trực tiếp và gián tiếp. Theo Tổ chức y tế thế giới (WHO) đánh giá vào năm 2012, ước tính trên toàn thế giới có khoảng 3,7 triệu người đã chết vì các căn bệnh có liên quan đến ô nhiễm môi trường khí với 70% liên quan đến dạng các hạt siêu mịn [3]. Các hạt mịn khi hít vào sẽ thấm qua phổi và máu gây nên nhiều tác động có hại cho cơ thể như các bệnh nghiêm trọng liên quan đến hô hấp và tim mạch. (2) Cạn kiệt nguồn tài nguyên hóa thạch: Do là nguồn tài nguyên phong phú và phổ biến nhất trong các nguồn nhiên liệu hóa thạch, than được khai thác và sử dụng tại nhiều quốc gia trên thế giới. Hiện nguồn tài nguyên này được đánh giá là trong tình trạng cạn kiệt.Tình trạng này liên quan đến nhiều nguyên nhân, trong đó đặc biệt phải kể đến khả năng tiếp cận tầng sâu hoặc điều kiện địa chất phức tạp của các mỏ than. Trên thực tế, trữ lượng than hiện đang được khai thác và tiềm năng khai thác chỉ chiếm khoảng 10% trên tổng tài nguyên than toàn thế giới [4]. Do đó, khái niệm cạn kiệt ở đây được hiểu theo nghĩa nguồn dự trữ than có khả năng tiếp cận được bằng các phương pháp khai thác truyền thống đang dần cạn kiệt. Ngoài ra, hơn 50% tổng tài nguyên than thuộc dạng than có độ biến chất thấp (có nhiệt trị thấp) vốn không được xem là đối tượng ưu tiên để thu nhận năng lượng trong bối cảnh sử dụng than truyền thống như hiện nay (chủ yếu cung cấp năng lượng thông qua các nhà máy điện than). Tại Việt Nam, khai thác than chủ yếu theo phương pháp truyền thống và tập trung tại khu vực Quảng Ninh. Theo thống kê của Tập đoàn than khoáng sản Việt Nam, từ năm 2015 đến này, cả 3 vùng than Uông Bí, Hòn Gai, Cẩm Phả (Quảng Ninh) đã kết thúc khai thác và thực hiện đóng cửa 35/72 mỏ, chủ yếu liên quan đến độ sâu không thể tiếp cận hoặc tiếp cận một cách không hiệu quả của các vỉa than. Theo số liệu phân tích trong Quy hoạch phát triển ngành than Việt Nam đến năm 2020 xét triển vọng đến năm 2030 [5], nhu cầu than trong nước tăng mạnh cùng với việc xây dựng và đưa vào vận hành hàng loạt các nhà máy nhiệt điện than. Trong khi đó, hiệu suất khai thác than truyền thống thấp (40% cho phương pháp khai thác hầm lò), cùng với đó là hiệu suất chuyển hóa trong các nhà máy nhiệt điện than cũ cũng không vượt quá 40% [3]. Tình trạng này dẫn đến sản phẩm than thương mại 7
hiện có trở nên quá thấp so với nhu cầu than trong nước. Số liệu thống kê của IEA trong năm 2020, tổng sản lượng sản xuất than của Việt Nam đạt 48,6 triệu tấn, trong khi tổng sản lượng tiêu thụ than đạt 71,65 triệu tấn [6]. Như vậy, để bù đắp cho lượng than thiếu hụt, việc nhập khẩu than sẽ là nhu cầu tất yếu (tương đương 33% trong năm 2020), với trữ lượng nhập có xu hướng ngày càng gia tăng. Tuy nhiên việc nhập khẩu than hiện đang đối mặt với nhiều thách thức. Các nước có sản lượng than thương mại lớn có thể nhập khẩu như Úc có vị trí địa lý cách quá xa so với Việt Nam. Điều này đồng nghĩa với việc giá thành than sẽ bị tăng cao do chi phí vận chuyển lớn. Đối với các nước có thể nhập than trong khu vực như Indonesia, việc nhập khẩu than với trữ lượng lớn tăng dần trong thời gian dài không dễ dàng khi hầu hết các nước trong khu vực đều đang có nhu cầu nhập khẩu than từ nước này. Cách thức khai thác và sử dụng than như hiện nay tại Việt Nam đưa đến lượng CO2 phát thải từ nguồn nhiên liệu này được tổ chức Global Carbon Project thống kê năm 2020 là 126 Mt (chiếm 50% tổng phát thải CO2) và đưa Việt Nam đứng thứ 15 thế giới trong phát thải CO2 từ than [7]. Rõ ràng tình trạng nghiêm trọng liên quan đến an ninh năng lượng cũng như ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu đang đặt ra yêu cầu cấp thiết đối thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng trong việc tìm kiếm và phát triển các công nghệ khai thác và sử dụng than mới. Các công nghệ này nhằm hướng đến khai thác nguồn tài nguyên than còn rất lớn (hơn 90%) vốn trước nay chưa chạm tới được do độ sâu quá lớn cũng như có thể sử dụng các dạng than có độ biến chất thấp một cách hiệu quả, xanh và sạch hơn. Bằng cách chuyển đổi dạng thu nhận năng lượng từ than thành khí ngay tại nơi vỉa than tồn tại, giải pháp khí hóa than ngầm là một trong các giải pháp cho phép tiếp cận được với các vỉa than nằm rất sâu và hiệu quả ngay cả với dạng than có độ biến chất thấp. Than hoàn toàn không cần đưa lên mặt đất, chính vì vậy hoàn toàn không hình thành các mỏ than hoặc các thiết bị vận chuyển than. Cùng với đó, nguồn nhiên liệu đầu vào trong các nhà máy sản xuất điện để cung cấp năng lượng sẽ được thay thế bằng khí thay vì than. Thông thường, để tạo ra cùng một đơn vị điện năng, quá trình đốt cháy khí tự nhiên giảm 56% phát thải CO2 khi so sánh với quá trình đốt cháy than ở nhãn than trung bình [8]. Ngoài ra, việc đốt khí tự nhiên còn không gây phát thải thủy ngân (một trong các chất độc thần kinh tích lũy sinh học bền), oxit lưu huỳnh (SO2), oxit nitơ (NOx) và các hạt rắn. Cùng với việc giảm phát thải CO2, các nhà máy điện khí cũng cho hiệu quả nhiệt cao hơn các nhà máy điện than, với hiệu suất nhiệt đạt khoảng 60% [3]. Hiện có hai cách tiếp cận trong giải pháp khí hóa than ngầm là khí hóa than ngầm bằng nhiệt và khí hóa than ngầm bằng vi sinh vật. 1.2 Tình hình nghiên cứu và triển khai ứng dụng giải pháp khí hóa than ngầm bằng vi sinh vật trên thế giới 1.2.1 Lịch sử ra đời Than là dạng nhiên liệu có trữ lượng lớn nhất trong các dạng nhiên liệu hóa thạch (chiếm 71,4%), được phân bố phong phú thành nhiều tầng than có độ sâu khác nhau tại các bể than trên thế giới [9]. Tại độ sâu thích hợp, than có thể chứa một hàm 8
lượng đáng kể khí tự nhiên, có thể được sử dụng như một nguồn cung cấp năng lượng. Khí methane than (coalbed methane-CBM) chiếm thành phần chủ yếu là khí methane (90 ̶ 95% thể tích) với một lượng nhỏ thể tích các khí khác như CO2, ethane, propane và butane. Các khí này được hình thành và tích tụ trong quá trình than hóa tại các giai đoạn khác nhau với hàm lượng trung bình đạt 150 ̶ 200 cc/g than tùy thuộc vào thành phần vật chất hữu cơ và nhãn than [10]. Dựa vào nguồn gốc cấu thành than, khí methane sinh ra trong bể than được phân loại sơ cấp thành khí sinh ra có bản chất từ nhiệt và bản chất từ sinh học. Khí methane có bản chất từ nhiệt hình thành khi các vật liệu hữu cơ bị chôn lấp được chuyển hóa do nhiệt độ và áp suất tăng. Trong khi đó, khí methane có bản chất từ sinh học được hình thành do các hoạt động của vi sinh vật, chiếm khoảng 15 ̶ 30% tổng lượng khí trong các mỏ than [11]. So với các vật liệu hữu cơ thông thường, than không phải là nguồn cơ chất lý tưởng cho vi sinh vật do cấu trúc cũng như thành phần khó phân hủy và phức tạp. Tuy nhiên, ý tưởng chuyển hóa than nhờ vi sinh vật không phải là một ý tưởng mới. Ý tưởng này xuất hiện khá sớm từ đầu thế kỷ 20 [12]. Ngay từ đầu năm 1908, Potter đã báo cáo về việc vi khuẩn đóng vai trò như các tác nhân xúc tác sinh học trong quá trình oxi hóa than nâu vô định hình [12]. Hai năm sau đó, Galle lần đầu tiên phân lập vi khuẩn sinh trưởng trên các mẫu than nâu [13]. Tiếp nối các kết quả nghiên cứu này vào năm 1927, Fischer và Funchs đã công bố hai bài báo về sự sinh trưởng của nấm trên các loại than khác nhau [14,15]. Các quá trình điều tra chi tiết đầu tiên về vi sinh vật bản địa trong các mỏ than tự nhiên được Lieske và Hofmann tiến hành vào năm 1928 [16] và ghi nhận sự tồn tại đa dạng các vi sinh vật. Tác giả này cũng lần đầu tiên quan tâm đến ứng dụng sinh học của than và các vi sinh vật phát triển trên than như sử dụng than làm phân bón trong nông nghiệp [17,18]. Vào năm 1981, Rene Fakoussa chứng minh được rằng vi khuẩn có thể sử dụng các dạng chuyển hóa hữu cơ từ than cứng như nguồn cacbon duy nhất và hóa lỏng một phần than tự nhiên dẫn đến việc hình thành dung dịch có màu [19]. Tác giả này cũng nhận ra tiềm năng sinh học của các vi sinh vật chuyển hóa than và công bố mối quan tâm cụ thể về chủ đề này lần đầu tiên vào năm 1983 [20]. Cũng trong khoảng thời gian này, Cohen và Gabriel tại Mỹ đã tìm ra nấm đảm Basidiomycetes (nấm mục nâu và trắng) có khả năng phân hủy gỗ hình thành các giọt màu đen từ các hạt leonardite (một dạng oxi hóa đặc biệt của than nâu) [21]. Cả hai nghiên cứu này đã khởi đầu cho hàng loạt các nghiên cứu sâu hơn được tiến hành tại Mỹ, sau đó là tại Đức, Tây Ban Nha và Úc trong việc tìm ra các chủng vi sinh vật thích hợp để chuyển hóa than thành các sản phẩm hữu ích như các loại hóa chất và nhiên liệu. 1.2.2 Tình hình nghiên cứu và triển khai giải pháp khí hóa than ngầm bằng vi sinh vật trên thế giới Quá trình vi sinh vật chuyển hóa nguồn cơ chất than phức tạp thành khí có tốc độ chậm và được tích lũy trong hàng triệu năm. Tuy nhiên các điều kiện khai thác lại làm ảnh hưởng đến sự tồn tại và phát triển của hệ vi sinh vật bản địa. Do đó, quá trình hình thành khí thậm chí kết thúc ngay cả khi nguồn cơ chất than vẫn còn rất phong phú, dẫn đến thời gian tận thu khai thác khí methane than thường ngắn. Scott lần đầu tiên đề cập đến một cách tiếp cận hoàn toàn mới vào năm 1999, trong đó bể than được xem như một lò phản ứng sinh học [22]. Bản chất của hướng tiếp cận này 9