Toám tắt Luận án Nghiên cứu khả năng khí hóa than của hệ vi sinh vật từ bể than sông Hồng

Nội dung text: Toám tắt Luận án Nghiên cứu khả năng khí hóa than của hệ vi sinh vật từ bể than sông Hồng

1. MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Quá trình gia tăng dân số đi kèm với với việc phát triển không ngừng của các ngành công nghiệp, phương tiện giao thông cũng như tiêu chuẩn sống đã dẫn đến quá trình gia tăng nhu cầu năng lượng toàn cầu. Theo đánh giá của IEA, Việt Nam hiện đang nằm trong 10 nước đứng đầu vể tổng số các nhà máy sản xuất điện từ than với mức phát thải khí nhà kính rất lớn. Trong vòng hai thập kỷ vừa qua, Việt Nam đã nhanh chóng chuyển từ nước xuất khẩu than sang nước nhập khẩu than với trữ lượng dự kiến là ~50% vào năm 2025. Hiện trạng này sẽ đưa Việt Nam trong tương lai gặp nhiều vấn đề về an ninh năng lượng cũng như ô nhiễm môi trường nếu không có cách tiếp cận mới và phù hợp với nguồn than hiện có. Bể than Sông Hồng, nằm ở phía Đông Bắc Việt Nam, là bể than lớn nhất nước ta và có tài nguyên dự báo hàng trăm tỷ tấn. Mới đây nhất theo 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. Kết quả tính được tổng tài nguyên than phần đất liền bể Sông Hồng là 212.676.990 ngàn tấn. Đây là nguồn lực 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, việc khai thác than hiệu quả và an toàn đang là bài toán khó đặt ra đối với các nhà khoa học và các nhà quản lý khi phương pháp khai thác truyền thống là khai thác lộ thiên và khai thác hầm lò không có khả năng tiếp cận một cách an toàn và hiệu suất thu hồi khả thi. Gi ải pháp khí hóa than ngầm sinh học nhờ sự chuyển hóa của vi sinh vật là một trong các giải pháp thay thế hiện đang được quan tâm và triển khai nghiên cứu mạnh mẽ tại nhiều bể than trên thế giới. Đây là giải pháp 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 1
2. giai đoạn từ năm 2018 đến năm 2040. 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) và tiếp tục giữ vững vai trò của mình trong việc cung cấp năng lượng cho toàn cầu (79%) đến năm 2030. Trong đó, than là dạng nhiên liệu có trữ lượng lớn nhất trong các dạng nhiên liệu hóa thạch (71,4%) và được phân bố rộng rãi tại nhiều quốc gia hơn hẳn so với dầu và khí tự nhiên. Nhu cầu than dự báo sẽ tăng khoảng 14,7% trong giai đoạn từ 2018 đến 2040 với các chính sách năng lượng như hiện nay. Tuy nhiên, việc khai thác và sử dụng than như một cách thức tất yếu để đáp ứng nhu cầu về năng lượng đang đưa lại vô số các vấn đề gồm ô nhiễm môi trường đất như sụt lún, ô nhiễm môi trường nước như sụt giảm nghiêm trọng chất lượng nước do các kim loại nặng và chất phóng xạ và đặc biệt là các tác động nghiêm trọng đến môi trường khí như phát xạ không bền của các vật liệu dạng hạt siêu mịn và khí nhà kính. 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 một cách trực tiếp và gián tiếp. 1.2 Tình hình nghiên cứu và triển khai ứng dụng giải pháp khí hóa than ngầm bằng vi sinh vật trên thế giới Ý tưởng về việc vi sinh vật có thể chuyển hóa than hay xem than như một nguồn cơ chất xuất hiện khá sớm từ đầu thế kỷ 20. Đến năm 1999, lần đầu tiên các bể than được nhà nghiên cứu Scott tiếp cận như một lò phản ứng sinh học. Bản chất của hướng tiếp cận này là tăng cường hiệu suất hình thành khí methane trong các mỏ than bằng cách bổ sung quần xã vi sinh vật ngoại lai hoặc bổ sung chất dinh dưỡng cho quần xã vi sinh vật bản địa (Microbially Enhanced Coalbed Methane – MECoM). Dựa trên hướng tiếp cận này rất nhiều nghiên cứu đã được triển khai tại nhiều quốc gia trên thế giới cả ở quy mô phòng thí nghiệm và quy mô công nghiệp. 1.3 Quá trình hình thành khí than trong tự nhiên Than được hình thành do quá trình chôn lấp, trầm tích của thực vật với các thành phần đa dạng và phức tạp từ thân, lá, rễ đến bào tử, phấn hoa Các thành phần này được hình thành từ các tiền chất sinh học như lignin, cacbonhydrate (cellulose, hemicellulose), protein, dầu, mỡ và sáp (axit béo, rượu, este). Trong điều kiện môi trường đầm lầy ngập nước, xác thực vật (trong một số trường hợp bao gồm 3
3. ngành Actinobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes và Proteobacteria chiếm ưu thế. Bằng cách kích thích quần xã vi sinh vật, khí methane có thể được tạo ra với hàm lượng lớn hơn thông qua quá trình chuyển hóa sinh học nguồn cơ chất than trong khoảng thời gian thương mại thích hợp. 1.4 Bể than Sông Hồng và vùng nghiên cứu Hình 1.12 Vị trí bể than Sông Hồng và khu vực nghiên cứu Khu vực nghiên cứu khí hóa sinh học than ngầm trong luận án là dải than thuộc phạm vi xã Giao Thiện, Giao An, huyện Giao Thủy, tỉnh Nam Định và xã Nam Phú, huyện Tiên Hải, tỉnh Thái Bình với ranh giới của hai huyện (và cả hai tỉnh) là sông Hồng. Khu vực nghiên cứu được lựa chọn nằm ở ven biển, chủ yếu ở khu vực bên ngoài đê, có diện tích ~40 km2. Chương 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1 Đối tượng nghiên cứu Các mẫu than được thu nhận tại 5 độ sâu khác nhau tại cùng 01 giếng khoan LK01, tại các vỉa có độ dày lớn hơn 2m, bao gồm: 396,04 ̶ 401,95 m (C1); 567,96 ̶ 573,09 m (C2); 674,51 ̶ 676,06 m 5
4. 3.1.1.1 Đặc tính hóa học Kết quả phân tích trong Bảng 3.1 cho thấy, các mẫu than nghiên cứu đều thuộc than có độ biến chất á bitum A (độ biến chất thấp) với hàm lượng chất bốc cao. Trong đó, hàm lượng chất bốc trong mẫu than C5 có giá trị thấp nhất (40,29%) và mẫu C4 có giá trị cao nhất (47,63%). Chất bốc có nguồn gốc hữu cơ này đóng vai trò như một nhân tố kiểm soát quá trình hình thành khí methane sinh học từ các nguồn than có độ biến chất khác nhau. Bảng 3.1 Đặc tính hóa lý, thành phần và phân loại các mẫu than Mẫu than Đặc tính than C1 C2 C3 C4 C5 Phân tích Proximate Hàm ẩm (%) 10,28 10,87 8,79 8,94 15,03 Độ tro (%) 7,15 6,62 9,52 7,85 9,33 Chất bốc (%) 47,19 44,30 46,24 47,63 40,29 Cacbon cố định (%) 35,38 38,21 35,45 35,58 35,35 Nhiệt trị (Btu/lb) 11.199 11.433 11.246 11.496 11.358 Hệ số phản xạ vitrinite 0,35 0,38 0,37 0,39 0,42 (R0) Phân tích Ultimate Cacbon (%) 66,99 68,58 65,55 68,11 66,76 Hydro (%) 4,71 4,92 5,11 4,98 4,81 Nitơ (%) 0,72 0,72 0,92 1,23 1,13 Lưu huỳnh (%) 0,75 0,98 1,55 0,38 1,02 Oxy (%) 16,68 18,19 17,35 17,45 16,96 Phân loại Á bitum Á bitum Á bitum Á bitum Á bitum Nhãn than A A A A A Cả 5 mẫu than nghiên cứu đều có hàm lượng C và cacbon cố định nằm trong khoảng giá trị được đánh giá là giàu tiềm năng chuyển hóa sinh khí. Hàm lượng oxy của cả 5 mẫu than sông Hồng có giá trị lớn tương ứng từ 16,68% đến 18,19%. Các nguyên tử oxy tồn tại trong than thông qua các liên kết dị thể như các nhóm ete, este, cabonyl và hydroxyl; được đánh giá là các nhóm tiềm năng để vi sinh vật tấn công. Ngoài ra, độ phản xạ vitrinite của các mẫu than dao động từ 0,35 ̶ 0,42% theo chiều sâu vỉa, đều <0,5% tương ứng với giai đoạn hình thành khí methane có nguồn gốc sinh học thứ cấp. Điều này cho thấy đã có sự tái bổ sung và xâm nhập của vi sinh vật cũng như dinh dưỡng vào bể than sau khi quá trình trưởng thành nhiệt kết thúc. 7
5. Thông số Đơn vị Giá trị Thông số Đơn vị Giá trị Mg2+ mg/L 24,24 ± 2,74 Cl- mg/L 550,30 ± 75,27 +3 2- Al mg/L 0,04 ± 0,01 SO4 mg/L 93,60 ± 12,94 + - NH4 mg/L 2,59 ± 0,38 NO3 mg/L 0,080 ± 0,02 2+ - Fe mg/L 0,95 ± 0,3 NO2 mg/L 0,008 ± 0 3+ 3- Fe mg/L 2,84 ± 0,96 PO4 mg/L 0,31 ± 0,02 K+ mg/L 27,30 ± 9,4 3.1.3 Đặc điểm cấu trúc than 3.1.3.1 Đặc điểm phân bố kích thước và hình dạng lỗ rỗng hấp phụ Hình 3.4 Kết quả hấp thụ/nhả hấp thụ N2 tại nhiệt độ thấp (77 K) của các mẫu than. (a) Đường cong hấp thụ/nhả hấp thụ tại nhiệt độ thấp. (b) Đường cong phân bố thể tích lỗ BJH. (c) Đường cong phân bố diện tích riêng BET. 9
6. về thể tích giữa đường cong xâm nhập và đường cong xả của các mẫu thấp, cho thấy vẫn tồn tại trong cấu trúc than một phần dạng lỗ rỗng kín hoặc đóng một phía. Kết quả này đồng nhất với kết quả thu nhận được từ phương pháp LTNA phân tích phía trên. Phân bố các lỗ rỗng lớn cùng tính liên thông tốt sẽ là tiền đề thuận lợi cho việc xâm nhập và di chuyển của vi sinh vật cũng như nước khí tượng và chất dinh dưỡng vào bên trong bể than, từ đó đưa đến hiệu suất chuyển hóa sinh methane tốt hơn. Hình 3.5 Kết quả phân tích MIP của các mẫu than: (a) Đường cong xâm nhập và xả thủy ngân; (b) Phân bố lỗ rỗng theo thể tích 3.1.3.3 Đặc điểm nguồn gốc hình thành lỗ rỗng Hình dạng hệ lỗ rỗng trên các mẫu than sông Hồng từ C1 đến C5 được thể hiện trên ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) ở các độ phóng đại khác nhau tại Hình 3.6. Dựa trên nguồn gốc hình thành, lỗ rỗng trong than được chia làm bốn loại chính gồm: lỗ mô thực vật, lỗ hòa tan, lỗ bọt và lỗ tinh thể. Dạng lỗ chiếm ưu thế trong các mẫu than Sông Hồng thuộc dạng lỗ mô thực vật và lỗ bọt. Trong đó, dạng lỗ mô thực vật với hình thái đa dạng từ dạng ống mạch, dạng rây cho đến dạng khoang tế bào. Do hàm lượng khoáng vật trong thành phần than tại khu vực nghiên cứu thấp rất thấp nên phần lớn dạng lỗ này xuất hiện ở trạng thái không bị che lấp. Lỗ bọt chủ yếu dưới dạng lỗ tròn hoặc oval và 11
7. nghiên cứu của luận án, quá trình thí nghiệm kết thúc sau 21 ngày nuôi cấy. Khả năng chuyển hóa sinh methane của nguồn vi sinh vật bản địa thu nhận từ mẫu nước FW tại bể than sông Hồng trên các mẫu than (theo chiều sâu vỉa) với các đặc tính hoá lý và cấu trúc khác nhau có sự thay đổi khác biệt. Giá trị đạt được dao động từ 1,14 đến 4,96 mL CH4/g than, trong khi lượng khí methane trong các mẫu đối chứng rất thấp hoặc hầu như không có (mẫu đối chứng không có môi trường dinh dưỡng hoặc mẫu đối chứng không có than). Mẫu than C4 thu nhận từ độ sâu vỉa 745,25 m cho hiệu suất sinh khí cao nhất (4,96 mL CH4/g than), tiếp theo là C2, C3, C1 và C5. Hiệu suất chuyển hóa sinh methane cao nhất được phát hiện trong mẫu than C4 được giả thiết liên quan đến các thành phần hữu cơ (maceral) khác biệt. Trong khi đó hiệu suất này sụt giảm đáng kể khi độ sâu mẫu đạt 853,82 m được giả thiết liên quan chủ yếu đến cấu trúc than tương quan với độ sâu. 3.3 Nghiên cứu cấu trúc quần xã vi sinh vật bản địa 3.3.1 Tính đa dạng alpha của quần xã vi sinh vật bản địa 3.3.1.1 Tính đa dạng alpha trong các mẫu nước nguyên trạng Tổng số đoạn trình tự gen 16S rRNA trong mẫu nước FW là 132.147 đoạn. Trong đó, phần lớn các đoạn trình tự thuộc nhóm vi khuẩn với số lượng tương ứng là 87.052 đoạn và phần còn lại thuộc về nhóm cổ khuẩn. Các đoạn trình tự được xếp vào 158 đơn vị phân loại OTUs với độ tương đồng 97%. Số OTUs thuộc nhóm vi khuẩn là 149 và thuộc nhóm cổ khuẩn là 9. Bảng 3.5 Đa dạng alpha của mẫu nước FW và các mẫu than nguyên trạng Thông số C1 C2 C3 C4 C5 FW Observed 21 18 14 12 37 145 Chao1 21 19 17 12 37 153 ACE 22 19 17 13,1 37 155 Shannon 0,055 0,042 0,03 0,033 0,169 1,8 Simpson 0,013 0,0098 0,0069 0,0076 0,042 0,7 Fisher 1,96 1,65 1,25 1,06 3,67 16,93 3.3.1.2 Tính đa dạng alpha trong các mẫu than nguyên trạng Tổng số đoạn trình tự gen 16S rRNA trong mẫu than C1 đến C5 có chất lượng tốt là 932.840 đoạn. Số lượng đoạn trình tự thu nhận tại từng mẫu than đều cao hơn trong mẫu nước FW. Tuy nhiên, tất cả 13
8. chất sắt được tìm thấy trong nước liên kết cũng như trên bề mặt than được dự đoán là một trong những nguyên nhân chính tạo điều kiện cho sự phát triển mạnh mẽ của chi Shewanella. Chi này cũng có khả năng sử dụng các cơ chất humic (phần quynone) khá phổ biến trong các dạng trầm tích than, làm chất nhận điện tử cuối cùng thay thế cho Fe3+ hoặc sử dụng các hợp chất humic như kênh vận chuyển điện tử từ dạng sắt không hòa tan mà vi sinh vật khó tiếp cận. Mặc dù ít phổ biến hơn nhưng quá trình khử sắt cùng quá trình khử sulphate (chi Desulfotomaculum) sẽ cạnh tranh các nguồn cơ chất như CO2, H2 và acetate với quá trình sinh khí methane dinh dưỡng hydro và dinh dưỡng acetate của cổ khuẩn methanogen. Chi cổ khuẩn Methanolobus chiếm ưu thế vượt trội trong mẫu nước FW, tương ứng 34,1%. Nhóm cổ khuẩn này sử dụng các hợp chất gắn methyl như methanol và methylamines làm cơ chất chuyển hóa (con đường dinh dưỡng methyl). Bảng 3.6 Các chi vi khuẩn và cổ khuẩn trong mẫu nước FW Chi (%) Chi (%) Cổ khuẩn Methanobacterium 0.1 Methanolobus 34.1 Vi khuẩn BRH-c8a 2.5 Sanguibacter 0.1 Caldicoprobacter 0.2 Shewanella 47.9 Candidatus Dichloromethanomonas 0.1 Symbiobacterium 0.1 Desulfitibacter 0.1 Tessaracoccus 0.4 Desulfotomaculum 1.0 Thermincola 0.3 Desulfovibrio 0.1 Uncultured Cellulomonadaceae 0.2 Erysipelothrix 0.3 Uncultured Clostridiales 0.2 Gelria 0.1 Uncultured Limnochordales 0.3 Geosporobacter 0.1 Uncultured Margulisbacteria 0.1 Lentimicrobium 0.2 Uncultured Peptococcaceae 0.2 Limnobacter 0.1 Uncultured Rhodobacteraceae 2.7 Oxobacter 0.7 Uncultured Spirochaetaceae 0.1 Paracoccus 2.6 Uncultured Thalassobaculales 0.2 Uncultured Proteiniclasticum 1.3 0.9 Thermoanaerobacteraceae Pseudomonas 2.3 Uncultured OPB41 0.2 Ruminococcaceae UCG-010 0.1 3.3.3 Cấu trúc quần xã vi sinh vật bản địa trong than nguyên trạng 3.3.3.1 Sự đa dạng các nhóm vi sinh vật trong các mẫu than được phân chia theo ngành và lớp 15
9. Trong khi đó, ngành Proteobacteria lại phổ biến trong nhóm vi sinh vật bám dính, liên quan đến khả năng bẻ gãy các vật liệu không hòa tan trong than thành các sản phẩm được sử dụng tiếp theo bởi các vi sinh vật lên men thứ cấp thuộc ngành Firmicute và cổ khuẩn methanogen. Các ngành khác như Bacteriodetes và Actinobacteria đều xuất hiện phổ biến trong mẫu nước hơn là trong mẫu than. 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 5.000; 9.000; 10.000 và 50.000 lần 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 3.4.1 Tính đa dạng alpha của quần xã vi sinh vật đáp ứng 3.4.1.1 Tính đa dạng alpha trong pha rắn CR Tổng số đoạn trình tự gen 16S rRNA trong pha rắn sau bổ sung dinh dưỡng CR1 đến CR5 có chất lượng tốt là 615.269 đoạn. Các đoạn trình tự này được phân vào 216 đơn vị phân loại OTUs với độ tương đồng 97%. Số OTUs thuộc nhóm vi khuẩn là 206 và thuộc nhóm cổ khuẩn là 10. Các chỉ số đa dạng alpha của pha rắn được trình bày trong Bảng 3.9. 3.4.1.2 Tính đa dạng alpha trong pha lỏng AS Tổng số đoạn trình tự gen 16S rRNA trong pha lỏng sau bổ sung dinh dưỡng AS1 đến AS5 có chất lượng tốt là 761.734 đoạn. Các đoạn trình tự này được phân vào 232 đơn vị phân loại OTUs với độ tương đồng 97%. Số OTUs thuộc nhóm vi khuẩn là 222 và thuộc nhóm cổ khuẩn là 10. Các chỉ số đa dạng alpha của pha lỏng được trình bày trong Bảng 3.10. 17
10. ứng 33,5; 19,6 và 28,2%. Mẫu CR4 cho thấy sự phân bố đa dạng gia tăng mạnh lên 74%. Trong khi đó, mẫu CR5 lại cho thấy hầu như không có sự phát triển của nhóm ngành này, khi mà tỷ lệ phân bố rất thấp chỉ chiếm 4,6%. 3.4.2.2 Phân chi vi sinh vật đáp ứng trong pha rắn CR Các nhóm vi sinh vật phân bố tương đối ổn định trong cả 5 mẫu CR bao gồm Burkholderia CP, Proteiniclasticum, Erysipelothrix, Pseudomonas và Methanolobus. Trong đó, mẫu CR4 có nhóm cổ khuẩn Methanolobus phân bố đa dạng đặc biệt cao chiếm 73,8%. Nhóm cổ khuẩn này hầu như tham gia không đáng kể và về cơ bản giữ nguyên ưu thế phân bố của chi vi khuẩn Burkholderia CP từ mẫu than nguyên trạng tương ứng 91,4% đối với mẫu CR5. 3.4.3 Cấu trúc quần xã vi sinh vật đáp ứng trong pha lỏng 3.4.3.1 Phân ngành và phân lớp vi sinh vật đáp ứng trong pha lỏng Hình 3.19 Đa dạng 16S rRNA mức ngành của các mẫu pha lỏng AS Hình 3.19 cho thấy các ngành vi khuẩn chiếm ưu thế gồm Firmicutes, Proteobacteria và Bacteroidetes. Trong tất cả các mẫu từ AS1 đến AS5, Firmicutes là ngành chiếm ưu thế nhất. Nhóm ngành này phân bố ổn định trong khoảng từ 20,1 đến 26,5% trong các mẫu AS1 đến AS4 và gia tăng mạnh lên 65% trong mẫu AS5. Ngành Proteobacteria phân bố đa dạng theo khuynh hướng giảm dần theo độ sâu thu nhận mẫu. Phần lớn các nhóm vi khuẩn phát hiện trong ngành này đều thuộc phân lớp Gammaproteobacteria. Ngành Bacteroidetes, có tính đa dạng thấp hơn và phân bố khác nhau tùy mẫu, dao động trong ngưỡng dưới 10%, chủ yếu tại các 19
11. 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 Các nhóm vi sinh vật chiếm ưu thế trong quần xã vi sinh vật thích nghi ở cả pha rắn và pha lỏng thay đổi đáng kể so với quần xã vi sinh vật bản địa trong mẫu than và nước ban đầu. Trong đó, ghi nhận sự phát triển mạnh mẽ của ngành cổ khuẩn với chi Methanolobus cùng với nhóm vi khuẩn lên men thứ cấp và hợp dưỡng thuộc ngành Firmicute. Ngoài ra, các nhóm vi sinh vật chiếm ưu thế thuộc ngành Proteobacteria cũng được mở rộng so với mẫu nguyên trạng cho phép thúc đẩy quá trình lên men sơ cấp ban đầu với dải sản phẩm đa dạng cho các giai đoạn chuyển hóa thành khí tiếp theo 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. (A) Quần xã VSV trong mẫu nguyên trạng; (B) Quần xã VSV đáp ứng sau 21 ngày 21
12. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Sau 5 năm nghiên cứu và thực hiện, Luận án đã xây dựng được quy trình nghiên cứu triển khai công nghệ khí hóa sinh học than ngầm quy mô phòng thí nghiệm từ quá trình lấy mẫu, bảo quản và gia công phân tích mẫu cho đến xác lập các điều kiện thí nghiệm phù hợp với đối tượng là than Sông Hồng và quần xã vi sinh vật bản địa kị khí nghiêm ngặt. Kết quả của Luận án là cơ sở khoa học để triển khai công nghệ khí hóa sinh học than ngầm tại bể than Sông Hồng, Việt Nam. Các kết quả nghiên cứu chính đã hoàn thành được hai mục tiêu đề ra trong Luận án, được trình bày dưới đây: 1. Các đặc tính địa chất và hóa địa thủy văn của bể than Sông Hồng tại khu vực nghiên cứu khẳng định tính khả dụng sinh học để khí hóa than ngầm bằng vi sinh vật: tồn tại 05 vỉa than tương ứng 5 vị trí lấy mẫu (C1 đến C5; chiều sâu vỉa từ 396,04 m đến 853,82 m) có bề dày vỉa khoảng từ 3 ̶ 5 m; các vỉa than có thành phần chất bốc cao (40,29 ̶ 47,19%); kích thước lỗ rỗng phù hợp cho vi sinh vật xâm nhập trong than (> 400 nm, chiếm 11,98 ̶ 36,08% tổng thể tích lỗ) cùng tính liên thông lỗ rỗng tốt; nước ngầm liên kết bể than mang đặc trưng của một bể than có khả năng sinh khí. 2. Đã chứng minh được sự tồn tại của quần xã vi sinh vật bản địa có khả năng chuyển hóa than thành khí trong bể than sông Hồng tại khu vực nghiên cứu. Ngành Proteobacteria chiếm ưu thế trong các vỉa than, với chi phổ biến nhất thuộc Burkholderia-Caballeronia- Paraburkholderia. Các ngành Proteobacteria – Archaea – Firmicutes – Actinobacteria – Bacteroidete là các ngành phổ biến theo mức độ giảm dần trong mẫu nước liên kết bể than, với chi phổ biến nhất là Shewanella. Con đường chuyển hóa sinh khí methane dinh dưỡng methyl với nhóm cổ khuẩn Methanolobus chiếm ưu thế. Quần xã vi sinh vật bản địa đáp ứng với việc bổ sung dinh dưỡng, cho hiệu suất sinh khí cao hơn trong thời gian ngắn hơn, dao động từ 1,14 đến 4,96 mL CH4/g than. Bằng các nghiên cứu đã nêu trong Luận án, đã xác định được tính khả thi và phạm vi áp dụng phù hợp của giải pháp khí hóa sinh học than ngầm trong bể than Sông Hồng tại vùng nghiên cứu là các vỉa than có chiều sâu vỉa tới 745,25 m. 23
13. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1. Lan Hoang, Thi Thuy Phung, Lan Huong Nguyen, Kim Anh To (2019), “Identification of microbial communities associated with coal in the Red River Basin, Vietnam”, The 14th Asian Biohydrogen Biorefinery and Bioprocess symposium, Innovation and Technology towards a sustainable bioeconomy, Bach Khoa Publishing House, Hanoi, 211-217. 2. Hoàng Lan, Phùng Thị Thủy, Phạm Thị Mai Phương, Nguyễn Đức Dũng, Tô Kim Anh, Nguyễn Lan Hương, Đồng Văn Giáp, Hoàng Văn Long, Phan Dức Lễ, Lê Quốc Hùng (2020), “Nghiên cứu đặc điểm than, nước và hiệu suất chuyển hóa than thành khí của vi sinh vật bản địa để ứng dụng công nghệ MECoM tại bể than sông Hồng”, Tạp chí Địa chất, Số 371-372, trang 141-153. 3. Lan Hoang, Thi Thuy Phung, Michael Urynowicz, Kim Anh To, Quoc Hung Le, Zaixing Huang, Hong Thanh Lai, Qiurong Wang, Rizwan Haider, Lan Huong Nguyen (2021), “First investigation of microbial diversity and biogenic methane potential in coal mines located in the Red River Basin, Vietnam”, International Journal of Coal Geology, Vol. 234, pp. 103674. (ISI, Q1, IF 6,806) 4. Lan Hoang, Ngoc Han Tran, Michael Urynowicz, Van Giap Dong, Kim Anh To, Zaixing Huang, Lan Huong Nguyen, Thi Mai Phuong Pham, Duc Dung Nguyen, Canh Duong Do, Quoc Hung Le (2022), “The characteristics of coalbed water and coal in a coal seam situated in the Red River Basin, Vietnam”, Science of the Total Enviroment, Vol.807, pp1510. (ISI, Q1, IF 7,963) 25