(Luận án tiến sĩ) 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 HĨA 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

Hồng 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
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi, các số liệu, kết quả,
hình ảnh nêu trong Luận án là trung thực và chưa được ai cơng bố trong bất
cứ cơng trình của tác giả nào 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 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 tơi hồn thiện Luận án này. Để hồn thành Luận án này, tôi vô cùng cảm ơn
PGS.TS. Tô Kim Anh, khơng chỉ là người thầy mà cịn là người truyền cảm hứng
để tơi hồn thành luận văn cịn 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 cơng 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, khơng có chị
nhiều khi tơi muốn bỏ cuộc. Nhưng trên tất cả chị đã luôn đồng hành và động viên
để tơi có thể hồn thành cơng việc đến ngày hôm nay. Cám ơn TS. Nguyễn Đức
Dũng, khơng có bạn khơng thể có được những bức ảnh khơng chỉ đẹp mà cịn 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
khơng 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 vơ cùng q báu để hồn thiện bản luận án này.
Để hồn thiện Luận án này tơi khơng thể khơng nói lời cảm ơn chân thành
nhất đến bạn bè tôi, những người đã luôn động viên, chia sẻ và khích lệ tơi. Xin
dành lời cám ơn đặc biệt cho người bạn thân tôi, TS. Trần Ngọc Hân, người khơng
chỉ là bạn, là đồng nghiệp mà cịn là người dẫn dắt khoa học của tôi.
Trong sâu thẳm trái tim, tơi xin dành tất cả lịng biết ơn và tình u đến gia đình
tơi, là chỗ dựa và niềm tin vững chắc để tơi 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 Q TRÌNH KHÍ HĨA 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 q 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 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 cơng ty Artech
14
1.3 Q trình hình thành khí than trong tự nhiên
14
1.3.1 Q 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 mơi trường trong q trình hình thành than
22
1.3.3 Q trình hình thành khí methane trong bể than
24
1.3.3.1 Cơ chế hình thành và tích tụ khí trong q trình bùn hóa
24
1.3.3.2 Cơ chế hình thành và tích tụ khí trong q 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

2.1 Đối tượng nghiên cứu
2.2 Hóa chất và thiết bị sử dụng
2.2.1 Hóa chất
2.2.2 Thiết bị sử dụng
2.3 Thiết kế thí nghiệm và phương pháp nghiên cứu
2.3.1 Phương pháp lấy mẫu và chuẩn bị mẫu than và nước
2.3.1.1 Lấy mẫu và chuẩn bị mẫu nước ngầm để phân tích vi sinh và phân tích hóa lý
2.3.1.2 Lấy mẫu và chuẩn bị mẫu than để phân tích vi sinh
2.3.2 Phương pháp xác định đặc tính hóa lý than và 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 và khuếch đại DNA
2.3.5.1 Phương pháp tách chiết DNA mẫu than và nước nguyên trạng
2.3.5.2 Phương pháp tách chiết DNA mẫu than và 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 và phát sinh lồi
2.3.7 Phương pháp phân tích đa dạng sinh học alpha
2.3.8 Phương pháp ni cấy và đánh giá hiệu suất sinh khí của 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 3. 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 của nguồn cơ chất than Sơng 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 thơng 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 q
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
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 và Vật liệu Hoa Kỳ
Base pair
Cặp bazơ

BET

Brunauer-Emmett-Teller

BJH

Barret-Joyner-Halenda

BTEX

Benzene, Toluene, Ethylbenzene và 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 ngọn 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 năng lượng quốc tế
International Organization for Standardization
Tổ chức quốc tế về tiêu chuẩn hóa
International Union of Pure and Applied Chemistry
Liên minh Quốc tế về Hóa học cơ bản và 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 tại 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 và 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 cơ
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 của một số nhãn than [45] .................................................................................. 16
Hình 1.3 Cấu trúc phần kerogen với các vị trí tấn cơng và phân cắt tiềm năng .............................. 19
Hình 1.4 Thành phần các nhóm hữu cơ trong 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 của q 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 Mơ hình q trình hình thành khí sinh học thứ cấp tại 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 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 Sơng 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 ni cấy vi sinh vật kị khí (dung dịch vitamin trong mơi trường Tanner

chỉ được bổ sung sau giai đoạn thanh trùng tại 121 °C /15 phút) .................................................... 50
Hình 2.3 Mơ hình phương pháp đo lượng khí methane sinh ra trong 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 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 Sơng 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 Sơng Hồng ............................ 70
Hình 3.7 Hiệu suất sinh khí methane trên các nhóm thí nghiệm sau 21 ngày ni cấy .................. 72
Hình 3.8 Sự thay đổi về hiệu suất sinh khí methane tích lũy theo thời gian ni cấy trên các mẫu
than Sơng 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 Sơng 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 Sơng 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<0,05; ** tương ứng với p<0,01 ............................................................................ 107
Hình 3.26 Phân tích CCA giữa vị trí vỉa than, các nhóm vi sinh vật phổ biến và đặc tính thành phần
than ................................................................................................................................................. 109
Hình 3.27 Phân tích CCA giữa vị trí vỉa than, các nhóm vi sinh vật phổ biến và đặc tính cấu trúc
than ................................................................................................................................................. 110
Hình 3.28 Phân tích CCA giữa vị trí vỉa than, các nhóm vi sinh vật phổ biến và đặc tính thạch học
than ................................................................................................................................................. 111

viii


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 thơng 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 vịng 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 khơng có một cách tiếp cận mới
phù hợp với tài ngun than sẵn có.
Bể than Sơng Hồng, nằm ở phía Đơng 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 Sơng 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 Sơng Hồng là 212.676.990 ngàn tấn. Trong
đó, khu Bình Minh - Khối Châu với diện tích đánh giá 265 km2 (khu vực Đơng
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 hịa với
mơi trường sinh thái đang là bài tốn 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 lị) khơng khả thi trên các khía cạnh này.
Để giải quyết bài tốn 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. Thơng qua q 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 khơng 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 trị
quan trọng trong việc giảm thiểu hiệu ứng khí nhà kính. Hiệu quả của q 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 trị 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 cơng 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 Sơng 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 Sơng
Hồng, nhằm kiểm tra tính khả dụng sinh học phục vụ triển khai cơng 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 ni cấy bổ sung dinh dưỡng
trong quy mơ phịng 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 Sơng 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 cơng 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 cơng nghệ khí hóa than bằng vi sinh vật tại bể than Sơng
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 Sơng 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 thơng 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 q 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 cơng 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 cơng nghệ khí hóa than ngầm bằng vi sinh vật trong nước và trên thế giới.
Phân tích chi tiết q trình hình thành khí trong tự nhiên và vai trị tham gia vào q
trình chuyển hóa của vi sinh vật cũng như đặc điểm của nguồn cơ chất than nhằm
xác lập các kiến thức và thơng tin cần thiết cho q trình xây dựng mơ hình mơ
phỏng nghiên cứu trong phịng thí nghiệm. Cung cấp các thông tin liên quan đến bể
than Sơng 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
Tồn bộ q 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 cơng nghệ khí hóa than ngầm bằng vi sinh vật được triển
khai tại bể than Sông Hồng.

4


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ Q TRÌNH KHÍ HĨA 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 cơng 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, cơng 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 trị 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 trị
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 thơ cho q trình sản xuất thép (74%), xi măng (61%) và hóa chất
(13%) [1]. Qua các số liệu cho thấy, khơng chỉ tiếp tục duy trì vai trị trụ cột trong
cơng nghiệp sản xuất điện năng, than còn là nhiên liệu củng cố cho sự phát triển
nhanh chóng của q trình cơng nghiệp hóa tại các thị trường mới trỗi dậy, giúp
nâng cao mức sống và đưa hàng trăm triệu người thốt 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 trị 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 nơng, 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 vơ số các hệ lụy.
(1) Ơ nhiễm mơi 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 mơi trường đất
[2]. Quy mơ 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. Q trình sụt lún đất khơng 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 mơi 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 khơng 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 tồn cầu trung bình
tăng 0,85 oC/năm. Con số này tưởng chừng khơng 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 tồn thế giới có khoảng 3,7 triệu người đã chết vì các căn bệnh
có liên quan đến ơ nhiễm mơi 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 đồn than khống sản Việt
Nam, từ năm 2015 đến này, cả 3 vùng than ng Bí, Hịn 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 cơng 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 hồn tồn khơng cần đưa lên mặt đất, chính vì vậy hồn tồn

khơng 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. Thơng 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]. Ngồi ra, việc đốt khí tự nhiên
cịn khơng 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 q 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 trị như các tác nhân xúc tác sinh học trong
q trình oxi hóa than nâu vơ 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 nơng 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 cơng 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

Q 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, q
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 lị phản ứng sinh học [22]. Bản chất của hướng tiếp cận này
9


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.
1.2.2.1 Tăng cường sinh học q trình chuyển hóa sinh học than thành
khí methane
Tăng cường sinh học là quá trình bổ sung các vi sinh vật ngoại lai vào mỏ than
nhằm gia tăng hoặc hoạt hóa q trình chuyển hóa sinh học than thành khí. Vi sinh
vật bổ sung hiệu quả hơn các vi sinh vật bản địa trong các mỏ than hoặc trong các
mỏ than không tồn tại vi sinh vật có khả năng chuyển hóa than thành khí. Q trình
bổ sung có thể là một loại vi sinh vật nhất định hoặc một quần xã vi sinh vật. Do
than có cấu trúc phức tạp và thuộc dạng cơ chất khó chuyển hóa đối với vi sinh vật,
nên việc tìm kiếm một quần xã vi sinh vật ngoại lai có thể sử dụng được nguồn cơ
chất này khơng đơn giản. Các nghiên cứu triển khai theo hướng tiếp cận này tương
đối ít, chủ yếu là quần xã vi sinh vật thu nhận từ ruột sau của mối [23,24] và quần
xã vi sinh vật thu nhận từ trầm tích đầm lầy [25]. Kết quả cho thấy khi bổ sung
thêm quần xã vi sinh vật ngoại lai hoặc bổ sung riêng biệt chất dinh dưỡng đều làm
gia tăng tốc độ và đạt hiệu suất sinh khí methane tối ưu. Tổng lượng khí methane
sinh ra khi bổ sung thêm quần xã vi sinh vật ngoại lai là khoảng 80 µmol/g than
hoặc 56 scf/tấn (scf ̵ Standard cubic foot/Bộ khối, 1 scf = 0,02832 m3) [25].

Cách tiếp cận này tuy cho kết quả tích cực song lại phù hợp với kịch bản chuyển
hóa trong phịng thí nghiệm hơn là triển khai ngồi thực địa vì việc bổ sung một
quần xã vi sinh vật hồn tồn xa lạ vào mơi trường sẽ cần được cân nhắc trên
phương diện có những tiềm ẩn nhiều rủi ro như tác động khơng lường trước đối với
tính đa dạng của môi trường bản địa, khả năng sống sót thấp của quần xã vi sinh vật
ngoại lai trong mơi trường mới cũng như q trình phân tán yếu đến các vỉa xa vị trí
giếng bổ sung hoặc sự tích tụ cao quanh giếng bổ sung [26].
1.2.2.2 Kích thích sinh học q trình chuyển hóa sinh học than thành khí
methane
Q trình kích thích sinh học được hiểu theo hướng tiếp cận thông qua: (1) bổ
sung thêm các chất dinh dưỡng cũng như vi chất nhằm thiết lập điều kiện mơi
trường thích hợp thúc đẩy sự sinh trưởng của quần xã vi sinh vật bản địa trong các
vỉa than, thông qua đó thúc đẩy tốc độ và hiệu suất chuyển hóa than thành khí
methane; (2) tiền xử lý cơ chất than nhằm tăng tính đáp ứng sinh học của than,
khiến than trở nên dễ tiếp cận hơn đối với vi sinh vật.
Tuy nhiên, để có thể tác động được đến sự sinh trưởng của các vi sinh vật bản
địa, trước hết cần có được những thơng tin chi tiết và cụ thể về đối tượng cần tác
động. Nhiều nghiên cứu đã được triển khai để tìm hiểu sâu sắc về đặc tính quần xã
vi sinh vật tham gia vào quá trình chuyển hóa than thành khí tại các bể than có bản
chất than khác nhau tại nhiều quốc gia trên thế giới. Bằng các phương pháp sinh học
phân tử hiện đại, cấu trúc quần xã đã được làm sáng tỏ không chỉ về thành phần các
vi sinh vật tham gia vào quần xã mà còn chỉ ra được các vi sinh vật chiếm ưu thế,
đóng những vai trị then chốt trong con đường chuyển hóa than thành khí methane.
Quần xã vi sinh vật có thể được phân tích từ mẫu nước, mẫu than hoặc thậm chí
mẫu khí thu nhận tại nhiều bể than khác nhau tại nhiều quốc gia. Có thể kể đến một

10


số các nghiên cứu điển hình như tại Yubai, Nhật Bản [27], Úc [28], bể Illinois của

Mỹ [29,30], bể sông Powder của Mỹ [31,32], vùng than Waikato của New Zealand
[33], bể Gibbsland của Úc [34], bể Alberta của Canada [35], bể Easter Ordos của
Trung Quốc [36], bể Jingmen-Dangyang của Trung Quốc [37], bể South Sumatra
(SSB) của Indonesia [38], vùng than Jharia của Ấn Độ [39]. Các nghiên cứu được
tiến hành liên tục trong nhiều năm và cho đến thời điểm hiện tại vẫn đang tiếp tục
được thực hiện một cách tồn diện và sâu sắc tại nhiều phịng thí nghiệm.
Bảng 1.1 Thành phần quần xã VSV sinh khí ưu thế tại một số bể than trên thế giới
Bể than

Dạng mẫu

Lớp/Chi vi khuẩn phổ biến
Arcobacter

Nước ngầm

Azonexus
Bacteroidetes

Bể Ordos,
Trung Quốc

Brevundimonas
Than
(á bitum)

Hydrogenophaga
Acinetobacter
Brevundimonas
Pseudochrobactrum

Desulfomicrobium
Meniscus
Syntrophus

Nước ngầm
Bể Illinois,
Mỹ

Than
(bitum)

Bể Alberta,
Canada

Than
(KB2)

Ruminococcus
Dasania
Candidatus
Crocinitomix
Desulfofustis
Thermovirga
Sulfurimonas
Desulfuromusa
Maritimimonas
Bacteroidetes
Spaerochaeta
Sporomusa
Flavobacterium

Acidovorax
Pseudomonas fluorescens
Sphingomonas
Massilia
Janthinobacterium
Arthrobacter
Clostridaceae

Bể Gippsland,
Úc

Bể Jharia, Ấn
Độ

Than
(á bitum)

Geobacteraceae
Enterobacteriaceae
Desulfovibrionaceae
Desulforomonaceae
Dechloromonas

Nước ngầm

Azonexus
Azospira
Spirochaetes

Lớp/Chi cổ khuẩn phổ biến

Methanolobus
(dinh dưỡng methyl)
Methanosarcina
(dinh dưỡng linh hoạt)
Methanolobus
(dinh dưỡng methyl)

TLTK

[36]

Methanobacterium
(dinh dưỡng hydro)
Methanococcus
(dinh dưỡng hydro)
[30]

Methanocorpusculum
(dinh dưỡng hydro)

[29]

ND
[35]

Methanobacterium
(dinh dưỡng hydro)
[34]

Methanobacterium

(dinh dưỡng hydro)

[39]

11


Bể than

Bể Sumatra,
Indonesia

Dạng mẫu

Lớp/Chi vi khuẩn phổ biến
Geobacter
Comamonas
Thiobacillus
Bacteriodes

Nước ngầm

ND: Không phát hiện thấy

Acidaminobacter
Acetobacterium
Pelobacter

Lớp/Chi cổ khuẩn phổ biến

Methanosaeta
(dinh dưỡng acetate)

TLTK

[40]

Việc xác định được cấu trúc của quần xã vi sinh vật bản địa là cơ sở khoa học
cho quá trình nghiên cứu tiếp theo về cách thức chuyển hóa cơ chất than thành khí.
Q trình này là một q trình đa bước được phân chia thực hiện bởi các nhóm vi
sinh vật khác nhau nằm trong quần xã nhằm hóa lỏng và phân hủy than: nhóm vi
sinh vật lên men kị khí, nhóm vi sinh vật sinh acetate – acetogen và nhóm vi sinh
vật sinh methane – methanogen. Bên cạnh các nghiên cứu con đường chuyển hóa và
vai trị của từng nhóm vi sinh vật đơn lẻ [41-44], cũng có những nghiên cứu bước
đầu đưa ra dự đoán về sự phối hợp tổng thể của các nhóm vi sinh vật trong việc
chuyển hóa than thành sản phẩm mong muốn cuối cùng là khí methane [45-48].
Từ các kết quả thu nhận được về cấu trúc và con đường chuyển hóa của quần xã
vi sinh vật bản địa trong các mỏ than, các nghiên cứu trong bước tiếp theo tập trung
vào việc xác định làm thế nào để có thể tăng cường được q trình chuyển hóa này
nhằm đạt được tốc độ và hiệu suất thu hồi khí cao. Các nghiên cứu này được tiến
hành đồng loạt theo nhiều hướng khác nhau:
(1) Nghiên cứu thành phần các chất dinh dưỡng hết sức đa dạng như các chất
khoáng, nguồn nitơ hữu cơ cho đến các loại vitamin [25,49,50].
(2) Nghiên cứu thiết lập các điều kiện sinh trưởng tối ưu cho quần xã vi sinh vật
chuyển hóa than thành khí methane như nhiệt độ, pH, thời gian ni cấy, độ mặn,
kích thước cơ chất than, nồng độ cơ chất than [25,30,48-55]. Các điều kiện này sẽ
thay đổi theo các mỏ than khác nhau tương ứng với chất lượng than và điều kiện
môi trường tại mỏ than.
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

Với các kết quả thu nhận được từ các hướng nghiên cứu trong phịng thí nghiệm,
một số công ty tiên phong đã được thành lập nhằm triển khai ứng dụng với quy mô
công nghiệp bao gồm công ty Luca Technologies, công ty Next Fuel, công ty Ciris,
công ty Arctech. Các công ty này đều đặt trụ sở chính tại Mỹ.
1.2.3.1 Triển khai ứng dụng tại cơng ty Luca Technologies, Inc.
Luca Technologies, Inc. được thành lập năm 2003 và đến năm 2013 bán bản
quyền sở hữu trí tuệ cho công ty Transworld Technologies, Inc. Công ty này đã
triển khai áp dụng MECoM thực địa tại một số khu vực như bể than sông Powder
(Wyoming), bể Uinta (Utah), bể San Juan (New Mexico) và bể Black Warrior
(Alabama). Luca tiến hành các nghiên cứu nhằm xác định nồng độ và nguồn bổ
sung thích hợp các chất dinh dưỡng như vitamin và khoáng chất (calcium (CaCl2);
magnesium (MgCl2); phosphate (Mg3(PO4)2, H3PO4, Ca3(PO4)2, Na3PO4,
K3PO4, hoặc Na5P3O10); potassium (KCl); vitamin B-12; niacin; thiamin;
riboflavin; biotin; pantothenic acid; folate) hoặc đa dinh dưỡng (casein

12


hydrolyzates; cao nấm men; protein đậu tương; peptones) hoặc các tác nhân tăng
cường sự tồn tại của tế bào (glycerol; các axit hữu cơ yếu: formic, acetic propionic,
butyric, lactic, decanoic; glyceryl triacetate; ethyl lactate; polyoxyethylene) hoặc
các vi chất (potassium iodide; sodium chloride; potassium chloride; sodium
bromide; potassium bromide) nhằm thúc đẩy q trình chuyển hóa than thành khí
của hệ vi sinh vật bản địa.
Hướng tiếp cận của Luca là hướng đến các giếng khoan có sẵn đang thu nhận khí
ở giai đoạn cuối nhằm kích thích q trình tiếp tục hình thành khí mới, hạn chế việc
khoan các giếng khoan mới. Luca bắt đầu triển khai pilot với quy mô lớn vào năm
2006 với 260 giếng tại bể sông Powder. Theo kết quả báo cáo của Luca vào năm
2010 cho thấy, sản lượng khí thu nhận được từ các khu vực thử nghiệm MECoM
bằng cách bổ sung dinh dưỡng sau khoảng thời gian hai năm cao hơn so với các khu

vực không bổ sung là 8.2 x 108 ft3. Báo cáo năm 2012, sau 4 năm triển khai cho
thấy có thêm 4.5 x 107 ft3 khí mới được hình thành trên mỗi giếng được bố sung
dinh dưỡng [9,56].
1.2.3.2 Triển khai ứng dụng tại công ty Next Fuel, Inc.
Next Fuel, Inc. được thành lập năm 2007 tại Sheridan (Wyoming), đã triển khai
áp dụng MECoM tại các khu vực thuộc Trung Quốc, Ấn Độ, Indonesia và Mông
Cổ. Hướng tiếp cận của Next Fuel tập trung duy nhất vào việc kích thích quần xã vi
sinh vật bản địa thông qua việc bổ sung các chất dinh dưỡng (ammonium chloride
(NH4Cl); potassium phosphate monobasic (KH2PO4); sodium nitrite (NaNO2);
NaCl; NH4Cl; KCl; KH2PO4; MgSO4.7H2O; CaCl2.2H2O hoặc vitamin (pyridoxine
· HCl; thiamine · HCl; riboflavin; calcium pantothenate; thioctic acid; paminobenzoic acid; nicotinic acid; vitamin B12; mercaptoethanesulfonic acid
(coenzyme M); biotin; folic acid) hoặc các kim loại (nitrilotriacetic acid;
MnSO4.H2O; Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O; CoCl2.6H2O; ZnSO4.7H2O; CuCl2.2H2O;
NiCl2.6H2O; Na2MoO4.2H2O; Na2SeO4; Na2WO4). Đối tượng tác động là bể than có
độ biến chất thấp lignite, vốn trước đó khơng phát hiện thấy sự tồn tại của khí
methane có nguồn gốc sinh học. Next Fuel hiện đang tiến hành quá trình bơm dinh
dưỡng xuống 16 giếng tại Indonesia và bán bản quyền công nghệ MECoM cho một
số công ty khác tại Trung Quốc (Future Fuel Limited) và Ấn Độ [56].
1.2.3.3 Triển khai ứng dụng tại công ty Ciris Energy, Inc.
Ciris Energy, Inc. được thành lập năm 2007 tại Centennial (Colorado). Ciris hiện
có các dự án MECoM tại Úc và bể than sông Powder tại Wyoming. Ciris bắt đầu
tiến hành các dự án thử nghiệm (dự án Antelope) năm 2012 tại bể than sơng Powder
và có các dự án thương mại tại Úc. Hướng tiếp cận của Ciris mặc dù cũng giống
Luca và Next Fuel trong việc bổ sung các chất dinh dưỡng để kích thích quần xã vi
sinh vật bản địa (oxoacid ester của phosphorus; thioacid ester của phosphorus hoặc
hydrogen; carboxylic acids; esters của carboxylic acids; muối của các axit
cacboxylic; oxoacids của phosphorus; muối của oxoacids của phosphorus; vitamin;
khoáng; muối khoáng; kim loại; cao nấm men) nhưng theo cơ chế hoàn toàn khác.
Trong khi Luca sau khi bơm dinh dưỡng vào mỏ than thường ủ trong một khoảng
thời gian nhất định, sau đó mới thu hồi khí thì Ciris ln chuyển dịng dinh dưỡng

liên tục kèm theo q trình thu nhận khí sinh ra. Theo báo cáo vào năm 2012 của
Ciris, lượng khí thu hồi từ các giếng có bổ sung dinh dưỡng cao gấp 8 ̶ 20 lần so với
các giếng không được bổ sung [9,56].
13


1.2.3.4 Triển khai ứng dụng tại công ty Artech
Artech được thành lập năm 1988 tại Chantilly (Virginia). Cách tiếp cận của
Artech khác với các công ty Luca, Next Fuel và Ciris, thay vì kích thích quần xã vi
sinh vật bản địa bằng cách bổ sung chất dinh dưỡng đơn lẻ, Artech bổ sung đồng
thời cả quần xã vi sinh vật ngoại lai và chất dinh dưỡng. Trong đó, quần thể ngoại
lai được sử dụng là quần xã vi sinh vật được thu nhận từ ruột sau của mối [24,57].

1.3 Quá trình hình thành khí than trong tự nhiên
1.3.1 Q trình hình thành và bản chất sinh học than
1.3.1.1 Quá trình hình thành than
Than được hình thành do q trình chơn 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 cả xác
động vật) trải qua q trình phân hủy khơng hồn tồn, sau đó được tích lũy, tạo đá
và cuối cùng biến đổi thành than. Do đó về bản chất, than được định nghĩa là dạng
trầm tích vật chất hữu cơ trong tự nhiên, bao gồm các phần còn lại của thực vật đã
được hóa đá [58]. Các thành phần vốn có của bất kỳ loại than nào được chia thành
"macerals" (phần hữu cơ) và "mineral - chất khống" (phần vơ cơ, được tạo thành từ
nhiều loại khoáng vật nguyên sinh và thứ sinh). Trong đó, thành phần hữu cơ trong
than được chia thành kerogen (phần không tan trong dung môi hữu cơ) và bitumen
(phần tan trong dung môi hữu cơ) [59]. Dạng kerogen thành tạo than thuộc dạng III,
điển hình cho nguồn gốc lục địa , giàu vịng thơm và các nhóm chức năng chứa oxy

với một lượng nhỏ các chuỗi béo.
Phần hữu cơ trong than (maceral) chiếm ưu thế, từ 85 ̶ 95% trọng lượng than khơ
[4], tồn tại thành ba nhóm thạch học chính tương ứng với nguồn gốc các dạng thành
phần thực vật bị chôn lấp khác nhau gồm: (i) nhóm vitrinit có nguồn gốc chủ yếu từ
các mơ gỗ với các tiền chất sinh học chính là lignin và hemicellulose cho đặc tính
giàu oxy và nghèo hydro; (ii) nhóm liptinit có nguồn gốc từ bào tử, phân hoa, biểu
bì lá, nhựa với các tiền chất sinh học chính là axit béo mạch dài cho đặc tính giàu
hydro; (iii) nhóm inertinit có nguồn gốc từ các thành phần thực vật tương tự trong
nhóm vitrinite nhưng đã bị oxi hóa.
Tồn bộ q trình chuyển hóa mang bản chất sinh học, lý học và hóa học này
được gọi là q trình than hóa. Thơng thường, q trình than hóa có thể được chia
làm hai giai đoạn chính:
(1) Giai đoạn sinh hóa: là giai đoạn đầu của q trình than hóa (hay cịn gọi là
giai đoạn bùn hóa). Trong giai đoạn này, vi sinh vật hoạt động mạnh mẽ chuyển hóa
các vật liệu mang bản chất hữu cơ từ thực vật thành bùn bằng cả hai con đường kị
khí và hiếu khí;
(2) Giai đoạn địa hóa: là giai đoạn xảy ra khi các hoạt động sinh học đã chấm
dứt, thay vào đó quá trình chuyển hóa than có độ biến chất thấp sang than có độ
biến chất cao hơn được kiểm sốt bởi nhiệt độ và áp suất.

14