油田污水除油菌種篩選及除油效果評價

沈克勤，莊建全，羅江濤

(1.中國石化江蘇油田分公司勘探開發(fā)研究院，江蘇 揚(yáng)州 225009；2、中國石化江蘇油田分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

油田污水除油菌種篩選及除油效果評價

沈克勤1，莊建全2，羅江濤2

(1.中國石化江蘇油田分公司勘探開發(fā)研究院，江蘇 揚(yáng)州 225009；2、中國石化江蘇油田分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

油田污水處理中，受油田污水高鹽度等因素影響，外來除油菌種生長受到抑制，難以形成優(yōu)勢菌群，除油效率不高，生化工藝在油田污水處理中的應(yīng)用受到制約。針對此問題，通過建立油田污水除油菌種的分離評價方法，篩選高效土著除油菌種，通過室內(nèi)測試評價除油潛力，得到兩株油田土著菌株ZX-7、ZX-11。將該菌株接種到生化處理系統(tǒng)中，使其在污水中成為優(yōu)勢菌群，其除油效率可達(dá)97.6%，大大提高生化工藝的除油效率。在現(xiàn)場應(yīng)用中，采用該菌的生化系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了良好的除油效果。

油田污水 菌種篩選 除油 生化水處理

在油田污水處理工藝中，傳統(tǒng)物化處理工藝復(fù)雜，沉降分離設(shè)備常常不能發(fā)揮應(yīng)有的作用，使出水水質(zhì)隨來水波動大，穩(wěn)定性差，處理后出水含油量等指標(biāo)經(jīng)常超標(biāo)。相對于物理和化學(xué)除油方法而言，生物處理方法具有成本低、水質(zhì)穩(wěn)定、無二次污染等優(yōu)勢[1]。

微生物能夠降解石油的事實(shí)早在1941年就已經(jīng)確認(rèn)[2]。中國石油大學(xué)采用水解酸化-接觸氧化方法處理油田采出水，COD去除率達(dá)到65.3%[3]。但受采油水中高鹽含量和養(yǎng)分含量不足等因素限制，投加的外來除油菌適應(yīng)油田污水環(huán)境能力差，其繁殖速度慢，難以長期穩(wěn)定存在，除油效率低。有不少研究者試圖分離油田污水中除油菌株用于含油污水處理[4]。但是由哪些微生物組成的群落降解石油烴效率高，至今未見報道。有幾篇[5,6]關(guān)于采油水中土著微生物群落，其主要組成有Firmicutes, Bacteroidetes, δ-Proteobacteria, Spirochaetes, Thermotogales and γ-Proteobacteria。

江蘇油田從污水處理系統(tǒng)中分離、純化出高效除油菌種，其具有耐受礦化度高、除油效率高等特點(diǎn)，并在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的水處理效果。

1 土著除油菌種的篩選

自然界中，微生物無論數(shù)量還是種類都極其豐富。要得到某種特殊或者高效的細(xì)菌，就需要在特定的培養(yǎng)基和培養(yǎng)環(huán)境下進(jìn)行微生物選育[7]。

1.1 分離材料來源和采集方法

(1)主要試驗(yàn)材料和設(shè)備：高溫滅菌的離心管若干、高溫滅菌的可封口的塑料袋若干、高溫滅菌的取樣鏟、刀片若干、冰袋若干、保溫盒1～2只、-20℃冰箱、制冰機(jī)。

(2)采樣方法：樣品來自江蘇油田某采油廠含油污水。樣品置于事先滅菌的、帶蓋的塑料離心管中，蓋上管蓋，用膠帶在外圍封口，裝入預(yù)先滅菌的、可封口的塑料袋中，然后置于盛有冰袋的保溫盒中，迅速帶回實(shí)驗(yàn)室。暫時不使用時置于-20℃冰箱內(nèi)保存。

1.2 分離、純化方法

(1)主要材料：培養(yǎng)基(YDB-1：10 g；JCM01：5 g；NC03：10 g；FYH03：18 g；水：1 L，pH 7.5)；無菌水若干；培養(yǎng)皿若干。

(2)主要儀器:高壓蒸汽滅菌鍋、超凈工作臺、培養(yǎng)箱、生物顯微鏡。

(3)菌株分離純化方法：分離純化采用稀釋平板法(見圖1)。

圖1 稀釋平板法步驟

制備含油污水稀釋溶液：稱取含油污水樣品10 mL，放入盛有90 mL無菌水和玻璃珠的三角燒瓶，振動約20 min，使樣品與水混合，將細(xì)胞分散。用一支1 mL無菌吸管從中吸取1 mL含油污水加入盛有9 mL無菌水的大試管中充分混勻，然后用無菌吸管從此試管中吸取1 mL加入另一個盛有9 mL無菌水的試管中，混合均勻，以此類推制成10-1，10-2，10-3，10-4，10-5，10-6不同稀釋的含油污水/污泥溶液。材料中微生物數(shù)量不同，需要稀釋至10-9。

倒平板：將LB培養(yǎng)基加熱融化，待冷至55～60℃，混勻后分別倒平板，每種培養(yǎng)基倒三皿。每皿倒入約20 mL，放置在試驗(yàn)臺面上，靜置冷卻至瓊脂凝固。

涂布：將上述三個培養(yǎng)基平板分別標(biāo)注10-4，10-5，10-6三種稀釋度，然后用無菌吸管分別吸取對應(yīng)含油污水/污泥稀釋液0.1 mL，對號放入，室溫下靜置5～10 min，使菌液吸附進(jìn)培養(yǎng)基。

培養(yǎng)：將平板倒置，放在30℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)2～3天，直至培養(yǎng)皿中長出適度大小的菌落(圖2)。

圖2 稀釋平板法得到的菌落照片

挑菌落：將培養(yǎng)后長出的單個菌落分別挑取少許細(xì)胞接種到上述培養(yǎng)基的斜面上，分別置28℃和37℃溫室培養(yǎng)，大菌苔長出后，檢查其特征是否一致，同時將細(xì)胞涂片染色后用顯微鏡檢查是為單一的微生物。若發(fā)現(xiàn)有雜菌，需要再一次進(jìn)行分離、純化，直到獲得純培養(yǎng)。

圖3 可培養(yǎng)微生物劃線純化照片

1.3 含油污水中的菌株分離結(jié)果

根據(jù)微生物學(xué)基本原理：優(yōu)勢類群的微生物決定整個生態(tài)系統(tǒng)的功能。因此，要確定從這些樣品中分離到的微生物哪些是優(yōu)勢類群。優(yōu)勢類群是最有可能對除油做出主要貢獻(xiàn)的微生物。

根據(jù)平板分離中微生物的菌落特征，將菌落區(qū)分成幾種類型，具有相同菌落特征的菌落歸為一類，具有不同菌落特征的菌落歸為不同的類。菌落數(shù)最多的那一類，確定為樣品中的優(yōu)勢類群，次多的認(rèn)定為次優(yōu)勢類群，以此類推，菌落數(shù)很少的那些確定為非優(yōu)勢類群。

從含油污水樣品中培養(yǎng)出的所有菌落，經(jīng)過反復(fù)純化，得到42個純菌株。按照菌落特征和細(xì)胞形態(tài)，具有相同菌落特征和細(xì)胞形態(tài)的純菌株歸為一類，具有不同菌落特征和細(xì)胞形態(tài)的純菌株歸為不同的類，42個純菌株共分成14類。

42個純菌株中，具有與ZX-7相同的菌落特征的菌落數(shù)有25個，占59.5%；具有與ZX-11相同的菌落特征的菌落數(shù)有6個，占14.3%；其余菌落只有2～3個，可以認(rèn)為不是優(yōu)勢菌落。

通過經(jīng)16SrRNA基因序列擴(kuò)增測序比對，ZX-7屬于Bacillus菌，ZX-11屬于BetaProteobacteria菌。

1.4 菌株除油潛力分析

ZX-7和ZX-11在含油污水樣品中占有明顯的優(yōu)勢地位，需檢測這些菌株是否具有降解原油的能力，以便判斷篩選出的菌劑是否為除油菌劑。含油量的監(jiān)測采用紫外光波長掃描的方法，紫外光法測定水中的油，是基于油中含有的帶有共軛鍵和苯環(huán)的芳香族化合物在紫外區(qū)有特征吸收為基礎(chǔ)，通過樣品的紫外光區(qū)吸光度的變化可以快速定性判斷篩選出菌株是否對石油類物質(zhì)有降解作用。

取兩份含油污水150 mL，置于兩只250 mL三角瓶中，調(diào) pH 7.0，加塞滅菌。取10 mL水樣保存。在兩只三角瓶中分別接種篩選的優(yōu)勢菌種ZX-7、ZX-11。在30℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72 h。72h后用掃描紫外分光光度計掃描樣品上清液，比較兩個樣品之間吸收峰譜。吸收峰譜的峰高越高，說明水樣中的有機(jī)成分越多(包括原油)，相反則說明水樣中的有機(jī)成分越少，以此來定性評價菌株在采油水處理方面的效果。

紫外波譜顯示(見圖4)，菌株ZX-7處理后的水樣在掃描的波長范圍內(nèi)(200～340 nm)吸光度明顯低于處理前的水樣，表明菌株ZX-7具有處理油田污水的良好潛力。菌株ZX-11具有與ZX-7類似的效果。

圖4 菌株ZX-7、ZX-11處理前后水樣紫外波譜

2 菌種除油效果評價

在室內(nèi)微生物除油效果評價系統(tǒng)中評價除油菌株的處理效果(見圖5)。

圖5 室內(nèi)微生物除油效果評價系統(tǒng)

將ZX-7、ZX-11制成復(fù)合菌劑投加到評價系統(tǒng)中。系統(tǒng)在啟動成功后[8〗，生物膜生長狀況示于圖6所示，感官表現(xiàn)為粘稠、濃厚，手觸摸有滑感，手工剝離不容易脫落，系典型的生物膜特點(diǎn)。粘稠、濃厚的生物膜指示，生物膜開始能夠忍受一定程度的沖擊(比如油田污水的高鹽分等)，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段。

圖6 室內(nèi)除油評價系統(tǒng)中生物膜生長狀況

系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段后，生化系統(tǒng)進(jìn)水含油量18～234 mg /L，出水含油量0～2 mg/L，除油率在97.6%以上，處理效果非常好，生化出水均已達(dá)到注水水質(zhì)A級標(biāo)準(zhǔn)(見圖7)。

圖7 室內(nèi)評價系統(tǒng)除油效果

通過對評價系統(tǒng)運(yùn)行中菌落特征劃分及菌種檢測鑒定發(fā)現(xiàn)，從系統(tǒng)的啟動到穩(wěn)定運(yùn)行，ZX-7、ZX-11菌落數(shù)量增多并穩(wěn)定存在，說明這兩類菌能夠適應(yīng)污水環(huán)境，隨著時間進(jìn)程逐漸成為優(yōu)勢菌群，并在系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用，見表1。

表1 室內(nèi)模擬統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu)

由此可見，篩選出的ZX-7、ZX-11菌株具有高效的除油效果，并能在系統(tǒng)中穩(wěn)定存在呈主導(dǎo)作用，除油率達(dá)到了97.6%以上。目前這兩株菌已經(jīng)在國家微生物保藏中心保藏。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

將篩選出的高效除油菌種制成復(fù)合菌劑在江蘇油田FX水處理站進(jìn)行接種應(yīng)用。該站改造前，由于進(jìn)水水質(zhì)波動較大，導(dǎo)致所在區(qū)塊整體注水壓力高、區(qū)塊注水量達(dá)不到配注要求。

該系統(tǒng)主體采用生化+精濾處理工藝。設(shè)計處理量300 m3/d。污水經(jīng)冷卻塔冷卻至32℃以下，進(jìn)入緩沖池，緩沖池出水依次進(jìn)入一級微生物池、二級微生物池，微生物池底部設(shè)高效微孔曝氣器，微生物池中設(shè)微生物載體填料，二級微生物池出水進(jìn)入沉降池，經(jīng)過濾提升泵提升后進(jìn)入精細(xì)過濾系統(tǒng)。

由于濁度是污水水質(zhì)最直觀的體現(xiàn)，具有測試簡便、快速的特點(diǎn)，因此在FX站生化系統(tǒng)運(yùn)行階段，連續(xù)監(jiān)控生化處理流程的濁度變化。從圖8的數(shù)據(jù)上看：生化系統(tǒng)啟動的第10天，系統(tǒng)出水濁度已經(jīng)降至小于10 NTU，系統(tǒng)進(jìn)入平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)。從水質(zhì)監(jiān)測情況看，該站采用微生物處理工藝后，水質(zhì)明顯改善(見表2)，主要指標(biāo)達(dá)A級水質(zhì)指標(biāo)要求，站內(nèi)注水量由3 m3/h上升到5.5 m3/h，注水壓力下降1.5 MPa。說明從油田污水中篩選的除油菌株具有高效的除油能力，能滿足油田污水生化處理現(xiàn)場要求。

圖8 FX生化系統(tǒng)濁度變化情況

4 結(jié)論

(1)采用平板分離方法，從江蘇油田含油污水樣品中分離出42株純菌株，確定其中優(yōu)勢除油菌株2株，優(yōu)勢程度從高到低依次為ZX-7、ZX-11。

(2)分離出的優(yōu)勢菌株能很好適應(yīng)油田污水高礦化度環(huán)境，通過室內(nèi)除油評價看出，該菌株可在系統(tǒng)中穩(wěn)定存在并起除油主導(dǎo)作用，除油率達(dá)到了97.6%以上。

(3)采用ZX-7、ZX-11制備的復(fù)合菌劑在現(xiàn)場應(yīng)用中取得了良好效果，系統(tǒng)可在10天內(nèi)使出水濁度達(dá)10 NTU以下，并達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，水質(zhì)得到明顯改善，主要指標(biāo)達(dá)A級水質(zhì)指標(biāo)。

[1] 李希明.勝利油田污水生化處理技術(shù)進(jìn)展[J].石油鉆采工藝，2008,30(2):97-99.

[2] BUSHNELL LD, HAAS HF. The utilization of certain hydrocarbons by microorganisms[J]. Bacteriol, 1941,41(5):653-673.

[3] LU Mang，ZHANG Zhongzhi，YU Weiyu，ZHU Wei. Biological treatment of oilfield-produced water: A field pilot study[J]. International Biodeterioration and Biodegradation，2009, 63(3):316-321.

[4] VASCONCELLOS SPD，CRESPIM E，CRUZ GFD，SENATORE DB，SIMIONI KCM. Isolation, biodegradation ability and molecular detection of hydrocarbon degrading bacteria in petroleum samples from a Brazilian offshore basin[J]. Organic Geochemistry，2009, 40(5):574-588.

[5] DAHIE H，GARSHOL F，MADSEN M，BIRKELAND NK. Microbial community structure analysis of produced water from a high-temperature North Sea oil-field[J]. Antonie van Leeuwenhoek，2008, 93(1):37-49.

[6] KASTER KM，BONAUNET K，BERLAND H，KJEILENEILERTSEN G，BRAKSTAD OG. Characterisation of culture-independent and -dependent microbial communities in a high-temperature offshore chalk petroleum reservoir[J]. Antonie van Leeuwenhoek,2009, 96(4):423-439.

[7] 張學(xué)洪，謝慶林，王敦球，等.高鹽度采油廢水生物處理技術(shù)研究與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[8] 莊建全，羅江濤，吳波，等.油田含油污水生化處理系統(tǒng)快速啟動技術(shù)[J].復(fù)雜油氣藏，2013,(4):77-80.

Screeningofoil-removingstrainsandevaluationofoilremovalefficiencyforoilfieldwastewater

SHEN Keqin1, ZHUANG Jianquan2,LUO Jiangtao2

(1.ExplorationandDevelopmentResearchInstituteofJiangsuOilfieldCompany,SINOPEC,Yangzhou225009,China;2.PetroleumEngineeringTechnologyResearchInstituteofJiangsuOilfieldCompany,SINOPEC,Yangzhou225009,China)

In the treatment of oilfield wastewater, influenced by the factors such as high salinity etc., the growth of the exotic oil removal strains is inhibited. So it is difficult to form the dominant microflora. Because of lower oil removal efficiency, the application of the biochemical process is restricted in the treatment of oilfield wastewater. Aiming at the problem, the separation and evaluation method for oil-removing strains was established. Studies were carried out on the screening of high effective indigenous oil-removing strains and the evaluation of the oil removal efficiency. So the two indigenous strains, ZX-7 and ZX-11, were obtained. After inoculating the strain into the biochemical treatment system, the dominant microflora was formed in the wastewater, with the oil removal efficiency of up to 97.6%. The pilot results showed that the biochemical system is stable and has a good oil removal effect.

oilfield wastewater; strains screening; oil removing; biochemical water treatment

TE35

A

10.16181/j.cnki.fzyqc.2017.04.018

2017-10-18；改回日期2017-11-15。

沈克勤(1967—)，工程師，現(xiàn)從事油田領(lǐng)域化學(xué)分析工作。E-mail:shenkq.jsyt@sinopec.com。

(編輯 韓 楓)