水基鉆井固廢生物資源化土壤利用技術(shù)效果分析

陳立榮，喬川，包莉軍，馮永東，蔣學(xué)彬，沈弼龍，張敏，劉漢軍

(1.中國石油川慶鉆探工程公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院，四川廣漢 618300；2.中國石油西南油氣田分公司質(zhì)量安全環(huán)保處, 四川成都 610051；3.中國石油西南油氣田公司勘探事業(yè)部，四川成都 610500)

由于石油天然氣鉆井的特殊性，水基鉆井過程中將產(chǎn)生大量的水基固體廢物，常稱鉆井固廢，一般每口井平均每米進尺產(chǎn)生量為0.3 m3～0.4 m3[1]，一口深度為5000 m的鉆井，其固廢產(chǎn)生量將達1500 m3左右。這些固廢主要為鉆屑及廢水處理渣泥、清掏泥漿罐產(chǎn)生的廢棄渣泥、鉆井過程產(chǎn)生的廢棄泥漿等，具有色度高、有機物含量高、懸浮物多、有害重金屬含量較低等特點，并含有一定的油類物質(zhì)，具有一定的環(huán)境危害性。目前四川油氣田對水基鉆井固廢的處理方式主要為固化填埋及拉運至當(dāng)?shù)卮u廠制磚利用，這兩種方式均存在一定缺陷，有些方面并不符合國家節(jié)能減排及生態(tài)文明建設(shè)要求。因此，對其資源化土壤利用技術(shù)的研發(fā)具有現(xiàn)實意義，也是國內(nèi)外固廢處置利用的發(fā)展方向[2]。

1 水基鉆井固廢概況

四川油氣田常規(guī)鉆井主要采用水基聚合物和磺化鉆井液體系，不同的鉆井液體系對應(yīng)產(chǎn)生的固廢性質(zhì)存在較大差異，聚合物鉆井液體系固廢色度淺、有機物含量不高，COD一般為300 mg/L～600 mg/L；而磺化鉆井液體系固廢通常呈褐色或黑褐色，COD一般為2000 mg/L～10 000 mg/L，但這兩種固廢都具有懸浮物多、有害重金屬含量較低等特點，調(diào)查分析了15口井不同井深段處不同鉆井液體系，對應(yīng)的鉆井液中的Pb、Cu、As、Hg等有害重金屬含量情況，結(jié)果均小于《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染物風(fēng)險管控標(biāo)準》(GB 15618—2018)(試行)中管控標(biāo)準值；調(diào)查分析了2口水基鉆井固廢中苯并[a]芘等29種揮發(fā)性有機污染物質(zhì)情況，只有3種有微量的檢出，其余均未檢出。張思蘭等[3]也曾研究認為四川油氣田所在的川渝地區(qū)頁巖氣水基鉆井固廢中有害重金屬含量都低，苯并[a]芘、可吸收鹵化物滿足相關(guān)標(biāo)準要求，除有效磷、堿解氮質(zhì)量比較低外，速效鉀、有機質(zhì)等養(yǎng)分滿足國家城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準《綠化種植土壤》(CJ/T 340—2016)要求。這為四川油氣田水基固廢生物處理資源化土壤利用奠定了基礎(chǔ)。

2 生物資源化土壤利用原理和工藝

2.1 處理利用原理

微生物具有極強的代謝多樣性特征，參與了自然界物質(zhì)循環(huán)和能量代謝，其降解廢棄物潛力大，具有分解快、成本低、降解徹底[4]，能夠?qū)崿F(xiàn)廢棄物資源化利用等優(yōu)勢。而土壤具有一定的腐殖質(zhì)，能促進土壤微生物的活動，其微生物在土壤中能分解有機質(zhì)、礦物質(zhì)、固定氮素[5-7]。土壤的組成、性質(zhì)及性能具有促進微生物活動的作用，因此微生物與土壤兩者具有協(xié)同促進作用，兩者聯(lián)合有利于促進提高降解污染物的能力，有利于微生物將鉆井固廢中的復(fù)雜有機物一部分轉(zhuǎn)化成腐殖質(zhì)組分，一部分降解為簡單的無機物甚至CO2和H2O，從而使鉆井固廢中的污染物得到去除，達到無害化處置、資源化利用的目的[10]。固廢生物資源化土壤利用技術(shù)把土地耕作、生物菌降解和生物堆三種固廢處置技術(shù)有效集成，形成一種強化生物堆修復(fù)技術(shù)，提高了微生物對污染物的降解去除效果，并縮短了降解時間。

2.2 處理利用工藝

把室內(nèi)篩選出安全優(yōu)勢的微生物降解菌株制備成液體或固體菌種，然后用于現(xiàn)場，先充分混勻待處理的鉆井固廢，混勻后按一定比例直接加入微生物降解菌株并充分混勻，然后根據(jù)待處理固廢的含水量情況加入待處理固廢量0.5倍～2倍的較細土壤，充分混勻后堆放，并在其表面覆新鮮土2 cm～5 cm厚，其上播撒種植觀賞或薪柴植物，形成鉆井固廢—微生物—植物聯(lián)合降解體系[8-9]。

3 生物資源化土壤利用效果研究

3.1 應(yīng)用井概況

目前該技術(shù)已在四川油氣田應(yīng)用于甲井和乙井等15口井，共處置土壤化利用水基鉆井固廢10 000 m3以上?，F(xiàn)正在四川油氣田逐步得到推廣應(yīng)用。本文重點對甲井和乙井的應(yīng)用情況進行分析。

甲井位于四川省雅安市碧峰峽鎮(zhèn)，完鉆井深4444 m。乙井位于重慶市壁山縣大興鎮(zhèn)，最深井深4322 m。甲、乙井固廢處置資源化土壤利用的表觀效果見圖1。

3.2 采樣與檢測

施工完畢后間隔2～3個月對土壤定期進行追蹤采樣監(jiān)測分析。采用鉆探機、土樣采樣器或鏟挖方式多點采集試驗土樣，采集深度為表層土以下30 cm～50 cm，并對不同深度的土壤進行了取樣檢測，以了解不同深度污染物降解情況。采集的樣品混勻后分裝于無菌塑料袋中帶回送有資質(zhì)的第三方實驗室分析。植物樣品的采集為植物葉或果實。土壤中主要非重金屬類指標(biāo)主要分析的是其浸出液指標(biāo)；土壤中重金屬類指標(biāo)按GB 15618—2018標(biāo)準[11]分析了其含量；浸出液由檢測單位按檢測方法要求制備。

3.3 應(yīng)用效果

3.3.1甲井的監(jiān)測效果分析

從甲井的追蹤監(jiān)測結(jié)果(見表1和表2)可以看出：采用生物法處理水基鉆井固廢土壤利用，經(jīng)3個月及以上時間的降解處理，形成的土壤中一些有害重金屬濃度無顯著變化，但與本底值相比，表2中個別指標(biāo)如Pb含量還是有一定程度增加，主要原因可能是該井鉆井固廢中其值比所加土的本底值高，因而造成形成的土壤中其值有一定程度增加，但均不超過《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染物風(fēng)險管控標(biāo)準》(GB 15618—2018)(試行)(其他，pH>7.5，風(fēng)險篩選值限值)。雖然生物降解對多數(shù)重金屬指標(biāo)無降解效果，但由于鉆井固廢中有害重金屬含量本身很低，處理后形成的土壤中的有害金屬通常不會超標(biāo)。鉆井固廢中的主要污染物油類物質(zhì)、COD降解顯著，降解率達90%以上，土壤浸出液COD、油類物質(zhì)等指標(biāo)達到了國家《污水綜合排放標(biāo)準》(GB 8978—1996)一級標(biāo)準，降解時間越長，污染物指標(biāo)也越低；部分井不同深度監(jiān)測結(jié)果表明，雖然不同深度的土壤中重金屬類及COD等指標(biāo)隨土壤深度變化不明顯，也無規(guī)律性，可能與混合攪拌均勻度有一定關(guān)系，但甲井3#池和4#池及乙井的4#池中的油類物質(zhì)指標(biāo)值很明顯隨深度增加，其值越高，說明表層比深部氧化條件要好些，污染物的降解效果要好些。但由于處理現(xiàn)場的特殊性，施工主要采用挖掘機對生物菌種及鉆井固廢進行混拌，難以使處理物與菌種充分混勻，加之每次取樣點不能保持完全一致性，因此，一些處理池不同時期的監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)了小波動；同時，由于土壤本身含有機質(zhì)成分，其對COD的分析結(jié)果也會造成一定影響。

圖1 丙井完井固廢及植物裁種情況Fig.1 Well drilling solid waste and the plant growth

表1 甲井浸出液中主要非重金屬類指標(biāo)[4]

表2 甲井主要重金屬類指標(biāo)

3.3.2土壤浸出液污染物指標(biāo)分析

為了對形成土壤中的浸出液污染物指標(biāo)作更全面了解，我們于2015.6.25—2015.6.26日采集了甲井和乙井的土壤，分別送具有資質(zhì)的浙江中科院應(yīng)用技術(shù)研究院分析測試中心和北京新奧環(huán)標(biāo)理化分析測試中心進行了檢測分析，結(jié)果見表3。從表3可看出，2口井4個不同樣品的10個有機農(nóng)藥類、12個非揮發(fā)性有機化合物類和12個揮發(fā)性有機化合物類指標(biāo)均未被檢出，各點16個無機元素及化合物指標(biāo)，分別只有3個指標(biāo)被檢出，其他13項指標(biāo)都未被檢測出，3個樣品中所檢測出的指標(biāo)只有氟化物1個指標(biāo)超過《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準》(GB 38380—2002)Ⅴ類標(biāo)準值，即適用于農(nóng)業(yè)用水的標(biāo)準值，其余指標(biāo)均不超過此標(biāo)準值。主要原因是四川油氣田均要對鉆井液處理劑進行產(chǎn)品質(zhì)量檢測，嚴格控制有害重金屬超過產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準的處理劑入網(wǎng)和使用。因此，只要所鉆地層中無有害重金屬，就不會增加鉆井固廢中的有害重金屬含量。

表3 土壤浸出液中污染物指標(biāo)監(jiān)測結(jié)果

3.3.3土壤栽種植物有害重金屬分析

對甲乙井處理物形成的土壤上所栽食用植物和自生植物進行監(jiān)測，結(jié)果列于表4。從表4中可看出：食用植物的監(jiān)測結(jié)果符合國家《食品安全國家標(biāo)準 食品中污染物限量》(GB 2762—2012)蔬菜及制品類標(biāo)準限值要求[13]，無重金屬生物富集或轉(zhuǎn)移情況，主要原因是鉆井固廢重金屬含量低。但由于附近村民都栽種季節(jié)性植物，加之一些鉆井處理后當(dāng)?shù)匾粫r沒有對其應(yīng)用，只栽種了一些草種或自然生長了一些雜草，會自然隨季更新，難以對一種植物進行持續(xù)追蹤監(jiān)測。同時，由于本研究工作的缺失，沒有與處理現(xiàn)場附近的相關(guān)植物中的重金屬含量作對比調(diào)研分析。監(jiān)測中也發(fā)現(xiàn)，甲井4#池中所長的槐樹葉中Hg含量約超過標(biāo)準，因其土壤中Hg含量很低，不排除是由分析誤差造成的。

表4 植物中主要重金屬含量

3.3.4土壤肥力指標(biāo)監(jiān)測分析

對甲乙井及其他應(yīng)用井共6個現(xiàn)場的處理物形成的土壤主要肥力有機質(zhì)、有效磷、有效氮、速效鉀和全氮等指標(biāo)進行了監(jiān)測，結(jié)果表明：處理2個月后形成的處理物土壤主要肥力指標(biāo)多數(shù)增加20%以上，特別是有機質(zhì)增加明顯。主要原因是鉆井固廢中，特別是廢棄泥漿中由于含有一些有機腐植質(zhì)處理劑成分，因此，土壤有機質(zhì)含量增加明顯。

4 結(jié)論與建議

水基鉆井固廢生物處理資源化土壤利用效果追蹤監(jiān)測結(jié)果初步表明，采用生物處理技術(shù)處理利用鉆井固廢，使其轉(zhuǎn)變成一般可裁性土壤具有可行性；該技術(shù)與四川油氣田現(xiàn)在采取的外送制磚利用相比，更具經(jīng)濟安全環(huán)保性；與固化填埋相比，使固化填埋占用地變成了可耕地，實現(xiàn)了生態(tài)修復(fù)和可持續(xù)發(fā)展。生物處理鉆井固廢資源化土壤利用技術(shù)，不需要添加任何化學(xué)添加劑，提供了一種新的處理利用方式，符合國家環(huán)保節(jié)能政策，克服了現(xiàn)行以水泥為主要固化劑的固化填埋處理中大量水泥的使用，既節(jié)約了資源能源，又減少了處置物占用地，由此帶來的環(huán)境和生態(tài)效益明顯。由于此技術(shù)能將鉆井固廢中的有機物轉(zhuǎn)變成土壤腐殖質(zhì)組分，實現(xiàn)了變廢為寶，使鉆井固體變成了可栽種土壤，形成的土壤有害重金屬指標(biāo)符合現(xiàn)《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染物風(fēng)險管控標(biāo)準》(GB 15618—2018)(試行)(其他，pH>7.5，風(fēng)險篩選值)，可栽種一般植物。建議四川油氣田加大推廣應(yīng)用力度。此技術(shù)可拓展豐富油氣鉆井水基固廢資源化處置利用的途徑。建議全國陸上其他油氣田可示范應(yīng)用。利用該項技術(shù)時，需添加一定量的新鮮土，應(yīng)使土粒粒徑盡可能小，并在施工過程中充分混勻菌種與固廢和新鮮土?，F(xiàn)場施工完畢要保持處理混合體系于一定濕度，以便確保生物降解處理效果。