陜北某采油廠石油污染土壤的修復示范工程

馬健波，韓 斌，任文濤，王 楠，周 陽，朱 立

（1. 西安羅克環(huán)境修復有限公司，陜西 西安 710018；2. 陜西羅克環(huán)?？萍加邢薰?，陜西 西安 710018）

陜北黃土丘陵溝壑區(qū)接壤地帶土壤中礦物鹽含量高，有機質(zhì)含量低，土壤貧瘠，土壤微生物種群和數(shù)量少。大規(guī)模的石油開發(fā)對當?shù)赝寥喇a(chǎn)生了一定的影響，調(diào)查顯示，陜北受污染土壤的石油含量已經(jīng)達到5～60 mg/g，受污染面積也累計達到7.0×106m2，使本來就脆弱的生態(tài)環(huán)境承載了巨大的污染負荷［1］。采油廠造成土壤污染的主要途徑包括落地油泥、采油廢水、采油廢棄物堆放和輸油管線泄漏等［2］。

土壤中的石油污染物單靠土壤自身的凈化作用需要20 a左右的時間［3］。針對石油污染土壤，眾多研究者認為，生物修復技術是目前最具前景和潛力的修復方法［4-6］。甄麗莎等［7］研究了黃土高坡油污染土壤中微生物的群落特征，表明一定濃度的石油污染能夠刺激土壤微生物群落中優(yōu)勢種群的生長。張超等［8］利用混合菌群對石油污染土壤進行修復，40 d后的石油降解率達66.95%。國外研究者利用三葉草、苜蓿和大豆等草本植物降解土壤中有機污染物，效果較為顯著［9-11］。而將植物和微生物相結合的植物-微生物聯(lián)合修復技術，在石油污染土壤修復方面更具優(yōu)勢。劉永軍等［12］利用黑麥草-不動桿菌強化修復石油污染土壤，石油烴含量從4420.18 mg/kg降至171.08 mg/kg。劉魏魏等［13］利用紫花苜蓿-菌根真菌和紫花苜蓿-多環(huán)芳烴專性降解菌強化修復多環(huán)芳烴長期污染土壤，相比單獨使用紫花苜蓿的降解率分別提升了26.2%和38.4%。王京秀等［14］和雒曉芳等［15］也在植物-微生物聯(lián)合修復石油污染土壤的研究中取得了較好效果。

但上述植物-微生物聯(lián)合修復技術目前大多僅停留在實驗室研究階段，現(xiàn)場實施的工程項目較少。因此，本工作在前期研究［16-17］的基礎上，采用銅綠假單胞菌-黑麥草聯(lián)合修復技術對陜北某采油廠油井周邊污染土壤進行現(xiàn)場修復示范，以期為該技術的實際應用提供參考。

1 試驗部分

1.1 場地概況

示范場地456井位于陜北某采油廠上方山坡上，井深795 m，投產(chǎn)時間為2003年，停產(chǎn)時間為2013年，最高產(chǎn)油量為4 t/d，井周圍約有700 m2的場地。2019年7月進行了場地勘查，具體情況見表1。

表1 現(xiàn)場踏勘記錄內(nèi)容

1.2 樣品的采集和檢測

根據(jù)現(xiàn)場踏勘，該井場大致呈長方形，長45 m，寬15 m，占地面積675 m2。根據(jù)井口位置、井場地形和場地面積，確定選用放射型布點法，采樣深度為0～40 cm，具體布點情況如圖1所示。圖中：示范區(qū)內(nèi)的1#～3#點位分別對應現(xiàn)場試驗距井口不同距離的3個采樣點；靠近井場的4#點位為平行樣的采集點，采集3個土壤平行樣用于質(zhì)量控制（即通過平行樣檢測，考察檢測結果的準確性）；5#～7#點位為井場周邊的土壤污染監(jiān)測點；8#點位為未污染土壤的采集點。

采用北京華夏科創(chuàng)儀器股份有限公司OIL460型紅外測油儀，按照《土壤 石油類的測定 紅外分光光度法》（HJ 1051—2019）［18］測定土樣的含油量。采用上海儀電科學儀器股份有限公司PHS-3E型pH計，按照《土壤 pH值的測定 電位法》（HJ 962—2018）［19］測定土樣的pH。

圖1 井場采樣布點圖

1.3 試驗方法

1.3.1 小試試驗

將該產(chǎn)油區(qū)的原油與未污染土壤（8#點位采集）攪拌混勻，經(jīng)通風、晾曬、研磨、過篩后制成小試試驗土備用。使用從新疆克拉瑪依采油廠油泥中篩選出的銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）［16］作為石油降解菌，選擇黑麥草（Lolium perenne，其種子購置于江蘇沭陽長景園林苗木場）作為修復植物，進行土壤修復試驗。配制氮磷摩爾比為10∶1的營養(yǎng)液（NH4Cl 7.76 g，KH2PO40.5 g，K2HPO40.5 g，CaCl20.01 g，MgSO40.1 g，純水1000 mL），用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH至設定值后加入到土壤中，使土壤含水率為25%。將銅綠假單胞菌培養(yǎng)28 h左右，待其OD600達到2.0（菌種生長的對數(shù)期）時將菌液接種到石油污染土壤中［17］。菌液投加量5%（質(zhì)量比），環(huán)境溫度25～35℃，黑麥草播種量1 g/kg，修復污染土壤量為5 kg。銅綠假單胞菌-黑麥草小試試驗照片見圖2。

圖2 銅綠假單胞菌-黑麥草小試試驗照片

1.3.2 現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場試驗分為兩個部分。一是采用銅綠假單胞菌-黑麥草聯(lián)合修復井場污染土壤，主要工作程序包括：1）對場地土壤進行翻耕、旋耕；2）播撒銅綠假單胞菌高效石油降解微生物固體菌劑并旋耕；3）播撒植物種子并澆水灌溉，90 d后考察修復效果；4）修復期間定期補水灌溉并取樣觀察檢測。由專人進行持續(xù)跟蹤、維護，觀測菌群生長變化、土壤濕度變化、植物生長狀態(tài)和場地含油量變化。根據(jù)示范場地各個指標變化采取定期澆水、添加菌劑等相應措施，以確保整個修復體系正常、良好發(fā)展。二是黑麥草區(qū)、微生物區(qū)和空白區(qū)的對照試驗，即單獨采用黑麥草修復組、單獨采用微生物修復組以及未采取修復措施的空白組（不添加菌劑和種植黑麥草，其他措施均相同）3組試驗，對照試驗選取油井旁高濃度污染土壤區(qū)域進行。

在現(xiàn)場主要通過以下措施保持土壤環(huán)境接近小試試驗的環(huán)境條件：1）定期噴施水（8～10 d一次），保持土壤的含水率在25%左右；2）定期噴施氮磷營養(yǎng)液（8～10 d一次），保持銅綠假單胞菌產(chǎn)表面活性劑的偏堿性環(huán)境；3）根據(jù)環(huán)境溫度的變化鋪設保溫膜進行罩蓋（即在夜間低溫時對試驗區(qū)進行遮蓋，日間高溫時打開保溫膜），保持環(huán)境溫度在25～35 ℃。銅綠假單胞菌-黑麥草聯(lián)合修復井場污染土壤及對照試驗照片見圖3，其中：左圖為場地的旋耕和平整；中間圖為場地的翻耕；右圖為銅綠假單胞菌-黑麥草聯(lián)合修復試驗區(qū)。

圖3 銅綠假單胞菌-黑麥草聯(lián)合修復井場污染土壤及對照試驗照片

2 結果與討論

2.1 小試試驗結果

保持土壤含水率為25%，營養(yǎng)液pH對土壤pH的影響見表2，原始土壤pH為6.2。前期研究表明，銅綠假單胞菌在偏堿性的土壤條件下可產(chǎn)生表面活性劑，其鼠李糖脂中的羧基游離出來，具有極強的親水性，并通過富集在油表面形成親水化膜，從而減小了糖脂與土壤顆粒間的黏附，增強了生物表面活性劑的增溶及脫附作用，有利于石油污染物的去除［17］。因此，本次小試和現(xiàn)場示范試驗均選用pH為9.0的營養(yǎng)液（對應土壤pH為7.5）。

表2 營養(yǎng)液pH對土壤pH的影響

當土壤含油量過低時，試驗所用銅綠假單胞菌對石油的降解速率較慢，這是由于碳源量不足會抑制單個菌體的生長；另一方面，當含油量過高時，會對細菌產(chǎn)生毒性［17］。在此基礎上實驗室分別進行含油量為27600 mg/kg和44600 mg/kg的石油污染土壤的銅綠假單胞菌-黑麥草聯(lián)合修復小試試驗，結果如圖4所示。兩個含量的石油污染土壤在90 d的修復周期里，含油量分別降至1900 mg/kg和2300 mg/kg，降解效果均較好。銅綠假單胞菌可以石油為碳源產(chǎn)生生物表面活性劑，在含油量較高時產(chǎn)表面活性劑的量較大，因此降解效率較高，最終可達到與較低含油量時相似的修復效果。綜上可知，試驗所用銅綠假單胞菌在本地區(qū)的石油污染土壤中具有較好的適應性，修復效果較好。

圖4 不同含油量污染土壤小試試驗結果

2.2 現(xiàn)場試驗結果

現(xiàn)場試驗的結果見表3和表4。

表3 銅綠假單胞菌-黑麥草聯(lián)合修復效果

表4 對照試驗結果

從表3可以看出，該井周邊土壤受到了不同程度的污染，其最高含油量為9020 mg/kg，本工程采用銅綠假單胞菌-黑麥草聯(lián)合修復技術對其進行修復，修復90 d后含油量降至402 mg/kg，去油率高達95.5%，修復效果顯著。從表4的對照試驗結果可以看出，單獨使用黑麥草或銅綠假單胞菌進行修復的土壤，去油率分別為29.5%或88.8%，而空白區(qū)土壤的去油率為21.8%，三者的修復效果均不及聯(lián)合修復效果。

空白區(qū)石油污染程度有一定的降低，可能是由于自然揮發(fā)或者是土壤中土著菌對石油污染有一定的降解能力。黑麥草區(qū)污染土壤相對空白區(qū)去除率較高，一方面可能是因為植物能夠改善土壤環(huán)境，促進土壤中微生物的生長，從而增強對石油烴的分解利用；另一方面，植物根系本身能夠?qū)ξ廴疚镞M行吸收、降解和固定，有助于土壤中石油烴的降解［20］。

銅綠假單胞菌-黑麥草聯(lián)合修復區(qū)的去油效率高，主要有以下兩方面原因。一方面是由于堿性條件下產(chǎn)生的生物表面活性劑可以通過乳化增溶作用增大烴類物質(zhì)與微生物降解細胞的接觸面積，從而提高石油烴的生物可利用性；同時表面活性劑能夠增大環(huán)境中水油界面的面積，進而促進微生物對石油烴類物質(zhì)的降解利用［16］。另一方面，黑麥草能夠與銅綠假單胞菌在根際形成根際圈，加速菌種對石油污染物的轉(zhuǎn)化和利用。

90 d的修復周期結束后，最大去油率達到95.5%，并且不同采樣位置的土壤含油量檢測結果均低于500 mg/kg，該含量為《農(nóng)用污泥污染物控制標準》（GB 4284—2018）［21］中規(guī)定的可用于耕地、園地、牧草地耕作的A級土壤標準限值。

3 結論

a）從新疆克拉瑪依采油廠油泥中篩選的銅綠假單胞菌在本地區(qū)的石油污染土壤中具有較好的適應性。

b）采用銅綠假單胞菌-黑麥草聯(lián)合修復技術修復石油污染土壤，取得了較好的現(xiàn)場修復效果。該油井周邊土壤的含油量最高為9020 mg/kg。90 d的修復周期結束后，土壤的含油量降至402 mg/kg，去油率高達95.5%，并且不同采樣位置的土壤含油量檢測結果均低于500 mg/kg，滿足《農(nóng)用污泥污染物控制標準》（GB 4284—2018）中的A級土壤標準。單獨使用黑麥草或銅綠假單胞菌進行修復，土壤的去油率分別為29.5%或88.8%，而空白區(qū)土壤的去油率為僅21.8%。

c）生物修復技術是石油污染土壤修復領域最有前景的技術，但土壤中的含油量高低對其修復效果影響較大，目前的生物修復技術對含油量高的土壤修復效果較差，且修復周期長。因此，如何增強菌種降解特性，增加植物根際圈作用，利用微生物的共代謝和植物根際圈作用縮短修復時間，是當前生物修復技術的研究重點。