電動(dòng)力耦合微生物處理落地油泥技術(shù)及應(yīng)用

姬 偉 朱 恒 姜偉光 李 榮 楊波波

(1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田油氣工藝研究院；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田第一采油廠；3.西安工程大學(xué))

0 引 言

近年來(lái)，隨著對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的加強(qiáng)，石油開采及泄漏導(dǎo)致的土壤環(huán)境污染問(wèn)題更加引起相關(guān)部門的重視。針對(duì)落地油泥等石油污染土壤的修復(fù)技術(shù)主要包括物理法、化學(xué)法、生物法[1-2]，從修復(fù)成本、操作性及安全性等方面考量，3種方法各有利弊卻優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，其中生物法因投資少、效率高得到廣泛關(guān)注。

國(guó)內(nèi)外開始采用生物法處理石油污染物，分別始于20世紀(jì)60年代及90年代[3-4]，經(jīng)歷修復(fù)方式、菌種優(yōu)選、處理工藝等方面的探索。但微生物難以降解石油烴中難降解、不溶性污染物與土壤腐殖質(zhì)結(jié)合在一起的部分，易受溫度、濕度、含氧等環(huán)境因素的影響，平均降油率僅達(dá)65%～70%左右，降解周期平均為38 d，需進(jìn)一步對(duì)該方法進(jìn)行研究探索。

生物法處理石油污染土壤從修復(fù)方式方面分類，大體可分為通過(guò)篩選土著微生物的生物強(qiáng)化方式，微生物聯(lián)合表面活性劑或營(yíng)養(yǎng)鹽的生物刺激方式，通過(guò)加氧進(jìn)行培養(yǎng)降解的生物通風(fēng)方式；從菌種優(yōu)選方面進(jìn)行分類，可分為采用芽孢桿菌屬、放線菌屬、微桿菌屬等單一菌屬，或兩種及以上菌種組合的復(fù)合菌屬；從處理工藝方面進(jìn)行分類，可分為污染地原位修復(fù)和異位集中處置修復(fù)兩種。

國(guó)內(nèi)外科研人員在眾多領(lǐng)域均嘗試開展學(xué)科聯(lián)合，如生物-植物聯(lián)合修復(fù)治理VOCs、鐵碳微電解方式處理措施返排液等，相對(duì)于單一處理技術(shù)效率均有明顯提升。電動(dòng)力學(xué)與生物學(xué)在處理落地油泥方面的聯(lián)合，之前有學(xué)者開展了該技術(shù)的可行性研究，但現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)較少，且并未進(jìn)行油田范圍內(nèi)的推廣。

1 電動(dòng)力耦合微生物技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

微生物在弱堿性土壤條件下會(huì)帶負(fù)電荷，通過(guò)外加靜電場(chǎng)，可使土壤內(nèi)部發(fā)生水解產(chǎn)生[H+]和[O-]，其中[H+]可以作為能量離子用于激活及促進(jìn)污染物自由基的清除，[O—]因帶有負(fù)電荷，可對(duì)細(xì)小顆粒污染物有凝聚沉降效果，并為芽孢桿菌、放線菌等好氧菌種提供氧氣；兩種離子協(xié)同作用達(dá)到對(duì)石油烴的降解、去除、分離效果。

1.2 技術(shù)參數(shù)

通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，開展了電極材料、電動(dòng)傳輸方式、電場(chǎng)強(qiáng)度的篩選[5-7]。一是通過(guò)對(duì)石墨、鐵、鈹銅3種材料電極的降油率對(duì)比，發(fā)現(xiàn)3種材料的降解效果相當(dāng)，但考慮到石墨材質(zhì)的安全性更高、導(dǎo)電好、耐腐蝕等特點(diǎn)，選用石墨電極；二是針對(duì)板式、網(wǎng)格式、斜插式、直插式4種電動(dòng)傳輸方式降油率進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，油污土壤含油率均有不同程度下降，但直插式下降速率最快；三是針對(duì)2，1，0.5，0 V/cm 4種電場(chǎng)強(qiáng)度下的實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)一定的電場(chǎng)強(qiáng)度可以增加降解速率，但2 V/cm較1 V/cm降解速率有所下降，說(shuō)明強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)微生物降解有一定的抑制作用，故選用1 V/cm的電場(chǎng)強(qiáng)度。

1.3 高效菌種篩選

實(shí)驗(yàn)室通過(guò)從落地油泥土樣中篩選出土著菌種H-1(鄰單胞菌屬)、H-2(芽孢桿菌屬)，經(jīng)活化培養(yǎng)-發(fā)酵-擴(kuò)培3個(gè)環(huán)節(jié)，培植高效復(fù)合菌種。

1)活化培養(yǎng)：將A-1(鄰單胞菌屬)、A-2(芽孢桿菌屬)兩種菌種接種到適量大小的固定器皿中，同時(shí)裝入200 mL牛肉膏蛋白胨，在恒溫振蕩培養(yǎng)箱中于35℃、140 r/min的條件下活化培養(yǎng)48 h；

2)發(fā)酵：配制約5 L和10 L的培養(yǎng)基在高溫下(>100℃)滅菌20 min，繼續(xù)用75%酒精對(duì)罐體潤(rùn)洗消毒，后將滅菌過(guò)的液體培養(yǎng)基倒入發(fā)酵罐中；

3)擴(kuò)培：將A-1、A-2菌液按照1∶1的比例混合接入兩個(gè)發(fā)酵罐內(nèi)，發(fā)酵48 h后取出倒入20 L已消毒的塑料桶內(nèi)，再加入0.6 g硝酸銨、0.1 g磷酸二氫鉀氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)后即得到配制菌種。

1.4 中試裝置研發(fā)

1)箱體構(gòu)成

整套裝置由4個(gè)單箱體組成，單箱體底部鋪墊竹膠板，周圍用竹膠板作為擋板，同時(shí)在長(zhǎng)邊上沿用15 cm長(zhǎng)鋼管加固竹膠板。

2)裝置模塊

裝置電氣控制系統(tǒng)由電極供電、傳感器、PLC柜3個(gè)模塊構(gòu)成。第一個(gè)模塊是為電極提供電力，主要控制電壓大小、供斷電及供電時(shí)間；第二個(gè)模塊是為傳感器提供電力，以完成傳感器工作狀態(tài)、數(shù)據(jù)采集及儲(chǔ)存功能；第三個(gè)模塊是電氣控制系統(tǒng)的操作平臺(tái)，用于對(duì)該系統(tǒng)的啟停及程序設(shè)置。

3)關(guān)鍵參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置相關(guān)參數(shù)

4)自動(dòng)化組態(tài)軟件

本裝置自動(dòng)化組態(tài)軟件采用MCGS工程組態(tài)軟件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案，軟件能實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集、監(jiān)控及檢測(cè)。

2 油田現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)試驗(yàn)

2.1 落地油泥檢測(cè)

選擇某油田開展電動(dòng)力聯(lián)合生物修復(fù)技術(shù)試驗(yàn)。首先對(duì)原有土壤及落地油泥的理化性質(zhì)進(jìn)行室內(nèi)檢測(cè)[8-9]。落地油泥與潔凈土壤(油田附近未受石油烴及其他物質(zhì)污染的土壤)各項(xiàng)理化性質(zhì)比較見(jiàn)表2。

表2 落地油泥與潔凈土壤理化性質(zhì)比較

該落地油泥樣品含油率為13.7%，含水率為20%，氮磷鉀總含量低于潔凈土壤，pH值7.7，與潔凈土壤接近，無(wú)顯著改變。研究發(fā)現(xiàn)，落地油泥的有機(jī)質(zhì)明顯增加，電導(dǎo)率有所降低。

采用掃描電鏡對(duì)落地油泥樣品的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，并進(jìn)行了樣品的能譜分析，結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 落地油泥掃描電鏡照片

圖2 油泥樣品能譜分析

通過(guò)掃描電鏡及能譜分析可以看出，油泥樣品表面粗糙且顆粒物較多，碳源均在50%以上，且含有少量的氧元素和微量元素，這為菌種降解含油土壤提供了足夠的營(yíng)養(yǎng)，同時(shí)也可供土著微生物和接種菌種的生長(zhǎng)和繁殖。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)

針對(duì)落地油泥土樣分兩輪開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。第一輪主要對(duì)菌劑、電場(chǎng)與翻堆等參數(shù)進(jìn)行對(duì)比研究，第二輪對(duì)生物表面活性劑、脈沖電場(chǎng)等參數(shù)進(jìn)行對(duì)比?，F(xiàn)場(chǎng)兩輪對(duì)比試驗(yàn)安排見(jiàn)表3。

表3 現(xiàn)場(chǎng)兩輪對(duì)比試驗(yàn)安排

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)電動(dòng)力-微生物法處理，25 d后即可將含油率降至2%以下。相比單一技術(shù)，該工藝在降解效率方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)降油曲線見(jiàn)圖3。3種方法對(duì)石油類降解效果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖4。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)降油曲線

圖4 3種方法對(duì)石油類降解效果統(tǒng)計(jì)

對(duì)落地油泥的含油率進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，得到修復(fù)后土壤的最終降油率改變情況，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 兩處理組降油率統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)結(jié)果表明，電場(chǎng)耦合微生物技術(shù)的修復(fù)效果優(yōu)勢(shì)明顯，處理效果較單純微生物方式優(yōu)越15%以上，添加生物表面活性劑后，其效果在耦合基礎(chǔ)上再提升約5%，定期翻堆也會(huì)提高修復(fù)效果，而改用脈沖電場(chǎng)則無(wú)明顯改善效果。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié) 論

1)采用開發(fā)出的耦合中試試驗(yàn)裝置與制備出的高效復(fù)合菌劑體系，開展了電場(chǎng)耦合微生物降解處理現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。電動(dòng)力耦合微生物處理技術(shù)對(duì)落地油泥修復(fù)效果為最佳，微生物法次之，電動(dòng)力法效果最差，印證了電動(dòng)力耦合微生物處理落地油泥技術(shù)的優(yōu)越性。

2)通過(guò)開展添加生物表面活性劑及脈沖電場(chǎng)試驗(yàn)，耦合處理比單純微生物處理效果提升15%以上，表面活性劑添加會(huì)在耦合基礎(chǔ)上再提高約5%，定期翻堆也會(huì)提高修復(fù)效果，但脈沖電場(chǎng)提高效果不顯著。

3.2 建 議

1)電場(chǎng)耦合微生物技術(shù)處理落地油泥相對(duì)于單一處理方式有一定的優(yōu)越性，但要取得最佳處理效果，還需在菌種組合、土壤環(huán)境等方面進(jìn)一步探索。

2)中試裝置采取電動(dòng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在提高土壤濕度時(shí)將對(duì)裝置產(chǎn)生電極干擾，需進(jìn)一步研究添加方式及適宜添加量對(duì)降解效率提升的影響。