廢棄鉆井液微生物無害化處理技術(shù)研究進(jìn)展*

孫露露（大慶油田鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院）

廢棄鉆井液產(chǎn)量大、危害強(qiáng)、治理難，是鉆井工業(yè)污染防治的重點(diǎn)，在能源與環(huán)境危機(jī)的雙重壓力下，迫切需要尋求安全有效的方法實(shí)現(xiàn)廢棄鉆井泥漿的的無害化處理和資源化利用，以促進(jìn)廢棄泥漿處置向“無害化、資源化、標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化”方向發(fā)展。

1 現(xiàn)狀

目前微生物處理法以其經(jīng)濟(jì)、高效、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，廣受國內(nèi)外學(xué)者的重視，是廢棄鉆井泥漿處理技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。利用現(xiàn)代微生物工程技術(shù)，針對廢棄泥漿中的有害成分（烴類、重金屬離子、聚合物和鉆屑等其他毒害成分），從中選育具有高效降解轉(zhuǎn)化能力的降解菌，在適宜的環(huán)境條件下，通過微生物在廢棄泥漿中的代謝作用對泥漿中的烴類物質(zhì)進(jìn)行降解、與重金屬相互作用降低有效含量，同時利用嗜鹽微生物在高鹽環(huán)境下的突出代謝能力，使其脫毒、脫膠、脫鹽堿、脫水，從而使廢棄泥漿對生態(tài)環(huán)境造成的污染得以有效治理，達(dá)到無害化處置的目的。

調(diào)研統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在地球環(huán)境中，可降解簡單石油烴類污染物的微生物幾乎無處不在，但能夠降解復(fù)雜有機(jī)物（如瀝青類）的微生物種類卻寥寥無幾，即鉆井液成分越復(fù)雜，越難被生物降解。目前國內(nèi)外對微生物處理廢棄鉆井液多集中在菌種的選擇以及效果測試方面的研究。通常采用測定石油含量、重金屬離子含量和化學(xué)需氧量（COD）等指標(biāo)來評價微生物對廢棄鉆井泥漿的降解效果。

2 微生物對廢棄泥漿中重金屬的處理

重金屬是指比重大于5，原子量在63.5～200.6之間的元素。鉆井泥漿中含有大量的重金屬元素（Cu、Zn、Hg、Cd等），與石油類和其他有機(jī)物污染不同，重金屬是不可生物降解的，微生物在重金屬污染中的作用主要體現(xiàn)在3個方面：微生物吸附、微生物轉(zhuǎn)化與微生物溶解。

2.1 微生物吸附

微生物吸附重金屬離子主要是金屬陽離子與表面帶負(fù)電荷基團(tuán)的微生物之間通過螯合、共價吸附及離子交換等作用，結(jié)合成重金屬分子聚集在微生物內(nèi)部或表面，從而達(dá)到對金屬離子吸附的目的。

馬永松[1]從長寧-威遠(yuǎn)頁巖氣井場中篩選出檸檬酸桿菌屬（Citrobactersp），該菌株對Ni2+的耐受性可達(dá)300 mg/L，對Ni2+的去除率和吸附率分別達(dá)到了56.64%和52.16%，同時對總石油烴（TPH）的降解率達(dá)到35.65%，該菌種最適生長溫度為30℃，最適生長pH為7～9。何環(huán)宇[2]從鉆井廢水和井場周邊污泥中篩選得到的氣單胞菌，該菌株對Cu2+的耐受閾值為200 mg/L，最優(yōu)吸附條件為：溫度30℃、pH為4、菌體投加量為20 g/L，吸附90 min時吸附率為86.25%。張曉倩[3]從泥水樣品中篩選出能夠高效去除重金屬Cu的沼澤紅假單胞菌GH32，該菌株24 h內(nèi)對Cu2+的去除率在99%以上。

2.2 微生物轉(zhuǎn)化

微生物轉(zhuǎn)化作用主要包括氧化還原或配位絡(luò)合等方式，改變重金屬離子的價態(tài)、賦予形態(tài)、生物有效性及溶解性等，將其轉(zhuǎn)化為低毒態(tài)或無毒態(tài)，從而降低重金屬的毒性。已有研究表明，微生物可通過對砷氧化/甲基化、汞還原/甲基化和鎘轉(zhuǎn)運(yùn)的方式來減小其對環(huán)境的毒害作用。曾遠(yuǎn)[4]研究發(fā)現(xiàn)具有Pb耐受性的特異性菌株節(jié)桿菌屬（Arthrobactersp），其對Pb的耐受濃度在200～600μg/g，該菌株可將礦物鉛從小分子有機(jī)結(jié)合態(tài)Pb(Ac)2·3H2O轉(zhuǎn)化為大分子有機(jī)結(jié)合態(tài)如(C17H35COO)2Pb或C32H66PbS2形式。

2.3 微生物溶解

微生物溶解是指微生物在生長代謝過程中分泌出有機(jī)酸，這些有機(jī)酸可與重金屬發(fā)生反應(yīng)，從而促進(jìn)重金屬的溶解，提高其生物有效性。高雅雄[5]通過比較45種真菌發(fā)酵液，發(fā)現(xiàn)ZJJ15真菌對溶解重金屬具有廣譜性，對Cu、Pb、Zn的浸出率分別為11.9%、7.1%和28.5%。吳嶺[6]成功分離出抗鎘內(nèi)生菌WJ-3，為芽孢桿菌屬，對重金屬鎘有一定的耐受性，為80 mg/L，對難溶性碳酸鎘具有一定的溶解能力，培養(yǎng)液中鎘離子的濃度由0.029μg/L提高到了4.978μg/L，提高了170.6%，能使鎘碳酸鹽結(jié)合態(tài)（CB）和鐵錳氧化態(tài)（FeMn-Ox）向鎘可交換態(tài)（EX）轉(zhuǎn)換。周雪芳[7]通過研究篩選出具有鎘活化功能的根際促生溶磷菌（陰溝腸桿菌、不動桿菌、大腸埃希氏菌、熒光假單胞菌、克雷伯氏菌），進(jìn)行CdCO3的活化實(shí)驗(yàn)，溶鎘量在27.65～38.23 mg/L，溶鎘率在70.89%～98.02%。其中，熒光假單胞菌溶鎘能力較強(qiáng)，主要依靠葡萄糖酸的貢獻(xiàn)，胞外分泌物中葡萄糖酸濃度為75.3 mg/L，溶解的Cd含量占總?cè)苕k量的42.4%。

3 微生物對廢棄泥漿中石油類的降解

石油中的烴類組分是鉆井泥漿的主要污染物，主要包括烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴和少量的非烴類化合物，由于各組分的相對分子質(zhì)量和化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，致使其生物降解性也存在較大差異。通常情況下，相對分子質(zhì)量越大，支鏈越多，生物降解難度越大。

陳立榮[8]利用微生物對水基鉆井固廢進(jìn)行了處理試驗(yàn)，不使用其它化學(xué)添加劑，即可將固廢中的有機(jī)物轉(zhuǎn)變成土壤腐殖質(zhì)組分，泥渣中的COD、石油類污染物的降解率達(dá)90%以上，且栽種植物中沒有重金屬轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。申圓圓[9]通過分離篩選得到4株以原油為惟一碳源的高效石油烴降解菌（動性桿菌、藤黃微球菌、蠟狀芽孢桿菌和短小芽孢桿菌），在石油烴初始濃度為2 000 mg/kg條件下，40天后石油烴濃度為1 662 mg/kg，降解率為16.9%。萬書宇[10]通過添加0.5%左右的微生物降解菌處理鉆井固廢，3個月后鉆井固廢中主要有害重金屬的含量滿足GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》，處理后浸出液中pH值、COD、石油類滿足GB8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級標(biāo)準(zhǔn)。侯博[11]從蘇格里氣田廢棄鉆井液附近篩選出SL-1細(xì)菌，將微生物和固化處理技術(shù)相結(jié)合，菌體投加量為0.6 mL/L，處理后的廢棄鉆井液的CODCr含量降低到100 mg/L以下，石油類含量也降低到7.4 mg/L。可降解石油類污染物的部分微生物見圖1。

圖1 可降解石油類污染物的部分微生物

4 微生物在高鹽環(huán)境下對廢棄泥漿的治理

采用微生物治理廢棄鹽水鉆井液時，由于鹽濃度較高，可對傳統(tǒng)微生物的生理特性及生命活動產(chǎn)生很大影響，如破壞細(xì)胞膜、致使酶變性、降低氧的溶解度等，導(dǎo)致微生物生長代謝能力減弱，降解效果下降，無法發(fā)揮降解作用?？蒲腥藛T通過篩選培育發(fā)現(xiàn)一類可生長于高鹽環(huán)境的微生物，具有特殊的細(xì)胞結(jié)構(gòu)、基因類型和生理機(jī)制，可在鹽濃度較高的環(huán)境中正常代謝，即嗜鹽微生物。因此，可將該類微生物用于廢棄鹽水鉆井液的治理，具有廣闊的應(yīng)用前景。高鹽環(huán)境下可降解石油類污染物的微生物見圖2。

圖2 高鹽環(huán)境下可降解石油類污染物的微生物

5 微生物菌群治理廢棄泥漿

由于鉆井液成分極其復(fù)雜，每種降解菌有其各自的降解對象及降解范圍，單菌株對所有污染物均可降解的情況少之又少，因此，多種微生物協(xié)同作用可在一定程度上提高對目標(biāo)污染物的降解效果，提高降解效率。

高小龍[12]從含油量超過12 g/kg、芳烴-膠質(zhì)瀝青含量超過80%、含鹽量超過8 g/kg的鉆井廢棄泥漿中富集得到1個活性微生物菌群，菌種包括假單胞菌屬（Pseudomonas）、根瘤菌屬（Rhizobium）、紅細(xì)菌屬（Rhodobacter）和嗜堿還原硫素桿菌（Dethiobacteralk aliphilus），處理鉆井廢棄泥漿5天后，含油率由12 403 mg/kg降至42 mg/kg，綜合脫油效率99.67%，石油烴降解率68.9%。吳秉奇[13]以原油為唯一碳源，優(yōu)選得到3株石油降解菌，對石油的降解率為34.5%～52.2%，經(jīng)復(fù)配構(gòu)建得到復(fù)合菌群SQ1，菌群在30℃、pH為7.6、石油濃度20 g/L條件下，11天內(nèi)對石油的去除率提高至73.5%，對石油總烷烴的去除率為91.7%，對較難降解的C21～C35烷烴組分的降解率接近100%。朱淑芳[14]從含油污泥中分離篩選得到9株降解菌，對原油的降解率最高為48.73%，經(jīng)正交復(fù)配后組成的菌群對原油的降解效果優(yōu)于單個菌株，降解率達(dá)57.88%。何煥杰[15]結(jié)合破乳、油-水-固三相分離和微生物降解技術(shù)，對廢棄油基鉆屑進(jìn)行處理，油相回收率大于85%，清洗后廢渣總石油烴含量小于2%，再經(jīng)生物深度處理30天后，廢渣中總石油烴含量降至0.3%以下。

6 結(jié)語與展望

目前，利用微生物治理廢棄鉆井泥漿已經(jīng)取得了一系列進(jìn)展，但仍面臨著諸多挑戰(zhàn)與難題，如泥漿對微生物的抑制作用限制微生物的生長繁殖；相比于物理、化學(xué)方法，微生物治理周期相對較長；微生物本身的穩(wěn)定性差，易受外界因素影響；微生物菌劑廣譜性差、降解效果差等。從當(dāng)前發(fā)展趨勢來看，未來可從以下幾個方面開展深入研究。

1）充分挖掘天然微生物資源，加強(qiáng)對井場周圍微生物的篩選，同時應(yīng)加強(qiáng)對極端微生物的挖掘與培養(yǎng)，在北方地區(qū)寒冷的冬季，低溫條件下微生物的活性與繁殖能力受到較大影響，甚至休眠，極大影響降解效果，因此應(yīng)著重篩選適應(yīng)高鹽、高pH、低溫條件下有強(qiáng)效降解能力的微生物，豐富泥漿降解微生物資源數(shù)據(jù)庫。

2）進(jìn)一步研究微生物對廢棄泥漿主要污染物的作用機(jī)理，明確環(huán)境條件、營養(yǎng)鹽、固定材料等因素對微生物代謝效率的影響，提高微生物在泥漿中的活性與穩(wěn)定性，以期為實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

3）由于廢棄鉆井液成分及其復(fù)雜，需不斷篩選和構(gòu)建高效的微生物菌群，未來應(yīng)繼續(xù)深入探索混合菌種在降解過程中的相互促進(jìn)或抑制作用，充分發(fā)揮優(yōu)勢菌株間的協(xié)同作用，提高治理效果。

4）聯(lián)合多種技術(shù)，綜合運(yùn)用動植物治理技術(shù)、分子生物學(xué)、代謝學(xué)等現(xiàn)代化的科技手段與微生物技術(shù)相結(jié)合，提高微生物對環(huán)境的適應(yīng)性，進(jìn)而提高微生物對目標(biāo)物的代謝能力。

5）加強(qiáng)現(xiàn)場工藝的研究，在保證治理效果的前提下優(yōu)化施工流程，降低處理成本，盡快將研究成果應(yīng)用到現(xiàn)場實(shí)踐中，切實(shí)解決廢棄泥漿的環(huán)境污染問題。