復合菌劑固定床修復油泥的應(yīng)用條件研究

楊博麗 徐迎新 張冕

中國石油川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司

含油污泥是指在油田采油及運輸途中，由于不正常的操作或其他事故等造成的落地原油與土壤或其他雜質(zhì)形成的含油固體廢物[1]。針對含油污泥，國內(nèi)外提出了較多的處理方法及工藝流程，但因含油污泥成分和性質(zhì)較為復雜，每種處理方法都存在一定的局限性[2-6]。微生物降解技術(shù)因其成本較低、操作簡便、無二次污染、效果好等特點而被廣泛采用[7-9]。

目前，油泥微生物修復中試及現(xiàn)場工程實施案例多在自然條件下進行[10-11]。本研究構(gòu)建了多菌種復合的修復菌劑，通過室內(nèi)實驗考查生物修復控制參數(shù)，構(gòu)建高效生物修復工藝，之后通過固定床式油泥修復裝置，在長慶油田隴東華HXX井場進行現(xiàn)場試驗，處理后油泥中w(石油類物質(zhì))降到10 mg/g以下，滿足陜西省地方標準DB 61/T 1025-2016《含油污泥處置利用控制限值》的要求，達到了預期效果，驗證了多菌種復合修復菌劑處理油泥工藝的可行性。

1 試驗部分

1.1 試劑與儀器

蛋白胨購自北京奧博星生物公司，葡萄糖、KH2PO4、MgSO4、FeSO4化學試劑均為國產(chǎn)，分析純；TECANInfinite200 pro全波長酶標儀； UV1800紫外分光光度計，日本島津；SH220N石墨消解儀，浙江海能實驗儀器；ZHWY-2102自控發(fā)酵搖床，江蘇太倉實驗設(shè)備廠；GH500隔水式培養(yǎng)箱，北京科偉實驗儀器公司；Dl100發(fā)酵系統(tǒng)，上海百倫。

1.2 微生物修復工藝試驗

實驗室前期篩選出具有應(yīng)用潛力的5種不同功能石油降解菌菌種(見表1)，將其復配制得微生物修復菌劑，其降解石油能力較強，用于進行室內(nèi)模擬實驗及現(xiàn)場試驗。

表1 微生物菌種特性菌株編號種屬功能降解率/%RS23銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)降解瀝青86.62RS42食烷烴戈登氏菌(Gordoniaalkanivorans)降解烷烴95.71RS53枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)降解烷烴、產(chǎn)生表面活性劑97.64RS64紅平紅球菌(Rhodococcuserythropolis)降解芳香烴94.54RS52藤黃微球菌(Micrococcus luteus)降解石蠟87.70

1.2.2菌劑發(fā)酵制備

用營養(yǎng)瓊脂固體培養(yǎng)基活化修復菌種培養(yǎng)18 h，用無菌水將菌體制成108個/mL的菌體懸浮液。取2 mL菌體懸浮液接種于含100 mL營養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基的500 mL三角瓶中，在轉(zhuǎn)速為180 r/min的搖床中于35 ℃下連續(xù)振蕩培養(yǎng)24～48 h，當發(fā)酵液微生物菌落總數(shù)為5.0×1011cfu/g時，發(fā)酵液停止發(fā)酵。

將各菌種發(fā)酵液等比例混合之后，按質(zhì)量比1∶5加入硅藻土中，同時按照合適比例加入甘油、維生素C等輔料，混合均勻，室溫風干至w(水)約為10%，微生物菌落總數(shù)為5.0×1011cfu/g的修復菌劑。

1.2.3微生物室內(nèi)修復條件研究

采用長慶隴東區(qū)域的油泥，裝于試驗槽，裝樣深度35 cm左右，使用表1中的5種菌種制備的固體微生物修復菌劑進行室內(nèi)模擬修復實驗。利用單因素變化考查溫度、通氣、水分等環(huán)境條件，修復劑添加量、含油率、鹽含量等限值性因素，以及營養(yǎng)劑尿素、KH2PO4質(zhì)量比值(N/P)對微生物修復效果的影響[10-11]，確定修復菌劑最佳生物修復工藝參數(shù)。

“聽到這些錄音，我就知道自己完了?！泵鎸彶檎{(diào)查人員提取到的自己與他人訂立攻守同盟的證據(jù)，吉林省洮南市政協(xié)原黨組副書記、副主席李青海再也掩飾不住慌亂神色。心存的最后一絲僥幸破滅后，他對自己違紀違法問題供認不諱，成為又一個倒在了貪腐路上、警醒他人的“鮮活標本”。

1.3 微生物修復現(xiàn)場試驗

1.3.1實驗裝置

現(xiàn)場試驗采用固定式生物修復床，裝置試驗槽尺寸為6.0 m×2.0 m×0.6 m(長×寬×高)。設(shè)計滿足微生物修復保溫、保濕、通風的要求。槽底鋪設(shè)通氣管道，使用空壓機供氣，空氣流量為60 L/min；槽頂部排設(shè)淋水裝置，由水泵連接儲液罐。使用時按照需要調(diào)節(jié)閥門以控制流速。配置溫度、濕度電極，監(jiān)測試驗槽物料指標，置于可控溫恒溫室中。

1.3.2生物修復試驗方案

現(xiàn)場試驗在長慶油田隴東華HXX井場，收集井場內(nèi)落地油泥、罐底油泥、排污渠沉淀油泥等3類樣品。去除大塊石頭，晾干混合均勻，裝入實驗床。采用上述特制的固體微生物修復菌劑，按照2.0%(質(zhì)量分數(shù)，下同)加入油泥中。營養(yǎng)劑按細菌培養(yǎng)基元素成分(均以質(zhì)量分數(shù)計)選擇麩皮2%、草炭1.5%、有機質(zhì)及尿素0.9%、KH2PO40.4%組成。各試驗組加入物料并混合均勻，溫度為30 ℃左右。之后每12 h通風1次，每次通風1 h，根據(jù)情況澆水，保持油泥中w(水)為20%。

試驗20天后取樣檢測降解效果，重點測試油泥樣本中pH值、總鹽、全磷、全氮、全鉀、有機質(zhì)含量、石油含量指標。所采樣置于無菌密封袋，送至實驗室在低溫4 ℃條件下保存，盡量在24 h內(nèi)完成測試分析。對油泥樣本中pH值、總鹽、全磷、全氮、全鉀、有機質(zhì)含量、石油含量進行檢測，總鹽的測試依據(jù)NY/T 1121.16-2006《土壤檢測 第16部分 土壤水溶性鹽總量的測定》進行，pH值、全磷、全氮、全鉀、有機質(zhì)含量、石油含量的測試依據(jù)CJ/T 221-2005《城市污水處理廠污泥檢驗方法》進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 微生物修復相關(guān)因素影響研究

2.1.1環(huán)境溫度對修復效果的影響

將修復菌劑按照2%的比例加入油泥中，充分翻動保證均勻混合。調(diào)整油泥的含水率為20%。設(shè)置不同溫度的實驗組，置于恒溫培養(yǎng)箱中，每12 h通風1次，每次通風1 h，根據(jù)情況澆水，保持油泥含水率為20%，20天后測降解率。

從圖2可以看出，隨著溫度的增加，降解率明顯增加，在35 ℃時降解效果最好，達到98%，而在35 ℃以上時降解率明顯下降。從實驗結(jié)果可看出，溫度對石油降解率有影響。因此，進行微生物石油修復時，需要采取適當?shù)谋卮胧﹣肀ＷC降解效果。通過調(diào)控可使油泥溫度保持在25～35 ℃，達到良好的修復效果。

2.1.2氧氣對微生物降解效果的影響

將修復菌劑按照2%的比例加入其中，充分翻動油泥保證各物質(zhì)混合均勻，設(shè)置溫度為30 ℃恒溫。按照不同間隔時間定期通氣1 h， 20天以后測試油泥降解率，考查不同間隔時間對石油修復效果的影響。實驗期間根據(jù)情況澆水，保持油泥含水率為20%。

依據(jù)通氣間隔時間設(shè)為5組，間隔時間分別為6 h、12 h、24 h、36 h、48 h。從實驗結(jié)果可以看出(見圖3)，通氣油泥對石油修復產(chǎn)生良好效果。隨著通氣間隔時間縮短、次數(shù)增多，油泥供氧增加，油泥石油降解效率也顯著提高。通氣間隔時間為24 h時，油泥石油降解率達到80.7%，間隔 6 h的降解率最高為93.2%，說明定期通氣可增強微生物石油修復效果。

2.1.3水分對修復效果的影響

調(diào)整不同實驗區(qū)塊油泥的含水率，將修復菌劑按照2%的比例加入石油污染油泥中，充分翻動油泥以保證混合均勻，設(shè)置溫度為30 ℃恒溫。之后每12 h通風1次，每次通風1 h，根據(jù)情況澆水，保持油泥含水率為10%、20%、30%、40%，20天后測定石油降解率。

實驗結(jié)果顯示(見圖4)，油泥含水率對石油的降解可起到一定的促進作用。當油泥含水率為10%時，微生物修復率為56.7%，隨著油泥含水率的增加，微生物修復石油的效果明顯增強，油泥含水率在20%～30%之間時，石油降解率基本在90%以上，但是當油泥含水率超過30%后，油泥水分過飽和，可能反而影響了油泥通氣性，微生物并沒有起到足夠的降解作用，石油降解率降至76.4%。因此在現(xiàn)場試驗時，應(yīng)使油泥保持一定的水量，以維持油泥中微生物的生長及代謝反應(yīng)，發(fā)揮其石油降解效果。

2.1.4石油類物質(zhì)含量對修復效果的影響

將不同量石油拌入油泥中混合均勻，得到6組不同樣本，w(石油類物質(zhì))分別為2%、4%、6%、8%、10%、12%。隨后將修復菌劑按照2%比例加入油泥中，保持室內(nèi)溫度為30 ℃。加入后充分翻動，以保證混合均勻，之后每12 h通風1次，每次通風1 h，根據(jù)情況澆水保持油泥含水率20%，20天后取樣檢測石油降解率。

從試驗結(jié)果可以看出(見圖5)，w(石油類物質(zhì))在8%以下時，修復菌劑對石油修復產(chǎn)生良好效果。隨著石油類物質(zhì)含量的增大，石油降解效率也顯著降低，當w(石油類物質(zhì))為12%時，石油降解率僅為43.5%，說明高含量石油對微生物修復產(chǎn)生了抑制效果。所以，現(xiàn)場應(yīng)采取其他措施進行前處理，將w(石油類物質(zhì))降低到8%以下，較低的石油類物質(zhì)含量有利于微生物降解。

2.1.5鹽含量對微生物修復效果的影響

將20%(質(zhì)量分數(shù))的NaCl溶液拌入油泥中，得到6組不同的樣本，w(鹽)分別為5 000 mg/kg、10 000 mg/kg、20 000 mg/kg、30 000 mg/kg、40 000 mg/kg、50 000 mg/kg。再將修復菌劑按照2%比例加入油泥中，保持室內(nèi)溫度為30 ℃左右。加入后充分翻動，以保證混合均勻，再覆蓋0.08 mm厚的塑料薄膜。之后每12 h通風1次，每次通風1 h，根據(jù)情況澆水，保持油泥含水率20%，20天后取樣檢測石油降解率。

從實驗結(jié)果可以看出(見圖6)，w(鹽)在30 000 mg/kg以下時，菌劑對石油修復產(chǎn)生良好效果。隨著鹽含量的增大，石油降解效率也顯著降低，w(鹽)高于50 000 mg/kg時，石油降解率僅為60.7%，說明高含量鹽對微生物修復產(chǎn)生了抑制效果。

2.1.6微生物修復劑施用量對修復效果的影響

將修復菌劑按照不同的質(zhì)量分數(shù)比例加入到油泥中，置于恒溫培養(yǎng)箱，溫度為30 ℃左右。加入后充分翻動油泥保證混合均勻。之后每12 h通風1次，每次通風1 h，根據(jù)情況澆水，保持油泥含水率20%，20天后測定石油降解率。

實驗結(jié)果顯示(見圖7)，隨著微生物修復劑施用比例的增大，油泥石油降解效率也在提高。修復菌劑加入比例為2%時，石油降解率達到87.3%，而當修復菌劑添加比例10%時，石油降解率可達到98.1%，修復效率明顯提高。說明以微生物細胞生物量為基礎(chǔ)的修復劑，其修復效果隨施用量的增加而提高，符合微生物菌劑效能的一般規(guī)律。所以，在現(xiàn)場石油污染油泥修復實施過程中，綜合考慮施用成本與效率之間的平衡，可選擇修復菌劑施用比例為2%～4%。

2.1.7N/P對微生物修復效果的影響

將尿素和KH2PO4按照質(zhì)量比(簡稱N/P值，下同)為12∶1、10∶1、8∶1、6∶1、4∶1、2∶1混合，二者總量按照油泥質(zhì)量分數(shù)為2%添加至油泥中，再加入2%的修復菌劑。保持室內(nèi)溫度為30 ℃左右。加入后充分翻動，保證混合均勻，再覆蓋厚度為0.08 mm塑料薄膜。之后每12 h通風1次，每次通風1 h，根據(jù)情況澆水，保持油泥含水率20%，20天后取樣檢測石油降解率。

實驗結(jié)果表明(見圖8)，當N/P值分別為10∶1、8∶1、6∶1時，菌劑對石油修復效果良好；當N/P值高于12∶1或低于4∶1時，石油降解率僅為79.2%和74.8%，說明N/P值過高或過低都會抑制微生物修復效果。

2.2 微生物修復現(xiàn)場試驗效果

依據(jù)相關(guān)標準中的方法對樣本中全磷、全氮、全鉀、總鹽、pH值、有機質(zhì)含量、油含量、鹽含量及細菌總數(shù)進行檢測分析。理化指標檢測結(jié)果表明(見表2)，未處理的油泥中w(石油類物質(zhì))為83.1 g/kg，w(鹽)為1 316 mg/kg，pH值為8.6，偏堿性。總體營養(yǎng)含量較低，微生物菌落總數(shù)極低為2.55×104cfu/g，w(氮)為25.4 mg/kg、w(磷)為67.7 mg/kg、w(鉀)為13.2 mg/kg。氮、磷、鉀含量不能滿足微生物的生長需要，需要加入營養(yǎng)劑，以保障微生物的降解修復。

表2 油泥的基本理化性質(zhì)檢測項目樣本組處理組w(氮)/(mg·kg-1)25.4454.0w(磷)/(mg·kg-1)67.7362.5w(鉀)/(mg·kg-1)13.287.1w(總鹽)/(mg·kg-1)1 316.0864.0pH值8.67.3w(有機質(zhì))/%8.518.3w(石油類物質(zhì))/(g·kg-1)83.13.7微生物菌落總數(shù)/(cfu·g-1)2.55×1049.42×108

在石油污染修復現(xiàn)場試驗中，根據(jù)油泥營養(yǎng)情況，參考一般細菌培養(yǎng)基配方補充麩皮、草炭、有機質(zhì)及尿素、KH2PO4等營養(yǎng)劑，促進微生物代謝活性，提高石油降解轉(zhuǎn)化的效率。由表2可知，現(xiàn)場試驗采取微生物修復劑+營養(yǎng)劑的組合，加入修復劑可保證油泥中的石油降解微生物有較高生物量，營養(yǎng)劑的補充則明顯促進了其增殖，微生物菌落總數(shù)高達9.42×108cfu/g，比對照組提高了3萬倍。同時，降解后w(石油類物質(zhì))為3.7 g/kg，降解率為95.5%，處理后油泥滿足DB 61/T 1025-2016的要求。處理后油泥的營養(yǎng)成分顯著提高，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為18.3%、氮質(zhì)量分數(shù)為454.0 mg/kg、磷質(zhì)量分數(shù)為362.5 mg/kg、鉀質(zhì)量分數(shù)為87.1 mg/kg，pH值降至7.3，處理后的油泥可作為井場綠化植物種植的營養(yǎng)基質(zhì)使用。

3 結(jié)論

(1) 本研究利用高效石油降解菌種復配制備微生物修復菌劑，通過油泥微生物修復室內(nèi)實驗，考查修復過程中限制性因素及添加營養(yǎng)劑對微生物修復效果的影響。油泥修復實驗研究結(jié)果表明，在w(石油類物質(zhì))低于8%、w(鹽)低于20 000 mg/kg時，微生物可以發(fā)揮較好的降解效果，確定了微生物復合修復菌劑修復油泥的可行性。

(2) 長慶油田現(xiàn)場試驗表明，保持油泥含水率20%～30%，空氣流量60 L/min，每隔12 h通氣1次，每次1 h，溫度為30 ℃左右，經(jīng)過20天的現(xiàn)場微生物生態(tài)修復，微生物菌落總數(shù)高達9.42×108cfu/g。同時，油泥中w(石油類物質(zhì))由83.1 g/kg下降為3.7 g/kg，石油降解率達95.5%。處理后油泥滿足陜西省地方標準DB 61/T 1025-2016的要求，可以用于鋪設(shè)服務(wù)生產(chǎn)的各種內(nèi)部道路、井場綠化用土，或作為鋪墊井場等的用土材料等綜合利用。

(3) 本研究驗證了微生物修復工藝條件參數(shù)，確定了5種微生物復合菌劑應(yīng)用在長慶油泥修復的可行性。根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果，確定了固定床式微生物修復法的工藝參數(shù)。促進生物技術(shù)應(yīng)用于石油修復具有的高效性、科學性，為后續(xù)現(xiàn)場油泥微生物修復設(shè)備的開發(fā)及應(yīng)用工程工藝提供了依據(jù)。