含油污泥微生物處置技術的研究現(xiàn)狀及展望

張 龍，屈撐囤，史文政，李金靈，魚 濤，楊 博

（1.西安石油大學化學化工學院，陜西 西安710065；2.西安石油大學陜西省油田環(huán)境污染控制技術與儲層保護重點實驗室，陜西 西安710065；3.天津市中海油招標代理有限公司，天津 濱海新區(qū)300452；4.石油石化污染物控制與處理國家重點實驗室，北京102206）

在石油、天然氣的生產(chǎn)和加工過程中，沉積于油罐罐底的罐底泥、污水池池底的活性污泥以及石油作業(yè)時形成的落地油泥等多種形態(tài)的含油混合物，被統(tǒng)稱為含油污泥。含油污泥多為黑褐色黏稠狀，含油率10%～50%，含水率＞50%，是典型的多相體系。含油污泥中含有殘留油類、多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴、氮、磷、寄生蟲等多種有毒有害物質(zhì)，其中的多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯等會引起大氣污染和水污染；未經(jīng)處理而任意堆放的含油污泥會嚴重影響土壤的理化性質(zhì)，導致人和動物的“三致效應”（致突變、致癌、致畸）[1]。

由于其復雜的成分及對環(huán)境的污染特性，含油污泥已被列入“國家危險廢物名錄”。2019 年，我國石油石化行業(yè)產(chǎn)生的含油污泥量在1200 萬t 以上，對其進行“三化”（減量化、無害化、資源化）處理勢在必行。在眾多的利用處置方法中，生物法具有成本低且無二次污染的優(yōu)點。近年來，隨著微生物學、蛋白質(zhì)生物化學、基因工程學及大數(shù)據(jù)的不斷發(fā)展，微生物法受到廣泛關注，從含油污泥中分離的微生物能更好地應對其中的不利因素，降解效率會顯著提高。利用基因工程構建“高效降解菌”，結合計算機大數(shù)據(jù)建立“菌種信息庫”，也將會為微生物法的發(fā)展帶來新的可能。

1 含油污泥的利用與處置方法

目前現(xiàn)有的國內(nèi)外處置利用含油污泥的方法多種多樣。含油污泥利用處置方法的基本原理及優(yōu)缺點如表1 所示。

表1 含油污泥利用與處置主要方法一覽表[2-7]Table1 List of main treatment, utilization and disposal methods of oily sludge

單一的利用處置方法缺點明顯，將利用法與處置法相結合的處理方法已逐漸應用于油氣田含油污泥的“三化”過程。處置法解決了處理過程中殘余污染物的問題，利用法則解決了前者難資源化的問題。處置方法中的焚燒法因能耗高及二次污染大，已逐步淘汰；填埋法和固化法對前期處理方法的處理效果依賴較大；生物法具有耗能小、無二次污染的優(yōu)點，其中的微生物法更是以投入少、效果好的特點，得到快速發(fā)展。相較于其他利用處置法，微生物法在低含油污泥的處置方面更是能達到事半功倍的效果，而且處置的污泥回用后，還可以增加土壤腐殖質(zhì)含量[8]。

2 微生物法處理含油污泥

生物法處理含油污泥是指利用動物、植物或微生物，將TPHs（Total Petroleum Hydrocarbons，總石油烴）降解為無毒無害物質(zhì)的方法，主要包括植物法、動物法和微生物法等。利用高羊茅、苜蓿、大豆、圣奧古斯丁草和黑麥草等處理含油污泥時，TPHs降解率普遍偏低[9]。土壤中的線蟲通過自身的生長繁殖，不但可以吸收降解TPHs 還可以增強土壤中相關酶的活性，但是土壤中的TPHs 含量過高，會導致線蟲數(shù)量急劇減少[10-11]。植物法僅適合用于修復大面積的原油污染土壤，而且植物根系大多集中在土壤表層，無法降解深層的TPHs，生長出來的植株的安全性也有待進一步考察。同樣的，土壤中的動物可利用的有機物種類和含量都十分有限，導致動物法的降解效率低下。自然界和被石油污染的環(huán)境中，有著種類繁多、能以TPHs 作為碳源和能源的微生物，將它們加以培養(yǎng)，可以快速、高效、徹底地降解TPHs。

微生物通過新陳代謝作用，將含油污泥中的TPHs 加以吸收、轉化、分離，最終降解成CO2、H2O和其它無毒無害物質(zhì)[12]。微生物自身可產(chǎn)生多種酶，再加上其超常的繁殖變異能力，使得其可用于環(huán)境污染治理的多個方面。目前微生物法主要有地耕法、堆肥法、生物強化法和生物泥漿法等。

2.1 地耕法

地耕法是指在露天環(huán)境中將含油污泥和土壤混合均勻后，平鋪大約10cm 厚，TPHs 在土壤土著微生物的新陳代謝作用下，被降解為CO2、H2O 和其它無毒無害物質(zhì)[13]。地耕法若配合外源菌劑使用，TPHs 去除率會大大增加，而且十二烷基硫酸鈉（SDS）可促進TPHs 的生物降解，且只有在超臨界濃度下加入，才有利于瀝青質(zhì)的降解[14]。地耕法在處理過程中若加入外源菌種（假單胞菌、白腐真菌等）和表面活性劑，可大大提高降解效率。處理過程中需調(diào)節(jié)污泥的溫度、濕度、C/N/P 比值、pH 等條件，以優(yōu)化TPHs 的降解環(huán)境。

2.2 堆肥法

堆肥法也稱堆腐法，是將含油污泥與木屑、碎稻草、泥炭、樹皮、草等填充劑混合堆置，通過微生物將TPHs 降解為簡單無機物的過程。這一降解過程中釋放的能量，可以促進微生物進行自身活動和生長繁殖。一般情況下，添加外援混合菌的處理效果比單菌的效果更好[15]。將Fenton 氧化法與氧化堆肥聯(lián)用，則可降解難降解的芳香烴和瀝青質(zhì)，但氧化劑濃度對其去除率的影響較大[16]。堆肥法雖然可以充分利用生活廢棄物，為微生物的生長提供依附地和調(diào)節(jié)體系溫度和濕度，但其處理過程會產(chǎn)生大量惡臭性氣體，造成大氣污染，且其占地面積大，一般情況下只能處理少量含油污泥。

2.3 生物強化法

生物強化法[17]是指在處理含油污泥時，通過營養(yǎng)強化、外源菌強化等手段，強化微生物的降解作用。其中營養(yǎng)強化在微生物法的發(fā)展初期運用較多。近年來，向含油污泥中添加高效石油烴降解菌劑的外源菌強化法，得到快速發(fā)展，此方法可以快速降解含油污泥中難降解的脂肪烴和多環(huán)芳烴等[18]。投加的高效石油烴降解菌劑可來自原體系，也可以是外源菌種。菌劑中的菌種可以是單一的，也可以是混合菌，一般來說多菌種聯(lián)合處理含油污泥的效果，比單一菌種的處理效果好。目前國內(nèi)外使用生物強化法的大致現(xiàn)狀如表2 所示。

表2 國內(nèi)外使用生物強化法的大致現(xiàn)狀[19-25]Table2 General situation of bioaugmentation in China and abroad

生物強化法是目前應用最為廣泛的方法，且多與其他方法聯(lián)用，其難點在于高效降解菌群的構建。處理溫度在30℃左右，pH 在7 左右時，適合大部分菌種生存。外源表面活性劑可以降低油水界面的表面張力，促進TPHs 從土壤表面向水界面的擴散過程與乳化作用，從而提升降解菌群的降解效率。

2.4 生物泥漿法

生物泥漿法[26]將含油污泥與水、營養(yǎng)物及高效石油烴降解菌混合，降解菌將溶解在水相中的TPHs轉化為CO2、H2O 和其它無害物質(zhì)，從而實現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化。生物泥漿法對3 個苯環(huán)以下的低分子量PAHs（Polycyclic Aromatic Hydrocar-bons，多環(huán)芳烴）的降解效果較好[27]。將生物泥漿反應器和固態(tài)堆肥法聯(lián)用，可以顯著提高TPHs 的去除率[28]。生物泥漿法的處理效果較好，但只能處理少量含油污泥，其設備的研發(fā)、維修也提高了處理成本，故實際應用阻力大，只在少許中試中存在。

綜上所述，微生物降解TPHs 的關鍵，是合適的降解菌群的構建，降解菌群的降解效率，與降解溫度、pH、濕度、TPHs 的種類、外援添加物種類、接種量等，都有密切的關系[29]。一般情況下，自然界中能在含油污泥和油污土壤中生長的微生物，都對TPHs 有潛在的降解能力。近年來，微生物降解TPHs 朝著多方法聯(lián)動的方向發(fā)展，但大多都以外源菌強化法為基礎。

3 石油烴類污染物好氧降解機理的研究進展

自然環(huán)境中存在100 多個屬、200 多種石油烴降解菌，包括細菌、放線菌、真菌、藍細菌和藻類等[30]，其降解TPHs 的能力由易至難一般為：直鏈烷烴和支鏈烷烴＞低分子量芳香烴＞環(huán)烷烴和多環(huán)芳烴。

3.1 直鏈烷烴好氧降解機理的研究進展

目前，國際上認可的直鏈烷烴的降解機理主要包括單末端氧化、雙末端氧化和次末端氧化等，但在不同的反應體系中，三者有著不同的主次作用。如一些假單胞菌或念珠菌主要通過雙末端氧化產(chǎn)生胞外產(chǎn)物二羧基酸，而一些輔助氧化烷烴的芽孢桿菌或鏈霉菌主要通過次末端氧化使烷烴斷鏈，許多霉菌則只可以通過次末端氧化降解烷烴[31]。

3.1.1 單末端氧化

直鏈烷烴在加氧酶、醇脫氫酶以及醛脫氫酶存在時，最末端的甲基會被氧化成脂肪酸，一部分脂肪酸進入β-氧化循環(huán)和三羧酸（TAC）循環(huán)，被氧化為CO2和H2O，剩余的脂肪酸作為合成微生物自身細胞物質(zhì)的原料，被微生物利用[32]。過程如式（1）所示：

3.1.2 雙末端氧化

雙末端氧化[33]在直鏈烷烴碳鏈的兩端同時發(fā)生。直鏈烷烴先通過單末端氧化生成脂肪酸，在ω-羥基脂肪酸單加氧酶的作用下，發(fā)生ω-碳末端羥基化，再被乙醇脫氫酶、乙醛脫氫酶氧化為羧基生成二羧基酸，進入β-氧化循環(huán)后進行氧化分解。過程如式（2）所示：

3.1.3 次末端氧化

直鏈烷烴的次末端甲基在加氧酶的作用下被氧化成對應的仲醇，在乙醇脫氫酶、單加氧酶、酯酶的作用下，生成伯醇和脂肪酸，伯醇再繼續(xù)氧化為醛和羧酸，羧酸與之前生成的脂肪酸進入β-氧化循環(huán)，進行進一步氧化分解[34]。過程如式（3）所示：

3.2 支鏈烷烴好氧降解機理的研究進展

支鏈烷烴離支鏈點最遠，甲基在單加氧酶和脫氫酶的作用下，被氧化生成支鏈脂肪酸，在脂肪酸α、ω-氧化或β-堿基的去除過程中，會被進一步降解[35]。過程如式（4）所示：

3.3 環(huán)烷烴的好氧降解機理研究進展

環(huán)烷烴降解的關鍵是羥基化過程。環(huán)烷烴降解的轉折點在于開環(huán)過程，開環(huán)后其降解速率和效率都會得到大幅度提升[36]。過程如式（5）所示：

3.4 多環(huán)芳烴好氧降解機理的研究進展

PAHs 相對較難降解，目前國際上認可的機理主要有以PAHs 為唯一碳源和氮源的代謝機理、PAHs 共代謝機理、PAHs 好氧降解的中心代謝機理等。對于低分子量PAHs，微生物一般以第一種方式降解，而四環(huán)及以上的高分子量PAHs，則主要通過共代謝的方式來降解[37]。

3.4.1 以PAHs 為唯一碳源和氮源的代謝機理

在有氧條件下，單、雙加氧酶可在苯環(huán)上形成C-O 鍵，加氫酶則可使苯環(huán)上的C-C 鍵斷裂，以此減少苯環(huán)數(shù)。苯環(huán)被加氧酶和水解酶等氧化為兒茶酸、原兒茶酸和龍膽酸，兒茶酸1.23.4-雙加氧酶(1.2-CAT/3.4-CAT)、原兒茶酸3.4-雙加氧酶(3.4-PCA)、龍膽酸1.2-雙加氧酶(1.2-GDO)，可分別使苯環(huán)開裂，生成琥珀酸、延胡索酸和丙酮酸。這些中間產(chǎn)物有一部分進入三羧酸循環(huán)，剩余部分被微生物用來合成其自身生物量[38]。其過程如圖1 所示。

圖1 好氧菌以PAHs 為唯一碳源和氮源的代謝機理圖Fig.1 metabolic mechanism of aerobic bacteria with PAHs as sole carbon and nitrogen source

3.4.2 PAHs 的共代謝機理

高分子量PAHs 結構的復雜性和穩(wěn)定性，以及其本身不能誘導酶的產(chǎn)生，使其不易被微生物降解。但當體系中存在苯、甲苯、水楊酸、萘、菲等類似基質(zhì)時，微生物可在它們的誘導下產(chǎn)生加氧酶，同時也可以增強加氧酶的活性。此時微生物以這些基質(zhì)作為生長基質(zhì)進行生長繁殖，以高分子量PAHs 作為次要基質(zhì)和非生長基質(zhì)，促進其氧化降解，也可直接在體系中添加可產(chǎn)生降解酶的微生物來降解高分子量PAHs。

PAHs 的共代謝機制大致分為3 種[39]：1）通過“生長基質(zhì)”和“非生長基質(zhì)”共酶降解；2）利用可直接產(chǎn)生降解酶的微生物降解；3）微生物利用存在競爭關系的“生長基質(zhì)”或“非生長基質(zhì)”產(chǎn)生碳源或能源，來降解PAHs。

3.4.3 PAHs 好氧降解的中心代謝機理

好氧條件下PAHs 的降解分為3 種[40]：1）雙加氧酶將底物氧化為順式二羥基化合物，再經(jīng)一系列反應生成兒茶酚類，最終代謝成為CO2和H2O；2）個別分枝桿菌屬的細菌和大部分非木質(zhì)素降解真菌在線粒體單加氧酶P450 的作用下，將多環(huán)芳烴氧化為環(huán)氧化合物，最終代謝成為CO2和H2O；3）木質(zhì)素通過降解真菌生成PAHs 的錕類化合物，實現(xiàn)PAHs 的氧化降解。通過上述途徑，不同的PAHs 化合物可被降解為鄰苯二酸、原兒茶酸和龍膽酸等。

目前含油污泥中高分子量PAHs 的降解效率低下，關鍵在于苯環(huán)開環(huán)過程。此外，類似苯、甲苯等誘導微生物產(chǎn)生加氧酶和加氫酶的機制，也有待深入探究。

4 結論與展望

微生物法已被應用于含油污泥處置、油污土壤原位及異位修復等方面，相關的技術開發(fā)也逐漸深入。在微觀方面，可以通過分子生物學、酶學、蛋白質(zhì)生物化學及基因工程等學科，研究TPHs 分子的降解動力學，構建基因工程菌。在宏觀方面，可以結合材料化學、計算機大數(shù)據(jù)等，以提高菌群的活性和抗逆性，快速構建高效降解菌群。

1）微生物降解TPHs 分子的過程大多發(fā)生在胞內(nèi)，故TPHs 分子的跨膜運輸，直接關系到微生物對其的吸收利用效率。此過程還有許多問題亟待解決：TPHs 分子的跨膜運輸是否需要特定膜蛋白的協(xié)助，是否可以通過胞內(nèi)外的濃度差，使TPHs 分子在類似“鈉鉀泵”的作用下進行主動運輸進入細胞內(nèi)，TPHs 分子在跨膜運輸時消耗的能量來源及大小等。針對TPHs 分子跨膜運輸?shù)难芯?，可能有助于在微觀方面，對TPHs 分子的動態(tài)運動過程、規(guī)律及降解初期的動力學方程的研究。

2）在從分子生物學方面研究TPHs 代謝途徑和機理的基礎上，結合酶學、蛋白質(zhì)生物化學及基因工程，研發(fā)高效降解工程菌。從關鍵降解酶、特定蛋白質(zhì)的作用及生成入手，追溯到其最初的功能基因表達，利用基因強化與沉默技術，強化或沉默相關基因片段的表達，重組構建出具有功能優(yōu)化的基因工程菌。

3）目前，生物強化法投加的大多是菌液，或以生物炭、硅藻土為載體的固定化微生物，雖然成本低但效果不顯著?？山Y合材料化學，研發(fā)高分子復合材料、納米材料等具有優(yōu)良性質(zhì)的材料作為微生物的載體，以提高微生物的活性及降解效率。研發(fā)過程中不但要考慮材料的生產(chǎn)成本，也要保證其環(huán)境友好性。

4）國內(nèi)外關于含油污泥降解菌群的研究幾乎都具有針對性，研發(fā)的降解菌群不具有普適性。隨著微生物基因片段的提取保存及微生物數(shù)據(jù)庫的不斷完善，結合計算機大數(shù)據(jù)分析的手段，進行復合菌群的初步構建，以提高菌株之間的協(xié)同作用，并強化菌群的抗逆性和對極端環(huán)境的適應性，將會為含油污泥微生物處置的系統(tǒng)化提供參考，也是未來發(fā)展的方向之一。