高海拔地區(qū)生物堆處理含油污泥工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用

李朝廷

（無錫市環(huán)保集團(tuán)有限公司，江蘇 無錫 214100）

青海油田地處青藏高原，位于青海省西北部的柴達(dá)木盆地，是青海、西藏2個(gè)省區(qū)重要的產(chǎn)油、供油基地。長期勘探和采油工業(yè)活動(dòng)，導(dǎo)致該地區(qū)歷史遺留有大量含油污泥，其中又以含油量較低的落地油泥為主，該類油泥具有占地面積廣、污染組分復(fù)雜、摻雜砂石雜質(zhì)等特點(diǎn)[1]，根據(jù)《國家危險(xiǎn)廢物名錄》，含油污泥屬于廢礦物油和含礦物油廢物（HW08）[2]，必須進(jìn)行無害化處置。

生物堆法作為一種異位處理污土和污泥的靜態(tài)堆制方法[3-4]，其具備高效、低成本、可操作性強(qiáng)、不造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)[5]，是一種低碳、清潔的含油污泥處理主流技術(shù)。

本文針對青藏高原特有的地質(zhì)水文及氣候條件，開展生物堆處理含油污泥工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用研究，旨在為高海拔、低溫少雨、空氣干燥地區(qū)有機(jī)污染生物修復(fù)提供科學(xué)及規(guī)模的應(yīng)用依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料來源

本次應(yīng)用研究材料來自于青海油田采油作業(yè)區(qū)歷史遺留含油污泥。

1.2 微生物菌劑

以待處理區(qū)含油污泥為供試樣本，采用搖瓶循環(huán)篩菌和平板分離技術(shù)，共獲得3株高效石油烴降解菌株，即QH-XK簡單芽孢桿菌（Bacillus simplex）、QH-ZP小克銀漢霉菌（Cunninghamella sp）和QH-BW枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)，其均為非致病性菌，可用于開放性環(huán)境，制備成固體菌劑，菌劑微生物量為3.0×109cfu/g，作為本次應(yīng)用研究微生物菌劑。

1.3 含油污泥處理

1.3.1 含油污泥收集

本次所需處理含油污泥，散落于油田不同作業(yè)區(qū)共134 837.28 m2的戈壁灘上，厚度為10～500 mm，且為沙質(zhì)土，需要采用機(jī)械進(jìn)行收集并集中處理。

1.3.2 建堆及處理

采用生物堆技術(shù)對含油污泥進(jìn)行集中處理，生物堆底部鋪設(shè)厚度不低于2 mm的HDPE膜，生物堆設(shè)計(jì)尺寸為長100 m×寬14 m×高1.5 m，設(shè)計(jì)處理能力為2 000 m3/堆。

1.3.3 無害化填埋

經(jīng)生物堆處理后的含油污泥，含油率滿足SY/T 7300—2016《陸上石油天然氣開采含油污泥處理處置及污染控制技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)要求，即含油污泥經(jīng)處理后剩余固相中含油率不大于2%，可用于鋪設(shè)通井路、鋪設(shè)井場或者無害化填埋。

1.4 效果監(jiān)測檢測方案

處理前：將生物堆劃分為2個(gè)檢測區(qū)，于每個(gè)檢測區(qū)中心位置各取表層、中層、底層3個(gè)樣品，共計(jì)6個(gè)/堆，檢測因子為含油率。

處理后：將生物堆平均劃分為5個(gè)檢測區(qū)，每個(gè)檢測區(qū)隨機(jī)設(shè)置2個(gè)取樣點(diǎn)，每2個(gè)檢測點(diǎn)橫線間距10 m，且所有檢測點(diǎn)不得位于同一直線上，每個(gè)檢測點(diǎn)各取表層、中層、底層3個(gè)樣品，共計(jì)30個(gè)/堆，檢測因子為含油率。

2 主要工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 pH值

一般微生物生長所需pH值的范圍為6～8，pH值過高或過低均會(huì)影響生物降解反應(yīng)的進(jìn)行。

2.2 溫度

青海油田所在地區(qū)，屬于高原大陸荒漠區(qū)氣候類型，全年平均氣溫為3.8℃，晝夜溫差大，該地區(qū)每年5月到10月底期間，環(huán)境溫度在15～30℃，適用于生物堆技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合微生物生長特性，將生物堆堆體最佳運(yùn)行溫度設(shè)置在15～25℃。

2.3 含水量

經(jīng)收集含油污泥，其散落于戈壁灘表層，長期受高原紫外線照射，初始含水量為0.5%～5%，微生物降解理想含水量為土壤田間持水量的60%～80%[6]，綜合考慮現(xiàn)場條件及含油污泥土質(zhì)類型，設(shè)置生物堆含水量為8%～15%，以實(shí)現(xiàn)微生物快速增長及維持降解反應(yīng)的進(jìn)行。

補(bǔ)水量計(jì)算公式如下：

式（1）中：m水為需要補(bǔ)充的水量，kg；m土為土壤質(zhì)量，kg；w2為需要補(bǔ)充達(dá)到的含水率，%；w1為土壤初始含水率，%。

2.4 通氣量設(shè)計(jì)

生物堆中發(fā)生的反應(yīng)主要為微生物新陳代謝及有機(jī)污染物的降解反應(yīng)，均為耗氧反應(yīng)，石油烴多為長鏈脂肪烴類物質(zhì)的混合物，長鏈脂肪烴類的起始氧化有3種可能途徑，即生成羧酸、生成二羧酸、生成酮類，進(jìn)而通過β氧化徹底降解為CO2和H2O[7]，以飽和烴類生物降解反應(yīng)式為例，即：

經(jīng)計(jì)算得出，每質(zhì)量單位CnH2n+2徹底氧化需要8（3n+1）/（7n+1）質(zhì)量單位的O2，6＜n＜36。由此可得，將1 mg烴完全轉(zhuǎn)化為CO2和H2O大約需3.5 mg的O2，同時(shí)為滿足生物堆好氧生物降解順利進(jìn)行，生物堆內(nèi)部含氧率不得低于8%。

生物堆通氣量L總采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式（2）—式（4）中：L石油烴降解為降解石油烴所需空氣量，m3；3.5為石油烴和O2的轉(zhuǎn)換常數(shù)；m石油烴為石油烴質(zhì)量，kg；Vm為空氣的摩爾體積，L/mol；M為O2相對分子量；φ為空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)；L氧為滿足生物堆好氧反應(yīng)所需空氣量，m3；0.08為堆體中氧氣的體積分?jǐn)?shù)；V生物堆為生物堆的體積量，m3。

綜合考慮現(xiàn)場位于高海拔地區(qū)，空氣較為稀薄，加之典型的高原氣候，空氣干燥，水分逸散速度快，生物堆體中消耗的O2采用定期機(jī)械翻堆的方式進(jìn)行補(bǔ)充，翻堆的頻次通過上文計(jì)算式進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。

2.5 營養(yǎng)結(jié)構(gòu)改良設(shè)計(jì)

生物堆營養(yǎng)物質(zhì)以3種營養(yǎng)元素C∶N∶P=100∶10∶1（質(zhì)量比）[8]進(jìn)行改良設(shè)計(jì)。

2.5.1 有機(jī)碳用量設(shè)計(jì)

含油污泥含油率與有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系[9]可通過以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式（5）（6）中：y為有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；x為含油率，%；ωC為有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

2.5.2 氮肥用量設(shè)計(jì)

生物堆中氮肥的理論用量，可通過以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式（7）中：mN為氮肥使用量，kg；m為土壤質(zhì)量，kg；AN為氮肥純度，%；BN為氮肥中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ωN為土壤中有效氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

2.5.3 磷酸鹽用量設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目生物堆中磷酸鹽的理論用量，可通過以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式（8）中：mP為磷酸鹽使用量，kg；m為土壤質(zhì)量，kg；AP為磷酸鹽純度，%；BP為磷酸鹽中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ωP為土壤中有效磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

3 結(jié)果與討論

3.1 生物堆建堆情況

采用機(jī)械收集的方式，共對3個(gè)作業(yè)區(qū)134 837.28 m2受污染區(qū)域的含油污泥進(jìn)行收集，集中建設(shè)生物堆34座。其中，作業(yè)區(qū)一建設(shè)生物堆20個(gè)，處理含油污泥35 574.94 m3；作業(yè)區(qū)二建設(shè)生物堆2個(gè)，處理含油污泥3 766.77 m3；作業(yè)區(qū)三建設(shè)生物堆12個(gè)，處理含油污泥19 706.59 m3，處理含油污泥共計(jì)57 076.96 m3。含油污泥建堆情況統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 含油污泥建堆情況統(tǒng)計(jì)

3.2 含油污泥分析

對各作業(yè)區(qū)含油污泥理化、微生物指標(biāo)進(jìn)行取樣分析，結(jié)果如表2所示。

表2 含油污泥理化指標(biāo)分析

由檢測結(jié)果可知，含油污泥pH值在8.0左右，趨于中性范圍，無需進(jìn)行額外的調(diào)節(jié)；電導(dǎo)率較高，側(cè)面反映出含油污泥含鹽量較高，這與含油污泥所處地區(qū)多為鹽堿地有關(guān)，對微生物生長及活性會(huì)造成一定影響；含油污泥含水量普遍偏低，微生物生長所需營養(yǎng)物質(zhì)匱乏，直接導(dǎo)致了樣品中不含微生物或微生物數(shù)量偏低，需對生物堆進(jìn)行水分和營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的改良及構(gòu)建。

共對34座生物堆204個(gè)含油污泥樣品的含油率進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示樣品中含油率均在2.4%～5.4%之間，且其中大部分樣品含油率大于3.5%，均需通過生物堆進(jìn)行無害化處理。

3.3 生物堆運(yùn)行

現(xiàn)場共完成34個(gè)生物堆全部基礎(chǔ)建設(shè)工作，開始進(jìn)行生物降解條件構(gòu)建和改良，累計(jì)投加各類微生物菌劑約3 000余t，各類營養(yǎng)物質(zhì)（含有機(jī)肥、氮肥、磷肥等）約800余t，各類大孔隙物質(zhì)約1 000 t，添加并及時(shí)補(bǔ)充自來水等，保證生物堆含水量始終維持在適宜于生物降解反應(yīng)進(jìn)行的8%～15%范圍，每3～5 d采用機(jī)械翻堆的方式對生物堆中O2含量進(jìn)行補(bǔ)充，定期對生物堆各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行取樣監(jiān)測。結(jié)果顯示，微生物量由開始的較低水平穩(wěn)定保持在1.0×106～5.0×107cfu/g，生物堆進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段。生物堆現(xiàn)場平面布置圖如圖1所示。

圖1 生物堆現(xiàn)場平面布置圖

3.4 生物堆溫度分析

溫度是作為生物堆運(yùn)行需監(jiān)測的關(guān)鍵指標(biāo)，是生物降解是否順利進(jìn)行的直接體現(xiàn)，通過每日對現(xiàn)場環(huán)境及生物堆堆體溫度進(jìn)行測量，可實(shí)時(shí)掌握生物的運(yùn)行情況，具體如圖2所示。

圖2 環(huán)境溫度與生物堆體溫度變化趨勢圖

從圖中結(jié)果可以看出，生物堆建設(shè)完畢并添加菌劑開始運(yùn)行，白天環(huán)境溫度為15～31℃左右，剛建堆完畢生物堆中生物降解反應(yīng)尚未進(jìn)行，由環(huán)境溫度補(bǔ)償堆體溫度。反應(yīng)至20 d左右，環(huán)境溫度逐漸開始降低，上午8：00左右環(huán)境溫度只有5～10℃，此時(shí)生物堆溫度接近25℃，并開始逐步上升，最高時(shí)堆體溫度接近30℃，而此時(shí)環(huán)境最高氣溫只有25℃，表明生物堆中微生物大量生長繁殖進(jìn)入活躍階段，生物降解反應(yīng)進(jìn)入旺盛時(shí)期，堆體溫度逐漸補(bǔ)償環(huán)境溫度。反應(yīng)至70 d左右，現(xiàn)場氣溫開始呈斷崖式下跌，晝夜溫差大，白天氣溫只有5～15℃左右，夜晚氣溫最低時(shí)接近﹣5℃，此時(shí)，生物堆體溫度仍能穩(wěn)定維持在25℃左右，表明微生物可通過持續(xù)降解生物堆中的石油類物質(zhì)產(chǎn)生生物熱，維持生物堆的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.5 生物堆含油率變化情況分析

對生物堆含油率進(jìn)行定期監(jiān)測。以1#生物堆為例（如圖3所示），通過對不同點(diǎn)位樣品進(jìn)行采樣分析，初始含油率為4.58%（平均值）；降解至32 d時(shí)，生物堆含油率已降至2%左右；降解至90 d左右時(shí)，此時(shí)生物堆含油率為0.6%，整體降解率達(dá)到87%，滿足SY/T 7300—2016《陸上石油天然氣開采含油污泥處理處置及污染控制技術(shù)規(guī)范》中含油率不大于2%的有關(guān)要求，完成了對生物堆中含油污泥的無害化處理。

圖3 1#生物降解情況分析

按1#生物堆的采樣及檢測標(biāo)準(zhǔn)對34個(gè)生物堆處理前后的含油率進(jìn)行檢測，如圖4所示。從圖中可以看出，經(jīng)過70～90 d的處理，34個(gè)生物堆的含油率從處理前的2.41%～4.64%（平均值）均已降至1%以下，其中部分生物堆含油率已降至0.5%以下，達(dá)到了預(yù)期的處理效果，經(jīng)驗(yàn)收合格后，按照SY/T 7300—2016《陸上石油天然氣開采含油污泥處理處置及污染控制技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行無害化填埋處理。

圖4 1#—34#生物降解情況分析

4 結(jié)論

采用生物堆技術(shù)在青藏高原高海拔地區(qū)開展含油污泥工業(yè)化規(guī)模處置研究，歷時(shí)90 d，成功對134 837.28 m2含油污泥污染區(qū)域進(jìn)行了收集和處理，共計(jì)建立34座生物堆，處理歷史遺留含油污泥57 000 m3。

通過向生物堆中添加微生物菌劑約3 000余t，各類營養(yǎng)物質(zhì)（含有機(jī)肥、氮肥、磷肥等）約800余t，各類大孔隙物質(zhì)約1 000 t，添加并及時(shí)補(bǔ)充自來水等，保證生物堆含水量始終維持在適宜于生物降解反應(yīng)進(jìn)行的8%～15%范圍，使生物堆中微生物量由開始的較低水平能穩(wěn)定保持在1.0×106～5.0×107cfu/g較高水平，生物堆溫度維持在20～30℃之間，受外界影響和干擾較少，保證了生物堆的穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)過70～90 d的生物降解反應(yīng)，生物堆中含油污泥含油率由處理前的2.41%～4.64%（平均值），降至處理后1%以下，滿足SY/T 7300—2016《陸上石油天然氣開采含油污泥處理處置及污染控制技術(shù)規(guī)范》含油率不大于2%的有關(guān)要求，達(dá)到無害化處理標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了微生物修復(fù)技術(shù)在青藏高原高海拔地區(qū)的首次大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。