油氣田廢棄鉆井泥漿微生物處理技術(shù)研究進(jìn)展

董晨曦 吳益鋒 王丹丹 楊添麒 馬天奇

1. 陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院 陜西 西安 710065

2. 紹興市嵊新首創(chuàng)污水處理有限公司 浙江 紹興 312400

由于野外作業(yè)特征，鉆（完）井作業(yè)結(jié)束后，大量存留的廢棄鉆井液、廢棄物，酸化廢液和含油污泥等往往會(huì)排放堆積于井場(chǎng)周圍的廢棄鉆井泥漿儲(chǔ)存坑內(nèi)，最終形成成分復(fù)雜的廢棄鉆井泥漿[1]。鉆井泥漿是一種呈穩(wěn)定態(tài)膠體的多相懸浮性體系，含有多種有毒有害污染物質(zhì)，如烴類、鹽類、油類、堿類、膠體及重金屬等[2]，因此，油氣田鉆井廢棄泥漿具有有機(jī)污染物（COD）高、色度、懸浮物含量高、含有多種重金屬及含鹽量較高等特征，是石油工業(yè)的主要污染源之一。采用生物法處理可使其中的有害污染物質(zhì)得以徹底降解，有利于實(shí)現(xiàn)廢棄泥漿的無(wú)害化和資源化處理，具有高效、經(jīng)濟(jì)和無(wú)二次污染等優(yōu)勢(shì)，對(duì)降低油氣田企業(yè)廢棄物處理壓力，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 國(guó)內(nèi)外廢棄鉆井泥漿處理技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外油氣田廢棄鉆井泥漿處理，投入應(yīng)用的常見(jiàn)處理技術(shù)有處理后直接排放、回注、填埋、固液分離法、固化、土地耕作、干燥焚燒、回收再利用以及生物法等。以上物理和化學(xué)方法多數(shù)往往將鉆井泥漿中的污染物從液相轉(zhuǎn)化為固相，通過(guò)限制泥漿流動(dòng)和抑制其污染物遷移擴(kuò)散（如固化法）或通過(guò)絮凝劑實(shí)現(xiàn)泥水分離（固液分離法）來(lái)消除廢棄鉆井泥漿中的有毒、有害物質(zhì)對(duì)水體、土壤和生態(tài)環(huán)境的影響和危害；或者將其通過(guò)不同形式的填埋（注入安全地層、回填、土地耕作等）降低其對(duì)人居環(huán)境的潛在危害；或者因處理成本高，不宜推廣應(yīng)用（焚燒法和回收利用），因而從根本上未能達(dá)到解決鉆井廢棄泥漿中有害成分的問(wèn)題，甚至可能還會(huì)造成二次污染問(wèn)題，因此都存在有一定的應(yīng)用局限性。

微生物處理技術(shù)是在人為優(yōu)化的條件下，利用自然環(huán)境中的土著微生物或人為投加的特定微生物的生命代謝活動(dòng)將環(huán)境中的有害污染物降解，從而實(shí)現(xiàn)污染物的減量化或無(wú)害化處理的一種生物修復(fù)技術(shù)，具有對(duì)環(huán)境友好、能源消耗少、無(wú)二次污染、處理效果較好等優(yōu)勢(shì)。

2 廢棄鉆井泥漿微生物處理降解菌主要來(lái)源

在自然界中存在許多能以有機(jī)污染物為唯一碳源和能源的異養(yǎng)微生物，通過(guò)新陳代謝及在污染物誘導(dǎo)下產(chǎn)生的酶系，這些微生物將長(zhǎng)鏈的有機(jī)物或大分子有機(jī)物分解和礦化成小分子物質(zhì)甚至氣體，從而達(dá)到無(wú)害化處理的效果[3]。污染物降解菌株的獲得主要有3種途徑：（1）通過(guò)篩選和馴化的土著微生物；（2）外源微生物；（3）通過(guò)基因工程技術(shù)進(jìn)行菌種改良。

2.1 篩選和馴化土著微生物

在廢棄鉆井泥漿以及石油烴污染的環(huán)境中往往存在著大量、可降解廢棄鉆井泥漿中污染物的細(xì)菌、真菌、藻類以及放線菌。因此，可以從被廢棄鉆井泥漿污染的環(huán)境中分離出對(duì)泥漿中的有機(jī)物具有較高降解作用的土著微生物。這些土著微生物對(duì)鉆井泥漿的環(huán)境，如高pH、高含鹽和缺乏營(yíng)養(yǎng)等特殊環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，是廢棄鉆井泥漿生物處理或生物修復(fù)的微生物菌株的重要來(lái)源。

2.2 外源微生物

除從廢棄鉆井泥漿環(huán)境中直接篩選高效的土著微生物菌株外，大量研究表明一些外源微生物可作為泥漿生物處理的菌株，對(duì)廢棄鉆井泥漿中的污染物具有重要的降解作用。陳五嶺和朱伯龍發(fā)現(xiàn)由米曲霉、谷草芽孢桿菌、熒光假單胞菌、醋酸鈣不動(dòng)桿菌和紅平球菌制成的固體菌劑對(duì)泥漿具有較好的處理效果，可使泥漿中的石油烴降至30mg/L、pH恢復(fù)至中性、活菌數(shù)達(dá)到108/g。

2.3 基于基因工程菌株改良

近年來(lái)，隨著分子生物學(xué)、遺傳學(xué)和基因工程的發(fā)展，PCR擴(kuò)增與探針雜交、16S rRNA序列分析、末端限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性分析等生物技術(shù)手段逐步應(yīng)用于油氣田微生物多樣性研究領(lǐng)域，廢棄鉆井泥漿的高效降解菌株的篩選馴化技術(shù)也因此得到了快速發(fā)展。然而，基于基因工程的廢棄鉆井泥漿污染物降解菌株有針對(duì)性的設(shè)計(jì)改良馴化工作仍處于初期探索階段，未見(jiàn)有規(guī)?；瘧?yīng)用實(shí)例。

3 影響微生物降解廢棄鉆井泥漿的影響因素

微生物處理技術(shù)的根本是利用微生物分解污染物，因此，其處理效果必然受到外界環(huán)境對(duì)微生物活性的影響，在對(duì)菌株培養(yǎng)和應(yīng)用時(shí)均需要考慮這些影響因素對(duì)其生長(zhǎng)繁殖和污染物降解性能的影響。

3.1 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

由于廢棄鉆井泥漿中的石油徑類物質(zhì)可以充當(dāng)碳源，但可能缺乏氮磷營(yíng)養(yǎng)，所以一般利用微生物進(jìn)行生物處理時(shí)，需了解廢棄鉆井泥漿的組成和性質(zhì)，適當(dāng)?shù)耐都拥?、磷鹽后，以保證其生長(zhǎng)繁殖所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。營(yíng)養(yǎng)鹽（N、P）、水分和膨松劑往往會(huì)影響廢棄泥漿的處理效果。Rojas-Avelizapa等調(diào)節(jié)廢棄鉆井泥漿的碳氮磷比為100 ：3 ：0.5，水分含量保持在30～35%，并在泥漿中添加3%的稻草；180d后實(shí)驗(yàn)組中的碳?xì)浠衔锝到饧?xì)菌和異養(yǎng)細(xì)菌的數(shù)量比空白組分別提高了3個(gè)和4個(gè)數(shù)量級(jí)，廢棄泥漿的總石油烴含量降低了94.4%。表明泥漿膨松劑（秸稈）、和氮磷營(yíng)養(yǎng)的加入以及合適的水分有利于土著菌的繁殖和泥漿中石油烴的降解[4]。

3.2 泥漿環(huán)境因素

由于廢棄鉆井泥漿中有毒有害物質(zhì)較多，微生物易被毒害造成活性降低，處理效果變差，因此在微生物實(shí)際應(yīng)用中，需要為微生物創(chuàng)造良好的生長(zhǎng)環(huán)境，以保證其具有良好的降解效果。

（1）溫度：溫度會(huì)影響石油烴類、粘土礦物及高分子化學(xué)添加劑在環(huán)境中的理化性質(zhì)。如，溫度增加，會(huì)促進(jìn)石油烴中對(duì)微生物具有毒害作用的易揮發(fā)烴類的揮發(fā)，同時(shí)也會(huì)一定程度上增加石油烴的乳化性，因此會(huì)對(duì)微生物的降解效果產(chǎn)生影響。溫度下降，不僅會(huì)降低微生物本身的活性，還會(huì)增加環(huán)境中低分子量石油污染物的相對(duì)濃度，因此，微生物因毒性作用降解污染物的效率會(huì)顯著下降。

（2）氧氣濃度：實(shí)踐證明好氧分解對(duì)污染物的降解非常有效，且降解速度比厭氧系統(tǒng)快的多。在對(duì)鉆井廢棄物進(jìn)行生物處理時(shí)，通常采用以下兩種方式保證體系的氧氣供給：其一是通過(guò)定期翻動(dòng)污泥讓空氣自然通過(guò)，以滿足好氧微生物的需氧量；其二是通過(guò)強(qiáng)制通入空氣（如鼓風(fēng)）為好氧微生物提供氧氣。

（3）pH值：大多數(shù)微生物適宜生長(zhǎng)的pH值在6～8之間。廢棄鉆井泥漿一般屬于堿性污染物，所以在進(jìn)行生物處理時(shí)，需要添加有效的pH調(diào)節(jié)和緩沖體系調(diào)節(jié)其pH至適宜的范圍。

（4）鹽度或礦化度：高鹽環(huán)境對(duì)微生物的代謝影響是多方面的，包括引起細(xì)胞內(nèi)滲透壓的改變、降低水中的溶解氧以及導(dǎo)致中間代謝產(chǎn)物轉(zhuǎn)化困難等。隨著油氣井的深度開(kāi)發(fā)，尤其是高含鹽油田的開(kāi)發(fā)，油田采出液和廢棄鉆井泥漿中的含鹽量日益增高，因此利用耐鹽的微生物有助于提高廢棄鉆井泥漿生物處理效果。

（5）重金屬：重金屬對(duì)微生物的生長(zhǎng)和繁殖會(huì)產(chǎn)生不利影響。由于廢棄鉆井泥漿中可能含有汞、銅、鉻、鎘、鋅及鉛等，因此在篩選降解菌時(shí)，應(yīng)考慮到篩選微生物對(duì)不同重金屬的耐受性，并進(jìn)行相應(yīng)的壓力選擇，使篩選菌株能適宜廢棄鉆井液的環(huán)境條件。

（6）表面活性劑：在高含油泥漿中添加生物表面活性劑，可以對(duì)泥漿中的油類物質(zhì)起到分散和乳化作用，改變細(xì)胞表面的疏水特性，增加微生物在油類物質(zhì)表面的附著能力，加速?gòu)U棄微生物對(duì)鉆井泥漿中油類物質(zhì)的代謝[5]。

4 廢棄鉆井泥漿的微生物降解機(jī)理

微生物處理法主要原理是細(xì)菌、真菌等某些微生物會(huì)將含油污泥中石油烴類作為其新陳代謝的碳源，利用微生物的生長(zhǎng)代謝活動(dòng)將油污泥中的有害物質(zhì)進(jìn)行同化降解，使其最終完全轉(zhuǎn)化為無(wú)害的無(wú)機(jī)物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)含油污泥的無(wú)害化處理。含油污泥在一般情況下被優(yōu)先降解的是直鏈烷烴，其次依次是支鏈烷烴，環(huán)烷烴，多環(huán)芳烴，雜環(huán)烴。

不同微生物降解鏈烷烴的好氧代謝途徑不同，最常見(jiàn)的是單末端氧化；以烷烴為唯一碳源和能源的細(xì)菌可能以末端氧化的方式進(jìn)行降解。相對(duì)于直鏈烷烴，支鏈烷烴難于被微生物降解。微生物對(duì)支鏈烷烴的氧化多從離支鏈最遠(yuǎn)的甲基開(kāi)始，在單氧化酶的催化下甲基被羥基化，然后在一系列脫氫酶的作用下最終被生成支鏈脂肪酸，再通過(guò)脂肪酸的氧化作用被降解[6]。 環(huán)烷烴的主要降解途徑類似于鏈烷烴的末端氧化途徑，在兩種不同氧化酶的協(xié)同作用下，環(huán)烷烴依次被氧化成環(huán)醇和環(huán)酮，最后再被氧化為內(nèi)酯，內(nèi)酯開(kāi)環(huán)后形成羥基羧酸，再通過(guò)β-氧化作用下最終形成CO2與H2O。含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的芳香烴在稠油中占比大，微生物降解困難，是廢棄鉆井泥漿中優(yōu)先控制的污染物。不同種類的微生物對(duì)芳香烴（尤其是多環(huán)芳烴）的降解代謝途徑不同，但芳香烴的好氧生物降解均從芳香環(huán)的氧化反應(yīng)開(kāi)始，然后再通過(guò)一系列反應(yīng)生成最終的代謝產(chǎn)物或轉(zhuǎn)化為CO2和H2O。

5 廢棄鉆井泥漿的微生物處理技術(shù)

目前微生物處理法的主要工藝有地耕法、堆肥法、植物-微生物聯(lián)合處理法等方法。

（1）地耕法

地耕法主要用于含油污泥的處理，是指在露天條件下，將含油污泥平整覆蓋于土壤地表層，通過(guò)翻耕通氣、澆水、添加肥料等方式，優(yōu)化廢棄鉆井泥漿中微生物活性與降解條件，最終達(dá)到利用土壤土著微生物或者外源微生物降解石油烴類物質(zhì)的目的。此法最大優(yōu)點(diǎn)是將污泥中對(duì)環(huán)境有害的轉(zhuǎn)變成土壤的一部分，環(huán)保無(wú)二次污染，且運(yùn)行成本極低[7]。

（2）堆肥法

堆肥法是將固體廢棄物成堆放置，利用土著或外源微生物進(jìn)行處理的方法，其實(shí)質(zhì)也是利用以污泥中石油烴類為營(yíng)養(yǎng)源的土著或外源微生物的生物代謝活動(dòng)?；谔幚磉^(guò)程中微生物對(duì)氧氣的需求不同，可將堆肥分為好氧堆肥和厭氧堆肥兩種。影響堆肥法處理效果的因素主要有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、水分、通氣量，以上均可通過(guò)添加疏松劑（麩皮、鋸木屑、稻殼等）改善。

（3）植物-微生物聯(lián)合處理技術(shù)

微生物-植物聯(lián)合處理技術(shù)是將植物與微生物有機(jī)的結(jié)合，協(xié)同處理污染物的過(guò)程，其具有應(yīng)用范圍廣，無(wú)二次污染、處理成本低等優(yōu)勢(shì)，是一種環(huán)境友好的廢棄鉆井泥漿無(wú)害化處理方法。研究表明，植物生長(zhǎng)過(guò)程中，一方面其根部可為微生物提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境，植物根際還會(huì)分泌物質(zhì)，刺激微生物對(duì)污染物的降解；另一方面，微生物對(duì)環(huán)境中污染物的降解，也有利于植物的生長(zhǎng)及對(duì)污染物的吸收。影響植物-微生物聯(lián)合修復(fù)效果的因素主要有：鉆井泥漿污染物的理化性質(zhì)、微生物與修復(fù)植物的種類，風(fēng)、濕度、水分、溫度等植物與微生物生長(zhǎng)環(huán)境因素。

6 結(jié)論與展望

微生物法廢棄鉆井泥漿無(wú)害化處理具有低成本、無(wú)二次污染、處理效果好等優(yōu)勢(shì)，是一種具有潛力的綠色鉆井泥漿處理方法。未來(lái)可著重在以下幾個(gè)方面開(kāi)展深入研究：

（1） 充分利用分子生物學(xué)、遺傳學(xué)、基因工程等現(xiàn)代化科技手段與微生物技術(shù)相結(jié)合，對(duì)菌株進(jìn)行強(qiáng)化改進(jìn)，提高微生物的活性及環(huán)境適應(yīng)性，進(jìn)而提高微生物對(duì)目標(biāo)污染物的降解能力。

（2）植物-微生物法廢棄鉆井泥漿聯(lián)合處理技術(shù)是一種有潛力的綠色生物技術(shù)，但目前研究仍處于起步階段。未來(lái)可著重開(kāi)展植物與微生物協(xié)同處理技術(shù)機(jī)理研究，篩選處理效果好的植物與微生物種類，為其在實(shí)際中的廣泛應(yīng)用鑒定基礎(chǔ)。