含油污泥微生物強(qiáng)化處理及堆制強(qiáng)化處理試驗(yàn)

含油污泥微生物強(qiáng)化處理及堆制強(qiáng)化處理試驗(yàn)

石油開采過程中會產(chǎn)生大量含油量的含油量。如果處理不當(dāng)，將給環(huán)境帶來嚴(yán)重危害。中國在國內(nèi)外對石油污染土壤的恢復(fù)進(jìn)行了大量研究。微生物修復(fù)和堆處理是兩種處理技術(shù)：一種方法是用長料堆沉積法處理遼河油田的四種不同類型的石油污染土壤。經(jīng)過53天的運(yùn)行，th回收率達(dá)到45.2%56.7%。根據(jù)研究，生態(tài)嵌入系統(tǒng)可以減少71%。根據(jù)corden的研究，通過生物沉積，原油污染土壤中的石油含量可以減少71%。韓國進(jìn)一步調(diào)查了添加不同比例有機(jī)有機(jī)物質(zhì)對原油污染土壤沉積的影響。由于其成本低、易操作、長期功能等特點(diǎn)，微生物修復(fù)原油污染土壤已成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。自美國加利福尼亞州的石油污染海岸恢復(fù)成功以來，這方面的研究和應(yīng)用最為突出。原油，尤其是原油，微生物環(huán)境惡化，處理和修復(fù)的難度增加。目前的處理方法主要是參照石油污染土壤。中國在處理石油方面仍處于通過物理、化學(xué)等方法提取石油的過程中，油處理后剩余的油處理剛剛開始。國外對油處理中殘留顆粒的微生物分解進(jìn)行了一些研究，lagor等人對油污泥進(jìn)行了微生物分解試驗(yàn)，并取得了良好的效果。在這項(xiàng)工作中，我們使用分離和培養(yǎng)的石油分解細(xì)菌，對現(xiàn)場的油氣中的污泥進(jìn)行了分解和分解，并比較了沉積的強(qiáng)化處理中它們的修復(fù)效果。通過兩種修復(fù)過程，分析了兩個(gè)富有成效的主要特征。1材料和方法1.1微生物菌劑rhodadepo試驗(yàn)所用含油污泥取自某采油場,其理化性質(zhì)如表1所示,含油污泥為棕黃色,含大塊石油泥團(tuán),含油達(dá)到12.68%,含油污泥中氮含量偏低,磷含量相對較高,通過添加營養(yǎng)液來改善碳、氮、磷的比例.試驗(yàn)所用微生物菌劑(Rhoder)為俄羅斯莫斯科大學(xué)化學(xué)系從石油污染土壤中提取強(qiáng)化而得,是石油污染土壤中Rhodococcus菌種中2類高活性并對人類、動植物無害的細(xì)菌組成,為粉末狀物質(zhì).1.2微生物菌劑處理微生物菌劑強(qiáng)化處理單元是將500kg含油污泥、8kg小麥秸稈(含水率為7.4%)、15kg鋸末(含水率為23.7%)完全混合,將150g干菌劑粉末溶解于10L水中,放置2h后均勻噴灑在堆體上,隨后將溶有1000g尿素、50gKH2PO4的10L營養(yǎng)液均勻噴灑在堆體上,翻堆混合,形成0.2m高、2.5m長、2.0m寬的長方體,均勻混合后樣品含油率為12.12%.在翻堆過程中灑水,保持水分在40%～45%之間,最后在表面覆蓋草席,以遮光和保濕,保證微生物的正常生長.對照單元是向200kg含油污泥中投加上述比例的小麥秸稈、鋸末和營養(yǎng)液,均勻混合后堆放成0.2m高、1.6m長、1.0m寬的堆體.除未噴灑微生物菌劑外,其他處理過程和菌劑處理單元一致.堆制強(qiáng)化處理單元是將280kg油泥、60kg腐熟農(nóng)家肥、10kg秸稈均勻混合,再形成下底為0.7m、高0.5m、上底0.2m的密實(shí)堆體,混合后含油量為10.14%.最后在堆體上形成6個(gè)直徑為3cm的通氣孔.原始污泥單元是高0.2m、長1.0m、寬1.0m的堆體,只灑水和攪拌處理,不添加任何物質(zhì).由于厭氧處理在實(shí)際運(yùn)用中需要較高的操作要求,因此石油降解以好氧方式為主,在試驗(yàn)中添加秸稈主要作用是形成孔隙,維持修復(fù)環(huán)境中的好氧狀態(tài);添加鋸末來實(shí)現(xiàn)共代謝,促進(jìn)難分解物質(zhì)的降解.試驗(yàn)過程中每3d對微生物菌劑強(qiáng)化處理單元、對照處理單元及原始油泥單元進(jìn)行翻堆和灑水,以維持穩(wěn)定的微生物生活環(huán)境,通過翻堆使菌劑和石油及營養(yǎng)物質(zhì)充分接觸.為保證石油降解菌在微生物體系中的優(yōu)勢地位,維持降解能力,在試驗(yàn)進(jìn)行的第15、30d分別向菌劑處理單元補(bǔ)充噴灑菌劑和營養(yǎng)液,噴灑的劑量和初次噴灑相同.對照單元及原始油泥單元?jiǎng)t噴灑相同體積的水和營養(yǎng)液.根據(jù)堆制強(qiáng)化處理單元的溫度特征,在第15、30d追加10kg農(nóng)家肥,完全混合再堆制.1.3f-20型高效水溶液每日用水銀溫度計(jì)現(xiàn)場均勻5點(diǎn)測量后取平均值;每隔3d測試含油量和pH值.含油量的測定為重量法,萃取劑為沸點(diǎn)在60℃～90℃之間的石油醚;pH值測定方法采用土壤pH值測量方法,樣品干燥后,添加5倍蒸餾水進(jìn)行完全混合,靜置30min后用pH計(jì)(F-20型,北京屹源電子儀器科技公司生產(chǎn))直接測量;細(xì)菌數(shù)采用平板計(jì)數(shù)法.進(jìn)行GC-MS分析的處理后樣品為第56d含油量分析所得石油再溶解于石油醚中,最終定容在150mL,而原樣是保存在冰箱中初始樣品萃取后獲得.氣相色譜(GC)為Trace2000型,質(zhì)譜(MS)為Voyager.柱子為DB-1,長30m,內(nèi)徑為0.25mm,固定相為0.25μm厚.測試相對分子質(zhì)量范圍為30～680,前5min為溶劑峰.分析條件為50℃開始每min上升10℃至200℃,再以5℃/min上升至290℃,保留15min,質(zhì)譜與氣相色譜連接溫度為250℃.2結(jié)果與討論2.1含油量的變化樣品含油量變化情況如圖1所示.可以看出,在整個(gè)試驗(yàn)過程中微生物強(qiáng)化處理單元、對照單元和堆制強(qiáng)化處理單元含油量均呈持續(xù)下降趨勢,表明這3種處理方式都有一定的效果.對照單元油泥中含油量變化較小,經(jīng)過56d的處理,最低濃度為10.15%,最終穩(wěn)定在10%左右,去除率為16.2%.而沒有添加任何物質(zhì)的原始污泥,含油量基本不變,在試驗(yàn)后期監(jiān)測含油量為11.5%.表明在自然堆放條件下,含油污泥難以分解,也說明向含油污泥中添加秸稈、鋸末和營養(yǎng)液等物質(zhì)可以增強(qiáng)土著菌種的降解能力.營養(yǎng)液可以改變系統(tǒng)中的氮磷含量;通過秸稈形成的空隙,可以提高體系內(nèi)的氧氣濃度;通過添加鋸末來提供共降解物質(zhì).相對對照單元,添加微生物菌劑,降解效果更為明顯,處理后含油量為6.42%,去除率達(dá)到47%,表明添加的外源微生物有較好的降解作用.堆制強(qiáng)化處理單元含油量降低的趨勢較為平緩,處理后含油量為6.98%,去除率為31%,表明堆制強(qiáng)化處理含油污泥有一定的效果.但與微生物菌劑處理相比,堆制處理的效果略差一些,特別是在降解后期,含油量基本不發(fā)生改變,表明在后期溫度降低后,系統(tǒng)中的微生物不能有效地降解石油,但堆制強(qiáng)化處理有處理成本低、操作方便等優(yōu)勢.為加速石油降解速率,維持含有污泥降解微生物數(shù)量,在試驗(yàn)進(jìn)行的第15、30d分別噴灑了菌劑和營養(yǎng)物質(zhì).根據(jù)微生物試驗(yàn)的結(jié)果(表2),在微生物菌劑強(qiáng)化分解過程中,系統(tǒng)中微生物數(shù)量一直維持在1011個(gè)/g水平,而對照單元,在試驗(yàn)進(jìn)行的第23d后微生物數(shù)量一直呈下降趨勢,說明通過追加菌劑能夠穩(wěn)定系統(tǒng)的降解能力.從圖1也可以看出,菌劑處理單元的降解速率基本保持一定,未出現(xiàn)大幅度的波動,這和細(xì)菌數(shù)保持穩(wěn)定相符.對照單元中細(xì)菌數(shù)在初期明顯上升,主要原因是通過改變含油污泥狀態(tài),噴灑營養(yǎng)液,使得微生物大量繁殖,但在后期只有適應(yīng)高含油量的土著菌種才能生存,細(xì)菌數(shù)開始逐步下降,但整體水平已經(jīng)超出初始狀態(tài)60倍,表明通過改善土著菌種的生存環(huán)境可以提高石油降解細(xì)菌的含量.試驗(yàn)進(jìn)行58d后,菌劑處理含油污泥中微生物數(shù)仍然為4×109個(gè)/g,說明大量的外源細(xì)菌已經(jīng)適應(yīng)了含油污泥的生活環(huán)境,使得菌劑強(qiáng)化處理單元在后期仍然有一定的分解石油能力.堆制強(qiáng)化處理單元的細(xì)菌數(shù)在試驗(yàn)過程中基本保持不變,表明在高溫階段適應(yīng)的細(xì)菌在后期中溫階段未大量繁殖,相應(yīng)的堆制強(qiáng)化處理石油含量在后期沒有明顯的變化.試驗(yàn)過程中,對照單元和微生物菌劑處理單元細(xì)菌數(shù)變化均經(jīng)歷初期的快速增長、再略微下降的特征,這表明外界因素是微生物生長的主要影響因子.兩者間比值由第10d的800倍逐步減少到第58d的6.7倍,但菌劑處理單元細(xì)菌數(shù)始終保持一定的優(yōu)勢,這說明微生物菌劑在含油污泥中有著較好的適應(yīng)能力.58d后對照處理單元細(xì)菌數(shù)仍大于其初始值,表明試驗(yàn)期間外加物質(zhì)有助于土著菌種的生長.通過生物工程技術(shù),利用這部分土著菌種與外加菌種融合,獲得新細(xì)菌,來提高微生物菌劑的生存能力和降解能力.2.2單一組分含量在石油對原樣、微生物菌劑強(qiáng)化分解后和堆制強(qiáng)化處理后含油污泥樣品進(jìn)行了GC-MS分析,結(jié)果見圖2.可以看出,微生物強(qiáng)化處理和堆制強(qiáng)化處理對于含油污泥都有一定的分解作用,菌劑作用的效果優(yōu)于堆制強(qiáng)化處理.含油污泥中石油主要由直鏈烷烴組成,含碳原子個(gè)數(shù)在14至28之間的物質(zhì)占石油組成的93.4%.通過質(zhì)譜分析可知,直鏈烷烴峰之間的物質(zhì)為直鏈烴的同分異構(gòu)體,異構(gòu)體均為甲基異構(gòu),且甲基數(shù)不多于4個(gè).圖2中最高峰為2,4,10,14-四甲基十六烷和正十八烷,其中2,4,10,14-四甲基十六烷在石油中含量為10.9%,是單一組分含量最多的物質(zhì),正十八烷含量為5.3%.將石油組分按照含碳原子個(gè)數(shù)分為<13、C13～C16、C17～C21、C22～C25、C26～C29、>29等6個(gè)部分,原樣、堆制強(qiáng)化處理和微生物菌劑強(qiáng)化分解后上述6個(gè)組分在石油中比例見圖3.原樣中含量最多的組分為C17～C21,占石油組分的47.1%,強(qiáng)化堆制后這部分在石油中占的比例為37.9%,生物強(qiáng)化降解后其在石油中占36.4%.該部分烴類含量在菌劑強(qiáng)化處理后比原樣中減少10.7%左右,但由于樣品含油量從初期的12.12%下降到6.42%,可知C17～C21段烴類在含油污泥中含量由原樣中的5.72%下降到2.12%,去除率達(dá)到62.9%.通過堆制強(qiáng)化處理,C17～C21段烴類的去除率為44.6%.從圖3可以看出,2種處理方式對改變石油組分有著不同的效果,小于21個(gè)碳原子的烴類經(jīng)過微生物菌劑強(qiáng)化處理,在石油中含量逐步減少,表明微生物菌劑對于這部分烴類有著良好的分解作用,而碳原子數(shù)大于26的烴類比重增加,表明微生物作用于這部分烴類的分解能力較低.堆制強(qiáng)化處理中也存在著類似的規(guī)律,但堆制強(qiáng)化處理整體的分解能力弱于微生物菌劑,小于21個(gè)碳原子數(shù)烴類峰面積大于菌劑處理單元.2.3不同強(qiáng)化分解階段ph值變化情況試驗(yàn)過程中對微生物強(qiáng)化分解和對照單元每隔3d取樣進(jìn)行pH值分析(圖4).根據(jù)Chaerun的試驗(yàn)表明,pH值在6.4～8時(shí),生物降解過程能夠順利進(jìn)行,在微生物菌劑強(qiáng)化分解過程中,最高值為初期的8.07,大部分階段在適宜pH值范圍內(nèi).由于對照單元中土著石油降解菌數(shù)量較少,生命活動弱,因此pH值在7.80～8.21之間細(xì)微波動.而在微生物菌劑強(qiáng)化分解單元中,初始階段由于微生物菌劑自身需要一定的適應(yīng)時(shí)間及污泥系統(tǒng)本身存在的緩沖體系,產(chǎn)生的酸性物質(zhì)還不足以產(chǎn)生明顯的作用,在最初的21d中,pH值變化范圍為7.80～8.08;但在后期有2個(gè)明顯的下降過程,第21dpH值為8.01,第24d下降到7.50,經(jīng)過6d后又上升到7.86,隨后下降至7.33.Marín的研究表明在營養(yǎng)物質(zhì)及時(shí)補(bǔ)充的條件下,在微生物分解石油過程中,pH值會有一個(gè)明顯的下降過程.圖2中pH值下降的時(shí)間和2次追加微生物菌劑的時(shí)間相符,表明追加的微生物菌劑可以進(jìn)一步強(qiáng)化分解石油,有助于石油含量的降低.2.4堆制強(qiáng)化處理溫度是堆制強(qiáng)化處理的主要參數(shù),溫度的升高表明堆制的成功.堆制強(qiáng)化處理初期,由于添加了農(nóng)家肥,堆體溫度迅速上升,第2d溫度為48℃,且在高溫階段停留了3d.在試驗(yàn)過程中,在第15、30d分別追加了農(nóng)家肥,從圖5可以看出,在第15d有迅速的升溫過程,達(dá)到最高溫度54℃,溫度在隨后的10d中均保持在較高的水平,在第29d下降到16℃.雖然在第30d再次追加農(nóng)家肥,但溫度沒有明顯的上升過程.表明在第3次投加農(nóng)家肥前,堆制強(qiáng)化處理過程已經(jīng)完成.從圖1看出,第34d后,系統(tǒng)的含油量下降速率趨緩.通過堆體溫度變化可以認(rèn)為含油污泥強(qiáng)化堆制處理的周期為30d左右.3微生物菌劑處理石油污泥的優(yōu)勢(1)采用微生物菌劑處理含油量達(dá)12.12%的污泥,去除率達(dá)到47%.通過GC-MS分析,可以看出碳原子數(shù)小于21的直鏈烷烴,微生物菌劑強(qiáng)化分解有著良好的降解效果,而對于碳原子數(shù)大于26的烷烴分解能力則一般.試驗(yàn)證明通過投加微生物菌劑處理石油污泥是一種有效途徑.(2)強(qiáng)化堆制處理含油污泥有一定的效果,去除率可以達(dá)到31%,相對碳原子數(shù)較少