油基鉆屑的生物處理

單海霞， 何煥杰， 劉曉宇， 朱冬梅，馬 金， 位 華， 王中華

(1.中國石化集團中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院，河南濮陽457001;2.中原油田技術監測中心，河南濮陽457001;3.中國石化勘探南方分公司環境保護管理中心，四川成都610041)

隨著全球頁巖、致密砂巖等非常規油氣資源開發力度的不斷加大，油基鉆井液技術已成為頁巖氣水平井鉆井的關鍵技術之一。然而，在油氣資源勘探、開發鉆井過程中會產生油基鉆井液鉆屑(簡稱油基鉆屑)的堆積。油基鉆屑因其含有石油烴類、重金屬和有機物等污染物，已被列入國家危險廢棄物(國家危險廢物名錄，HW08)，若不經處理就直接排放，將會對周邊生態環境造成嚴重危害［1］。發達國家從20世紀80年代就開展了對含油固廢物處理的系統研究，至90年代已形成了較為完善的相關環保法規［2］。我國對油基鉆井液的使用和研究起步較晚，正在探尋一種安全、可靠、經濟有效的油基鉆屑處理處置方法。

目前油基鉆屑主要采用井下回注法、掩埋法和焚燒法［3］進行處理。回注法雖消除了地面污染，但地層要求嚴格，成本非常高，受地層限制大，無法普遍采用;掩埋法雖花費較少，最大缺點是未回收鉆屑中的油，造成石油資源浪費，且存在易漏失;焚燒法除造成嚴重的資源浪費外，處理過程中產生的二噁因是致癌物質，二氧化碳排放導致溫室效應，同時昂貴的設備投資等，已逐漸被人們摒棄。因此，上述方法大都存在二次污染、成本較高、處理條件苛刻和現場實施困難等缺點。生物法主要是利用微生物及其他生物的新陳代謝生理活動，將有毒有害的石油烴污染物現場降解成二氧化碳和水或轉化成為無害物質［4］。該技術因具有成本低、反應條件溫和，對環境友好、無二次污染等顯著優點而備受國內外高度重視。

國內在該技術領域研究起步較晚，大慶油田、勝利油田和遼河油田采用生物修復技術治理石油污染土壤和油泥砂的現場試驗［5-6］。而油基鉆屑成分復雜，石油烴為乳化分散狀態，影響微生物降解能力的因素較多，迄今為止油基鉆屑的生物處理研究報道甚少。文中采用收集的3種石油降解菌對某油田鉆井過程產生的油基鉆屑進行生物處理，通過處理前后鉆屑中的油烴含量變化，對生物法處理油基鉆屑的效果進行考察。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

1.1.1 試劑 OBT，除油菌，美國碧沃豐公司提供;ZL，大慶油田提供;PKUA/B，北京大學提供;尿素，硝酸銨，磷酸二氫鉀，氯化鋅，Tween-80，NaCl，葡萄糖，雙氧水(質量分數3%)，石油醚，均為分析純，皆由國藥集團化學試劑有限公司提供;十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)，東京仁成工業株式會社提供。油基鉆屑樣品，采自中原油田濮18-側1井，初始油質量分數134 700 mg/kg，室溫下封存備用。

1.1.2 儀器 索氏提取儀，自組安裝;DZF-6020真空干燥箱，上海博迅實業有限公司制造;SC-3614臺式離心機，安徽中科中佳科學儀器有限公司制造;AL204型精密電子天平，梅特勒-托利多儀器有限公司制造;PHS-3C型pH計，上海感磁儀器有限公司制造;移液器，梅特勒-托利多儀器有限公司制造;電熱恒溫水浴鍋，太倉實驗儀器有限公司制造。

1.2 石油烴降解率測定

鉆屑中依次加入菌種0.005%(質量分數，下同)、營養劑0.2%、電子受體1.2%、表面活性劑0.08%、膨松劑1.2%，控制水的質量分數為10% ～15%，降解一定時間，取樣，重量法［7］測定石油烴降解率。具體步驟如下:

準確稱取待測樣品，質量記為m0，將樣品用濾紙包好，放入索氏提取器中;石油醚(30～60℃)浸泡24 h，通冷凝水，水浴60℃ 加熱，加石油醚至虹吸，提取6 h;回收燒瓶中石油醚，取下燒瓶，放入干燥器30 min，稱重并記質量為m2。降解率

式中:m0為樣品質量;m1為原燒瓶質量，m2為提取后燒瓶質量。

2 結果與討論

2.1 降解菌優選

為了考察收集的3種降解菌制劑對鉆屑中石油烴降解效果，向鉆屑中加入OBT，ZL和PKUA/B 3種菌，測定不同時間的石油烴降解率，具體結果如圖1所示。

圖1 不同除油菌對石油降解率的影響Fig.1 Effectsofdifferentbacteria strainson oil degradation

由圖1可以看出，3種降解菌對石油烴的降解率均隨著降解時間的增加而增加，其中OBT顯示出高的初始降解速率和降解率。降解70 d后，OBT對石油的降解率分別是ZL和PKUA/B菌種對石油降解率的1.17倍和3.79倍。因此，OBT被選擇為優勢降解菌。

另外，OBT降解30 d和70 d后，降解率分別為46.3% 和49.6%，可見，在降解30 d后，石油降解率增加趨勢不明顯，可認為在降解30 d后油降解率基本達到平衡，因此后續降解條件優化時，降解時間選取為30 d。

2.2 接種量對降解率影響

接種量是降解菌代謝過程的一個重要因素，對菌體生長的延滯期和生長速度有一定影響，進而影響油降解率。改變鉆屑中降解菌OBT加入質量分數為:0.005%，0.01%，0.02%，0.04%，0.05%，考察降解菌不同接種量對石油烴初始降解速率和降解率影響，結果如圖2所示。其中，菌活(U)定義為在一定條件下，單位時間內每降解1 mg石油烴所需要的降解菌質量。

圖2 接種量對石油降解率的影響Fig.2 Effects of inoculation amount on oil degradation

由圖2可以看出，石油的初始降解速率隨降解菌接種量的增加而升高，但隨著降解時間增加至30 d，油降解率卻基本趨于一致，都在47.0% 左右。可見，降解菌的接種量并非越大越好。接種菌的量過大，隨著降解時間的延長，菌體對鉆屑中營養物質的相互競爭將造成營養短缺，致使新陳代謝速度減緩，從而影響降解菌對油的吸收降解。因此，從降低成本考慮，接種質量分數確定為0.005%。

2.3 初始pH對降解率影響

pH值對于降解菌生長和代謝有著重要的作用，其可影響菌體細胞內酶的活性。選取鉆屑不同初始pH 為5，6，7，8，9，考察不同 pH 值對油降解率影響，結果如圖3所示。

圖3 初始pH對降解率的影響Fig.3 Effects of pH on oil degradation

由圖3可以看出，降解菌在初始pH 5.0～8.0的范圍內，降解率隨著pH值的升高而增大，最適初始pH值為8.0，當初始pH值超過8.0后，降解率隨著pH值的升高而降低。探其原因，在pH 6.0～8.0時磷的有效性較高，有利于降解菌對油的吸收代謝，當鉆屑中的pH值稍高于中性時，對硝化作用及氮的進一步轉化均有利，說明降解菌適宜在中性以及偏堿性環境中進行油代謝。因此，最適初始pH范圍為 7.0 ～ 8.0。

2.4 強化生物降解措施

2.4.1 營養劑種類及用量 利用降解菌降解石油污染時，石油烴為菌提供了大量碳底物，但環境中的N，P儲量普遍偏低。當m(C)∶m(N)∶m(P)達不到降解菌代謝所需要的比例，菌代謝石油的速度就會受到限制，因此常常通過添加N，P等營養鹽進行生物刺激，強化污染物的生物降解［7］。

圖4 考察了鉆屑中加入的不同氮/磷源對油降解率影響。

圖4 營養劑種類對降解率的影響Fig.4 Effects of N and P sources on oil degradation

由圖4可以看出，無機氮源硝酸銨比有機氮源尿素更能促進降解菌對石油烴的降解，這是由于有機氮源可能同時作為碳源，將優先于石油被利用，從而妨礙了石油的降解。4，5兩組均可為菌提供的較高的營養N和P，從降低成本角度考慮，營養劑確定為硝酸銨 /磷酸二氫鉀。

在確定的營養劑條件下，改變氮磷質量比，即m(N)∶m(P)為1 ∶2，1 ∶1，3 ∶2，2 ∶1，考察降解菌對石油烴降解率影響，結果如圖5所示。

由圖5可以看出，當m(N)∶m(P)為1∶1時，降解菌對石油烴降解率達最高48.2%。原因為氮、磷營養物質的缺乏直接限制了石油烴的微生物降解，過量添加也會產生抑制作用，需要尋找一個合適的添加量及添加比例。本實驗確定m(N)∶m(P)為1∶1。報道研究認為碳、氮、磷的合適比例為m(C)∶m(N)∶m(P)=100∶10 ∶1，對不同菌種，這種比例也稍有變化［8］。而本研究m(N)∶m(P)優化為1∶1，這同傳統研究并不矛盾，因為油基鉆屑中添加的含氮化合物，也作為氮源而被降解菌利用，因此需要額外添加的氮源營養物會偏低，故m(N)∶m(P)要低于5∶1。

圖5 營養劑用量對降解率影響Fig.5 Effects of N and P ratio on oil degradation

2.4.2 表面活性劑種類及用量 降解菌微生物大多為水溶性環境中生存，但是很多石油烴在水中溶解度很低，且以油珠或油滴分離相形式存在［9］，限制了降解菌對石油烴的攝取和利用。通過添加表面活性劑，石油會形成微小顆粒，能增加與O2及微生物的接觸機會，從而促進生物降解。文中考察不同表活劑種類(ZLS、BS、Tween-80、CTAB)對油降解率影響，結果如圖6所示。

圖6 表面活性劑種類對降解率影響Fig.6 Effects of surfactants on oil degradation

由圖6可以看出，同其他2種表活劑相比較，ZLS和CTAB的加入均可使OBT具有較高的石油烴降解率，分別達48.8% 和46.6%。分析其原因，ZLS和CTAB的加入均增強了非極性石油烴底物的乳化作用和溶解作用，形成大小適宜的油滴，增大了石油烴組分和降解菌的接觸幾率和接觸面積，從而提高了石油的降解速率。ZLS系生物表面活性劑，同化學表面活性劑相比，它具有高效、無毒、抗菌、經濟及無二次污染等優點，因此，文中選取ZLS為最佳添加的表面活性劑。

圖7 表面活性劑ZLS加量對降解率影響Fig.7 Effects of surfactant dosage on oil degradation

表面活性劑的添加量也是影響石油烴降解率的因素之一。研究考察了加入不同質量分數的ZLS，即 0.06%，0.08%，0.10%，0.12%，對油降解率影響，結果如圖7所示。

由圖7可以看出，隨著ZLS降解率并未出現明顯規律性變化，具體原因有待于進一步分析。ZLS質量分數為0.08% 時，石油烴初始降解率達最高49.2%，因此確定表面活性劑ZLS質量分數為0.08%。

2.4.3 電子受體 電子受體的加入能夠增加溶解氧，可顯著改善環境中降解菌微生物的活性和活動狀況。雙氧水常被選擇為含油固廢物生物降解的電子受體，主要是由于雙氧水的深度氧化和供氧的雙重作用對石油烴類污染物的生物降解起到促進作用;而適量濃度的雙氧水對細胞膜破壞性很小，它可以作為酶的激活劑，能夠加快酶促反應［10］。本實驗選用質量分數為3%的雙氧水作為電子受體，并考察其不同質量分數(0.6%，1.2%，1.8%，2.4%)對油降解率影響，結果如圖8所示。

圖8 電子受體加量對降解率影響Fig.8 Effects of electron acceptor dosage on oildegradation

由圖8可以看出，隨著雙氧水濃度的增加，石油降解率先增加后降低，當電子受體質量分數為1.2% 時，降解率達最大值49.5%。究其原因，生物降解時加入適量的H2O2，一方面可以直接氧化一部分烴類污染物，另一方面可使溶解氧增多，進一步強化降解菌對石油烴的氧化降解作用。但H2O2過量也會對菌產生毒害作用。因此，文中確定電子受體H2O2最優質量分數為1.2%。

2.5 降解菌種補加對降解率影響

在降解30 d后，降解率趨于恒定，依次補加菌種、水分和電子受體用于新一輪研究，依次類推，考察多次降解率隨時間變化，結果如圖9所示。

圖9 多次降解率隨時間變化Fig.9 Time-course curve of oil multi-degradation

隨著降解時間的增加，降解率逐漸增加。降解時間為 30 d，降解率達 48.8%;60 d，降解率為50.2%。降解速率在30 d時基本趨于穩定，因此確定每間隔30 d即進行新一輪菌種、水分和電子受體補加。補加過程為調節初始pH 7～8，依次加入OBT菌種質量分數0.05%、硝酸銨 /磷酸二氫鉀均加入0.1% 并控制 m(N)∶m(P)=1∶1、ZLS質量分數0.08%、H2O2電子受體質量分數1.2%、鋸末質量分數1.5%，噴灌(水的質量分數控制在 10% ～15%)，翻耕(每7 d進行一次)，補加菌種(每30 d補加)測定油降解率。圖9顯示，90 d降解率為63.7%，120 d 降解率為 70.3%，180 d 降解率達74.3%。當補加5次后，降解率增加非常緩慢，可以認為鉆屑中的油烴在生物降解半年后，去除率基本達最大值，剩余油質量分數為34 618 mg/kg。

3 結語

收集3種降解菌，考察其對油基鉆屑石油烴降解效果，最終優選出美國菌種OBT處理效果較佳;優化油基鉆屑微生物降解條件:初始pH為7.0～8.0，菌種質量分數 0.005%，氮磷質量比為 1 ∶1，電子受體質量分數1.2%，表面活性劑質量分數0.08%，膨松劑質量分數1.5%，水的質量分數控制在10% ～15%，每7 d翻耕一次，并間隔30 d補充添加菌種、營養劑，在優化條件下，180 d油降解率達74.3%。

GB4284—1984標準技術要求油的質量分數小于3 000 mg/kg(＜0.3%)，在后續工作中可以考慮聯合采用氧化或清洗等方式，對高含油量鉆屑進行預處理，一方面可以回收部分油，進行資源化利用;另一方面針對油基鉆屑中難生化降解的瀝青質、芳香烴等物質，采用氧化等預處理手段，發生開環、斷鏈反應，提高鉆屑的生物可降解性，縮短降解周期。

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