陜北某采油廠石油污染土壤的修復示范工程

馬健波，韓 斌，任文濤，王 楠，周 陽，朱 立

（1. 西安羅克環境修復有限公司，陜西 西安 710018；2. 陜西羅克環保科技有限公司，陜西 西安 710018）

陜北黃土丘陵溝壑區接壤地帶土壤中礦物鹽含量高，有機質含量低，土壤貧瘠，土壤微生物種群和數量少。大規模的石油開發對當地土壤產生了一定的影響，調查顯示，陜北受污染土壤的石油含量已經達到5～60 mg/g，受污染面積也累計達到7.0×106m2，使本來就脆弱的生態環境承載了巨大的污染負荷［1］。采油廠造成土壤污染的主要途徑包括落地油泥、采油廢水、采油廢棄物堆放和輸油管線泄漏等［2］。

土壤中的石油污染物單靠土壤自身的凈化作用需要20 a左右的時間［3］。針對石油污染土壤，眾多研究者認為，生物修復技術是目前最具前景和潛力的修復方法［4-6］。甄麗莎等［7］研究了黃土高坡油污染土壤中微生物的群落特征，表明一定濃度的石油污染能夠刺激土壤微生物群落中優勢種群的生長。張超等［8］利用混合菌群對石油污染土壤進行修復，40 d后的石油降解率達66.95%。國外研究者利用三葉草、苜蓿和大豆等草本植物降解土壤中有機污染物，效果較為顯著［9-11］。而將植物和微生物相結合的植物-微生物聯合修復技術，在石油污染土壤修復方面更具優勢。劉永軍等［12］利用黑麥草-不動桿菌強化修復石油污染土壤，石油烴含量從4420.18 mg/kg降至171.08 mg/kg。劉魏魏等［13］利用紫花苜蓿-菌根真菌和紫花苜蓿-多環芳烴專性降解菌強化修復多環芳烴長期污染土壤，相比單獨使用紫花苜蓿的降解率分別提升了26.2%和38.4%。王京秀等［14］和雒曉芳等［15］也在植物-微生物聯合修復石油污染土壤的研究中取得了較好效果。

但上述植物-微生物聯合修復技術目前大多僅停留在實驗室研究階段，現場實施的工程項目較少。因此，本工作在前期研究［16-17］的基礎上，采用銅綠假單胞菌-黑麥草聯合修復技術對陜北某采油廠油井周邊污染土壤進行現場修復示范，以期為該技術的實際應用提供參考。

1 試驗部分

1.1 場地概況

示范場地456井位于陜北某采油廠上方山坡上，井深795 m，投產時間為2003年，停產時間為2013年，最高產油量為4 t/d，井周圍約有700 m2的場地。2019年7月進行了場地勘查，具體情況見表1。

表1 現場踏勘記錄內容

1.2 樣品的采集和檢測

根據現場踏勘，該井場大致呈長方形，長45 m，寬15 m，占地面積675 m2。根據井口位置、井場地形和場地面積，確定選用放射型布點法，采樣深度為0～40 cm，具體布點情況如圖1所示。圖中：示范區內的1#～3#點位分別對應現場試驗距井口不同距離的3個采樣點；靠近井場的4#點位為平行樣的采集點，采集3個土壤平行樣用于質量控制（即通過平行樣檢測，考察檢測結果的準確性）；5#～7#點位為井場周邊的土壤污染監測點；8#點位為未污染土壤的采集點。

采用北京華夏科創儀器股份有限公司OIL460型紅外測油儀，按照《土壤 石油類的測定 紅外分光光度法》（HJ 1051—2019）［18］測定土樣的含油量。采用上海儀電科學儀器股份有限公司PHS-3E型pH計，按照《土壤 pH值的測定 電位法》（HJ 962—2018）［19］測定土樣的pH。

圖1 井場采樣布點圖

1.3 試驗方法

1.3.1 小試試驗

將該產油區的原油與未污染土壤（8#點位采集）攪拌混勻，經通風、晾曬、研磨、過篩后制成小試試驗土備用。使用從新疆克拉瑪依采油廠油泥中篩選出的銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）［16］作為石油降解菌，選擇黑麥草（Lolium perenne，其種子購置于江蘇沭陽長景園林苗木場）作為修復植物，進行土壤修復試驗。配制氮磷摩爾比為10∶1的營養液（NH4Cl 7.76 g，KH2PO40.5 g，K2HPO40.5 g，CaCl20.01 g，MgSO40.1 g，純水1000 mL），用氫氧化鈉調節pH至設定值后加入到土壤中，使土壤含水率為25%。將銅綠假單胞菌培養28 h左右，待其OD600達到2.0（菌種生長的對數期）時將菌液接種到石油污染土壤中［17］。菌液投加量5%（質量比），環境溫度25～35℃，黑麥草播種量1 g/kg，修復污染土壤量為5 kg。銅綠假單胞菌-黑麥草小試試驗照片見圖2。

圖2 銅綠假單胞菌-黑麥草小試試驗照片

1.3.2 現場試驗

現場試驗分為兩個部分。一是采用銅綠假單胞菌-黑麥草聯合修復井場污染土壤，主要工作程序包括：1）對場地土壤進行翻耕、旋耕；2）播撒銅綠假單胞菌高效石油降解微生物固體菌劑并旋耕；3）播撒植物種子并澆水灌溉，90 d后考察修復效果；4）修復期間定期補水灌溉并取樣觀察檢測。由專人進行持續跟蹤、維護，觀測菌群生長變化、土壤濕度變化、植物生長狀態和場地含油量變化。根據示范場地各個指標變化采取定期澆水、添加菌劑等相應措施，以確保整個修復體系正常、良好發展。二是黑麥草區、微生物區和空白區的對照試驗，即單獨采用黑麥草修復組、單獨采用微生物修復組以及未采取修復措施的空白組（不添加菌劑和種植黑麥草，其他措施均相同）3組試驗，對照試驗選取油井旁高濃度污染土壤區域進行。

在現場主要通過以下措施保持土壤環境接近小試試驗的環境條件：1）定期噴施水（8～10 d一次），保持土壤的含水率在25%左右；2）定期噴施氮磷營養液（8～10 d一次），保持銅綠假單胞菌產表面活性劑的偏堿性環境；3）根據環境溫度的變化鋪設保溫膜進行罩蓋（即在夜間低溫時對試驗區進行遮蓋，日間高溫時打開保溫膜），保持環境溫度在25～35 ℃。銅綠假單胞菌-黑麥草聯合修復井場污染土壤及對照試驗照片見圖3，其中：左圖為場地的旋耕和平整；中間圖為場地的翻耕；右圖為銅綠假單胞菌-黑麥草聯合修復試驗區。

圖3 銅綠假單胞菌-黑麥草聯合修復井場污染土壤及對照試驗照片

2 結果與討論

2.1 小試試驗結果

保持土壤含水率為25%，營養液pH對土壤pH的影響見表2，原始土壤pH為6.2。前期研究表明，銅綠假單胞菌在偏堿性的土壤條件下可產生表面活性劑，其鼠李糖脂中的羧基游離出來，具有極強的親水性，并通過富集在油表面形成親水化膜，從而減小了糖脂與土壤顆粒間的黏附，增強了生物表面活性劑的增溶及脫附作用，有利于石油污染物的去除［17］。因此，本次小試和現場示范試驗均選用pH為9.0的營養液（對應土壤pH為7.5）。

表2 營養液pH對土壤pH的影響

當土壤含油量過低時，試驗所用銅綠假單胞菌對石油的降解速率較慢，這是由于碳源量不足會抑制單個菌體的生長；另一方面，當含油量過高時，會對細菌產生毒性［17］。在此基礎上實驗室分別進行含油量為27600 mg/kg和44600 mg/kg的石油污染土壤的銅綠假單胞菌-黑麥草聯合修復小試試驗，結果如圖4所示。兩個含量的石油污染土壤在90 d的修復周期里，含油量分別降至1900 mg/kg和2300 mg/kg，降解效果均較好。銅綠假單胞菌可以石油為碳源產生生物表面活性劑，在含油量較高時產表面活性劑的量較大，因此降解效率較高，最終可達到與較低含油量時相似的修復效果。綜上可知，試驗所用銅綠假單胞菌在本地區的石油污染土壤中具有較好的適應性，修復效果較好。

圖4 不同含油量污染土壤小試試驗結果

2.2 現場試驗結果

現場試驗的結果見表3和表4。

表3 銅綠假單胞菌-黑麥草聯合修復效果

表4 對照試驗結果

從表3可以看出，該井周邊土壤受到了不同程度的污染，其最高含油量為9020 mg/kg，本工程采用銅綠假單胞菌-黑麥草聯合修復技術對其進行修復，修復90 d后含油量降至402 mg/kg，去油率高達95.5%，修復效果顯著。從表4的對照試驗結果可以看出，單獨使用黑麥草或銅綠假單胞菌進行修復的土壤，去油率分別為29.5%或88.8%，而空白區土壤的去油率為21.8%，三者的修復效果均不及聯合修復效果。

空白區石油污染程度有一定的降低，可能是由于自然揮發或者是土壤中土著菌對石油污染有一定的降解能力。黑麥草區污染土壤相對空白區去除率較高，一方面可能是因為植物能夠改善土壤環境，促進土壤中微生物的生長，從而增強對石油烴的分解利用；另一方面，植物根系本身能夠對污染物進行吸收、降解和固定，有助于土壤中石油烴的降解［20］。

銅綠假單胞菌-黑麥草聯合修復區的去油效率高，主要有以下兩方面原因。一方面是由于堿性條件下產生的生物表面活性劑可以通過乳化增溶作用增大烴類物質與微生物降解細胞的接觸面積，從而提高石油烴的生物可利用性；同時表面活性劑能夠增大環境中水油界面的面積，進而促進微生物對石油烴類物質的降解利用［16］。另一方面，黑麥草能夠與銅綠假單胞菌在根際形成根際圈，加速菌種對石油污染物的轉化和利用。

90 d的修復周期結束后，最大去油率達到95.5%，并且不同采樣位置的土壤含油量檢測結果均低于500 mg/kg，該含量為《農用污泥污染物控制標準》（GB 4284—2018）［21］中規定的可用于耕地、園地、牧草地耕作的A級土壤標準限值。

3 結論

a）從新疆克拉瑪依采油廠油泥中篩選的銅綠假單胞菌在本地區的石油污染土壤中具有較好的適應性。

b）采用銅綠假單胞菌-黑麥草聯合修復技術修復石油污染土壤，取得了較好的現場修復效果。該油井周邊土壤的含油量最高為9020 mg/kg。90 d的修復周期結束后，土壤的含油量降至402 mg/kg，去油率高達95.5%，并且不同采樣位置的土壤含油量檢測結果均低于500 mg/kg，滿足《農用污泥污染物控制標準》（GB 4284—2018）中的A級土壤標準。單獨使用黑麥草或銅綠假單胞菌進行修復，土壤的去油率分別為29.5%或88.8%，而空白區土壤的去油率為僅21.8%。

c）生物修復技術是石油污染土壤修復領域最有前景的技術，但土壤中的含油量高低對其修復效果影響較大，目前的生物修復技術對含油量高的土壤修復效果較差，且修復周期長。因此，如何增強菌種降解特性，增加植物根際圈作用，利用微生物的共代謝和植物根際圈作用縮短修復時間，是當前生物修復技術的研究重點。