電動力耦合微生物處理落地油泥技術及應用

姬 偉 朱 恒 姜偉光 李 榮 楊波波

(1.中國石油長慶油田油氣工藝研究院；2.中國石油長慶油田第一采油廠；3.西安工程大學)

0 引 言

近年來，隨著對生態環境保護的加強，石油開采及泄漏導致的土壤環境污染問題更加引起相關部門的重視。針對落地油泥等石油污染土壤的修復技術主要包括物理法、化學法、生物法[1-2]，從修復成本、操作性及安全性等方面考量，3種方法各有利弊卻優勢互補，其中生物法因投資少、效率高得到廣泛關注。

國內外開始采用生物法處理石油污染物，分別始于20世紀60年代及90年代[3-4]，經歷修復方式、菌種優選、處理工藝等方面的探索。但微生物難以降解石油烴中難降解、不溶性污染物與土壤腐殖質結合在一起的部分，易受溫度、濕度、含氧等環境因素的影響，平均降油率僅達65%～70%左右，降解周期平均為38 d，需進一步對該方法進行研究探索。

生物法處理石油污染土壤從修復方式方面分類，大體可分為通過篩選土著微生物的生物強化方式，微生物聯合表面活性劑或營養鹽的生物刺激方式，通過加氧進行培養降解的生物通風方式；從菌種優選方面進行分類，可分為采用芽孢桿菌屬、放線菌屬、微桿菌屬等單一菌屬，或兩種及以上菌種組合的復合菌屬；從處理工藝方面進行分類，可分為污染地原位修復和異位集中處置修復兩種。

國內外科研人員在眾多領域均嘗試開展學科聯合，如生物-植物聯合修復治理VOCs、鐵碳微電解方式處理措施返排液等，相對于單一處理技術效率均有明顯提升。電動力學與生物學在處理落地油泥方面的聯合，之前有學者開展了該技術的可行性研究，但現場試驗較少，且并未進行油田范圍內的推廣。

1 電動力耦合微生物技術

1.1 技術原理

微生物在弱堿性土壤條件下會帶負電荷，通過外加靜電場，可使土壤內部發生水解產生[H+]和[O-]，其中[H+]可以作為能量離子用于激活及促進污染物自由基的清除，[O—]因帶有負電荷，可對細小顆粒污染物有凝聚沉降效果，并為芽孢桿菌、放線菌等好氧菌種提供氧氣；兩種離子協同作用達到對石油烴的降解、去除、分離效果。

1.2 技術參數

通過室內實驗，開展了電極材料、電動傳輸方式、電場強度的篩選[5-7]。一是通過對石墨、鐵、鈹銅3種材料電極的降油率對比，發現3種材料的降解效果相當，但考慮到石墨材質的安全性更高、導電好、耐腐蝕等特點，選用石墨電極；二是針對板式、網格式、斜插式、直插式4種電動傳輸方式降油率進行對比發現，油污土壤含油率均有不同程度下降，但直插式下降速率最快；三是針對2，1，0.5，0 V/cm 4種電場強度下的實驗效果對比，發現一定的電場強度可以增加降解速率，但2 V/cm較1 V/cm降解速率有所下降，說明強電場對微生物降解有一定的抑制作用，故選用1 V/cm的電場強度。

1.3 高效菌種篩選

實驗室通過從落地油泥土樣中篩選出土著菌種H-1(鄰單胞菌屬)、H-2(芽孢桿菌屬)，經活化培養-發酵-擴培3個環節，培植高效復合菌種。

1)活化培養：將A-1(鄰單胞菌屬)、A-2(芽孢桿菌屬)兩種菌種接種到適量大小的固定器皿中，同時裝入200 mL牛肉膏蛋白胨，在恒溫振蕩培養箱中于35℃、140 r/min的條件下活化培養48 h；

2)發酵：配制約5 L和10 L的培養基在高溫下(>100℃)滅菌20 min，繼續用75%酒精對罐體潤洗消毒，后將滅菌過的液體培養基倒入發酵罐中；

3)擴培：將A-1、A-2菌液按照1∶1的比例混合接入兩個發酵罐內，發酵48 h后取出倒入20 L已消毒的塑料桶內，再加入0.6 g硝酸銨、0.1 g磷酸二氫鉀氮磷營養物質后即得到配制菌種。

1.4 中試裝置研發

1)箱體構成

整套裝置由4個單箱體組成，單箱體底部鋪墊竹膠板，周圍用竹膠板作為擋板，同時在長邊上沿用15 cm長鋼管加固竹膠板。

2)裝置模塊

裝置電氣控制系統由電極供電、傳感器、PLC柜3個模塊構成。第一個模塊是為電極提供電力，主要控制電壓大小、供斷電及供電時間；第二個模塊是為傳感器提供電力，以完成傳感器工作狀態、數據采集及儲存功能；第三個模塊是電氣控制系統的操作平臺，用于對該系統的啟停及程序設置。

3)關鍵參數

現場試驗裝置相關參數見表1。

表1 現場試驗裝置相關參數

4)自動化組態軟件

本裝置自動化組態軟件采用MCGS工程組態軟件，結合現場試驗方案，軟件能實現對現場試驗數據的收集、監控及檢測。

2 油田現場修復試驗

2.1 落地油泥檢測

選擇某油田開展電動力聯合生物修復技術試驗。首先對原有土壤及落地油泥的理化性質進行室內檢測[8-9]。落地油泥與潔凈土壤(油田附近未受石油烴及其他物質污染的土壤)各項理化性質比較見表2。

表2 落地油泥與潔凈土壤理化性質比較

該落地油泥樣品含油率為13.7%，含水率為20%，氮磷鉀總含量低于潔凈土壤，pH值7.7，與潔凈土壤接近，無顯著改變。研究發現，落地油泥的有機質明顯增加，電導率有所降低。

采用掃描電鏡對落地油泥樣品的微觀結構進行觀察，并進行了樣品的能譜分析，結果見圖1、圖2。

圖1 落地油泥掃描電鏡照片

圖2 油泥樣品能譜分析

通過掃描電鏡及能譜分析可以看出，油泥樣品表面粗糙且顆粒物較多，碳源均在50%以上，且含有少量的氧元素和微量元素，這為菌種降解含油土壤提供了足夠的營養，同時也可供土著微生物和接種菌種的生長和繁殖。

2.2 現場對比試驗

針對落地油泥土樣分兩輪開展現場試驗。第一輪主要對菌劑、電場與翻堆等參數進行對比研究，第二輪對生物表面活性劑、脈沖電場等參數進行對比。現場兩輪對比試驗安排見表3。

表3 現場兩輪對比試驗安排

2.3 試驗結果

通過電動力-微生物法處理，25 d后即可將含油率降至2%以下。相比單一技術，該工藝在降解效率方面表現出明顯的優勢。

現場試驗降油曲線見圖3。3種方法對石油類降解效果統計見圖4。

圖3 現場試驗降油曲線

圖4 3種方法對石油類降解效果統計

對落地油泥的含油率進行連續檢測，得到修復后土壤的最終降油率改變情況，統計結果見表4。

表4 兩處理組降油率統計

試驗結果表明，電場耦合微生物技術的修復效果優勢明顯，處理效果較單純微生物方式優越15%以上，添加生物表面活性劑后，其效果在耦合基礎上再提升約5%，定期翻堆也會提高修復效果，而改用脈沖電場則無明顯改善效果。

3 結論與建議

3.1 結 論

1)采用開發出的耦合中試試驗裝置與制備出的高效復合菌劑體系，開展了電場耦合微生物降解處理現場試驗。電動力耦合微生物處理技術對落地油泥修復效果為最佳，微生物法次之，電動力法效果最差，印證了電動力耦合微生物處理落地油泥技術的優越性。

2)通過開展添加生物表面活性劑及脈沖電場試驗，耦合處理比單純微生物處理效果提升15%以上，表面活性劑添加會在耦合基礎上再提高約5%，定期翻堆也會提高修復效果，但脈沖電場提高效果不顯著。

3.2 建 議

1)電場耦合微生物技術處理落地油泥相對于單一處理方式有一定的優越性，但要取得最佳處理效果，還需在菌種組合、土壤環境等方面進一步探索。

2)中試裝置采取電動串聯結構，在提高土壤濕度時將對裝置產生電極干擾，需進一步研究添加方式及適宜添加量對降解效率提升的影響。