高海拔地區生物堆處理含油污泥工業化規模應用

李朝廷

（無錫市環保集團有限公司，江蘇 無錫 214100）

青海油田地處青藏高原，位于青海省西北部的柴達木盆地，是青海、西藏2個省區重要的產油、供油基地。長期勘探和采油工業活動，導致該地區歷史遺留有大量含油污泥，其中又以含油量較低的落地油泥為主，該類油泥具有占地面積廣、污染組分復雜、摻雜砂石雜質等特點[1]，根據《國家危險廢物名錄》，含油污泥屬于廢礦物油和含礦物油廢物（HW08）[2]，必須進行無害化處置。

生物堆法作為一種異位處理污土和污泥的靜態堆制方法[3-4]，其具備高效、低成本、可操作性強、不造成二次污染等優點[5]，是一種低碳、清潔的含油污泥處理主流技術。

本文針對青藏高原特有的地質水文及氣候條件，開展生物堆處理含油污泥工業化規模應用研究，旨在為高海拔、低溫少雨、空氣干燥地區有機污染生物修復提供科學及規模的應用依據。

1 材料與方法

1.1 材料來源

本次應用研究材料來自于青海油田采油作業區歷史遺留含油污泥。

1.2 微生物菌劑

以待處理區含油污泥為供試樣本，采用搖瓶循環篩菌和平板分離技術，共獲得3株高效石油烴降解菌株，即QH-XK簡單芽孢桿菌（Bacillus simplex）、QH-ZP小克銀漢霉菌（Cunninghamella sp）和QH-BW枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)，其均為非致病性菌，可用于開放性環境，制備成固體菌劑，菌劑微生物量為3.0×109cfu/g，作為本次應用研究微生物菌劑。

1.3 含油污泥處理

1.3.1 含油污泥收集

本次所需處理含油污泥，散落于油田不同作業區共134 837.28 m2的戈壁灘上，厚度為10～500 mm，且為沙質土，需要采用機械進行收集并集中處理。

1.3.2 建堆及處理

采用生物堆技術對含油污泥進行集中處理，生物堆底部鋪設厚度不低于2 mm的HDPE膜，生物堆設計尺寸為長100 m×寬14 m×高1.5 m，設計處理能力為2 000 m3/堆。

1.3.3 無害化填埋

經生物堆處理后的含油污泥，含油率滿足SY/T 7300—2016《陸上石油天然氣開采含油污泥處理處置及污染控制技術規范》的有關要求，即含油污泥經處理后剩余固相中含油率不大于2%，可用于鋪設通井路、鋪設井場或者無害化填埋。

1.4 效果監測檢測方案

處理前：將生物堆劃分為2個檢測區，于每個檢測區中心位置各取表層、中層、底層3個樣品，共計6個/堆，檢測因子為含油率。

處理后：將生物堆平均劃分為5個檢測區，每個檢測區隨機設置2個取樣點，每2個檢測點橫線間距10 m，且所有檢測點不得位于同一直線上，每個檢測點各取表層、中層、底層3個樣品，共計30個/堆，檢測因子為含油率。

2 主要工藝參數設計

2.1 pH值

一般微生物生長所需pH值的范圍為6～8，pH值過高或過低均會影響生物降解反應的進行。

2.2 溫度

青海油田所在地區，屬于高原大陸荒漠區氣候類型，全年平均氣溫為3.8℃，晝夜溫差大，該地區每年5月到10月底期間，環境溫度在15～30℃，適用于生物堆技術的應用，結合微生物生長特性，將生物堆堆體最佳運行溫度設置在15～25℃。

2.3 含水量

經收集含油污泥，其散落于戈壁灘表層，長期受高原紫外線照射，初始含水量為0.5%～5%，微生物降解理想含水量為土壤田間持水量的60%～80%[6]，綜合考慮現場條件及含油污泥土質類型，設置生物堆含水量為8%～15%，以實現微生物快速增長及維持降解反應的進行。

補水量計算公式如下：

式（1）中：m水為需要補充的水量，kg；m土為土壤質量，kg；w2為需要補充達到的含水率，%；w1為土壤初始含水率，%。

2.4 通氣量設計

生物堆中發生的反應主要為微生物新陳代謝及有機污染物的降解反應，均為耗氧反應，石油烴多為長鏈脂肪烴類物質的混合物，長鏈脂肪烴類的起始氧化有3種可能途徑，即生成羧酸、生成二羧酸、生成酮類，進而通過β氧化徹底降解為CO2和H2O[7]，以飽和烴類生物降解反應式為例，即：

經計算得出，每質量單位CnH2n+2徹底氧化需要8（3n+1）/（7n+1）質量單位的O2，6＜n＜36。由此可得，將1 mg烴完全轉化為CO2和H2O大約需3.5 mg的O2，同時為滿足生物堆好氧生物降解順利進行，生物堆內部含氧率不得低于8%。

生物堆通氣量L總采用以下公式進行計算：

式（2）—式（4）中：L石油烴降解為降解石油烴所需空氣量，m3；3.5為石油烴和O2的轉換常數；m石油烴為石油烴質量，kg；Vm為空氣的摩爾體積，L/mol；M為O2相對分子量；φ為空氣中氧氣的體積分數；L氧為滿足生物堆好氧反應所需空氣量，m3；0.08為堆體中氧氣的體積分數；V生物堆為生物堆的體積量，m3。

綜合考慮現場位于高海拔地區，空氣較為稀薄，加之典型的高原氣候，空氣干燥，水分逸散速度快，生物堆體中消耗的O2采用定期機械翻堆的方式進行補充，翻堆的頻次通過上文計算式進行綜合設計。

2.5 營養結構改良設計

生物堆營養物質以3種營養元素C∶N∶P=100∶10∶1（質量比）[8]進行改良設計。

2.5.1 有機碳用量設計

含油污泥含油率與有機質的質量分數關系[9]可通過以下公式進行計算：

式（5）（6）中：y為有機質質量分數，%；x為含油率，%；ωC為有機碳的質量分數，%。

2.5.2 氮肥用量設計

生物堆中氮肥的理論用量，可通過以下公式進行計算：

式（7）中：mN為氮肥使用量，kg；m為土壤質量，kg；AN為氮肥純度，%；BN為氮肥中氮的質量分數，%；ωN為土壤中有效氮的質量分數，%。

2.5.3 磷酸鹽用量設計

本項目生物堆中磷酸鹽的理論用量，可通過以下公式進行計算：

式（8）中：mP為磷酸鹽使用量，kg；m為土壤質量，kg；AP為磷酸鹽純度，%；BP為磷酸鹽中磷的質量分數，%；ωP為土壤中有效磷的質量分數，%。

3 結果與討論

3.1 生物堆建堆情況

采用機械收集的方式，共對3個作業區134 837.28 m2受污染區域的含油污泥進行收集，集中建設生物堆34座。其中，作業區一建設生物堆20個，處理含油污泥35 574.94 m3；作業區二建設生物堆2個，處理含油污泥3 766.77 m3；作業區三建設生物堆12個，處理含油污泥19 706.59 m3，處理含油污泥共計57 076.96 m3。含油污泥建堆情況統計如表1所示。

表1 含油污泥建堆情況統計

3.2 含油污泥分析

對各作業區含油污泥理化、微生物指標進行取樣分析，結果如表2所示。

表2 含油污泥理化指標分析

由檢測結果可知，含油污泥pH值在8.0左右，趨于中性范圍，無需進行額外的調節；電導率較高，側面反映出含油污泥含鹽量較高，這與含油污泥所處地區多為鹽堿地有關，對微生物生長及活性會造成一定影響；含油污泥含水量普遍偏低，微生物生長所需營養物質匱乏，直接導致了樣品中不含微生物或微生物數量偏低，需對生物堆進行水分和營養結構的改良及構建。

共對34座生物堆204個含油污泥樣品的含油率進行了分析，結果顯示樣品中含油率均在2.4%～5.4%之間，且其中大部分樣品含油率大于3.5%，均需通過生物堆進行無害化處理。

3.3 生物堆運行

現場共完成34個生物堆全部基礎建設工作，開始進行生物降解條件構建和改良，累計投加各類微生物菌劑約3 000余t，各類營養物質（含有機肥、氮肥、磷肥等）約800余t，各類大孔隙物質約1 000 t，添加并及時補充自來水等，保證生物堆含水量始終維持在適宜于生物降解反應進行的8%～15%范圍，每3～5 d采用機械翻堆的方式對生物堆中O2含量進行補充，定期對生物堆各項指標進行取樣監測。結果顯示，微生物量由開始的較低水平穩定保持在1.0×106～5.0×107cfu/g，生物堆進入穩定運行階段。生物堆現場平面布置圖如圖1所示。

圖1 生物堆現場平面布置圖

3.4 生物堆溫度分析

溫度是作為生物堆運行需監測的關鍵指標，是生物降解是否順利進行的直接體現，通過每日對現場環境及生物堆堆體溫度進行測量，可實時掌握生物的運行情況，具體如圖2所示。

圖2 環境溫度與生物堆體溫度變化趨勢圖

從圖中結果可以看出，生物堆建設完畢并添加菌劑開始運行，白天環境溫度為15～31℃左右，剛建堆完畢生物堆中生物降解反應尚未進行，由環境溫度補償堆體溫度。反應至20 d左右，環境溫度逐漸開始降低，上午8：00左右環境溫度只有5～10℃，此時生物堆溫度接近25℃，并開始逐步上升，最高時堆體溫度接近30℃，而此時環境最高氣溫只有25℃，表明生物堆中微生物大量生長繁殖進入活躍階段，生物降解反應進入旺盛時期，堆體溫度逐漸補償環境溫度。反應至70 d左右，現場氣溫開始呈斷崖式下跌，晝夜溫差大，白天氣溫只有5～15℃左右，夜晚氣溫最低時接近﹣5℃，此時，生物堆體溫度仍能穩定維持在25℃左右，表明微生物可通過持續降解生物堆中的石油類物質產生生物熱，維持生物堆的穩定運行。

3.5 生物堆含油率變化情況分析

對生物堆含油率進行定期監測。以1#生物堆為例（如圖3所示），通過對不同點位樣品進行采樣分析，初始含油率為4.58%（平均值）；降解至32 d時，生物堆含油率已降至2%左右；降解至90 d左右時，此時生物堆含油率為0.6%，整體降解率達到87%，滿足SY/T 7300—2016《陸上石油天然氣開采含油污泥處理處置及污染控制技術規范》中含油率不大于2%的有關要求，完成了對生物堆中含油污泥的無害化處理。

圖3 1#生物降解情況分析

按1#生物堆的采樣及檢測標準對34個生物堆處理前后的含油率進行檢測，如圖4所示。從圖中可以看出，經過70～90 d的處理，34個生物堆的含油率從處理前的2.41%～4.64%（平均值）均已降至1%以下，其中部分生物堆含油率已降至0.5%以下，達到了預期的處理效果，經驗收合格后，按照SY/T 7300—2016《陸上石油天然氣開采含油污泥處理處置及污染控制技術規范》的相關規定，進行無害化填埋處理。

圖4 1#—34#生物降解情況分析

4 結論

采用生物堆技術在青藏高原高海拔地區開展含油污泥工業化規模處置研究，歷時90 d，成功對134 837.28 m2含油污泥污染區域進行了收集和處理，共計建立34座生物堆，處理歷史遺留含油污泥57 000 m3。

通過向生物堆中添加微生物菌劑約3 000余t，各類營養物質（含有機肥、氮肥、磷肥等）約800余t，各類大孔隙物質約1 000 t，添加并及時補充自來水等，保證生物堆含水量始終維持在適宜于生物降解反應進行的8%～15%范圍，使生物堆中微生物量由開始的較低水平能穩定保持在1.0×106～5.0×107cfu/g較高水平，生物堆溫度維持在20～30℃之間，受外界影響和干擾較少，保證了生物堆的穩定運行。經過70～90 d的生物降解反應，生物堆中含油污泥含油率由處理前的2.41%～4.64%（平均值），降至處理后1%以下，滿足SY/T 7300—2016《陸上石油天然氣開采含油污泥處理處置及污染控制技術規范》含油率不大于2%的有關要求，達到無害化處理標準，實現了微生物修復技術在青藏高原高海拔地區的首次大規模工業化應用。