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(guó)石化集團(tuán)中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽(yáng)457001;2.中原油田技術(shù)監(jiān)測(cè)中心，河南濮陽(yáng)457001;3.中國(guó)石化勘探南方分公司環(huán)境保護(hù)管理中心，四川成都610041)

隨著全球頁(yè)巖、致密砂巖等非常規(guī)油氣資源開(kāi)發(fā)力度的不斷加大，油基鉆井液技術(shù)已成為頁(yè)巖氣水平井鉆井的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而，在油氣資源勘探、開(kāi)發(fā)鉆井過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生油基鉆井液鉆屑(簡(jiǎn)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(jī)物等污染物，已被列入國(guó)家危險(xiǎn)廢棄物(國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄，HW08)，若不經(jīng)處理就直接排放，將會(huì)對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害［1］。發(fā)達(dá)國(guó)家從20世紀(jì)80年代就開(kāi)展了對(duì)含油固廢物處理的系統(tǒng)研究，至90年代已形成了較為完善的相關(guān)環(huán)保法規(guī)［2］。我國(guó)對(duì)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(jīng)濟(jì)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(jìn)行處理?；刈⒎m消除了地面污染，但地層要求嚴(yán)格，成本非常高，受地層限制大，無(wú)法普遍采用;掩埋法雖花費(fèi)較少，最大缺點(diǎn)是未回收鉆屑中的油，造成石油資源浪費(fèi)，且存在易漏失;焚燒法除造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)外，處理過(guò)程中產(chǎn)生的二噁因是致癌物質(zhì)，二氧化碳排放導(dǎo)致溫室效應(yīng)，同時(shí)昂貴的設(shè)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?xiàng)l件苛刻和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施困難等缺點(diǎn)。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(dòng)，將有毒有害的石油烴污染物現(xiàn)場(chǎng)降解成二氧化碳和水或轉(zhuǎn)化成為無(wú)害物質(zhì)［4］。該技術(shù)因具有成本低、反應(yīng)條件溫和，對(duì)環(huán)境友好、無(wú)二次污染等顯著優(yōu)點(diǎn)而備受國(guó)內(nèi)外高度重視。

國(guó)內(nèi)在該技術(shù)領(lǐng)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(fù)技術(shù)治理石油污染土壤和油泥砂的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［5-6］。而油基鉆屑成分復(fù)雜，石油烴為乳化分散狀態(tài)，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(bào)道甚少。文中采用收集的3種石油降解菌對(duì)某油田鉆井過(guò)程產(chǎn)生的油基鉆屑進(jìn)行生物處理，通過(guò)處理前后鉆屑中的油烴含量變化，對(duì)生物法處理油基鉆屑的效果進(jìn)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(guó)碧沃豐公司提供;ZL，大慶油田提供;PKUA/B，北京大學(xué)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(zhì)量分?jǐn)?shù)3%)，石油醚，均為分析純，皆由國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)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(yè)株式會(huì)社提供。油基鉆屑樣品，采自中原油田濮18-側(cè)1井，初始油質(zhì)量分?jǐn)?shù)134 700 mg/kg，室溫下封存?zhèn)溆谩?/p>

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(shí)業(yè)有限公司制造;SC-3614臺(tái)式離心機(jī)，安徽中科中佳科學(xué)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(jì)，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(cāng)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司制造。

1.2 石油烴降解率測(cè)定

鉆屑中依次加入菌種0.005%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、營(yíng)養(yǎng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為10% ～15%，降解一定時(shí)間，取樣，重量法［7］測(cè)定石油烴降解率。具體步驟如下:

準(zhǔn)確稱取待測(cè)樣品，質(zhì)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(zhì)量為m2。降解率

式中:m0為樣品質(zhì)量;m1為原燒瓶質(zhì)量，m2為提取后燒瓶質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 降解菌優(yōu)選

為了考察收集的3種降解菌制劑對(duì)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(cè)定不同時(shí)間的石油烴降解率，具體結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同除油菌對(duì)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(duì)石油烴的降解率均隨著降解時(shí)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(duì)石油的降解率分別是ZL和PKUA/B菌種對(duì)石油降解率的1.17倍和3.79倍。因此，OBT被選擇為優(yōu)勢(shì)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(jiàn)，在降解30 d后，石油降解率增加趨勢(shì)不明顯，可認(rèn)為在降解30 d后油降解率基本達(dá)到平衡，因此后續(xù)降解條件優(yōu)化時(shí)，降解時(shí)間選取為30 d。

2.2 接種量對(duì)降解率影響

接種量是降解菌代謝過(guò)程的一個(gè)重要因素，對(duì)菌體生長(zhǎng)的延滯期和生長(zhǎng)速度有一定影響，進(jìn)而影響油降解率。改變鉆屑中降解菌OBT加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:0.005%，0.01%，0.02%，0.04%，0.05%，考察降解菌不同接種量對(duì)石油烴初始降解速率和降解率影響，結(jié)果如圖2所示。其中，菌活(U)定義為在一定條件下，單位時(shí)間內(nèi)每降解1 mg石油烴所需要的降解菌質(zhì)量。

圖2 接種量對(duì)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(shí)間增加至30 d，油降解率卻基本趨于一致，都在47.0% 左右?？梢?jiàn)，降解菌的接種量并非越大越好。接種菌的量過(guò)大，隨著降解時(shí)間的延長(zhǎng)，菌體對(duì)鉆屑中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的相互競(jìng)爭(zhēng)將造成營(yíng)養(yǎng)短缺，致使新陳代謝速度減緩，從而影響降解菌對(duì)油的吸收降解。因此，從降低成本考慮，接種質(zhì)量分?jǐn)?shù)確定為0.005%。

2.3 初始pH對(duì)降解率影響

pH值對(duì)于降解菌生長(zhǎng)和代謝有著重要的作用，其可影響菌體細(xì)胞內(nèi)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(duì)油降解率影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 初始pH對(duì)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(nèi)，降解率隨著pH值的升高而增大，最適初始pH值為8.0，當(dāng)初始pH值超過(guò)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(shí)磷的有效性較高，有利于降解菌對(duì)油的吸收代謝，當(dāng)鉆屑中的pH值稍高于中性時(shí)，對(duì)硝化作用及氮的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化均有利，說(shuō)明降解菌適宜在中性以及偏堿性環(huán)境中進(jìn)行油代謝。因此，最適初始pH范圍為 7.0 ～ 8.0。

2.4 強(qiáng)化生物降解措施

2.4.1 營(yíng)養(yǎng)劑種類及用量 利用降解菌降解石油污染時(shí)，石油烴為菌提供了大量碳底物，但環(huán)境中的N，P儲(chǔ)量普遍偏低。當(dāng)m(C)∶m(N)∶m(P)達(dá)不到降解菌代謝所需要的比例，菌代謝石油的速度就會(huì)受到限制，因此常常通過(guò)添加N，P等營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)行生物刺激，強(qiáng)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(duì)油降解率影響。

圖4 營(yíng)養(yǎng)劑種類對(duì)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(wú)機(jī)氮源硝酸銨比有機(jī)氮源尿素更能促進(jìn)降解菌對(duì)石油烴的降解，這是由于有機(jī)氮源可能同時(shí)作為碳源，將優(yōu)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(yíng)養(yǎng)N和P，從降低成本角度考慮，營(yíng)養(yǎng)劑確定為硝酸銨 /磷酸二氫鉀。

在確定的營(yíng)養(yǎng)劑條件下，改變氮磷質(zhì)量比，即m(N)∶m(P)為1 ∶2，1 ∶1，3 ∶2，2 ∶1，考察降解菌對(duì)石油烴降解率影響，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，當(dāng)m(N)∶m(P)為1∶1時(shí)，降解菌對(duì)石油烴降解率達(dá)最高48.2%。原因?yàn)榈?、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的缺乏直接限制了石油烴的微生物降解，過(guò)量添加也會(huì)產(chǎn)生抑制作用，需要尋找一個(gè)合適的添加量及添加比例。本實(shí)驗(yàn)確定m(N)∶m(P)為1∶1。報(bào)道研究認(rèn)為碳、氮、磷的合適比例為m(C)∶m(N)∶m(P)=100∶10 ∶1，對(duì)不同菌種，這種比例也稍有變化［8］。而本研究m(N)∶m(P)優(yōu)化為1∶1，這同傳統(tǒng)研究并不矛盾，因?yàn)橛突@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(yíng)養(yǎng)物會(huì)偏低，故m(N)∶m(P)要低于5∶1。

圖5 營(yíng)養(yǎng)劑用量對(duì)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(huán)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(duì)石油烴的攝取和利用。通過(guò)添加表面活性劑，石油會(huì)形成微小顆粒，能增加與O2及微生物的接觸機(jī)會(huì)，從而促進(jìn)生物降解。文中考察不同表活劑種類(ZLS、BS、Tween-80、CTAB)對(duì)油降解率影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 表面活性劑種類對(duì)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(dá)48.8% 和46.6%。分析其原因，ZLS和CTAB的加入均增強(qiáng)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(xué)表面活性劑相比，它具有高效、無(wú)毒、抗菌、經(jīng)濟(jì)及無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，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(duì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)的ZLS，即 0.06%，0.08%，0.10%，0.12%，對(duì)油降解率影響，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出，隨著ZLS降解率并未出現(xiàn)明顯規(guī)律性變化，具體原因有待于進(jìn)一步分析。ZLS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.08% 時(shí)，石油烴初始降解率達(dá)最高49.2%，因此確定表面活性劑ZLS質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(huán)境中降解菌微生物的活性和活動(dòng)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(duì)石油烴類污染物的生物降解起到促進(jìn)作用;而適量濃度的雙氧水對(duì)細(xì)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(yīng)［10］。本實(shí)驗(yàn)選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的雙氧水作為電子受體，并考察其不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.6%，1.2%，1.8%，2.4%)對(duì)油降解率影響，結(jié)果如圖8所示。

圖8 電子受體加量對(duì)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(dāng)電子受體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2% 時(shí)，降解率達(dá)最大值49.5%。究其原因，生物降解時(shí)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(jìn)一步強(qiáng)化降解菌對(duì)石油烴的氧化降解作用。但H2O2過(guò)量也會(huì)對(duì)菌產(chǎn)生毒害作用。因此，文中確定電子受體H2O2最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%。

2.5 降解菌種補(bǔ)加對(duì)降解率影響

在降解30 d后，降解率趨于恒定，依次補(bǔ)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(shí)間變化，結(jié)果如圖9所示。

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

隨著降解時(shí)間的增加，降解率逐漸增加。降解時(shí)間為 30 d，降解率達(dá) 48.8%;60 d，降解率為50.2%。降解速率在30 d時(shí)基本趨于穩(wěn)定，因此確定每間隔30 d即進(jìn)行新一輪菌種、水分和電子受體補(bǔ)加。補(bǔ)加過(guò)程為調(diào)節(jié)初始pH 7～8，依次加入OBT菌種質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)0.08%、H2O2電子受體質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%、鋸末質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%，噴灌(水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在 10% ～15%)，翻耕(每7 d進(jìn)行一次)，補(bǔ)加菌種(每30 d補(bǔ)加)測(cè)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(dá)74.3%。當(dāng)補(bǔ)加5次后，降解率增加非常緩慢，可以認(rèn)為鉆屑中的油烴在生物降解半年后，去除率基本達(dá)最大值，剩余油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34 618 mg/kg。

3 結(jié)語(yǔ)

收集3種降解菌，考察其對(duì)油基鉆屑石油烴降解效果，最終優(yōu)選出美國(guó)菌種OBT處理效果較佳;優(yōu)化油基鉆屑微生物降解條件:初始pH為7.0～8.0，菌種質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.005%，氮磷質(zhì)量比為 1 ∶1，電子受體質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%，表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.08%，膨松劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在10% ～15%，每7 d翻耕一次，并間隔30 d補(bǔ)充添加菌種、營(yíng)養(yǎng)劑，在優(yōu)化條件下，180 d油降解率達(dá)74.3%。

GB4284—1984標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于3 000 mg/kg(＜0.3%)，在后續(xù)工作中可以考慮聯(lián)合采用氧化或清洗等方式，對(duì)高含油量鉆屑進(jìn)行預(yù)處理，一方面可以回收部分油，進(jìn)行資源化利用;另一方面針對(duì)油基鉆屑中難生化降解的瀝青質(zhì)、芳香烴等物質(zhì)，采用氧化等預(yù)處理手段，發(fā)生開(kāi)環(huán)、斷鏈反應(yīng)，提高鉆屑的生物可降解性，縮短降解周期。

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