含油污泥堆肥處理的研究

車曉軍，屈撐囤，郭敏俊

(西安石油大學(xué)陜西省油氣田環(huán)境污染控制與儲層保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西　西安　710065)

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含油污泥堆肥處理的研究

車曉軍，屈撐囤，郭敏俊

(西安石油大學(xué)陜西省油氣田環(huán)境污染控制與儲層保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710065)

含油污泥是石油化工行業(yè)的主要污染物之一，由于其產(chǎn)出量大，成分復(fù)雜，處理難度大，排放不當(dāng)很容易對環(huán)境及人類造成嚴(yán)重危害。因此，實(shí)現(xiàn)含油污泥的無害化及資源化處理一直被國內(nèi)外所研究。本文簡述了近幾年對含油污泥的幾種非生物處理方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，并介紹了生物法中堆肥法對含油污泥的處理，包括好氧堆肥原理，影響因素，技術(shù)現(xiàn)狀等，為后續(xù)堆肥法處理含油污泥的開展提供了重要依據(jù)。

含油污泥；堆肥；微生物菌種；營養(yǎng)劑；降解率

近幾年，世界對石油和礦產(chǎn)的需求也在不斷地增加，進(jìn)而會在開采，煉制及運(yùn)輸?shù)冗^程中產(chǎn)生大量的石油污染物，其中包括成分復(fù)雜，產(chǎn)出量大，危害較嚴(yán)重的固體廢棄物——含油污泥，也叫作石油生產(chǎn)的“伴生品”。目前，在原油脫水過程中，在脫水罐、儲油罐等底部會產(chǎn)生大量含油污泥。同時(shí)，在油田、煉油廠的污水處理場(如隔油池底、浮選池、曝氣池等)也存在著大量含油污泥。一個(gè)日處理20000 m3污水的處理廠每日約產(chǎn)生 20 m3含油污泥[1]。

含油污泥是一種成份極其復(fù)雜的穩(wěn)定的懸浮乳狀液體系。它的組成包括大量的老化原油、固體懸浮物、細(xì)菌和腐蝕產(chǎn)物等；在生產(chǎn)過程中添加的處理劑如緩蝕劑等也留在含油污泥中[2],同時(shí)還含有一些金屬鹽類和苯系物等有毒物質(zhì)。若這些有害成份不加以妥善處理，直接排放，對環(huán)境及人人類都會造成嚴(yán)重威脅。但含油污泥中還含有大量的石油類物質(zhì)，營養(yǎng)元素，多種菌類物質(zhì)，具有非常高的利用價(jià)值，因此，對含油污泥的無害化處理處理以及資源化利用是當(dāng)前石油行業(yè)和環(huán)境保護(hù)的核心問題。

1　國內(nèi)外含油污泥的處理技術(shù)現(xiàn)狀

由于不同作業(yè)所產(chǎn)生含油污泥的性質(zhì)有所不同，還沒有一種工藝適合所有油田的含油污泥。國內(nèi)外常采用的處理技術(shù)包括：焚燒法、溶劑萃取法、調(diào)制-機(jī)械分離法以及生物法等。各個(gè)處理技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)比較見表1。

通過上述物理化學(xué)法和生物法的技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)比較發(fā)現(xiàn)，生物處理法具有節(jié)約能源、投資少、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，能較好的實(shí)現(xiàn)對含油污泥的固液分離及原油的去除。生物法處理工藝主要有：地耕法、堆肥法、生物反應(yīng)器等，本文主要介紹堆肥法處理含油污泥。

表1　處理技術(shù)原理及優(yōu)缺點(diǎn)對比

2　堆肥法處理含油污泥

堆肥法是將含油廢物與適當(dāng)?shù)牟牧舷嗷旌铣啥逊胖? 利用天然微生物的自然發(fā)酵[4]來降解石油烴類，從而達(dá)到凈化含油污泥的作用。根據(jù)處理過程中起作用的微生物對氧氣的不同要求，可將堆肥分為好氧堆肥和厭氧堆肥兩種，本文就好氧堆肥進(jìn)行研究。

好氧堆肥是在有氧的條件下，好氧細(xì)菌群對含油污泥中石油類物質(zhì)等有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行吸收、氧化、分解。微生物將含油污泥中部分被吸收的有機(jī)物經(jīng)過一系列的新陳代謝活動轉(zhuǎn)化為簡單的無機(jī)物，在這一過程中所釋放的熱量可為微生物進(jìn)行自身的生命活動所利用，油泥處理效果進(jìn)一步得到提高。另一部分有機(jī)物則被合成新的細(xì)胞質(zhì)，使微生物不斷生長繁殖，產(chǎn)生出更多的生物體的過程。

3　適合堆肥處理的含油污泥的基本特性

由于堆肥過程中微生物的自身生命活動直接影響著堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量以及堆肥腐熟所需的時(shí)間，所以，能較好的促進(jìn)堆肥期間微生物菌群的活性所具備的條件及性質(zhì)即適合堆肥處理的含油污泥的基本特性。在堆肥過程中重要的影響因素有：溫度、濕度、pH、有機(jī)物含量等[5-6]。

(1)溫度

對于堆肥而言，溫度是堆肥得以進(jìn)行的重要因素。微生物對石油烴類的降解可在很大的溫度范圍內(nèi)發(fā)生，因而降解石油烴類的微生物在0～70 ℃的環(huán)境中均可發(fā)現(xiàn)。大多數(shù)微生物在常溫下較易降解石油烴類，Atlas研究發(fā)現(xiàn)在20 ℃時(shí)石油烴微生物的降解速率比10 ℃高[7]。降解時(shí)間會因溫度較低而延長，進(jìn)而微生物降解率降低，且在低溫下，某些對微生物產(chǎn)生毒害的部分低分子量石油烴類物質(zhì)很難揮發(fā)，降低酶活性，從而在一定程度上抑制了石油烴類的降解，同時(shí)石油烴的粘度在低溫下也會受到影響，所以低溫下石油烴類較難降解。

考慮到微生物的酶活、石油類物質(zhì)的溶解度和揮發(fā)特性等因素也會影響降解效果，一般認(rèn)為石油類物質(zhì)適宜的降解溫度為15～30 ℃。

(2)濕度

水在微生物的生命活動中扮演者至關(guān)重要的角色。營養(yǎng)物質(zhì)只有溶于水中或者只有分子中溶于水的部分才能被微生物代謝利用，毋庸置疑，作為影響著堆肥微生物活動的重要因素，含水率在堆肥過程中也扮演著重要的角色，左右著堆肥反應(yīng)進(jìn)行。

污泥中的水分主要作用在：(1)污泥中存在大量的營養(yǎng)物質(zhì)可以被水溶解，供給微生物代謝活動；(2)調(diào)節(jié)堆肥反應(yīng)堆堆體的溫度。可以說堆體反應(yīng)堆中的含水率的大小除了起著保證微生物代謝所需要的水分的作用，還在一定程度上左右著反應(yīng)的進(jìn)行。研究表明好氧堆肥的初始含水率應(yīng)當(dāng)控制在40%～60%之間[8]。含水率過高，勢必會影響堆料中氧氣的供給，另一方面，為了保證供給氧氣，過高含水率的堆體會使得通風(fēng)強(qiáng)度增加，這會使得堆肥反應(yīng)產(chǎn)生的熱量散發(fā)嚴(yán)重，也不利于堆肥反應(yīng)的進(jìn)行；同時(shí)，堆體的含水率過低，會使得可溶于水的有機(jī)物質(zhì)含量變少，微生物的代謝繁殖會被低濃度的營養(yǎng)物質(zhì)的所限制，另外微生物缺少維持生命活動所需的水也會對堆肥反應(yīng)的進(jìn)行造成不利的影響。

(3)pH值

pH 值對于微生物的生長也是一個(gè)至關(guān)重要的因素，一般中性或弱堿性是微生物生長最適宜的pH環(huán)境， 過大或過小都會對微生物代謝活動產(chǎn)生影響。在堆肥過程中，pH值隨著時(shí)間和溫度的變化而變化。在堆肥初期，由于微生物代謝所產(chǎn)生的酸性物質(zhì)，pH 值會下降(可降至 5.0)，然后上升至 8～8.5 左右，此外，堆體的酸堿環(huán)境也會影響氮素的流失，pH 值小于 7 時(shí)，氮以氨氣的形式進(jìn)入大氣中，對堆肥產(chǎn)物的肥效造成一定的影響。因此，在堆肥工藝設(shè)計(jì)中，一般確定污泥和調(diào)理劑混合物的酸堿值應(yīng)在6～9之間最佳。

(4)有機(jī)物含量

有機(jī)物含量也是影響堆肥效果的一項(xiàng)重要因素。在污泥的堆肥過程中，有機(jī)物的含量在20%～80%較合適，有機(jī)物含量過低，微生物不能得到足夠的碳源作為底物進(jìn)行代謝活動，產(chǎn)生的少許熱量不足以提高堆體的溫度，既不利于堆體的無害化處理，溫度也不能滿足高溫分解微生物的繁殖，導(dǎo)致堆肥失敗。有機(jī)物含量過高，污泥在堆肥過程中需要的氧氣量增大，極易缺氧，導(dǎo)致堆體達(dá)不到好氧狀態(tài)而發(fā)生惡臭，也會造成堆肥化失敗。

4　含油污泥堆肥處理的技術(shù)進(jìn)展

4.1微生物強(qiáng)化處理技術(shù)

(1)添加微生物菌劑

在污泥的堆肥過程中，微生物推動和維持著堆體反應(yīng)等一系列活動，在堆肥反應(yīng)中扮演著至關(guān)重要的角色。從微生物作用的角度來看，堆肥過程就是堆肥微生物進(jìn)行生命活動的過程[9]。所以對微生物的強(qiáng)化處理將會加強(qiáng)石油烴的降解，使堆肥得以順利進(jìn)行。

由于在堆肥過程中，本土微生物不能有效的降解石油烴，達(dá)不到堆肥效果，因此，向堆體中添加外源微生物便成為高效降解石油烴的新思路，而在進(jìn)行微生物強(qiáng)化處理的過程中,高效石油降解菌對底物環(huán)境的適應(yīng)性及其對石油的分解特性都會影響最終的處理效率,因此,微生物菌劑的篩選和馴化十分重要。Muthuswamy 等[10]對芽孢桿菌(Bacillussp)IOS1-7、棒桿菌(Corynebacteriumsp.)BPS2-6、假單胞菌(Pseudomonas sp)HPS2-5、假單胞菌(Pseudomonas sp.)BPS1-8等菌株對石油烴的降解效果做了一系列研究，結(jié)果顯示石油烴的降解率均達(dá)85%。徐金蘭等[11]從陜北石油污染土壤中富集分離優(yōu)選出7株菌株，通過實(shí)驗(yàn)比較篩選出高效石油降解菌黃桿菌屬和鄰單胞菌屬，高效菌株均可在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到去除石油烴效果，去除率可達(dá)88.4%和73.4%，可作為堆肥微生物的最佳選擇。

然而，由于石油成分非常復(fù)雜，沒有任何一種微生物能降解石油中的所有成分，因此，目前在堆肥處理含油污泥上趨于利用降解不同組分的多種微生物組合制成的混合菌劑，宋紹富等[12]在進(jìn)行微生物堆制處理中，通過接種外源菌YC-1和YC-3，以及以YC-1:YC-3為1:1制成的混合菌劑YC-13來降解石油污染物，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，混合菌YC-13的除油率大大超過了單菌株，表明混合菌在降解含油污泥中的烴類化合物時(shí)，各個(gè)單菌株之間表現(xiàn)出一定的協(xié)同作用促進(jìn)效應(yīng)，但在培養(yǎng)初期，混合菌需要一段適應(yīng)時(shí)間，而隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，單菌株相互促進(jìn)，對含油污泥中油的利用效率增加，除油率便會顯著增加。

(2)添加營養(yǎng)劑

在含油污泥的堆肥處理過程中，有機(jī)物質(zhì)的降解是微生物活動的結(jié)果，而微生物活動又受營養(yǎng)物質(zhì)豐缺的制約，有效營養(yǎng)豐富，微生物繁殖速度就快，反之則慢。為了使參與有機(jī)物分解的堆肥微生物有營養(yǎng)處于平衡狀態(tài)，大量研究表明C:N:P的質(zhì)量比例接近21:1:0.5時(shí)對石油類物質(zhì)的降解比較適合[13]。歐陽威等[14]在進(jìn)行微生物強(qiáng)化處理技術(shù)和普通強(qiáng)化堆肥處理含油污泥的對比試驗(yàn)中，向兩個(gè)處理單元中都加入了營養(yǎng)液，在微生物強(qiáng)化處理單元中噴灑菌劑和溶有尿素和KH2PH4的營養(yǎng)液，堆制強(qiáng)化處理單元中以腐熟農(nóng)家肥作為營養(yǎng)劑進(jìn)行堆肥實(shí)驗(yàn)，都是為了使石油烴的降解菌處于最佳的營養(yǎng)平衡狀態(tài)。余冬梅等[15]以某油田聯(lián)合站含油污泥為研究對象，利用堆肥生物降解法進(jìn)行處理。在含油污泥中添加草和有機(jī)肥，處理 115 d 后，含油污泥中的石油烴含量從原來的(123±1) g/kg 降低到(71.7±0.7) g/kg，且生物毒性有所降低，EC50從原來的(1.77±0.28) mg/mL 提高至(2.76±0.38) mg/mL。稻草和干豬糞，可以改良油泥 C/N/P 比例，強(qiáng)化處理能力。

以上研究實(shí)驗(yàn)表明，目前，在堆肥處理含油污泥中，可通過接種高效降解菌劑、優(yōu)勢單菌混合培養(yǎng)而成的混合菌劑以及添加營養(yǎng)劑來達(dá)到堆肥微生物的強(qiáng)化，提高石油烴的降解率，優(yōu)化堆肥效果。

4.2堆體單元強(qiáng)化技術(shù)

上文提到，在含油污泥的堆肥過程中，堆體的含水率、pH值、孔隙度等因素都影響著石油烴的降解率，決定著堆肥的成敗。為了使堆肥原料一直處于最佳狀態(tài)，向堆體中添加特定的調(diào)節(jié)劑，可改善微生物的降解環(huán)境，提高石油烴的去除率。

當(dāng)堆肥原料的含水率低于所需的正常值時(shí)，一般直接加水或添加含水率較高的糞稀等，而當(dāng)堆肥底物的水分過高，顆粒較細(xì)時(shí)會引起通氣性變差，可采用以下幾種方法調(diào)節(jié)：①可回流堆過肥的干物料，以調(diào)節(jié)起始混合物的水分含量；②可把干的調(diào)理劑如鋸末或碾碎的垃圾、秸稈等加入高濕度的原料中(如污泥和雞糞)；③可把膨脹劑如木屑和秸稈等加進(jìn)高濕度的原料中，以維持堆垛結(jié)構(gòu)的完整性和多孔性[16]，便于空氣流通。調(diào)理劑的使用量一般不超過油泥的10%。葉小梅[17]認(rèn)為木屑的石油生物降解速率最好, 蛭石次之, 稻草再次之；其施用量為 6%，在室溫下培養(yǎng) 120 d, 石油烴去除率近 70%。但是，含有有機(jī)物質(zhì)的調(diào)理劑會影響土壤酶的活性，可能激發(fā)微生物的活性，也有可能抑制生物降解，宋紹富等人在研究不同的調(diào)理劑對堆肥微生物的影響，結(jié)果就發(fā)現(xiàn)YC-1菌采用土作為調(diào)理劑時(shí)除油率為40.01%，優(yōu)于土+蕎麥皮的19.05%，而YC-3采用土+蕎麥皮作為調(diào)理劑時(shí)的除油率為32.55%，優(yōu)于土的25.38%，說明相同的調(diào)理劑對不同的菌株會起到不同的作用。

5　結(jié)　語

含油污泥成分復(fù)雜，處理難度大，是油田、石化等領(lǐng)域里最為突出的環(huán)境問題，生物處理含油污泥具有成本低，操作簡單，無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，在許多發(fā)達(dá)國家都得到了很好的應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)污泥無害化和資源化的主要研究和發(fā)展方向。

在我國，含油污泥的堆肥處理在工程上還沒有得到廣泛應(yīng)用，尚處于起步階段。尤其在整個(gè)工藝設(shè)計(jì)、高效石油降解菌的篩選、培養(yǎng)和發(fā)酵條件的控制上還存在困難，另外，對于含油率較高的污泥堆肥處理效果還不太好，同時(shí)，不同工藝所產(chǎn)出的含油污泥成分及油含量差異也會導(dǎo)致堆肥處理工藝及反應(yīng)條件的要求不同。今后的工作可從以下幾個(gè)方面開展：①石油降解菌對不同成分的石油烴的降解機(jī)理做以基礎(chǔ)研究；②深入研究在堆肥過程中，影響石油降解率的各個(gè)因素，包括菌劑種類、加量、發(fā)酵時(shí)間等;③生物質(zhì)類堆肥添加劑對微生物菌種降解原油的影響。另外，研究與開發(fā)成本低、效果佳的堆肥工藝，加速含油污泥的無害化處理和資源化利用。

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Study on Composting Treatment of Oily Sludge

CHEXiao-jun,QUCheng-tun,GUOMin-jun

(Shaanxi Oil and Gas Pollution Control and Reservoir Protection Key Laboratory,Xi’an Shiyou University, Shaanxi Xi’an 710065, China)

Oily sludge is one of the main pollutants in petrochemical industry, because of its large output, complex composition, difficult to handle, and the discharge is not easy to cause serious harm to the environment and human. Therefore, the harmless and resource treatment of oily sludge has been studied by domestic and foreign. Several non-biological treatment methods of oily sludge in recent years and their advantages and disadvantages were briefly described, and the treatment of oily sludge by biological method was introduced, including the principle of aerobic composting, the influencing factors, the technical status, and so on, which provided an important basis for the development of the treatment of oily sludge.

oily sludge; compost; microbial species; nutrient; degradation rate

車曉軍(1991-)，女，在讀研究生，陜西渭南人，2014年畢業(yè)于寶雞文理學(xué)院應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，現(xiàn)在西安石油大學(xué)攻讀碩士，研究方向：應(yīng)用化學(xué)。

屈撐囤(1964-)，男，教授，博士學(xué)位，研究方向:油氣田環(huán)境保護(hù)。

X705

A

1001-9677(2016)012-0035-04