堆肥強化微生物法處理含油污泥的現(xiàn)場試驗*

徐開慧 哈斯其美格 張傳濤 徐娟娟 韓智超 陳麗華

(西北民族大學化工學院，甘肅 蘭州 730030)

開采、運輸、儲存等過程中的石油泄漏使得大量土壤受到污染[1-2]。石油進入土壤后會使土壤通透性、層級結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大變化，從而水分滲透率降低，有效磷、有效氮含量下降，最終導致土壤板結(jié)，質(zhì)量下降[3-5]。因此，對石油污染土壤后形成的含油污泥進行有效處理，使其在短時間內(nèi)恢復有關(guān)功能，對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義[6]。

含油污泥中的石油烴常用降解方法有微生物法和堆肥法。宜慧等[7]利用微生物法處理陜北某含油污泥，效果不好，這是因為生物修復法的溫度和pH必須控制得很低，不利于菌株的降解效果發(fā)揮。堆肥法可以使堆體快速達到高溫，彌補生物修復法溫度低的缺點[8]，而且可以控制堆肥過程中臭氣的產(chǎn)生，縮短腐熟進程，有效殺滅病原體[9]。本研究嘗試將堆肥法和微生物法聯(lián)合(即堆肥強化微生物法)并用于現(xiàn)場降解隴東油田含油污泥中的石油烴，以期高效處理含油污泥。

1 材料與方法

1.1 堆肥原料

堆肥中加入牛糞后可以提供更多的有機質(zhì)，使微生物更好地繁殖，加速石油烴降解[10-13]，因此本研究以新鮮牛糞、含油污泥和玉米秸稈(輔料)為原料進行現(xiàn)場堆肥。新鮮牛糞的含水率為70%，pH為8.40，總碳為38.70%(質(zhì)量分數(shù))，總氮為2.10%(質(zhì)量分數(shù))。玉米秸稈粉碎、過10目篩后高溫滅菌，備用。含油污泥的含水率為5%，pH為7.82，電導率(EC)為0.866 mS/cm，總氮為0.05%，有機磷質(zhì)量濃度為13.26 mg/kg，速效鉀質(zhì)量濃度為165.9 mg/kg。

1.2 菌 劑

堆肥菌劑：參考文獻[14]，篩選出4種菌作為堆肥菌劑，分別是綠色木霉(Trichoderma)、米曲霉(Aspergillusoryzae)、枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)、銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)。將綠色木霉、米曲霉置于28 ℃、120 r/min的恒溫振蕩條件下培養(yǎng)2 d以上，等菌液變渾濁后待用；將枯草芽孢桿菌、銅綠假單胞菌置于37 ℃、120 r/min恒溫振蕩條件下培養(yǎng)24 h以上，等菌液變渾濁后待用。將上述綠色木霉、米曲霉菌液和枯草芽孢桿菌、銅綠假單胞菌菌液按體積比2∶1制成混合菌劑，置于30 ℃、120 r/min的恒溫振蕩條件下發(fā)酵，待菌落數(shù)大于1×1010cfu/mL后，添加適量腐殖質(zhì)變成固體混合菌劑，密封保存，備用。

降油復合菌劑：綜合文獻[15]和文獻[16]，篩選出6種菌用作降油復合菌劑，分別為枯草芽孢桿菌、微綠鏈霉菌(Streptomycesatrovirens)、蘇云金芽孢桿菌(Bacillusthuringiensis)、銅綠假單胞菌、嗜堿性假單胞菌(Pseudomonasalcaliphila)、魯菲不動桿菌(Acinetobacterlwoffii)。將6種菌分別進行相同一次擴培后，等體積比混合配成混合菌懸液，置于37 ℃、200 r/min的恒溫振蕩條件下發(fā)酵，使菌落數(shù)達到1×1010cfu/mL以上，添加適量腐殖質(zhì)制成固體干燥菌劑，密封保存，備用。

固肥菌劑：將相同一次擴培后的圓褐固氮菌(Azotobocterchroococcum)、巨大芽孢桿菌(Bacillusmegaterium)按體積比1∶1制成混合菌劑，置于37 ℃、200 r/min的恒溫振蕩條件下發(fā)酵，使菌落數(shù)達到1×1010cfu/mL以上，添加適量腐殖質(zhì)制成固體干燥菌劑，密封保存，備用。

1.3 堆肥強化微生物法現(xiàn)場試驗設(shè)計

在隴東油田現(xiàn)場設(shè)立了兩個堆體，分別作為實驗組和對照組。實驗組的堆肥原料為新鮮牛糞、含油污泥和玉米秸稈，分別在合適的時間加入堆肥菌劑、降油復合菌劑和固肥菌劑。對照組不同于實驗組的是將新鮮牛糞換成氮磷肥(硫酸銨與過磷酸鈣按質(zhì)量比8∶1混合)，只為降油微生物提供所需的營養(yǎng)元素，而不具備堆肥條件，并且只加入降油復合菌劑，加入時間與實驗組同時。

現(xiàn)場具體操作步驟如下：500 kg堆肥原料中含含油污泥100 kg、玉米秸稈10 kg，調(diào)節(jié)pH為7～8，含水率調(diào)至約40%，堆體中間插管壁帶孔的中空聚氯乙烯管，管底連接鼓風機，堆體蓋篷布保溫保濕。首先加入7.5 kg堆肥菌劑，堆體溫度先升至約60 ℃，等降至30 ℃后加入25 kg降油復合菌劑，保持溶解氧(質(zhì)量分數(shù))為10%～20%，含水率為20%～45%，堆肥30 d后加入5 kg固肥菌劑以維持堆體肥力，堆肥周期為92 d。

1.4 指標監(jiān)測方法

每個堆體定期監(jiān)測10項指標：pH、EC、485和685 nm下的吸光度比(E4/E6)[17]、總碳、總氮、有機質(zhì)、總石油烴(TPH)、溫度、含水率、溶解氧。各指標監(jiān)測次數(shù)均為20。C/N為總碳和總氮的質(zhì)量比。測堆體3個不同高度的溫度，取最高溫度作為堆體溫度。

按式(1)計算TPH降解率。

(1)

式中：A為TPH降解率，%；c0為初始的堆體中TPH(質(zhì)量分數(shù))，%；ci為第i次測定的堆體中TPH，%。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度與含水率的變化規(guī)律

由圖1可知，在初期(0～9 d)，堆體溫度升高，含水率急劇下降，說明微生物在適應環(huán)境并進行繁殖；在堆肥升溫階段(9～39 d)，實驗組具有明顯的升溫現(xiàn)象，而對照組溫度幾乎沒有變化，含水率變化均保持穩(wěn)定；在堆肥高溫階段(39～42 d)，實驗組最高溫度升至近60 ℃，此時含水率有所增加，這是由于微生物開始大量分解有機質(zhì)，產(chǎn)生了大量的水；在降溫階段(42～61 d)，溫度和含水率均開始下降；在穩(wěn)定階段(61～92 d)，溫度和含水率趨于穩(wěn)定，說明大部分有機質(zhì)已被分解，堆肥達到了深度腐熟[18]。

圖1 溫度和含水率的變化規(guī)律Fig.1 Changes of temperature and moisture content

2.2 pH與EC的變化規(guī)律

由圖2可知，隨著試驗的進行，pH總體降低。這是由于堆肥過程將腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化成了腐殖酸，從而造成pH降低；對照組由于加入的氮磷肥只為微生物提供營養(yǎng)元素，而不能進行堆肥過程，所以pH變化相對比較穩(wěn)定。初期，實驗組由于加入的新鮮牛糞含水率較高，因此TPH含量較低，所以EC較高，隨著水分的蒸發(fā)，TPH含量升高，造成EC降低，但當微生物把石油烴降解成可電解物質(zhì)后，后期EC又呈現(xiàn)出上升的趨勢；對照組由于堆體含水率低，石油烴降解也少，所以EC變化較小。

圖2 pH和EC的變化規(guī)律Fig.2 Changes of pH and electrical conductivity

2.3 C/N與E4/E6的變化規(guī)律

試驗進行過程中，由于實驗組的碳損失大于氮損失[19-21]，因此C/N整體呈現(xiàn)下降趨勢(見圖3)。有研究認為，C/N下降到0.2以下時，可認為堆肥已達到腐熟，下降到0.1則可認為腐熟情況較好[22]。本研究實驗組C/N最終可穩(wěn)定在0.1左右，說明腐熟情況還是比較好的。對照組由于沒有進行堆肥，因此C/N基本上沒有變化。

圖3 C/N和E4/E6的變化規(guī)律Fig.3 Changes of C/N and E4/E6

E4/E6愈小，表明腐殖質(zhì)的縮合度和芳構(gòu)化程度愈高，且腐熟程度愈高[23]。本研究中E4/E6最終降至約0.03，說明腐殖質(zhì)的縮合度和芳構(gòu)化程度很高，也說明了堆肥達到了深度腐熟。

對比實驗組試驗開始前和結(jié)束后的牛糞形態(tài)發(fā)現(xiàn)，堆肥后牛糞表面長滿了霉菌，呈蓬松狀態(tài)，進一步佐證了堆肥成功。

2.4 有機質(zhì)、TPH和溶解氧的變化規(guī)律

實驗組由于堆體中碳源、氮源豐富，微生物好氧降解活動劇烈，因此土壤中溶解氧一開始較低，有機質(zhì)迅速由初始的25.0%(質(zhì)量分數(shù))下降到42 d時的6.3%，TPH也由初始的7.8%下降到42 d時的2.9%(見圖4)，這時TPH降解率為62.8%。42 d后，有機質(zhì)緩慢下降，這是由于大部分有機質(zhì)已經(jīng)被降解，碳源開始不足，微生物好氧降解就變得緩慢，因此土壤中的溶解氧含量變高，TPH繼續(xù)下降至0.8%，降解率達到89.7%。

圖4 有機質(zhì)、TPH和溶解氧的變化規(guī)律Fig.4 Changes of organic matter,TPH and dissolved oxygen

對照組TPH和有機質(zhì)雖然也有下降趨勢，但是TPH降解率明顯低于實驗組，而且溶解氧變化不明顯，主要可能是化學降解。

3 結(jié) 語

堆肥強化微生物法現(xiàn)場處理含油污泥具有明顯的升溫現(xiàn)象，最高溫度可以升至近60 ℃；pH降低說明腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化成了腐殖酸；C/N最終穩(wěn)定在0.1左右，E4/E6最終降至約0.03，說明腐殖質(zhì)的縮合度和芳構(gòu)化程度很高，腐熟情況良好，堆肥達到了深度腐熟，含油污泥的TPH降解率可以達到89.7%。

因此利用農(nóng)業(yè)廢棄物牛糞和玉米秸稈作為堆肥原料，構(gòu)建堆肥強化微生物法處理含油污泥可以現(xiàn)場高效降解石油烴，是一種高效、經(jīng)濟、環(huán)保的好方法。