油氣田廢棄鉆井泥漿微生物處理技術(shù)研究進展

董晨曦 吳益鋒 王丹丹 楊添麒 馬天奇

1. 陜西延長石油(集團)有限責(zé)任公司研究院 陜西 西安 710065

2. 紹興市嵊新首創(chuàng)污水處理有限公司 浙江 紹興 312400

由于野外作業(yè)特征，鉆（完）井作業(yè)結(jié)束后，大量存留的廢棄鉆井液、廢棄物，酸化廢液和含油污泥等往往會排放堆積于井場周圍的廢棄鉆井泥漿儲存坑內(nèi)，最終形成成分復(fù)雜的廢棄鉆井泥漿[1]。鉆井泥漿是一種呈穩(wěn)定態(tài)膠體的多相懸浮性體系，含有多種有毒有害污染物質(zhì)，如烴類、鹽類、油類、堿類、膠體及重金屬等[2]，因此，油氣田鉆井廢棄泥漿具有有機污染物（COD）高、色度、懸浮物含量高、含有多種重金屬及含鹽量較高等特征，是石油工業(yè)的主要污染源之一。采用生物法處理可使其中的有害污染物質(zhì)得以徹底降解，有利于實現(xiàn)廢棄泥漿的無害化和資源化處理，具有高效、經(jīng)濟和無二次污染等優(yōu)勢，對降低油氣田企業(yè)廢棄物處理壓力，保護生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 國內(nèi)外廢棄鉆井泥漿處理技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外油氣田廢棄鉆井泥漿處理，投入應(yīng)用的常見處理技術(shù)有處理后直接排放、回注、填埋、固液分離法、固化、土地耕作、干燥焚燒、回收再利用以及生物法等。以上物理和化學(xué)方法多數(shù)往往將鉆井泥漿中的污染物從液相轉(zhuǎn)化為固相，通過限制泥漿流動和抑制其污染物遷移擴散（如固化法）或通過絮凝劑實現(xiàn)泥水分離（固液分離法）來消除廢棄鉆井泥漿中的有毒、有害物質(zhì)對水體、土壤和生態(tài)環(huán)境的影響和危害；或者將其通過不同形式的填埋（注入安全地層、回填、土地耕作等）降低其對人居環(huán)境的潛在危害；或者因處理成本高，不宜推廣應(yīng)用（焚燒法和回收利用），因而從根本上未能達(dá)到解決鉆井廢棄泥漿中有害成分的問題，甚至可能還會造成二次污染問題，因此都存在有一定的應(yīng)用局限性。

微生物處理技術(shù)是在人為優(yōu)化的條件下，利用自然環(huán)境中的土著微生物或人為投加的特定微生物的生命代謝活動將環(huán)境中的有害污染物降解，從而實現(xiàn)污染物的減量化或無害化處理的一種生物修復(fù)技術(shù)，具有對環(huán)境友好、能源消耗少、無二次污染、處理效果較好等優(yōu)勢。

2 廢棄鉆井泥漿微生物處理降解菌主要來源

在自然界中存在許多能以有機污染物為唯一碳源和能源的異養(yǎng)微生物，通過新陳代謝及在污染物誘導(dǎo)下產(chǎn)生的酶系，這些微生物將長鏈的有機物或大分子有機物分解和礦化成小分子物質(zhì)甚至氣體，從而達(dá)到無害化處理的效果[3]。污染物降解菌株的獲得主要有3種途徑：（1）通過篩選和馴化的土著微生物；（2）外源微生物；（3）通過基因工程技術(shù)進行菌種改良。

2.1 篩選和馴化土著微生物

在廢棄鉆井泥漿以及石油烴污染的環(huán)境中往往存在著大量、可降解廢棄鉆井泥漿中污染物的細(xì)菌、真菌、藻類以及放線菌。因此，可以從被廢棄鉆井泥漿污染的環(huán)境中分離出對泥漿中的有機物具有較高降解作用的土著微生物。這些土著微生物對鉆井泥漿的環(huán)境，如高pH、高含鹽和缺乏營養(yǎng)等特殊環(huán)境具有較強的適應(yīng)能力，是廢棄鉆井泥漿生物處理或生物修復(fù)的微生物菌株的重要來源。

2.2 外源微生物

除從廢棄鉆井泥漿環(huán)境中直接篩選高效的土著微生物菌株外，大量研究表明一些外源微生物可作為泥漿生物處理的菌株，對廢棄鉆井泥漿中的污染物具有重要的降解作用。陳五嶺和朱伯龍發(fā)現(xiàn)由米曲霉、谷草芽孢桿菌、熒光假單胞菌、醋酸鈣不動桿菌和紅平球菌制成的固體菌劑對泥漿具有較好的處理效果，可使泥漿中的石油烴降至30mg/L、pH恢復(fù)至中性、活菌數(shù)達(dá)到108/g。

2.3 基于基因工程菌株改良

近年來，隨著分子生物學(xué)、遺傳學(xué)和基因工程的發(fā)展，PCR擴增與探針雜交、16S rRNA序列分析、末端限制性片段長度多態(tài)性分析等生物技術(shù)手段逐步應(yīng)用于油氣田微生物多樣性研究領(lǐng)域，廢棄鉆井泥漿的高效降解菌株的篩選馴化技術(shù)也因此得到了快速發(fā)展。然而，基于基因工程的廢棄鉆井泥漿污染物降解菌株有針對性的設(shè)計改良馴化工作仍處于初期探索階段，未見有規(guī)模化應(yīng)用實例。

3 影響微生物降解廢棄鉆井泥漿的影響因素

微生物處理技術(shù)的根本是利用微生物分解污染物，因此，其處理效果必然受到外界環(huán)境對微生物活性的影響，在對菌株培養(yǎng)和應(yīng)用時均需要考慮這些影響因素對其生長繁殖和污染物降解性能的影響。

3.1 營養(yǎng)物質(zhì)

由于廢棄鉆井泥漿中的石油徑類物質(zhì)可以充當(dāng)碳源，但可能缺乏氮磷營養(yǎng)，所以一般利用微生物進行生物處理時，需了解廢棄鉆井泥漿的組成和性質(zhì)，適當(dāng)?shù)耐都拥⒘}后，以保證其生長繁殖所需的營養(yǎng)物質(zhì)。營養(yǎng)鹽（N、P）、水分和膨松劑往往會影響廢棄泥漿的處理效果。Rojas-Avelizapa等調(diào)節(jié)廢棄鉆井泥漿的碳氮磷比為100 ：3 ：0.5，水分含量保持在30～35%，并在泥漿中添加3%的稻草；180d后實驗組中的碳?xì)浠衔锝到饧?xì)菌和異養(yǎng)細(xì)菌的數(shù)量比空白組分別提高了3個和4個數(shù)量級，廢棄泥漿的總石油烴含量降低了94.4%。表明泥漿膨松劑（秸稈）、和氮磷營養(yǎng)的加入以及合適的水分有利于土著菌的繁殖和泥漿中石油烴的降解[4]。

3.2 泥漿環(huán)境因素

由于廢棄鉆井泥漿中有毒有害物質(zhì)較多，微生物易被毒害造成活性降低，處理效果變差，因此在微生物實際應(yīng)用中，需要為微生物創(chuàng)造良好的生長環(huán)境，以保證其具有良好的降解效果。

（1）溫度：溫度會影響石油烴類、粘土礦物及高分子化學(xué)添加劑在環(huán)境中的理化性質(zhì)。如，溫度增加，會促進石油烴中對微生物具有毒害作用的易揮發(fā)烴類的揮發(fā)，同時也會一定程度上增加石油烴的乳化性，因此會對微生物的降解效果產(chǎn)生影響。溫度下降，不僅會降低微生物本身的活性，還會增加環(huán)境中低分子量石油污染物的相對濃度，因此，微生物因毒性作用降解污染物的效率會顯著下降。

（2）氧氣濃度：實踐證明好氧分解對污染物的降解非常有效，且降解速度比厭氧系統(tǒng)快的多。在對鉆井廢棄物進行生物處理時，通常采用以下兩種方式保證體系的氧氣供給：其一是通過定期翻動污泥讓空氣自然通過，以滿足好氧微生物的需氧量；其二是通過強制通入空氣（如鼓風(fēng)）為好氧微生物提供氧氣。

（3）pH值：大多數(shù)微生物適宜生長的pH值在6～8之間。廢棄鉆井泥漿一般屬于堿性污染物，所以在進行生物處理時，需要添加有效的pH調(diào)節(jié)和緩沖體系調(diào)節(jié)其pH至適宜的范圍。

（4）鹽度或礦化度：高鹽環(huán)境對微生物的代謝影響是多方面的，包括引起細(xì)胞內(nèi)滲透壓的改變、降低水中的溶解氧以及導(dǎo)致中間代謝產(chǎn)物轉(zhuǎn)化困難等。隨著油氣井的深度開發(fā)，尤其是高含鹽油田的開發(fā)，油田采出液和廢棄鉆井泥漿中的含鹽量日益增高，因此利用耐鹽的微生物有助于提高廢棄鉆井泥漿生物處理效果。

（5）重金屬：重金屬對微生物的生長和繁殖會產(chǎn)生不利影響。由于廢棄鉆井泥漿中可能含有汞、銅、鉻、鎘、鋅及鉛等，因此在篩選降解菌時，應(yīng)考慮到篩選微生物對不同重金屬的耐受性，并進行相應(yīng)的壓力選擇，使篩選菌株能適宜廢棄鉆井液的環(huán)境條件。

（6）表面活性劑：在高含油泥漿中添加生物表面活性劑，可以對泥漿中的油類物質(zhì)起到分散和乳化作用，改變細(xì)胞表面的疏水特性，增加微生物在油類物質(zhì)表面的附著能力，加速廢棄微生物對鉆井泥漿中油類物質(zhì)的代謝[5]。

4 廢棄鉆井泥漿的微生物降解機理

微生物處理法主要原理是細(xì)菌、真菌等某些微生物會將含油污泥中石油烴類作為其新陳代謝的碳源，利用微生物的生長代謝活動將油污泥中的有害物質(zhì)進行同化降解，使其最終完全轉(zhuǎn)化為無害的無機物質(zhì)，實現(xiàn)對含油污泥的無害化處理。含油污泥在一般情況下被優(yōu)先降解的是直鏈烷烴，其次依次是支鏈烷烴，環(huán)烷烴，多環(huán)芳烴，雜環(huán)烴。

不同微生物降解鏈烷烴的好氧代謝途徑不同，最常見的是單末端氧化；以烷烴為唯一碳源和能源的細(xì)菌可能以末端氧化的方式進行降解。相對于直鏈烷烴，支鏈烷烴難于被微生物降解。微生物對支鏈烷烴的氧化多從離支鏈最遠(yuǎn)的甲基開始，在單氧化酶的催化下甲基被羥基化，然后在一系列脫氫酶的作用下最終被生成支鏈脂肪酸，再通過脂肪酸的氧化作用被降解[6]。 環(huán)烷烴的主要降解途徑類似于鏈烷烴的末端氧化途徑，在兩種不同氧化酶的協(xié)同作用下，環(huán)烷烴依次被氧化成環(huán)醇和環(huán)酮，最后再被氧化為內(nèi)酯，內(nèi)酯開環(huán)后形成羥基羧酸，再通過β-氧化作用下最終形成CO2與H2O。含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的芳香烴在稠油中占比大，微生物降解困難，是廢棄鉆井泥漿中優(yōu)先控制的污染物。不同種類的微生物對芳香烴（尤其是多環(huán)芳烴）的降解代謝途徑不同，但芳香烴的好氧生物降解均從芳香環(huán)的氧化反應(yīng)開始，然后再通過一系列反應(yīng)生成最終的代謝產(chǎn)物或轉(zhuǎn)化為CO2和H2O。

5 廢棄鉆井泥漿的微生物處理技術(shù)

目前微生物處理法的主要工藝有地耕法、堆肥法、植物-微生物聯(lián)合處理法等方法。

（1）地耕法

地耕法主要用于含油污泥的處理，是指在露天條件下，將含油污泥平整覆蓋于土壤地表層，通過翻耕通氣、澆水、添加肥料等方式，優(yōu)化廢棄鉆井泥漿中微生物活性與降解條件，最終達(dá)到利用土壤土著微生物或者外源微生物降解石油烴類物質(zhì)的目的。此法最大優(yōu)點是將污泥中對環(huán)境有害的轉(zhuǎn)變成土壤的一部分，環(huán)保無二次污染，且運行成本極低[7]。

（2）堆肥法

堆肥法是將固體廢棄物成堆放置，利用土著或外源微生物進行處理的方法，其實質(zhì)也是利用以污泥中石油烴類為營養(yǎng)源的土著或外源微生物的生物代謝活動。基于處理過程中微生物對氧氣的需求不同，可將堆肥分為好氧堆肥和厭氧堆肥兩種。影響堆肥法處理效果的因素主要有營養(yǎng)物質(zhì)、水分、通氣量，以上均可通過添加疏松劑（麩皮、鋸木屑、稻殼等）改善。

（3）植物-微生物聯(lián)合處理技術(shù)

微生物-植物聯(lián)合處理技術(shù)是將植物與微生物有機的結(jié)合，協(xié)同處理污染物的過程，其具有應(yīng)用范圍廣，無二次污染、處理成本低等優(yōu)勢，是一種環(huán)境友好的廢棄鉆井泥漿無害化處理方法。研究表明，植物生長過程中，一方面其根部可為微生物提供良好的生長環(huán)境，植物根際還會分泌物質(zhì)，刺激微生物對污染物的降解；另一方面，微生物對環(huán)境中污染物的降解，也有利于植物的生長及對污染物的吸收。影響植物-微生物聯(lián)合修復(fù)效果的因素主要有：鉆井泥漿污染物的理化性質(zhì)、微生物與修復(fù)植物的種類，風(fēng)、濕度、水分、溫度等植物與微生物生長環(huán)境因素。

6 結(jié)論與展望

微生物法廢棄鉆井泥漿無害化處理具有低成本、無二次污染、處理效果好等優(yōu)勢，是一種具有潛力的綠色鉆井泥漿處理方法。未來可著重在以下幾個方面開展深入研究：

（1） 充分利用分子生物學(xué)、遺傳學(xué)、基因工程等現(xiàn)代化科技手段與微生物技術(shù)相結(jié)合，對菌株進行強化改進，提高微生物的活性及環(huán)境適應(yīng)性，進而提高微生物對目標(biāo)污染物的降解能力。

（2）植物-微生物法廢棄鉆井泥漿聯(lián)合處理技術(shù)是一種有潛力的綠色生物技術(shù)，但目前研究仍處于起步階段。未來可著重開展植物與微生物協(xié)同處理技術(shù)機理研究，篩選處理效果好的植物與微生物種類，為其在實際中的廣泛應(yīng)用鑒定基礎(chǔ)。