基于復合微生物制劑的生物堆置處置研究

陳超

(中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司 技術檢測中心,山東 東營 257000)

隨著工業化進程的不斷推進,世界各國對石油的開采量不斷攀升。由于開發的歷史性問題,環保意識相對薄弱,開采工藝相對落后,防滲技術不達標,缺乏有效的環境保護措施及設備的環境、運輸、貯存、煉化等環節存在跑、冒、滴、漏等現象,在原油開采區域、輸油管道附近、儲油罐區域、煉化廠區內存在由于傾撒、遺留等造成土壤地下水相關檢測指標超標現象[1]。殘存的烴類物質,不僅影響了土壤的顏色和氣味,還可能造成土壤有機質結構及組成的變化,減少植物所需的氮、磷、鉀相關元素的含量,植物的根系得不到充足的營養,繼而死亡[2]。同時由于烴類物質的黏稠性,降低了土壤的孔隙度與通透性,導致原有微生物群落發生變化。而且原油的開采、運輸及煉化還可能造成區域土壤及地下水中重金屬及離子濃度發生變化,進一步帶來區域環境風險。

近年來,生物修復的優點正不斷體現出來,較好地彌補了化學修復與物理修復的次生污染、成本高、耗費人力物力等缺點[3]。利用微生物自身代謝降低含油土壤的烴類物質,逐漸成為現在土壤修復手段的研究熱點[4]。利用微生物修復含油土壤,因其最終產物主要是二氧化碳、水、鹽類等物質,其不帶來新的污染,環保、無公害。微生物本身適應性強,可以處理的有害物質種類多,濃度范圍廣,具有很好的環境適宜性[5]。微生物繁殖能力強,同時具有制備成本低、修復過程中土壤擾動小、不耗費過多的人力物力等優點。

微生物修復主要有生物強化、生物刺激等手段。其中生物強化是加入了具有高效降解能力的外源菌;生物刺激指的是加入磷源、氮源、氧氣等微生物代謝等所需的營養物質,營造其適宜繁殖代謝的必要環境,加快代謝降解活動的發生[6]。

微生物修復在石油污染土壤中的應用由來已久,當人們在發現微生物具有降解有機污染物這個特點之后,微生物治理污染便被人們應用開來。Vecchioli等[7]分離出含油土壤中的本源微生物,Volkering等[8]耗時多年對不同種微生物對含油土壤中特定污染成分的治理能力進行了研究,丁克強等[9]在國內率先對微生物生長環境對微生物降解效率的影響展開了研究,Das等[10]研究了含油土壤含量對土壤微生物呼吸作用的影響,Mcmillen等[11]研究了不同營養元素的比例對含油土壤微生物降解速度的影響。含油土壤的微生物修復主要是通過改善土壤環境,如含氧量、營養物質、pH值等來培養本源微生物對污染物進行降解,這也是微生物修復法的主要影響評價體系。但是有時本源微生物不能有效降解污染物時,也可以人工添加培養的菌株來達到修復的目的。

XX地區存在含油土壤區域,隨著生物技術的不斷進步,人們開始將生物技術引入到石油污染修復的工作中來,因其具有操作方便、成本低、不產生二次污染、治理效果好等多種優點,在現代含油污染修復工程里,生物修復技術較物理、化學修復技術的應用越來越廣泛。技術人員針對XX地區實際,利用已研制出的能夠對含油土壤進行原位修復的土著菌劑,通過生物堆小試試驗探究微生物生長、降解石油的影響因素,并找到微生物的最佳生長條件。

1 單因素實驗研究

根據文獻研究表明,在微生物修復過程中,提供微生物代謝降解所需的共代謝底物或電子受體,同時還有研究表明加入分散劑或表面活性劑提升石油烴在系統中的溶解度不斷增強生物可利用性,有利于提升修復效果[12]。

本次室內試驗選擇含水率、溫度、pH值、翻耕頻率、菌劑、鋸末、NH4NO3、CaCl2、MgSO4投加量進行單因素實驗,實驗土壤石油烴含量均為4.64%,使用SPSS20.0軟件做單因素方差分析,研究生物刺激各項因素對提高白腐真菌修復的差異性和顯著性;選擇單因素條件的最優參數配合白腐真菌對含油土壤進行修復,核算35 d對石油烴的降解率。

2 單因素實驗結果與討論

不同因素對降解率的影響如圖1～9所示。

圖1 菌劑投加量的影響

圖2 含水率的影響

圖3 溫度的影響

圖4 pH值的影響

圖5 菌棒+鋸末的影響

圖6 翻耕頻率的影響

圖7 添加NH4NO3的影響

圖8 添加CaCl2的影響

圖9 添加MgSO4的影響

3 生物堆置處置混合參數實驗驗證

混合參數實驗的設計如表1所示。

表1 各試驗點測試周期的參數

參數不同,石油烴降解率隨時間變化如表2所示。由結果可知:菌劑的加入對石油烴的降解效果影響最大,未加入菌劑20 d的去除率幾乎無變化。

表2 生物堆小試石油烴降解率

4 結論

通過對微生物對含油土壤修復效果分析,以及對影響微生物降解效果因素的分析試驗研究,可以得出以下結論:

1)菌劑含量:菌劑含量對含油土壤修復影響較大,菌劑含量越多,修復效果越好;

2)含水率:含水率對細菌和真菌的生長代謝有著重要的作用,在含水率較低時提高含水率有利于降解,但水分含量過高,孔隙基本被水占據,不利于修復,最佳含水率為30%～40%;

3)溫度:石油烴的降解性能隨降解溫度的提高而增加,溫度在25～35 ℃時,修復效果較好;

4)pH值:pH值影響微生物降解效果,石油烴的降解趨勢隨pH值的增加呈拋物線形狀,在pH值為6.8時達到最佳去除效果,菌劑在中性條件下的除油效果最好,但相較于酸性條件下菌劑的低除油率,微生物更能抵抗堿性環境;

5)菌棒+鋸末:適宜的菌棒+鋸末添加量有利于增強土壤透氣性,提供微生物附著點,增強含油土壤修復效果;

6)翻耕頻率:提高翻耕頻率有利于刺激并加快微生物降解石油烴;

7)NH4NO3:NH4NO3促進修復含油土壤,但其含量達到一定數值時,再增加其含量不會促進降解,相反隨著添加量的增加石油烴的降解效果反而會下降,NH4NO3質量分數為1.0 g/kg的條件下微生物的修復效率最高;

8)適量的無機鹽有利于微生物除油,但不宜過量,鈣鎂無機鹽分別在130和250 mg/L時的除油效果最好。

綜上,由室內生物堆置處置混合參數實驗可以得知,菌劑的加入對石油烴的降解效果影響最大,未加入菌劑20 d的去除率不到10%,使用菌劑進行現場修復是可行的。