嗜鹽原油降解混合菌處理采出水特性研究

孫志超,劉力嘉,王明艷,王文娜,宮禧茴,李召悅,劉春爽

(中國石油大學(華東) 化學化工學院,山東 青島 266580)

油田開采過程中地層水和注入水會隨著原油一起被采出,在地面進行油水分離后產生大量采油污水,水量高達油田開發污水總量的90%以上[1]。采出水具有高原油、高礦化度、含硫化物等特點[2],由于產量巨大常常在處理后作為油田注水資源化回用。常規的采出水處理方法主要以“沉降→混凝→過濾”工藝為主,雖具有流程短、操作簡單、效果好等特點,卻存在藥劑消耗量大、含油污泥產量大、處理成本高等問題[3]。與之相比,生物法具有剩余污泥產率低、出水無二次污染、處理成本低的特點,在采出水處理領域具有廣泛應用前景[4]。

作為生物處理工藝的核心,原油降解菌對于采出水處理效果具有決定性作用。常見的原油降解菌有不動桿菌屬、芽孢桿菌屬、紅球菌屬等,以及嗜鹽菌如嗜鹽放線多孢菌、鹽桿菌屬、嗜鹽堿桿菌屬等[5-6]。商洪國[7]等從海底沉積物中分離出石油烴降解菌,結果表明混合菌群實現了對采出水中總石油烴的最大去除率(90.47%)。查代巧[8]等從土壤中分離出石油降解菌,結果表明菌株在NaCl含量范圍為0～100 g/L之間都能生長,菌株對總石油烴降解量的貢獻度可達50%以上。以上研究對于降解菌原油耐受、高礦化度耐受考慮較充分,但對于對硫化物耐受性關注較少。水中的硫化物可透過細胞膜,進入細胞內部,使胞內酶失活,對細菌產生毒害效應。而且硫化物為絲狀菌的繁殖提供了營養物質,使好氧池易發生污泥膨脹,大大降低生化系統對COD、原油等污染物的去除率,使得出水水質變差[9]。

基于此,本研究通過從采出水、含油污泥中篩選耐鹽耐硫化物原油降解單菌,并將其復配構建出原油降解混合菌,分別通過搖瓶實驗和連續流實驗研究其采出水處理效能,研究結果不僅為采出水處理提供菌種資源,還為含硫含鹽采出水處理提供了技術參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

采出水取自克拉瑪依油田石西聯合站。含油污泥取自克拉瑪依油田石西聯合站,取樣后密封備用?；钚晕勰嗳∽钥死斠烙吞锊捎投S水處理站,取樣后密封放冰箱備用。油樣取自克拉瑪依油田采油二廠采油井原油。

1.2 培養基

LB 培養基:蛋白胨10 g/L,酵母粉5 g/L,氯化鈉10 g/L,瓊脂20 g/L(固體培養基用),pH值7.2～7.4。

無機鹽培養基(MSM):NaCl 21 g/L,NaHCO31.1 g/L,Na2SO41.4 g/L,CaCl20.8 g/L,MgCl20.8 g/L,pH值7.4～7.7。

1.3 原油降解菌的富集、篩選復配

將5 mL采出水或5 g污泥樣品和0.05 g油樣加到100 mL 含15 mg S2-的MSM中,于30 ℃、150 r/min搖床恒溫培養5～7 d后,按照5%接種量轉接至新鮮培養基中繼續富集,直至連續富集3次后原油降解率穩定。選取降解率最高的3組混合菌群,稀釋涂布,從平板上選取不同形態特征的菌落進行劃線分純。選取效果最好的4株進行復配,構建原油降解混合菌TG-1。同時將4株菌送至上海生工生物公司進行測序。測序結果在Gen-Bank上與已知的16SrDNA進行BLAST比對,確定其菌屬。純化菌種于-80 ℃冰箱中保存備用。

1.4 原油降解混合菌的特性研究

將培養至對數期后期的混合菌群按5%接種量接種到100 mL滅菌采出水中,在溫度為30 ℃,轉速150 r/min條件下振蕩培養,分別考察培養礦化度、原油濃度和初始硫化物濃度對原油降解率的影響。

1.5 原油降解混合菌采出水處理連續流實驗

采用生物接觸氧化裝置進行混合菌TG-1的采出水處理效果連續流實驗探究。反應器總容積30 L,有效容積25 L,內部填有組合填料,填充率為40%左右。從一側底部進水,另一側頂部出水。反應器啟動時,按照5%比例接種TG-1混合菌,接種后間歇運行掛膜7 d后,連續流進水,考察TG-1采出水處理效果。

2 實驗結果與討論

2.1 嗜鹽耐硫原油降解單菌篩選及其復配

從采出水、含油污泥和活性污泥樣品中經初篩、復篩得到以原油為唯一碳源的嗜鹽耐硫石油降解單菌四株。對四株菌進行16SrDNA測序,結果經BLAST比對,結果見表1。

表1 四株單菌16SrDNA測序BLAST比對結果

將4菌株按1∶1∶1∶1體積比例進行復配,測定其原油降解率,將復配所得混合菌作為后續采出水處理混合菌并命名為TG-1。四株單菌和混合菌TG-1對培養基中500 mg/L的原油3 d的降解率如圖1所示,其中混合菌TG-1的降解率達到了90.52%。

圖1 四株單菌和混合菌TG-1的降解率

2.2 不同影響因素對目標菌株降解的影響

2.2.1 礦化度的影響

為考察礦化度對降解效果的影響,在30 ℃、150 r/min的條件下,將混合菌TG-1分別在礦化度為 10,15,20,25,30,50和100 g/L下培養3 d,結果如圖2所示。

圖2 礦化度對降解率的影響

結果表明礦化度越高降解效果會越差。當礦化度高于50 g/L時,混合菌里部分不耐高鹽條件的微生物生長緩慢甚至無法生長繁殖,不利于原油的降解[10],但降解率依然在50%左右。因此,混合菌TG-1能適應高礦化度條件的進水,最適合礦化度范圍為10～30 g/L。

2.2.2 原油濃度的影響

分別設置培養基內的初始原油質量濃度為100,200,500,700和1 000 mg/L,將混合菌TG-1接種于培養基后在30 ℃和150 r/min的條件下培養3 d,考察原油濃度對降解率的影響(圖3)。

圖3 原油濃度對降解率的影響

由圖3可見,原油質量濃度在500 mg/L以上時,隨著原油濃度的升高,混合菌對原油的降解率降低,降解效果變差。這是因為原油濃度過高影響了微生物細胞與周圍環境的物質交換,造成微生物中毒;并且原油濃度過高會在培養基表面形成油膜,影響氧氣向培養基中擴散,導致微生物的生長繁殖因缺氧而受到抑制[11]。此外,石油烴濃度增大時,碳氮磷比例失衡,氮磷濃度相對不足,不能滿足微生物降解石油烴的需要,使降解率大幅降低[12]。綜上來看,混合菌TG-1最適原油質量濃度為500 mg/L。

2.2.3 硫化物濃度的影響

將混合菌TG-1分別接種于硫化物質量濃度為20,50,100,150,200 mg/L的100 mL模擬培養基中,硫化物選用Na2S·9H2O,在30 ℃、150 r/min條件下培養3 d,測定混合菌群對原油的降解效果,確定混合菌的硫化物耐受范圍,結果如圖4所示。

圖4 硫化物濃度對降解率的影響

隨著硫化物濃度的升高,混合菌對原油的降解率降低,降解效果變差。當硫化物質量濃度達到200 mg/L左右時,對微生物的生長以及原油降解效果抑制顯著。因此混合菌TG-1對硫化物的耐受范圍是0～150 mg/L。

2.3 混合菌TG-1連續處理采出水的效果

圖5為混合菌TG-1在生物接觸氧化裝置中對連續流采出水的處理結果。整個裝置運行期間,pH值保持在7～8,裝置內溶解氧質量濃度為4～5 mg/L,溫度保持在30 ℃左右。水力停留時間(HRT)設定為12 h,并逐漸縮短至4 h。隨著進水原油質量濃度從10,20 mg/L一直提升到50和100 mg/L,出水原油濃度一直保持在15 mg/L以下,出水水質滿足克拉瑪依油田注水水質標準A2。

圖5 混合菌TG-1連續處理采出水原油濃度的變化

3 結論

(1)從克拉瑪依油田石西聯合站的采出水和含油污泥以及克拉瑪依油田采油二廠水處理站的活性污泥中富集篩選出4株單菌,分別為不動桿菌(Acinetobacter)、副蕈狀芽胞桿菌 (Bacillusparamycoides)、芽孢桿菌(Bacillussp.)、腸桿菌(Enterobactersp.)。將4株篩選出的單菌按照1∶1∶1∶1的體積比例進行復配,得到混合菌株TG-1,對500 mg/L原油的降解率達到90.52%。

(2)通過實驗發現混合菌TG-1降解原油的最佳培養時間為48 h,最佳氮磷質量比為10∶1,最適礦化度范圍在30 g/L以下,最高耐受硫化物質量濃度可達150 mg/L,原油質量濃度不高于500 mg/L去除效果最好。

(3)混合菌TG-1在生物接觸氧化裝置中對連續流采出水中原油的處理效果滿足克拉瑪依油田注水水質標準A2。