含油污泥堆肥处理的研究

车晓军，屈撑囤，郭敏俊

(西安石油大学陕西省油气田环境污染控制与储层保护重点实验室，陕西　西安　710065)



含油污泥堆肥处理的研究

车晓军，屈撑囤，郭敏俊

(西安石油大学陕西省油气田环境污染控制与储层保护重点实验室，陕西西安710065)

含油污泥是石油化工行业的主要污染物之一，由于其产出量大，成分复杂，处理难度大，排放不当很容易对环境及人类造成严重危害。因此，实现含油污泥的无害化及资源化处理一直被国内外所研究。本文简述了近几年对含油污泥的几种非生物处理方法及其优缺点，并介绍了生物法中堆肥法对含油污泥的处理，包括好氧堆肥原理，影响因素，技术现状等，为后续堆肥法处理含油污泥的开展提供了重要依据。

含油污泥；堆肥；微生物菌种；营养剂；降解率

近几年，世界对石油和矿产的需求也在不断地增加，进而会在开采，炼制及运输等过程中产生大量的石油污染物，其中包括成分复杂，产出量大，危害较严重的固体废弃物——含油污泥，也叫作石油生产的“伴生品”。目前，在原油脱水过程中，在脱水罐、储油罐等底部会产生大量含油污泥。同时，在油田、炼油厂的污水处理场(如隔油池底、浮选池、曝气池等)也存在着大量含油污泥。一个日处理20000 m3污水的处理厂每日约产生 20 m3含油污泥[1]。

含油污泥是一种成份极其复杂的稳定的悬浮乳状液体系。它的组成包括大量的老化原油、固体悬浮物、细菌和腐蚀产物等；在生产过程中添加的处理剂如缓蚀剂等也留在含油污泥中[2],同时还含有一些金属盐类和苯系物等有毒物质。若这些有害成份不加以妥善处理，直接排放，对环境及人人类都会造成严重威胁。但含油污泥中还含有大量的石油类物质，营养元素，多种菌类物质，具有非常高的利用价值，因此，对含油污泥的无害化处理处理以及资源化利用是当前石油行业和环境保护的核心问题。

1　国内外含油污泥的处理技术现状

由于不同作业所产生含油污泥的性质有所不同，还没有一种工艺适合所有油田的含油污泥。国内外常采用的处理技术包括：焚烧法、溶剂萃取法、调制-机械分离法以及生物法等。各个处理技术优缺点比较见表1。

通过上述物理化学法和生物法的技术优缺点比较发现，生物处理法具有节约能源、投资少、运行费用低等优点，能较好的实现对含油污泥的固液分离及原油的去除。生物法处理工艺主要有：地耕法、堆肥法、生物反应器等，本文主要介绍堆肥法处理含油污泥。

表1　处理技术原理及优缺点对比

2　堆肥法处理含油污泥

堆肥法是将含油废物与适当的材料相混合成堆放置, 利用天然微生物的自然发酵[4]来降解石油烃类，从而达到净化含油污泥的作用。根据处理过程中起作用的微生物对氧气的不同要求，可将堆肥分为好氧堆肥和厌氧堆肥两种，本文就好氧堆肥进行研究。

好氧堆肥是在有氧的条件下，好氧细菌群对含油污泥中石油类物质等有机营养物质进行吸收、氧化、分解。微生物将含油污泥中部分被吸收的有机物经过一系列的新陈代谢活动转化为简单的无机物，在这一过程中所释放的热量可为微生物进行自身的生命活动所利用，油泥处理效果进一步得到提高。另一部分有机物则被合成新的细胞质，使微生物不断生长繁殖，产生出更多的生物体的过程。

3　适合堆肥处理的含油污泥的基本特性

由于堆肥过程中微生物的自身生命活动直接影响着堆肥产品的质量以及堆肥腐熟所需的时间，所以，能较好的促进堆肥期间微生物菌群的活性所具备的条件及性质即适合堆肥处理的含油污泥的基本特性。在堆肥过程中重要的影响因素有：温度、湿度、pH、有机物含量等[5-6]。

(1)温度

对于堆肥而言，温度是堆肥得以进行的重要因素。微生物对石油烃类的降解可在很大的温度范围内发生，因而降解石油烃类的微生物在0～70 ℃的环境中均可发现。大多数微生物在常温下较易降解石油烃类，Atlas研究发现在20 ℃时石油烃微生物的降解速率比10 ℃高[7]。降解时间会因温度较低而延长，进而微生物降解率降低，且在低温下，某些对微生物产生毒害的部分低分子量石油烃类物质很难挥发，降低酶活性，从而在一定程度上抑制了石油烃类的降解，同时石油烃的粘度在低温下也会受到影响，所以低温下石油烃类较难降解。

考虑到微生物的酶活、石油类物质的溶解度和挥发特性等因素也会影响降解效果，一般认为石油类物质适宜的降解温度为15～30 ℃。

(2)湿度

水在微生物的生命活动中扮演者至关重要的角色。营养物质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谢利用，毋庸置疑，作为影响着堆肥微生物活动的重要因素，含水率在堆肥过程中也扮演着重要的角色，左右着堆肥反应进行。

污泥中的水分主要作用在：(1)污泥中存在大量的营养物质可以被水溶解，供给微生物代谢活动；(2)调节堆肥反应堆堆体的温度。可以说堆体反应堆中的含水率的大小除了起着保证微生物代谢所需要的水分的作用，还在一定程度上左右着反应的进行。研究表明好氧堆肥的初始含水率应当控制在40%～60%之间[8]。含水率过高，势必会影响堆料中氧气的供给，另一方面，为了保证供给氧气，过高含水率的堆体会使得通风强度增加，这会使得堆肥反应产生的热量散发严重，也不利于堆肥反应的进行；同时，堆体的含水率过低，会使得可溶于水的有机物质含量变少，微生物的代谢繁殖会被低浓度的营养物质的所限制，另外微生物缺少维持生命活动所需的水也会对堆肥反应的进行造成不利的影响。

(3)pH值

pH 值对于微生物的生长也是一个至关重要的因素，一般中性或弱碱性是微生物生长最适宜的pH环境， 过大或过小都会对微生物代谢活动产生影响。在堆肥过程中，pH值随着时间和温度的变化而变化。在堆肥初期，由于微生物代谢所产生的酸性物质，pH 值会下降(可降至 5.0)，然后上升至 8～8.5 左右，此外，堆体的酸碱环境也会影响氮素的流失，pH 值小于 7 时，氮以氨气的形式进入大气中，对堆肥产物的肥效造成一定的影响。因此，在堆肥工艺设计中，一般确定污泥和调理剂混合物的酸碱值应在6～9之间最佳。

(4)有机物含量

有机物含量也是影响堆肥效果的一项重要因素。在污泥的堆肥过程中，有机物的含量在20%～80%较合适，有机物含量过低，微生物不能得到足够的碳源作为底物进行代谢活动，产生的少许热量不足以提高堆体的温度，既不利于堆体的无害化处理，温度也不能满足高温分解微生物的繁殖，导致堆肥失败。有机物含量过高，污泥在堆肥过程中需要的氧气量增大，极易缺氧，导致堆体达不到好氧状态而发生恶臭，也会造成堆肥化失败。

4　含油污泥堆肥处理的技术进展

4.1微生物强化处理技术

(1)添加微生物菌剂

在污泥的堆肥过程中，微生物推动和维持着堆体反应等一系列活动，在堆肥反应中扮演着至关重要的角色。从微生物作用的角度来看，堆肥过程就是堆肥微生物进行生命活动的过程[9]。所以对微生物的强化处理将会加强石油烃的降解，使堆肥得以顺利进行。

由于在堆肥过程中，本土微生物不能有效的降解石油烃，达不到堆肥效果，因此，向堆体中添加外源微生物便成为高效降解石油烃的新思路，而在进行微生物强化处理的过程中,高效石油降解菌对底物环境的适应性及其对石油的分解特性都会影响最终的处理效率,因此,微生物菌剂的筛选和驯化十分重要。Muthuswamy 等[10]对芽孢杆菌(Bacillussp)IOS1-7、棒杆菌(Corynebacteriumsp.)BPS2-6、假单胞菌(Pseudomonas sp)HPS2-5、假单胞菌(Pseudomonas sp.)BPS1-8等菌株对石油烃的降解效果做了一系列研究，结果显示石油烃的降解率均达85%。徐金兰等[11]从陕北石油污染土壤中富集分离优选出7株菌株，通过实验比较筛选出高效石油降解菌黄杆菌属和邻单胞菌属，高效菌株均可在较短的时间内达到去除石油烃效果，去除率可达88.4%和73.4%，可作为堆肥微生物的最佳选择。

然而，由于石油成分非常复杂，没有任何一种微生物能降解石油中的所有成分，因此，目前在堆肥处理含油污泥上趋于利用降解不同组分的多种微生物组合制成的混合菌剂，宋绍富等[12]在进行微生物堆制处理中，通过接种外源菌YC-1和YC-3，以及以YC-1:YC-3为1:1制成的混合菌剂YC-13来降解石油污染物，实验结果发现，混合菌YC-13的除油率大大超过了单菌株，表明混合菌在降解含油污泥中的烃类化合物时，各个单菌株之间表现出一定的协同作用促进效应，但在培养初期，混合菌需要一段适应时间，而随着培养时间的增加，单菌株相互促进，对含油污泥中油的利用效率增加，除油率便会显著增加。

(2)添加营养剂

在含油污泥的堆肥处理过程中，有机物质的降解是微生物活动的结果，而微生物活动又受营养物质丰缺的制约，有效营养丰富，微生物繁殖速度就快，反之则慢。为了使参与有机物分解的堆肥微生物有营养处于平衡状态，大量研究表明C:N:P的质量比例接近21:1:0.5时对石油类物质的降解比较适合[13]。欧阳威等[14]在进行微生物强化处理技术和普通强化堆肥处理含油污泥的对比试验中，向两个处理单元中都加入了营养液，在微生物强化处理单元中喷洒菌剂和溶有尿素和KH2PH4的营养液，堆制强化处理单元中以腐熟农家肥作为营养剂进行堆肥实验，都是为了使石油烃的降解菌处于最佳的营养平衡状态。余冬梅等[15]以某油田联合站含油污泥为研究对象，利用堆肥生物降解法进行处理。在含油污泥中添加草和有机肥，处理 115 d 后，含油污泥中的石油烃含量从原来的(123±1) g/kg 降低到(71.7±0.7) g/kg，且生物毒性有所降低，EC50从原来的(1.77±0.28) mg/mL 提高至(2.76±0.38) mg/mL。稻草和干猪粪，可以改良油泥 C/N/P 比例，强化处理能力。

以上研究实验表明，目前，在堆肥处理含油污泥中，可通过接种高效降解菌剂、优势单菌混合培养而成的混合菌剂以及添加营养剂来达到堆肥微生物的强化，提高石油烃的降解率，优化堆肥效果。

4.2堆体单元强化技术

上文提到，在含油污泥的堆肥过程中，堆体的含水率、pH值、孔隙度等因素都影响着石油烃的降解率，决定着堆肥的成败。为了使堆肥原料一直处于最佳状态，向堆体中添加特定的调节剂，可改善微生物的降解环境，提高石油烃的去除率。

当堆肥原料的含水率低于所需的正常值时，一般直接加水或添加含水率较高的粪稀等，而当堆肥底物的水分过高，颗粒较细时会引起通气性变差，可采用以下几种方法调节：①可回流堆过肥的干物料，以调节起始混合物的水分含量；②可把干的调理剂如锯末或碾碎的垃圾、秸秆等加入高湿度的原料中(如污泥和鸡粪)；③可把膨胀剂如木屑和秸秆等加进高湿度的原料中，以维持堆垛结构的完整性和多孔性[16]，便于空气流通。调理剂的使用量一般不超过油泥的10%。叶小梅[17]认为木屑的石油生物降解速率最好, 蛭石次之, 稻草再次之；其施用量为 6%，在室温下培养 120 d, 石油烃去除率近 70%。但是，含有有机物质的调理剂会影响土壤酶的活性，可能激发微生物的活性，也有可能抑制生物降解，宋绍富等人在研究不同的调理剂对堆肥微生物的影响，结果就发现YC-1菌采用土作为调理剂时除油率为40.01%，优于土+荞麦皮的19.05%，而YC-3采用土+荞麦皮作为调理剂时的除油率为32.55%，优于土的25.38%，说明相同的调理剂对不同的菌株会起到不同的作用。

5　结　语

含油污泥成分复杂，处理难度大，是油田、石化等领域里最为突出的环境问题，生物处理含油污泥具有成本低，操作简单，无二次污染等优点，在许多发达国家都得到了很好的应用，是实现污泥无害化和资源化的主要研究和发展方向。

在我国，含油污泥的堆肥处理在工程上还没有得到广泛应用，尚处于起步阶段。尤其在整个工艺设计、高效石油降解菌的筛选、培养和发酵条件的控制上还存在困难，另外，对于含油率较高的污泥堆肥处理效果还不太好，同时，不同工艺所产出的含油污泥成分及油含量差异也会导致堆肥处理工艺及反应条件的要求不同。今后的工作可从以下几个方面开展：①石油降解菌对不同成分的石油烃的降解机理做以基础研究；②深入研究在堆肥过程中，影响石油降解率的各个因素，包括菌剂种类、加量、发酵时间等;③生物质类堆肥添加剂对微生物菌种降解原油的影响。另外，研究与开发成本低、效果佳的堆肥工艺，加速含油污泥的无害化处理和资源化利用。

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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

车晓军(1991-)，女，在读研究生，陕西渭南人，2014年毕业于宝鸡文理学院应用化学专业，现在西安石油大学攻读硕士，研究方向：应用化学。

屈撑囤(1964-)，男，教授，博士学位，研究方向:油气田环境保护。

X705

A

1001-9677(2016)012-0035-04