微生物堆肥技术修复含油污泥的试验研究

汪洋 胡敏 张奕婷 武燕

摘 要：利用自然堆肥和2种强化堆肥技术对大庆油田含油污泥进行生物修复處理，比较不同堆肥方式中各理化参数和总石油烃降解的变化趋势，建立最佳的堆肥体系，结果表明，3种堆肥方式均呈现有机碳含量下降而总氮含量上升趋势，2种强化堆肥可延长堆肥高温时间，堆肥结束后石油烃降解率显著高于自然堆肥，其中表面活性剂强化堆肥是最佳的处理方式，对含油污泥降解率高达88%，降解半衰期为14d。

关键词：堆肥；含油污泥；降解率

中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2018）09-0081-04

Remediation of Oily Sludge by Compost Technology

Wang Yang et al.

（Daqing Normal University，Daqing 163712，China）

Abstract：The bioremediation of oily sludge in Daqing oilfield was treated by natural compost and two Enhanced Composting Techniques.To compare the change of the physical and chemical paramnters and degradation of total petroleum hydrocarbons（TPHs） and establish optimal composting system.The results show that in the three composting methods，the content of organic carbon decreased and the total nitrogen content increased.The strengthened composting can prolong the high temperature time of composting and petroleum hydrocarbon degradation rate is significantly higher than that of natural compost.The surfactants compost is the best way to compost，the degradation rate of oily sludge is as high as 88%，and the half-life of the degradation is 14d.

Key words：Composting；Oily sludge；Degradation rate

含油污泥通常状况下含有多种物质的乳化体系，其构成主要包括石油烃类、胶质、沥青质、泥砂、絮状体和其他有机物，其石油含量明显高于石油污染土壤。因为油泥的处理和修复难度很大，因此绝大多数油泥污染区寸草不生，这给油田生态安全及其周围的生态系统平衡都带来了很大威胁。

目前国家以及行业在处理油田开采废弃物方面缺少明确的政策法规，因此，国内绝大多数油田在原油开采以及炼制过程中产生的油泥，一般情况下随意堆放在油田联合站厂区内。常见的油泥处理方法主要包括油泥调剖法，溶剂萃取法和高温焦化法。但这几种方法具有耗能大、处理成本高、处理不彻底和容易导致二次环境污染等缺点，因此，利用生物修复技术来处理油泥逐渐成为行业内的研究热点。此技术处理范围广，在有毒害物质的降解过程中，更趋于无害化且可实现资源高效利用，尤其是其中的生物堆肥技术，特点是在处理有机废物后得到的衍生物可作为营养价值较高的有机肥料。因此，无论是从环保角度还是从经济角度，生物堆肥法在处理废弃物方面越来越受业内人士青睐。在生物堆肥修复石油污泥研究中，可通过投加外源复合菌和生物表面活性剂来提高石油降解效果，提高污染物在油泥中的生物可利用性，且具有无毒、自然降解和无二次污染等优点，引起了业内专家学者的高度重视。

本研究利用堆肥方式修复大庆采油区含油污泥，并以投加耐高温复合菌群和鼠李糖脂表面活性剂作为强化堆肥手段，比较自然堆肥和2种强化堆肥过程中温度、C含量、N含量以及含油污泥总石油烃降解的变化规律，建立最优的含油污泥堆肥体系，为今后油田含油污泥的有效处理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料 本次实验所用污泥均来源于大庆油田某联合站，自然环境下将其风干，粉碎机将风干后的污泥粉碎为一定粒径大小。油泥理化性质详见表1。

其中的耐高温复合菌群主要包含了以下几种：含地衣芽孢杆菌、假单孢杆菌、红球菌、耐热芽孢杆菌、假黄单胞菌、螯台球菌和赖氨酸芽孢杆菌的复合菌群。

鼠李糖脂表面活性剂：鼠李糖脂表面活性剂（90%含量），湖州紫金生物科技生产。

复合菌群的制备：实验前期先将油泥和牛粪、秸秆混合堆肥，当堆体连续3d达到55℃高温时，取堆肥样品筛选耐高温石油烃降解复合菌群，将筛选所得复合菌群以5%的体积比放入500mL的LB培养基中，在50℃和转速160r/min摇床上振荡培养，每隔12h取样1次并统计活菌数量，直至活菌数达到109CFU/g时停止取样，此时的培养基内菌群可作为生物堆肥实验之用。

1.2 处理方法 堆肥初调整牛粪、污泥以及秸秆3种物质的质量配比，使堆体总质量约为125kg，物质C/N比为30∶1。为了能够准确掌握生物堆肥方法在处理含油污泥方面的效果，试验设置1个对照组即自然堆肥，将其记为堆体1，设置2个试验组，即鼠李糖脂表面活性剂强化堆肥，记为堆体2，复合菌群强化堆肥，记为堆体3。在堆体2制作过程中，先将膏状鼠李糖脂放入一定量水中使之充分溶解，再将其掺入堆肥样中，搅拌使鼠李糖脂在堆肥介质中呈均匀分布状态，最后调节堆体含水量为65%，此时鼠李糖脂与堆肥样两者质量比约1000∶1。在堆体3制作过程中，先将混合均匀的堆肥材料含水率调节至65%左右，然后将活化后的复合微生物菌群以质量比1%的量喷洒在堆体上并混匀堆置。3个堆体均为底面半径为1.2m的椎体，及时用pvc膜覆盖堆体避免其温度与水分的流失，并于堆体上中下位置分别插入温度计，每天2次记录温度变化。各堆体的翻堆周期均为12d，每7d利用“5点采样法”在各堆体不同位置采集样品，混合均匀后保存备用。

1.3 参数测定 温度：每日测定温度时间分别在9：00和15：00，将读取的堆体上、中、下3层温度进行累加求均值处理，将其作为堆体当天温度记录。

pH值：将粉碎机处理后的油泥样品用1mm筛孔过筛，样品置于烧杯中，加蒸馏水使之固液比为1：2.5，充分搅拌混合物60s，静置2min后pH计测量混合溶液上清液的酸碱度。

含水率：用分析天平称重装有新鲜土样的铝盒，然后打开盒盖，在烘箱中105±2℃烤12h，取出盖好盒盖，充分干燥冷却至室温后再称重，做3份平行。

含水率（%）=（M1-M2）/（M1-M0）×100

式中：M0—烘干空铝盒质量（g）；M1—烘干前铝盒及土样质量（g）；M2—烘干后铝盒及土样质量（g）。

有机质：油泥样中有机碳的含量采用重铬酸钾外加热法[1]测定；全氮：半微量凯氏定氮法[2]；石油烃（TPH）：超声-索氏提取重量法[3]。

2 结果与分析

2.1 温度 由图1可知，自然堆肥和2种强化堆肥温度均上升较快，堆肥第3天3个堆体温度都达到55℃，而且连续6d所测得的堆体温度均超过50℃，符合堆肥产品“无害化”标准。其中表面活性剂强化堆肥的堆体2最高温度可达58℃，高温持续时间共11d，复合菌强化堆肥的堆体3温度上升最快，所测最高温度已经超过60℃，高温期最长可以维持13d。而堆体1温度超过50℃的时间仅为7d。各堆体温度的不同证明复合菌群可使堆体微生物种类以及数量均发生变化，加速堆体内各种生物、化学反应使得堆体的温度能够在短时间内急速上升、并使堆体长时间处于高温状态，从而有效促进有机物的分解。在堆体2中，由于鼠李糖脂表面活性剂有利于堆肥介质和有机物两者之间的亲和，且具有较好的保湿作用，为堆体内众多微生物的生存代谢提供了较好条件，一定程度上也加剧了有机污染物的降解。

2.2 含水率 从图2可知，3个堆体初期含水率均在68%左右，前10d由于微生物的代谢活动，各堆体的水分都被大量的消耗，其中堆3含水率下降得最多，堆肥反应进行到第15d，堆1含水率与最开始相比总共减少了11.3%，堆2总共减少了10.1%，堆3总共减少了15.2%，当堆体温度下降时，其中的有机质分解速度也逐渐下降，与此同时其含水率的减少速度也逐渐变缓。当堆肥进入腐熟阶段后，各堆体中的分解反应已经非常缓慢，各个堆体的最终含水率均大于45%。

2.3 pH 从图3可知，3个堆体的pH值变化趋势均为先降低再迅速升高，最后又缓慢下降。但在整个堆肥过程中各个堆体的pH值都维持在7.5～9.0范围内。在堆肥前5d，堆体pH发生明显的降低主要是因为该时间段内微生物的新陈代谢产生了较多酸性代谢产物，从6d开始，随着堆体温度的升高，酸性代谢物不断被挥发，微生物分解含氮有机物产生的氨气使得堆体pH逐渐升高。到15d，堆体的pH上升到峰值，此后随着堆体温度的降低，生物群落的代谢活动逐渐减弱，堆肥的酸性物质积累使得pH再次回落。从整体来看，堆3的pH变化比较明显，证明鼠李糖脂强化堆肥不会影响堆体pH发生大幅度变化。

2.4 有机碳 由图4可知，3个堆体的有机碳在整个试验阶段一直都在不断减少。截止第10d，3个堆体中有机碳含量与初始阶段相比分别降低了8%、15.1%和11.2%，其根本原因在于微生物的代谢活动需要多种有机物。随着代谢活动的不断进行，堆体中大量的小分子有机物先被分解而使有机碳含量下降，随着微生物反应的进行，堆体中剩下的大分子有机物难以被利用而使有机碳的降解速率逐渐下降最终趋于稳定。2种强化堆肥的堆2和堆3有机碳下降速度均比自然堆肥的堆1要快，这种现象表明，复合菌群以及表面活性剂的加入对于有机物的降解更加有效。

2.5 全氮含量 由图5可知，自然堆肥的堆1和复合菌强化堆肥的堆2在整个堆肥过程中的氮含量随着时间的增加而不断上升，而表面活性剂强化堆肥的堆2则是先降低再增加。3个堆体中的全氮含量总体来看均处于增加趋势，究其原因主要在于有機质的2个主要分解产物CO2和H2O随着反应的进行而不断流失，而物质总量减少速度远超过由于氨气的挥发导致的氮含量减少速度[5]。但堆2中氮含量在前5d发生明显减少，是因为微生物的新陈代谢消耗大量氮源，且微生物活动引起的堆体温度升高也促进了NH3快速逸出。堆体3在整个试验阶段的全氮含量增加最为显著，这直接表明菌群促进了堆体内物质的分解。

2.6 石油烃降解率、生物反应动力学分析 由图6可知，3个堆体中的石油烃降解速度以及变化趋势均不相同。强化堆肥的2个堆体在高温和降温2个时期的石油烃降解程度均比堆1要高，复合菌强化堆肥的堆3在高温期TPH下降速度十分明显，截止第12d，TPH降解将近34.5%。表面活性剂强化堆肥的堆2在降温期TPH降解显著，此阶段降解率增加了33.21%。自然堆肥的堆1在腐熟期TPH降解速度增加，此阶段降解率共增加了30.6%。当进入稳定期后，3个堆体的降解速率都趋于平缓，这充分表明整个降解过程已经基本完成，此时堆体中的烃类物质主要以难发生降解反应的种类为主。截止堆肥结束，3个堆体的TPH降解率依次为69%、88%、80%。

堆肥过程中石油降解过程涉及的反应动力学：将3个堆体不同采样时间所测得的TPH含量利用软件进行对数转换，通过origin8.0软件制作各个堆体的动力学曲线，通过拟合发现几个堆体TPH降解过程能够满足一级反应动力学方程要求。其生物反应动力学方程式、降解速率常数以及半衰期见下表3。用速率常数来表示物质的降解速度，由石油半衰期公式t1/2=㏑2/k可知3个堆体在TPH降解过程中的半衰期依次为23d、14d、18d。

3 讨论

根据上述试验可知，强化堆肥在处理降解含油污泥中的石油烃过程中比自然堆肥效果更加明显。但不同堆肥方式降解效果的提高是由不同的堆肥机制引起的，复合菌群的代谢产物及酶底物可与堆体众多微生物菌群互为利用，优势互补，从而提高对石油烃的利用率，同时复合菌群可能产生的生物表面活性剂也在一定的介质内改善了微环境，这能够促进堆料中的原始菌群对TPH的处理效率。

由于不同堆体中菌群的数量以及组成结构各不相同，因此对TPH的降解高效期也互不一样。自然堆肥进入腐熟阶段对TPH的降解速度最大（30.6%），而表面活性剂强化堆肥最大降解速度发生在降温阶段（33.21%），复合菌群强化堆肥最大降解速度则发生在高温阶段（34.5%），但当堆肥30d以后，3个堆体对于TPH的降解速度都逐渐下降最终归于平缓。

参考文献

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（责编：王慧晴）