废弃钻井液微生物无害化处理技术研究进展*

孙露露（大庆油田钻探工程公司钻井工程技术研究院）

废弃钻井液产量大、危害强、治理难，是钻井工业污染防治的重点，在能源与环境危机的双重压力下，迫切需要寻求安全有效的方法实现废弃钻井泥浆的的无害化处理和资源化利用，以促进废弃泥浆处置向“无害化、资源化、标准化、产业化”方向发展。

1 现状

目前微生物处理法以其经济、高效、无二次污染等优点，广受国内外学者的重视，是废弃钻井泥浆处理技术研究的热点之一。利用现代微生物工程技术，针对废弃泥浆中的有害成分（烃类、重金属离子、聚合物和钻屑等其他毒害成分），从中选育具有高效降解转化能力的降解菌，在适宜的环境条件下，通过微生物在废弃泥浆中的代谢作用对泥浆中的烃类物质进行降解、与重金属相互作用降低有效含量，同时利用嗜盐微生物在高盐环境下的突出代谢能力，使其脱毒、脱胶、脱盐碱、脱水，从而使废弃泥浆对生态环境造成的污染得以有效治理，达到无害化处置的目的。

调研统计结果表明，在地球环境中，可降解简单石油烃类污染物的微生物几乎无处不在，但能够降解复杂有机物（如沥青类）的微生物种类却寥寥无几，即钻井液成分越复杂，越难被生物降解。目前国内外对微生物处理废弃钻井液多集中在菌种的选择以及效果测试方面的研究。通常采用测定石油含量、重金属离子含量和化学需氧量（COD）等指标来评价微生物对废弃钻井泥浆的降解效果。

2 微生物对废弃泥浆中重金属的处理

重金属是指比重大于5，原子量在63.5～200.6之间的元素。钻井泥浆中含有大量的重金属元素（Cu、Zn、Hg、Cd等），与石油类和其他有机物污染不同，重金属是不可生物降解的，微生物在重金属污染中的作用主要体现在3个方面：微生物吸附、微生物转化与微生物溶解。

2.1 微生物吸附

微生物吸附重金属离子主要是金属阳离子与表面带负电荷基团的微生物之间通过螯合、共价吸附及离子交换等作用，结合成重金属分子聚集在微生物内部或表面，从而达到对金属离子吸附的目的。

马永松[1]从长宁-威远页岩气井场中筛选出柠檬酸杆菌属（Citrobactersp），该菌株对Ni2+的耐受性可达300 mg/L，对Ni2+的去除率和吸附率分别达到了56.64%和52.16%，同时对总石油烃（TPH）的降解率达到35.65%，该菌种最适生长温度为30℃，最适生长pH为7～9。何环宇[2]从钻井废水和井场周边污泥中筛选得到的气单胞菌，该菌株对Cu2+的耐受阈值为200 mg/L，最优吸附条件为：温度30℃、pH为4、菌体投加量为20 g/L，吸附90 min时吸附率为86.25%。张晓倩[3]从泥水样品中筛选出能够高效去除重金属Cu的沼泽红假单胞菌GH32，该菌株24 h内对Cu2+的去除率在99%以上。

2.2 微生物转化

微生物转化作用主要包括氧化还原或配位络合等方式，改变重金属离子的价态、赋予形态、生物有效性及溶解性等，将其转化为低毒态或无毒态，从而降低重金属的毒性。已有研究表明，微生物可通过对砷氧化/甲基化、汞还原/甲基化和镉转运的方式来减小其对环境的毒害作用。曾远[4]研究发现具有Pb耐受性的特异性菌株节杆菌属（Arthrobactersp），其对Pb的耐受浓度在200～600μg/g，该菌株可将矿物铅从小分子有机结合态Pb(Ac)2·3H2O转化为大分子有机结合态如(C17H35COO)2Pb或C32H66PbS2形式。

2.3 微生物溶解

微生物溶解是指微生物在生长代谢过程中分泌出有机酸，这些有机酸可与重金属发生反应，从而促进重金属的溶解，提高其生物有效性。高雅雄[5]通过比较45种真菌发酵液，发现ZJJ15真菌对溶解重金属具有广谱性，对Cu、Pb、Zn的浸出率分别为11.9%、7.1%和28.5%。吴岭[6]成功分离出抗镉内生菌WJ-3，为芽孢杆菌属，对重金属镉有一定的耐受性，为80 mg/L，对难溶性碳酸镉具有一定的溶解能力，培养液中镉离子的浓度由0.029μg/L提高到了4.978μg/L，提高了170.6%，能使镉碳酸盐结合态（CB）和铁锰氧化态（FeMn-Ox）向镉可交换态（EX）转换。周雪芳[7]通过研究筛选出具有镉活化功能的根际促生溶磷菌（阴沟肠杆菌、不动杆菌、大肠埃希氏菌、荧光假单胞菌、克雷伯氏菌），进行CdCO3的活化实验，溶镉量在27.65～38.23 mg/L，溶镉率在70.89%～98.02%。其中，荧光假单胞菌溶镉能力较强，主要依靠葡萄糖酸的贡献，胞外分泌物中葡萄糖酸浓度为75.3 mg/L，溶解的Cd含量占总溶镉量的42.4%。

3 微生物对废弃泥浆中石油类的降解

石油中的烃类组分是钻井泥浆的主要污染物，主要包括烷烃、环烷烃、芳香烃和少量的非烃类化合物，由于各组分的相对分子质量和化学结构不同，致使其生物降解性也存在较大差异。通常情况下，相对分子质量越大，支链越多，生物降解难度越大。

陈立荣[8]利用微生物对水基钻井固废进行了处理试验，不使用其它化学添加剂，即可将固废中的有机物转变成土壤腐殖质组分，泥渣中的COD、石油类污染物的降解率达90%以上，且栽种植物中没有重金属转移的现象。申圆圆[9]通过分离筛选得到4株以原油为惟一碳源的高效石油烃降解菌（动性杆菌、藤黄微球菌、蜡状芽孢杆菌和短小芽孢杆菌），在石油烃初始浓度为2 000 mg/kg条件下，40天后石油烃浓度为1 662 mg/kg，降解率为16.9%。万书宇[10]通过添加0.5%左右的微生物降解菌处理钻井固废，3个月后钻井固废中主要有害重金属的含量满足GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》，处理后浸出液中pH值、COD、石油类满足GB8978—1996《污水综合排放标准》一级标准。侯博[11]从苏格里气田废弃钻井液附近筛选出SL-1细菌，将微生物和固化处理技术相结合，菌体投加量为0.6 mL/L，处理后的废弃钻井液的CODCr含量降低到100 mg/L以下，石油类含量也降低到7.4 mg/L。可降解石油类污染物的部分微生物见图1。

图1 可降解石油类污染物的部分微生物

4 微生物在高盐环境下对废弃泥浆的治理

采用微生物治理废弃盐水钻井液时，由于盐浓度较高，可对传统微生物的生理特性及生命活动产生很大影响，如破坏细胞膜、致使酶变性、降低氧的溶解度等，导致微生物生长代谢能力减弱，降解效果下降，无法发挥降解作用。科研人员通过筛选培育发现一类可生长于高盐环境的微生物，具有特殊的细胞结构、基因类型和生理机制，可在盐浓度较高的环境中正常代谢，即嗜盐微生物。因此，可将该类微生物用于废弃盐水钻井液的治理，具有广阔的应用前景。高盐环境下可降解石油类污染物的微生物见图2。

图2 高盐环境下可降解石油类污染物的微生物

5 微生物菌群治理废弃泥浆

由于钻井液成分极其复杂，每种降解菌有其各自的降解对象及降解范围，单菌株对所有污染物均可降解的情况少之又少，因此，多种微生物协同作用可在一定程度上提高对目标污染物的降解效果，提高降解效率。

高小龙[12]从含油量超过12 g/kg、芳烃-胶质沥青含量超过80%、含盐量超过8 g/kg的钻井废弃泥浆中富集得到1个活性微生物菌群，菌种包括假单胞菌属（Pseudomonas）、根瘤菌属（Rhizobium）、红细菌属（Rhodobacter）和嗜碱还原硫素杆菌（Dethiobacteralk aliphilus），处理钻井废弃泥浆5天后，含油率由12 403 mg/kg降至42 mg/kg，综合脱油效率99.67%，石油烃降解率68.9%。吴秉奇[13]以原油为唯一碳源，优选得到3株石油降解菌，对石油的降解率为34.5%～52.2%，经复配构建得到复合菌群SQ1，菌群在30℃、pH为7.6、石油浓度20 g/L条件下，11天内对石油的去除率提高至73.5%，对石油总烷烃的去除率为91.7%，对较难降解的C21～C35烷烃组分的降解率接近100%。朱淑芳[14]从含油污泥中分离筛选得到9株降解菌，对原油的降解率最高为48.73%，经正交复配后组成的菌群对原油的降解效果优于单个菌株，降解率达57.88%。何焕杰[15]结合破乳、油-水-固三相分离和微生物降解技术，对废弃油基钻屑进行处理，油相回收率大于85%，清洗后废渣总石油烃含量小于2%，再经生物深度处理30天后，废渣中总石油烃含量降至0.3%以下。

6 结语与展望

目前，利用微生物治理废弃钻井泥浆已经取得了一系列进展，但仍面临着诸多挑战与难题，如泥浆对微生物的抑制作用限制微生物的生长繁殖；相比于物理、化学方法，微生物治理周期相对较长；微生物本身的稳定性差，易受外界因素影响；微生物菌剂广谱性差、降解效果差等。从当前发展趋势来看，未来可从以下几个方面开展深入研究。

1）充分挖掘天然微生物资源，加强对井场周围微生物的筛选，同时应加强对极端微生物的挖掘与培养，在北方地区寒冷的冬季，低温条件下微生物的活性与繁殖能力受到较大影响，甚至休眠，极大影响降解效果，因此应着重筛选适应高盐、高pH、低温条件下有强效降解能力的微生物，丰富泥浆降解微生物资源数据库。

2）进一步研究微生物对废弃泥浆主要污染物的作用机理，明确环境条件、营养盐、固定材料等因素对微生物代谢效率的影响，提高微生物在泥浆中的活性与稳定性，以期为实际应用提供理论指导和技术支撑。

3）由于废弃钻井液成分及其复杂，需不断筛选和构建高效的微生物菌群，未来应继续深入探索混合菌种在降解过程中的相互促进或抑制作用，充分发挥优势菌株间的协同作用，提高治理效果。

4）联合多种技术，综合运用动植物治理技术、分子生物学、代谢学等现代化的科技手段与微生物技术相结合，提高微生物对环境的适应性，进而提高微生物对目标物的代谢能力。

5）加强现场工艺的研究，在保证治理效果的前提下优化施工流程，降低处理成本，尽快将研究成果应用到现场实践中，切实解决废弃泥浆的环境污染问题。