含油污泥微生物处置技术的研究现状及展望

张 龙，屈撑囤，史文政，李金灵，鱼 涛，杨 博

（1.西安石油大学化学化工学院，陕西 西安710065；2.西安石油大学陕西省油田环境污染控制技术与储层保护重点实验室，陕西 西安710065；3.天津市中海油招标代理有限公司，天津 滨海新区300452；4.石油石化污染物控制与处理国家重点实验室，北京102206）

在石油、天然气的生产和加工过程中，沉积于油罐罐底的罐底泥、污水池池底的活性污泥以及石油作业时形成的落地油泥等多种形态的含油混合物，被统称为含油污泥。含油污泥多为黑褐色黏稠状，含油率10%～50%，含水率＞50%，是典型的多相体系。含油污泥中含有残留油类、多氯联苯、多环芳烃、氮、磷、寄生虫等多种有毒有害物质，其中的多环芳烃、多氯联苯等会引起大气污染和水污染；未经处理而任意堆放的含油污泥会严重影响土壤的理化性质，导致人和动物的“三致效应”（致突变、致癌、致畸）[1]。

由于其复杂的成分及对环境的污染特性，含油污泥已被列入“国家危险废物名录”。2019 年，我国石油石化行业产生的含油污泥量在1200 万t 以上，对其进行“三化”（减量化、无害化、资源化）处理势在必行。在众多的利用处置方法中，生物法具有成本低且无二次污染的优点。近年来，随着微生物学、蛋白质生物化学、基因工程学及大数据的不断发展，微生物法受到广泛关注，从含油污泥中分离的微生物能更好地应对其中的不利因素，降解效率会显著提高。利用基因工程构建“高效降解菌”，结合计算机大数据建立“菌种信息库”，也将会为微生物法的发展带来新的可能。

1 含油污泥的利用与处置方法

目前现有的国内外处置利用含油污泥的方法多种多样。含油污泥利用处置方法的基本原理及优缺点如表1 所示。

表1 含油污泥利用与处置主要方法一览表[2-7]Table1 List of main treatment, utilization and disposal methods of oily sludge

单一的利用处置方法缺点明显，将利用法与处置法相结合的处理方法已逐渐应用于油气田含油污泥的“三化”过程。处置法解决了处理过程中残余污染物的问题，利用法则解决了前者难资源化的问题。处置方法中的焚烧法因能耗高及二次污染大，已逐步淘汰；填埋法和固化法对前期处理方法的处理效果依赖较大；生物法具有耗能小、无二次污染的优点，其中的微生物法更是以投入少、效果好的特点，得到快速发展。相较于其他利用处置法，微生物法在低含油污泥的处置方面更是能达到事半功倍的效果，而且处置的污泥回用后，还可以增加土壤腐殖质含量[8]。

2 微生物法处理含油污泥

生物法处理含油污泥是指利用动物、植物或微生物，将TPHs（Total Petroleum Hydrocarbons，总石油烃）降解为无毒无害物质的方法，主要包括植物法、动物法和微生物法等。利用高羊茅、苜蓿、大豆、圣奥古斯丁草和黑麦草等处理含油污泥时，TPHs降解率普遍偏低[9]。土壤中的线虫通过自身的生长繁殖，不但可以吸收降解TPHs 还可以增强土壤中相关酶的活性，但是土壤中的TPHs 含量过高，会导致线虫数量急剧减少[10-11]。植物法仅适合用于修复大面积的原油污染土壤，而且植物根系大多集中在土壤表层，无法降解深层的TPHs，生长出来的植株的安全性也有待进一步考察。同样的，土壤中的动物可利用的有机物种类和含量都十分有限，导致动物法的降解效率低下。自然界和被石油污染的环境中，有着种类繁多、能以TPHs 作为碳源和能源的微生物，将它们加以培养，可以快速、高效、彻底地降解TPHs。

微生物通过新陈代谢作用，将含油污泥中的TPHs 加以吸收、转化、分离，最终降解成CO2、H2O和其它无毒无害物质[12]。微生物自身可产生多种酶，再加上其超常的繁殖变异能力，使得其可用于环境污染治理的多个方面。目前微生物法主要有地耕法、堆肥法、生物强化法和生物泥浆法等。

2.1 地耕法

地耕法是指在露天环境中将含油污泥和土壤混合均匀后，平铺大约10cm 厚，TPHs 在土壤土著微生物的新陈代谢作用下，被降解为CO2、H2O 和其它无毒无害物质[13]。地耕法若配合外源菌剂使用，TPHs 去除率会大大增加，而且十二烷基硫酸钠（SDS）可促进TPHs 的生物降解，且只有在超临界浓度下加入，才有利于沥青质的降解[14]。地耕法在处理过程中若加入外源菌种（假单胞菌、白腐真菌等）和表面活性剂，可大大提高降解效率。处理过程中需调节污泥的温度、湿度、C/N/P 比值、pH 等条件，以优化TPHs 的降解环境。

2.2 堆肥法

堆肥法也称堆腐法，是将含油污泥与木屑、碎稻草、泥炭、树皮、草等填充剂混合堆置，通过微生物将TPHs 降解为简单无机物的过程。这一降解过程中释放的能量，可以促进微生物进行自身活动和生长繁殖。一般情况下，添加外援混合菌的处理效果比单菌的效果更好[15]。将Fenton 氧化法与氧化堆肥联用，则可降解难降解的芳香烃和沥青质，但氧化剂浓度对其去除率的影响较大[16]。堆肥法虽然可以充分利用生活废弃物，为微生物的生长提供依附地和调节体系温度和湿度，但其处理过程会产生大量恶臭性气体，造成大气污染，且其占地面积大，一般情况下只能处理少量含油污泥。

2.3 生物强化法

生物强化法[17]是指在处理含油污泥时，通过营养强化、外源菌强化等手段，强化微生物的降解作用。其中营养强化在微生物法的发展初期运用较多。近年来，向含油污泥中添加高效石油烃降解菌剂的外源菌强化法，得到快速发展，此方法可以快速降解含油污泥中难降解的脂肪烃和多环芳烃等[18]。投加的高效石油烃降解菌剂可来自原体系，也可以是外源菌种。菌剂中的菌种可以是单一的，也可以是混合菌，一般来说多菌种联合处理含油污泥的效果，比单一菌种的处理效果好。目前国内外使用生物强化法的大致现状如表2 所示。

表2 国内外使用生物强化法的大致现状[19-25]Table2 General situation of bioaugmentation in China and abroad

生物强化法是目前应用最为广泛的方法，且多与其他方法联用，其难点在于高效降解菌群的构建。处理温度在30℃左右，pH 在7 左右时，适合大部分菌种生存。外源表面活性剂可以降低油水界面的表面张力，促进TPHs 从土壤表面向水界面的扩散过程与乳化作用，从而提升降解菌群的降解效率。

2.4 生物泥浆法

生物泥浆法[26]将含油污泥与水、营养物及高效石油烃降解菌混合，降解菌将溶解在水相中的TPHs转化为CO2、H2O 和其它无害物质，从而实现污泥的稳定化。生物泥浆法对3 个苯环以下的低分子量PAHs（Polycyclic Aromatic Hydrocar-bons，多环芳烃）的降解效果较好[27]。将生物泥浆反应器和固态堆肥法联用，可以显著提高TPHs 的去除率[28]。生物泥浆法的处理效果较好，但只能处理少量含油污泥，其设备的研发、维修也提高了处理成本，故实际应用阻力大，只在少许中试中存在。

综上所述，微生物降解TPHs 的关键，是合适的降解菌群的构建，降解菌群的降解效率，与降解温度、pH、湿度、TPHs 的种类、外援添加物种类、接种量等，都有密切的关系[29]。一般情况下，自然界中能在含油污泥和油污土壤中生长的微生物，都对TPHs 有潜在的降解能力。近年来，微生物降解TPHs 朝着多方法联动的方向发展，但大多都以外源菌强化法为基础。

3 石油烃类污染物好氧降解机理的研究进展

自然环境中存在100 多个属、200 多种石油烃降解菌，包括细菌、放线菌、真菌、蓝细菌和藻类等[30]，其降解TPHs 的能力由易至难一般为：直链烷烃和支链烷烃＞低分子量芳香烃＞环烷烃和多环芳烃。

3.1 直链烷烃好氧降解机理的研究进展

目前，国际上认可的直链烷烃的降解机理主要包括单末端氧化、双末端氧化和次末端氧化等，但在不同的反应体系中，三者有着不同的主次作用。如一些假单胞菌或念珠菌主要通过双末端氧化产生胞外产物二羧基酸，而一些辅助氧化烷烃的芽孢杆菌或链霉菌主要通过次末端氧化使烷烃断链，许多霉菌则只可以通过次末端氧化降解烷烃[31]。

3.1.1 单末端氧化

直链烷烃在加氧酶、醇脱氢酶以及醛脱氢酶存在时，最末端的甲基会被氧化成脂肪酸，一部分脂肪酸进入β-氧化循环和三羧酸（TAC）循环，被氧化为CO2和H2O，剩余的脂肪酸作为合成微生物自身细胞物质的原料，被微生物利用[32]。过程如式（1）所示：

3.1.2 双末端氧化

双末端氧化[33]在直链烷烃碳链的两端同时发生。直链烷烃先通过单末端氧化生成脂肪酸，在ω-羟基脂肪酸单加氧酶的作用下，发生ω-碳末端羟基化，再被乙醇脱氢酶、乙醛脱氢酶氧化为羧基生成二羧基酸，进入β-氧化循环后进行氧化分解。过程如式（2）所示：

3.1.3 次末端氧化

直链烷烃的次末端甲基在加氧酶的作用下被氧化成对应的仲醇，在乙醇脱氢酶、单加氧酶、酯酶的作用下，生成伯醇和脂肪酸，伯醇再继续氧化为醛和羧酸，羧酸与之前生成的脂肪酸进入β-氧化循环，进行进一步氧化分解[34]。过程如式（3）所示：

3.2 支链烷烃好氧降解机理的研究进展

支链烷烃离支链点最远，甲基在单加氧酶和脱氢酶的作用下，被氧化生成支链脂肪酸，在脂肪酸α、ω-氧化或β-碱基的去除过程中，会被进一步降解[35]。过程如式（4）所示：

3.3 环烷烃的好氧降解机理研究进展

环烷烃降解的关键是羟基化过程。环烷烃降解的转折点在于开环过程，开环后其降解速率和效率都会得到大幅度提升[36]。过程如式（5）所示：

3.4 多环芳烃好氧降解机理的研究进展

PAHs 相对较难降解，目前国际上认可的机理主要有以PAHs 为唯一碳源和氮源的代谢机理、PAHs 共代谢机理、PAHs 好氧降解的中心代谢机理等。对于低分子量PAHs，微生物一般以第一种方式降解，而四环及以上的高分子量PAHs，则主要通过共代谢的方式来降解[37]。

3.4.1 以PAHs 为唯一碳源和氮源的代谢机理

在有氧条件下，单、双加氧酶可在苯环上形成C-O 键，加氢酶则可使苯环上的C-C 键断裂，以此减少苯环数。苯环被加氧酶和水解酶等氧化为儿茶酸、原儿茶酸和龙胆酸，儿茶酸1.23.4-双加氧酶(1.2-CAT/3.4-CAT)、原儿茶酸3.4-双加氧酶(3.4-PCA)、龙胆酸1.2-双加氧酶(1.2-GDO)，可分别使苯环开裂，生成琥珀酸、延胡索酸和丙酮酸。这些中间产物有一部分进入三羧酸循环，剩余部分被微生物用来合成其自身生物量[38]。其过程如图1 所示。

图1 好氧菌以PAHs 为唯一碳源和氮源的代谢机理图Fig.1 metabolic mechanism of aerobic bacteria with PAHs as sole carbon and nitrogen source

3.4.2 PAHs 的共代谢机理

高分子量PAHs 结构的复杂性和稳定性，以及其本身不能诱导酶的产生，使其不易被微生物降解。但当体系中存在苯、甲苯、水杨酸、萘、菲等类似基质时，微生物可在它们的诱导下产生加氧酶，同时也可以增强加氧酶的活性。此时微生物以这些基质作为生长基质进行生长繁殖，以高分子量PAHs 作为次要基质和非生长基质，促进其氧化降解，也可直接在体系中添加可产生降解酶的微生物来降解高分子量PAHs。

PAHs 的共代谢机制大致分为3 种[39]：1）通过“生长基质”和“非生长基质”共酶降解；2）利用可直接产生降解酶的微生物降解；3）微生物利用存在竞争关系的“生长基质”或“非生长基质”产生碳源或能源，来降解PAHs。

3.4.3 PAHs 好氧降解的中心代谢机理

好氧条件下PAHs 的降解分为3 种[40]：1）双加氧酶将底物氧化为顺式二羟基化合物，再经一系列反应生成儿茶酚类，最终代谢成为CO2和H2O；2）个别分枝杆菌属的细菌和大部分非木质素降解真菌在线粒体单加氧酶P450 的作用下，将多环芳烃氧化为环氧化合物，最终代谢成为CO2和H2O；3）木质素通过降解真菌生成PAHs 的锟类化合物，实现PAHs 的氧化降解。通过上述途径，不同的PAHs 化合物可被降解为邻苯二酸、原儿茶酸和龙胆酸等。

目前含油污泥中高分子量PAHs 的降解效率低下，关键在于苯环开环过程。此外，类似苯、甲苯等诱导微生物产生加氧酶和加氢酶的机制，也有待深入探究。

4 结论与展望

微生物法已被应用于含油污泥处置、油污土壤原位及异位修复等方面，相关的技术开发也逐渐深入。在微观方面，可以通过分子生物学、酶学、蛋白质生物化学及基因工程等学科，研究TPHs 分子的降解动力学，构建基因工程菌。在宏观方面，可以结合材料化学、计算机大数据等，以提高菌群的活性和抗逆性，快速构建高效降解菌群。

1）微生物降解TPHs 分子的过程大多发生在胞内，故TPHs 分子的跨膜运输，直接关系到微生物对其的吸收利用效率。此过程还有许多问题亟待解决：TPHs 分子的跨膜运输是否需要特定膜蛋白的协助，是否可以通过胞内外的浓度差，使TPHs 分子在类似“钠钾泵”的作用下进行主动运输进入细胞内，TPHs 分子在跨膜运输时消耗的能量来源及大小等。针对TPHs 分子跨膜运输的研究，可能有助于在微观方面，对TPHs 分子的动态运动过程、规律及降解初期的动力学方程的研究。

2）在从分子生物学方面研究TPHs 代谢途径和机理的基础上，结合酶学、蛋白质生物化学及基因工程，研发高效降解工程菌。从关键降解酶、特定蛋白质的作用及生成入手，追溯到其最初的功能基因表达，利用基因强化与沉默技术，强化或沉默相关基因片段的表达，重组构建出具有功能优化的基因工程菌。

3）目前，生物强化法投加的大多是菌液，或以生物炭、硅藻土为载体的固定化微生物，虽然成本低但效果不显著。可结合材料化学，研发高分子复合材料、纳米材料等具有优良性质的材料作为微生物的载体，以提高微生物的活性及降解效率。研发过程中不但要考虑材料的生产成本，也要保证其环境友好性。

4）国内外关于含油污泥降解菌群的研究几乎都具有针对性，研发的降解菌群不具有普适性。随着微生物基因片段的提取保存及微生物数据库的不断完善，结合计算机大数据分析的手段，进行复合菌群的初步构建，以提高菌株之间的协同作用，并强化菌群的抗逆性和对极端环境的适应性，将会为含油污泥微生物处置的系统化提供参考，也是未来发展的方向之一。