陕北某采油厂石油污染土壤的修复示范工程

马健波，韩 斌，任文涛，王 楠，周 阳，朱 立

（1. 西安罗克环境修复有限公司，陕西 西安 710018；2. 陕西罗克环保科技有限公司，陕西 西安 710018）

陕北黄土丘陵沟壑区接壤地带土壤中矿物盐含量高，有机质含量低，土壤贫瘠，土壤微生物种群和数量少。大规模的石油开发对当地土壤产生了一定的影响，调查显示，陕北受污染土壤的石油含量已经达到5～60 mg/g，受污染面积也累计达到7.0×106m2，使本来就脆弱的生态环境承载了巨大的污染负荷［1］。采油厂造成土壤污染的主要途径包括落地油泥、采油废水、采油废弃物堆放和输油管线泄漏等［2］。

土壤中的石油污染物单靠土壤自身的净化作用需要20 a左右的时间［3］。针对石油污染土壤，众多研究者认为，生物修复技术是目前最具前景和潜力的修复方法［4-6］。甄丽莎等［7］研究了黄土高坡油污染土壤中微生物的群落特征，表明一定浓度的石油污染能够刺激土壤微生物群落中优势种群的生长。张超等［8］利用混合菌群对石油污染土壤进行修复，40 d后的石油降解率达66.95%。国外研究者利用三叶草、苜蓿和大豆等草本植物降解土壤中有机污染物，效果较为显著［9-11］。而将植物和微生物相结合的植物-微生物联合修复技术，在石油污染土壤修复方面更具优势。刘永军等［12］利用黑麦草-不动杆菌强化修复石油污染土壤，石油烃含量从4420.18 mg/kg降至171.08 mg/kg。刘魏魏等［13］利用紫花苜蓿-菌根真菌和紫花苜蓿-多环芳烃专性降解菌强化修复多环芳烃长期污染土壤，相比单独使用紫花苜蓿的降解率分别提升了26.2%和38.4%。王京秀等［14］和雒晓芳等［15］也在植物-微生物联合修复石油污染土壤的研究中取得了较好效果。

但上述植物-微生物联合修复技术目前大多仅停留在实验室研究阶段，现场实施的工程项目较少。因此，本工作在前期研究［16-17］的基础上，采用铜绿假单胞菌-黑麦草联合修复技术对陕北某采油厂油井周边污染土壤进行现场修复示范，以期为该技术的实际应用提供参考。

1 试验部分

1.1 场地概况

示范场地456井位于陕北某采油厂上方山坡上，井深795 m，投产时间为2003年，停产时间为2013年，最高产油量为4 t/d，井周围约有700 m2的场地。2019年7月进行了场地勘查，具体情况见表1。

表1 现场踏勘记录内容

1.2 样品的采集和检测

根据现场踏勘，该井场大致呈长方形，长45 m，宽15 m，占地面积675 m2。根据井口位置、井场地形和场地面积，确定选用放射型布点法，采样深度为0～40 cm，具体布点情况如图1所示。图中：示范区内的1#～3#点位分别对应现场试验距井口不同距离的3个采样点；靠近井场的4#点位为平行样的采集点，采集3个土壤平行样用于质量控制（即通过平行样检测，考察检测结果的准确性）；5#～7#点位为井场周边的土壤污染监测点；8#点位为未污染土壤的采集点。

采用北京华夏科创仪器股份有限公司OIL460型红外测油仪，按照《土壤 石油类的测定 红外分光光度法》（HJ 1051—2019）［18］测定土样的含油量。采用上海仪电科学仪器股份有限公司PHS-3E型pH计，按照《土壤 pH值的测定 电位法》（HJ 962—2018）［19］测定土样的pH。

图1 井场采样布点图

1.3 试验方法

1.3.1 小试试验

将该产油区的原油与未污染土壤（8#点位采集）搅拌混匀，经通风、晾晒、研磨、过筛后制成小试试验土备用。使用从新疆克拉玛依采油厂油泥中筛选出的铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）［16］作为石油降解菌，选择黑麦草（Lolium perenne，其种子购置于江苏沭阳长景园林苗木场）作为修复植物，进行土壤修复试验。配制氮磷摩尔比为10∶1的营养液（NH4Cl 7.76 g，KH2PO40.5 g，K2HPO40.5 g，CaCl20.01 g，MgSO40.1 g，纯水1000 mL），用氢氧化钠调节pH至设定值后加入到土壤中，使土壤含水率为25%。将铜绿假单胞菌培养28 h左右，待其OD600达到2.0（菌种生长的对数期）时将菌液接种到石油污染土壤中［17］。菌液投加量5%（质量比），环境温度25～35℃，黑麦草播种量1 g/kg，修复污染土壤量为5 kg。铜绿假单胞菌-黑麦草小试试验照片见图2。

图2 铜绿假单胞菌-黑麦草小试试验照片

1.3.2 现场试验

现场试验分为两个部分。一是采用铜绿假单胞菌-黑麦草联合修复井场污染土壤，主要工作程序包括：1）对场地土壤进行翻耕、旋耕；2）播撒铜绿假单胞菌高效石油降解微生物固体菌剂并旋耕；3）播撒植物种子并浇水灌溉，90 d后考察修复效果；4）修复期间定期补水灌溉并取样观察检测。由专人进行持续跟踪、维护，观测菌群生长变化、土壤湿度变化、植物生长状态和场地含油量变化。根据示范场地各个指标变化采取定期浇水、添加菌剂等相应措施，以确保整个修复体系正常、良好发展。二是黑麦草区、微生物区和空白区的对照试验，即单独采用黑麦草修复组、单独采用微生物修复组以及未采取修复措施的空白组（不添加菌剂和种植黑麦草，其他措施均相同）3组试验，对照试验选取油井旁高浓度污染土壤区域进行。

在现场主要通过以下措施保持土壤环境接近小试试验的环境条件：1）定期喷施水（8～10 d一次），保持土壤的含水率在25%左右；2）定期喷施氮磷营养液（8～10 d一次），保持铜绿假单胞菌产表面活性剂的偏碱性环境；3）根据环境温度的变化铺设保温膜进行罩盖（即在夜间低温时对试验区进行遮盖，日间高温时打开保温膜），保持环境温度在25～35 ℃。铜绿假单胞菌-黑麦草联合修复井场污染土壤及对照试验照片见图3，其中：左图为场地的旋耕和平整；中间图为场地的翻耕；右图为铜绿假单胞菌-黑麦草联合修复试验区。

图3 铜绿假单胞菌-黑麦草联合修复井场污染土壤及对照试验照片

2 结果与讨论

2.1 小试试验结果

保持土壤含水率为25%，营养液pH对土壤pH的影响见表2，原始土壤pH为6.2。前期研究表明，铜绿假单胞菌在偏碱性的土壤条件下可产生表面活性剂，其鼠李糖脂中的羧基游离出来，具有极强的亲水性，并通过富集在油表面形成亲水化膜，从而减小了糖脂与土壤颗粒间的黏附，增强了生物表面活性剂的增溶及脱附作用，有利于石油污染物的去除［17］。因此，本次小试和现场示范试验均选用pH为9.0的营养液（对应土壤pH为7.5）。

表2 营养液pH对土壤pH的影响

当土壤含油量过低时，试验所用铜绿假单胞菌对石油的降解速率较慢，这是由于碳源量不足会抑制单个菌体的生长；另一方面，当含油量过高时，会对细菌产生毒性［17］。在此基础上实验室分别进行含油量为27600 mg/kg和44600 mg/kg的石油污染土壤的铜绿假单胞菌-黑麦草联合修复小试试验，结果如图4所示。两个含量的石油污染土壤在90 d的修复周期里，含油量分别降至1900 mg/kg和2300 mg/kg，降解效果均较好。铜绿假单胞菌可以石油为碳源产生生物表面活性剂，在含油量较高时产表面活性剂的量较大，因此降解效率较高，最终可达到与较低含油量时相似的修复效果。综上可知，试验所用铜绿假单胞菌在本地区的石油污染土壤中具有较好的适应性，修复效果较好。

图4 不同含油量污染土壤小试试验结果

2.2 现场试验结果

现场试验的结果见表3和表4。

表3 铜绿假单胞菌-黑麦草联合修复效果

表4 对照试验结果

从表3可以看出，该井周边土壤受到了不同程度的污染，其最高含油量为9020 mg/kg，本工程采用铜绿假单胞菌-黑麦草联合修复技术对其进行修复，修复90 d后含油量降至402 mg/kg，去油率高达95.5%，修复效果显著。从表4的对照试验结果可以看出，单独使用黑麦草或铜绿假单胞菌进行修复的土壤，去油率分别为29.5%或88.8%，而空白区土壤的去油率为21.8%，三者的修复效果均不及联合修复效果。

空白区石油污染程度有一定的降低，可能是由于自然挥发或者是土壤中土著菌对石油污染有一定的降解能力。黑麦草区污染土壤相对空白区去除率较高，一方面可能是因为植物能够改善土壤环境，促进土壤中微生物的生长，从而增强对石油烃的分解利用；另一方面，植物根系本身能够对污染物进行吸收、降解和固定，有助于土壤中石油烃的降解［20］。

铜绿假单胞菌-黑麦草联合修复区的去油效率高，主要有以下两方面原因。一方面是由于碱性条件下产生的生物表面活性剂可以通过乳化增溶作用增大烃类物质与微生物降解细胞的接触面积，从而提高石油烃的生物可利用性；同时表面活性剂能够增大环境中水油界面的面积，进而促进微生物对石油烃类物质的降解利用［16］。另一方面，黑麦草能够与铜绿假单胞菌在根际形成根际圈，加速菌种对石油污染物的转化和利用。

90 d的修复周期结束后，最大去油率达到95.5%，并且不同采样位置的土壤含油量检测结果均低于500 mg/kg，该含量为《农用污泥污染物控制标准》（GB 4284—2018）［21］中规定的可用于耕地、园地、牧草地耕作的A级土壤标准限值。

3 结论

a）从新疆克拉玛依采油厂油泥中筛选的铜绿假单胞菌在本地区的石油污染土壤中具有较好的适应性。

b）采用铜绿假单胞菌-黑麦草联合修复技术修复石油污染土壤，取得了较好的现场修复效果。该油井周边土壤的含油量最高为9020 mg/kg。90 d的修复周期结束后，土壤的含油量降至402 mg/kg，去油率高达95.5%，并且不同采样位置的土壤含油量检测结果均低于500 mg/kg，满足《农用污泥污染物控制标准》（GB 4284—2018）中的A级土壤标准。单独使用黑麦草或铜绿假单胞菌进行修复，土壤的去油率分别为29.5%或88.8%，而空白区土壤的去油率为仅21.8%。

c）生物修复技术是石油污染土壤修复领域最有前景的技术，但土壤中的含油量高低对其修复效果影响较大，目前的生物修复技术对含油量高的土壤修复效果较差，且修复周期长。因此，如何增强菌种降解特性，增加植物根际圈作用，利用微生物的共代谢和植物根际圈作用缩短修复时间，是当前生物修复技术的研究重点。