堆肥强化微生物法处理含油污泥的现场试验*

徐开慧 哈斯其美格 张传涛 徐娟娟 韩智超 陈丽华

(西北民族大学化工学院，甘肃 兰州 730030)

开采、运输、储存等过程中的石油泄漏使得大量土壤受到污染[1-2]。石油进入土壤后会使土壤通透性、层级结构发生巨大变化，从而水分渗透率降低，有效磷、有效氮含量下降，最终导致土壤板结，质量下降[3-5]。因此，对石油污染土壤后形成的含油污泥进行有效处理，使其在短时间内恢复有关功能，对于农业生产和经济发展具有重要意义[6]。

含油污泥中的石油烃常用降解方法有微生物法和堆肥法。宜慧等[7]利用微生物法处理陕北某含油污泥，效果不好，这是因为生物修复法的温度和pH必须控制得很低，不利于菌株的降解效果发挥。堆肥法可以使堆体快速达到高温，弥补生物修复法温度低的缺点[8]，而且可以控制堆肥过程中臭气的产生，缩短腐熟进程，有效杀灭病原体[9]。本研究尝试将堆肥法和微生物法联合(即堆肥强化微生物法)并用于现场降解陇东油田含油污泥中的石油烃，以期高效处理含油污泥。

1 材料与方法

1.1 堆肥原料

堆肥中加入牛粪后可以提供更多的有机质，使微生物更好地繁殖，加速石油烃降解[10-13]，因此本研究以新鲜牛粪、含油污泥和玉米秸秆(辅料)为原料进行现场堆肥。新鲜牛粪的含水率为70%，pH为8.40，总碳为38.70%(质量分数)，总氮为2.10%(质量分数)。玉米秸秆粉碎、过10目筛后高温灭菌，备用。含油污泥的含水率为5%，pH为7.82，电导率(EC)为0.866 mS/cm，总氮为0.05%，有机磷质量浓度为13.26 mg/kg，速效钾质量浓度为165.9 mg/kg。

1.2 菌 剂

堆肥菌剂：参考文献[14]，筛选出4种菌作为堆肥菌剂，分别是绿色木霉(Trichoderma)、米曲霉(Aspergillusoryzae)、枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)、铜绿假单胞菌(Pseudomonasaeruginosa)。将绿色木霉、米曲霉置于28 ℃、120 r/min的恒温振荡条件下培养2 d以上，等菌液变浑浊后待用；将枯草芽孢杆菌、铜绿假单胞菌置于37 ℃、120 r/min恒温振荡条件下培养24 h以上，等菌液变浑浊后待用。将上述绿色木霉、米曲霉菌液和枯草芽孢杆菌、铜绿假单胞菌菌液按体积比2∶1制成混合菌剂，置于30 ℃、120 r/min的恒温振荡条件下发酵，待菌落数大于1×1010cfu/mL后，添加适量腐殖质变成固体混合菌剂，密封保存，备用。

降油复合菌剂：综合文献[15]和文献[16]，筛选出6种菌用作降油复合菌剂，分别为枯草芽孢杆菌、微绿链霉菌(Streptomycesatrovirens)、苏云金芽孢杆菌(Bacillusthuringiensis)、铜绿假单胞菌、嗜碱性假单胞菌(Pseudomonasalcaliphila)、鲁菲不动杆菌(Acinetobacterlwoffii)。将6种菌分别进行相同一次扩培后，等体积比混合配成混合菌悬液，置于37 ℃、200 r/min的恒温振荡条件下发酵，使菌落数达到1×1010cfu/mL以上，添加适量腐殖质制成固体干燥菌剂，密封保存，备用。

固肥菌剂：将相同一次扩培后的圆褐固氮菌(Azotobocterchroococcum)、巨大芽孢杆菌(Bacillusmegaterium)按体积比1∶1制成混合菌剂，置于37 ℃、200 r/min的恒温振荡条件下发酵，使菌落数达到1×1010cfu/mL以上，添加适量腐殖质制成固体干燥菌剂，密封保存，备用。

1.3 堆肥强化微生物法现场试验设计

在陇东油田现场设立了两个堆体，分别作为实验组和对照组。实验组的堆肥原料为新鲜牛粪、含油污泥和玉米秸秆，分别在合适的时间加入堆肥菌剂、降油复合菌剂和固肥菌剂。对照组不同于实验组的是将新鲜牛粪换成氮磷肥(硫酸铵与过磷酸钙按质量比8∶1混合)，只为降油微生物提供所需的营养元素，而不具备堆肥条件，并且只加入降油复合菌剂，加入时间与实验组同时。

现场具体操作步骤如下：500 kg堆肥原料中含含油污泥100 kg、玉米秸秆10 kg，调节pH为7～8，含水率调至约40%，堆体中间插管壁带孔的中空聚氯乙烯管，管底连接鼓风机，堆体盖篷布保温保湿。首先加入7.5 kg堆肥菌剂，堆体温度先升至约60 ℃，等降至30 ℃后加入25 kg降油复合菌剂，保持溶解氧(质量分数)为10%～20%，含水率为20%～45%，堆肥30 d后加入5 kg固肥菌剂以维持堆体肥力，堆肥周期为92 d。

1.4 指标监测方法

每个堆体定期监测10项指标：pH、EC、485和685 nm下的吸光度比(E4/E6)[17]、总碳、总氮、有机质、总石油烃(TPH)、温度、含水率、溶解氧。各指标监测次数均为20。C/N为总碳和总氮的质量比。测堆体3个不同高度的温度，取最高温度作为堆体温度。

按式(1)计算TPH降解率。

(1)

式中：A为TPH降解率，%；c0为初始的堆体中TPH(质量分数)，%；ci为第i次测定的堆体中TPH，%。

2 结果与分析

2.1 温度与含水率的变化规律

由图1可知，在初期(0～9 d)，堆体温度升高，含水率急剧下降，说明微生物在适应环境并进行繁殖；在堆肥升温阶段(9～39 d)，实验组具有明显的升温现象，而对照组温度几乎没有变化，含水率变化均保持稳定；在堆肥高温阶段(39～42 d)，实验组最高温度升至近60 ℃，此时含水率有所增加，这是由于微生物开始大量分解有机质，产生了大量的水；在降温阶段(42～61 d)，温度和含水率均开始下降；在稳定阶段(61～92 d)，温度和含水率趋于稳定，说明大部分有机质已被分解，堆肥达到了深度腐熟[18]。

图1 温度和含水率的变化规律Fig.1 Changes of temperature and moisture content

2.2 pH与EC的变化规律

由图2可知，随着试验的进行，pH总体降低。这是由于堆肥过程将腐殖质转化成了腐殖酸，从而造成pH降低；对照组由于加入的氮磷肥只为微生物提供营养元素，而不能进行堆肥过程，所以pH变化相对比较稳定。初期，实验组由于加入的新鲜牛粪含水率较高，因此TPH含量较低，所以EC较高，随着水分的蒸发，TPH含量升高，造成EC降低，但当微生物把石油烃降解成可电解物质后，后期EC又呈现出上升的趋势；对照组由于堆体含水率低，石油烃降解也少，所以EC变化较小。

图2 pH和EC的变化规律Fig.2 Changes of pH and electrical conductivity

2.3 C/N与E4/E6的变化规律

试验进行过程中，由于实验组的碳损失大于氮损失[19-21]，因此C/N整体呈现下降趋势(见图3)。有研究认为，C/N下降到0.2以下时，可认为堆肥已达到腐熟，下降到0.1则可认为腐熟情况较好[22]。本研究实验组C/N最终可稳定在0.1左右，说明腐熟情况还是比较好的。对照组由于没有进行堆肥，因此C/N基本上没有变化。

图3 C/N和E4/E6的变化规律Fig.3 Changes of C/N and E4/E6

E4/E6愈小，表明腐殖质的缩合度和芳构化程度愈高，且腐熟程度愈高[23]。本研究中E4/E6最终降至约0.03，说明腐殖质的缩合度和芳构化程度很高，也说明了堆肥达到了深度腐熟。

对比实验组试验开始前和结束后的牛粪形态发现，堆肥后牛粪表面长满了霉菌，呈蓬松状态，进一步佐证了堆肥成功。

2.4 有机质、TPH和溶解氧的变化规律

实验组由于堆体中碳源、氮源丰富，微生物好氧降解活动剧烈，因此土壤中溶解氧一开始较低，有机质迅速由初始的25.0%(质量分数)下降到42 d时的6.3%，TPH也由初始的7.8%下降到42 d时的2.9%(见图4)，这时TPH降解率为62.8%。42 d后，有机质缓慢下降，这是由于大部分有机质已经被降解，碳源开始不足，微生物好氧降解就变得缓慢，因此土壤中的溶解氧含量变高，TPH继续下降至0.8%，降解率达到89.7%。

图4 有机质、TPH和溶解氧的变化规律Fig.4 Changes of organic matter,TPH and dissolved oxygen

对照组TPH和有机质虽然也有下降趋势，但是TPH降解率明显低于实验组，而且溶解氧变化不明显，主要可能是化学降解。

3 结 语

堆肥强化微生物法现场处理含油污泥具有明显的升温现象，最高温度可以升至近60 ℃；pH降低说明腐殖质转化成了腐殖酸；C/N最终稳定在0.1左右，E4/E6最终降至约0.03，说明腐殖质的缩合度和芳构化程度很高，腐熟情况良好，堆肥达到了深度腐熟，含油污泥的TPH降解率可以达到89.7%。

因此利用农业废弃物牛粪和玉米秸秆作为堆肥原料，构建堆肥强化微生物法处理含油污泥可以现场高效降解石油烃，是一种高效、经济、环保的好方法。