含油污泥微生物处理技术研究

平罗怡曼，鱼 涛，2，陈景辉，屈撑囤，2，3，李金灵，2，卢 聪，2

（1.西安石油大学，陕西西安 710065；2.陕西省油气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.石油石化污染控制与处理国家重点实验室，北京 102206）

含油污泥组成成分复杂，通常含有大量老化油、胶质沥青质、泥沙等固相物、还含有盐类和多种致病微生物、重金属以及致癌致畸性毒性物质，其性质稳定、固液分离难度较大[1-3]。含油污泥的主要来源有石油开发、集输及加工过程中的罐底泥、含油污水处理时产生的底层污泥和油田井下施工作业时产生的落地油泥等[4]。据统计我国新增含油污泥量高达800×104t/a[5]，因此对含油污泥进行资源化、无害化处理已成为全球石油石化行业环境保护的重要任务之一。

经过多年的努力，热洗法、微生物法、回转焚烧法等多种含油污泥处理方法已趋近成熟，其中微生物处理技术是利用微生物的生长代谢繁殖过程将含油污泥中的石油烃类和有机物转化为CO2，H2O 和其他无害物质，具有温和、有害物质处理彻底、无二次污染等优点，已成为含油污泥处理的重要技术之一。微生物处理含油污泥的核心在于菌种优选、降解条件优化、废气处理等。与其他处理技术相比，微生物处理工艺较为简单、成本低且可就地进行处理，不足在于降解时间较长且对高含油的污泥处理效果较差，因此通常与其他处理技术联合使用[6-7]。

1 含油污泥的微生物处理

1.1 微生物处理菌种

目前自然界中能够降解石油烃的微生物种类有100 多属、200 多种，分布较为广泛，并且大多能以石油烃类作为唯一碳源和能源生长[8]。石油降解菌大多属于酵母菌、真菌、霉菌、放线菌、蓝细菌和藻类等[9-10]（表1）。

表1 降解石油烃物质的微生物属名[11-12]

1.2 微生物降解石油烃机理

含油污泥主要包含饱和烃、芳香烃、胶质和沥青质等，其中多数烃类都可被微生物降解，但降解速率存在一定差异：C10～C18的烃类降解较为容易，碳原子数大于30 以上降解难度相对较大，特别是胶质、沥青质等多环类物质[13]。石油降解菌的代谢机理主要是利用微生物体内各种酶类，通过有氧呼吸、厌氧呼吸和发酵作用与烃类及其中间产物发生脱氢作用、羟化作用和过氧化作用[14]，其中有氧呼吸作用占主体，厌氧呼吸只能降解小部分烃类。

微生物降解石油烃类物质分为三个阶段：首先含油污泥中石油烃类物质从油相中脱离并吸附至微生物细胞的表面，然后通过细胞膜进入细胞体内，最后被细胞内降解酶氧化分解。

第一阶段：微生物在降解烃类过程中，可产生能大幅降低油水界面张力的生物表面活性剂，如糖脂类和磷脂类，使烃类通过乳化、分散形式吸附到微生物细胞表面[15-17]；同时细胞借助表面菌毛等辅助生成疏水性表面，使得细菌与外界环境接触更易[18]。

第二阶段：通过主动运输和被动运输，微生物对附着在其表面上的石油烃类物质进行跨膜摄取，为后续降解奠定基础[19]。

第三阶段：不同石油烃类在微生物细胞内以不同的途径和能力降解。

1.2.1 链烷烃的降解 研究发现，烷烃的降解模式大致分为四种：单末端氧化，分为单加氧酶（图1a）和双氧化酶（图1b），其次是次末端氧化（图1c），第三是常出现于细菌和酵母菌中的双末端氧化（图1d），最后是直接脱氢（图1e）[20]。

图1 烷烃的四种降解方式

以上步骤所形成的羧酸最终通过活化、转移、β-氧化以及三羧酸循环被彻底降解为CO2、H2O 并释放能量[21]。

1.2.2 环烷烃的降解 环烷烃为环状结构，降解难度虽大于链状烷烃，但是降解方式与其相似，为末端降解[22]。首先氧化酶先将环烷烃氧化脱氢生成环酮，再经过另一种氧化酶氧化并转化成酯酶或脂肪酸，最后通过β-氧化生成CO2和H2O[23]。

1.2.3 芳香烃的降解 芳香烃的降解难度远大于环烷烃，其代谢需在加氧酶的催化下，同时有分子氧参与方可取得好的降解效果[24]。好氧微生物降解芳香烃时，细菌与真菌的反应途径存在差异：真菌是在单加氧酶作用下将氧原子结合到芳香烃中，先生成中间产物，后通过水合作用生成反式二氢二酚；细菌则是在双加氧酶作用下，分子氧参与其中，生成顺式二氢二酚，然后转化成邻二苯酚。最终两种产物通过邻位切割和间位切割开环，进入三羧酸循环系统，生成CO2和H2O[25-26]。

1.3 微生物处理的影响因素

微生物所处的外环境对其生长繁殖和对烃类的降解存在一定影响[27-28]，主要包括微生物自身特征及添加量、微生物的生存环境和石油污染物的组成特征等（表2）。

表2 微生物降解烃类的影响因素

1.4 微生物处理技术

含油污泥微生物处理技术大致可分为四种：地耕法、堆肥法、生物泥浆法和生物浮选法[41]。各方法原理及特点见表3。

表3 含油污泥微生物处理方法及特点

李彦等[49]从五种石油降解菌中筛选出铜绿假单胞菌、氧化微杆菌、中间苍白杆菌三种优质菌种，并将其按1∶1∶1 体积比混合后，对原油的降解率可高达74.16%，并且探究了盐浓度的增加对菌种的影响。李小康等[50]从定边含油污泥中筛选出三种优势菌种，最佳复配比为D-5∶C-2∶A-3=5∶1∶5，最优条件下降解率可达到87.12%，实现对含油污泥土壤的高效修复。孔萌[51]从大庆油田中筛选出一株既能生产表面活性剂，又能降解石油中烃类物质的革兰氏阴性菌，称为GJ，它对浮渣中和生化污泥中的石油降解率可达81%以上。

2 微生物耦合技术

为了提高含油污泥处理效率、提高微生物对处理高含油污泥的适应性，往往需要与其他技术联合使用，其中电化学-微生物耦合技术和热洗-微生物耦合技术应用最多。

2.1 电化学-微生物耦合技术

向含油污泥中施加低压电场可以使微生物细胞内外的电子量发生改变，加速微生物的氧化分解作用。同时微生物将大量污染物转化为溶解态，在电化学作用下可以将无机盐和有机物等快速供给至缺乏营养物质的污染区，以增加此区域内微生物的数量。电化学法和生物法在对含油污泥的处理上相辅相成，属于一种低成本、无二次污染的新型含油污泥联合处理技术[52]。

于鑫娅[53]对浮渣油泥和生化污泥进行超声-微生物-电化学耦合处理研究，从两种污泥中各筛选出最优菌种：YJ 菌和FH 菌，两种菌种的最适电场强度都为200 V/m，耦合电场后均可促进含油污泥降解。YJ 菌种耦合电场后可使生化污泥中降解率由起初的3.35%升高至65.92%。张景炜[54]研究了电化学-微生物耦合技术可以达到较高的去除率，并且电场可以一定程度上提供热量给微生物反应器，以保持微生物的高去除率。张永波[55]研究了电化学-微生物-植物耦合技术处理含油污泥，发现在电场强度为72 V/m 时，添加生物菌剂和膨松剂以及播种四季青草种的试验条件下，经过60 d 的修复后，含油污泥含油率可从5%降低到2%以下，可以达到《陆上石油天然气开采含油污泥资源化综合利用及污染控制技术要求》的指标要求。王昭阳[56]在室内点圆竖插式反应器中采用微生物-电场耦合技术，其对预处理过程中加药和未加药的污泥原油去除率在20 d 内分别依次达到12.9%和69.4%，证明了微生物-电场耦合技术深度处理含油污泥是可行的。

2.2 热洗-微生物耦合技术

热洗法可将含油污泥中部分石油资源回收，微生物法有助于将含油污泥进行无害化处理，以达到污染物排放标准，两者结合已成为含油污泥资源化、无害化处理的常用技术。

张滨[57]利用超声波技术和热洗技术对含油污泥进行洗脱，物化处理后加入高效石油降解菌将含油污泥含油率降低至0.5%以下，最后通过植物的降解和吸附将含油污泥降低至0.3%以下。李予[58]采用微生物代谢所生成的复合型生物制剂与微生物菌种对新疆油田一处含油污泥进行联合处理，使污泥中含油率降低至0.45%。刁潘[59]使用十二烷基苯磺酸钠、平平加和硅酸钠对含油污泥进行洗涤，再使用生物法进行降解，污泥中含油量最终去除率可达97.3%。任鹏等[60]使用重油清洗剂和表面活性剂洗脱含油污泥中的油类物质，并发现与生物强化菌剂进行组合使用可以将处理时间缩短一个月，对低含油量的含油污泥降解菌可高达96.7%。徐硕[61]对含油污泥进行超声热洗，发现频率为40 kHz时使用效果最佳，并且后续进行微生物处理时使用麦麸为固定化材料可以改善土壤结构使其有利于微生物生存，最终进行固化处理后的产品可以进行铺路或作为建筑材料参与构建。

3 结论与展望

（1）目前对含油污泥处理的要求愈来愈严格，加之含油污泥来源不同、地域不同，需要有针对性的生物处理技术，通过菌种优选、条件优化，实现含油污泥的无害化处理。

（2）充分利用微生物处理过程产生表面活性剂的特征，在未来可通过条件优化，提高含油污泥中的固液分离效率及油回收率。

（3）微生物法处理含油污泥的效率相对较低、不适合含油量高的含油污泥，因此开发物理化学处理、电化学处理等处理技术并与微生物处理耦合，是未来提高微生物处理技术解决含油污泥污染问题的重要方向。