高海拔地区生物堆处理含油污泥工业化规模应用

李朝廷

（无锡市环保集团有限公司，江苏 无锡 214100）

青海油田地处青藏高原，位于青海省西北部的柴达木盆地，是青海、西藏2个省区重要的产油、供油基地。长期勘探和采油工业活动，导致该地区历史遗留有大量含油污泥，其中又以含油量较低的落地油泥为主，该类油泥具有占地面积广、污染组分复杂、掺杂砂石杂质等特点[1]，根据《国家危险废物名录》，含油污泥属于废矿物油和含矿物油废物（HW08）[2]，必须进行无害化处置。

生物堆法作为一种异位处理污土和污泥的静态堆制方法[3-4]，其具备高效、低成本、可操作性强、不造成二次污染等优点[5]，是一种低碳、清洁的含油污泥处理主流技术。

本文针对青藏高原特有的地质水文及气候条件，开展生物堆处理含油污泥工业化规模应用研究，旨在为高海拔、低温少雨、空气干燥地区有机污染生物修复提供科学及规模的应用依据。

1 材料与方法

1.1 材料来源

本次应用研究材料来自于青海油田采油作业区历史遗留含油污泥。

1.2 微生物菌剂

以待处理区含油污泥为供试样本，采用摇瓶循环筛菌和平板分离技术，共获得3株高效石油烃降解菌株，即QH-XK简单芽孢杆菌（Bacillus simplex）、QH-ZP小克银汉霉菌（Cunninghamella sp）和QH-BW枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)，其均为非致病性菌，可用于开放性环境，制备成固体菌剂，菌剂微生物量为3.0×109cfu/g，作为本次应用研究微生物菌剂。

1.3 含油污泥处理

1.3.1 含油污泥收集

本次所需处理含油污泥，散落于油田不同作业区共134 837.28 m2的戈壁滩上，厚度为10～500 mm，且为沙质土，需要采用机械进行收集并集中处理。

1.3.2 建堆及处理

采用生物堆技术对含油污泥进行集中处理，生物堆底部铺设厚度不低于2 mm的HDPE膜，生物堆设计尺寸为长100 m×宽14 m×高1.5 m，设计处理能力为2 000 m3/堆。

1.3.3 无害化填埋

经生物堆处理后的含油污泥，含油率满足SY/T 7300—2016《陆上石油天然气开采含油污泥处理处置及污染控制技术规范》的有关要求，即含油污泥经处理后剩余固相中含油率不大于2%，可用于铺设通井路、铺设井场或者无害化填埋。

1.4 效果监测检测方案

处理前：将生物堆划分为2个检测区，于每个检测区中心位置各取表层、中层、底层3个样品，共计6个/堆，检测因子为含油率。

处理后：将生物堆平均划分为5个检测区，每个检测区随机设置2个取样点，每2个检测点横线间距10 m，且所有检测点不得位于同一直线上，每个检测点各取表层、中层、底层3个样品，共计30个/堆，检测因子为含油率。

2 主要工艺参数设计

2.1 pH值

一般微生物生长所需pH值的范围为6～8，pH值过高或过低均会影响生物降解反应的进行。

2.2 温度

青海油田所在地区，属于高原大陆荒漠区气候类型，全年平均气温为3.8℃，昼夜温差大，该地区每年5月到10月底期间，环境温度在15～30℃，适用于生物堆技术的应用，结合微生物生长特性，将生物堆堆体最佳运行温度设置在15～25℃。

2.3 含水量

经收集含油污泥，其散落于戈壁滩表层，长期受高原紫外线照射，初始含水量为0.5%～5%，微生物降解理想含水量为土壤田间持水量的60%～80%[6]，综合考虑现场条件及含油污泥土质类型，设置生物堆含水量为8%～15%，以实现微生物快速增长及维持降解反应的进行。

补水量计算公式如下：

式（1）中：m水为需要补充的水量，kg；m土为土壤质量，kg；w2为需要补充达到的含水率，%；w1为土壤初始含水率，%。

2.4 通气量设计

生物堆中发生的反应主要为微生物新陈代谢及有机污染物的降解反应，均为耗氧反应，石油烃多为长链脂肪烃类物质的混合物，长链脂肪烃类的起始氧化有3种可能途径，即生成羧酸、生成二羧酸、生成酮类，进而通过β氧化彻底降解为CO2和H2O[7]，以饱和烃类生物降解反应式为例，即：

经计算得出，每质量单位CnH2n+2彻底氧化需要8（3n+1）/（7n+1）质量单位的O2，6＜n＜36。由此可得，将1 mg烃完全转化为CO2和H2O大约需3.5 mg的O2，同时为满足生物堆好氧生物降解顺利进行，生物堆内部含氧率不得低于8%。

生物堆通气量L总采用以下公式进行计算：

式（2）—式（4）中：L石油烃降解为降解石油烃所需空气量，m3；3.5为石油烃和O2的转换常数；m石油烃为石油烃质量，kg；Vm为空气的摩尔体积，L/mol；M为O2相对分子量；φ为空气中氧气的体积分数；L氧为满足生物堆好氧反应所需空气量，m3；0.08为堆体中氧气的体积分数；V生物堆为生物堆的体积量，m3。

综合考虑现场位于高海拔地区，空气较为稀薄，加之典型的高原气候，空气干燥，水分逸散速度快，生物堆体中消耗的O2采用定期机械翻堆的方式进行补充，翻堆的频次通过上文计算式进行综合设计。

2.5 营养结构改良设计

生物堆营养物质以3种营养元素C∶N∶P=100∶10∶1（质量比）[8]进行改良设计。

2.5.1 有机碳用量设计

含油污泥含油率与有机质的质量分数关系[9]可通过以下公式进行计算：

式（5）（6）中：y为有机质质量分数，%；x为含油率，%；ωC为有机碳的质量分数，%。

2.5.2 氮肥用量设计

生物堆中氮肥的理论用量，可通过以下公式进行计算：

式（7）中：mN为氮肥使用量，kg；m为土壤质量，kg；AN为氮肥纯度，%；BN为氮肥中氮的质量分数，%；ωN为土壤中有效氮的质量分数，%。

2.5.3 磷酸盐用量设计

本项目生物堆中磷酸盐的理论用量，可通过以下公式进行计算：

式（8）中：mP为磷酸盐使用量，kg；m为土壤质量，kg；AP为磷酸盐纯度，%；BP为磷酸盐中磷的质量分数，%；ωP为土壤中有效磷的质量分数，%。

3 结果与讨论

3.1 生物堆建堆情况

采用机械收集的方式，共对3个作业区134 837.28 m2受污染区域的含油污泥进行收集，集中建设生物堆34座。其中，作业区一建设生物堆20个，处理含油污泥35 574.94 m3；作业区二建设生物堆2个，处理含油污泥3 766.77 m3；作业区三建设生物堆12个，处理含油污泥19 706.59 m3，处理含油污泥共计57 076.96 m3。含油污泥建堆情况统计如表1所示。

表1 含油污泥建堆情况统计

3.2 含油污泥分析

对各作业区含油污泥理化、微生物指标进行取样分析，结果如表2所示。

表2 含油污泥理化指标分析

由检测结果可知，含油污泥pH值在8.0左右，趋于中性范围，无需进行额外的调节；电导率较高，侧面反映出含油污泥含盐量较高，这与含油污泥所处地区多为盐碱地有关，对微生物生长及活性会造成一定影响；含油污泥含水量普遍偏低，微生物生长所需营养物质匮乏，直接导致了样品中不含微生物或微生物数量偏低，需对生物堆进行水分和营养结构的改良及构建。

共对34座生物堆204个含油污泥样品的含油率进行了分析，结果显示样品中含油率均在2.4%～5.4%之间，且其中大部分样品含油率大于3.5%，均需通过生物堆进行无害化处理。

3.3 生物堆运行

现场共完成34个生物堆全部基础建设工作，开始进行生物降解条件构建和改良，累计投加各类微生物菌剂约3 000余t，各类营养物质（含有机肥、氮肥、磷肥等）约800余t，各类大孔隙物质约1 000 t，添加并及时补充自来水等，保证生物堆含水量始终维持在适宜于生物降解反应进行的8%～15%范围，每3～5 d采用机械翻堆的方式对生物堆中O2含量进行补充，定期对生物堆各项指标进行取样监测。结果显示，微生物量由开始的较低水平稳定保持在1.0×106～5.0×107cfu/g，生物堆进入稳定运行阶段。生物堆现场平面布置图如图1所示。

图1 生物堆现场平面布置图

3.4 生物堆温度分析

温度是作为生物堆运行需监测的关键指标，是生物降解是否顺利进行的直接体现，通过每日对现场环境及生物堆堆体温度进行测量，可实时掌握生物的运行情况，具体如图2所示。

图2 环境温度与生物堆体温度变化趋势图

从图中结果可以看出，生物堆建设完毕并添加菌剂开始运行，白天环境温度为15～31℃左右，刚建堆完毕生物堆中生物降解反应尚未进行，由环境温度补偿堆体温度。反应至20 d左右，环境温度逐渐开始降低，上午8：00左右环境温度只有5～10℃，此时生物堆温度接近25℃，并开始逐步上升，最高时堆体温度接近30℃，而此时环境最高气温只有25℃，表明生物堆中微生物大量生长繁殖进入活跃阶段，生物降解反应进入旺盛时期，堆体温度逐渐补偿环境温度。反应至70 d左右，现场气温开始呈断崖式下跌，昼夜温差大，白天气温只有5～15℃左右，夜晚气温最低时接近﹣5℃，此时，生物堆体温度仍能稳定维持在25℃左右，表明微生物可通过持续降解生物堆中的石油类物质产生生物热，维持生物堆的稳定运行。

3.5 生物堆含油率变化情况分析

对生物堆含油率进行定期监测。以1#生物堆为例（如图3所示），通过对不同点位样品进行采样分析，初始含油率为4.58%（平均值）；降解至32 d时，生物堆含油率已降至2%左右；降解至90 d左右时，此时生物堆含油率为0.6%，整体降解率达到87%，满足SY/T 7300—2016《陆上石油天然气开采含油污泥处理处置及污染控制技术规范》中含油率不大于2%的有关要求，完成了对生物堆中含油污泥的无害化处理。

图3 1#生物降解情况分析

按1#生物堆的采样及检测标准对34个生物堆处理前后的含油率进行检测，如图4所示。从图中可以看出，经过70～90 d的处理，34个生物堆的含油率从处理前的2.41%～4.64%（平均值）均已降至1%以下，其中部分生物堆含油率已降至0.5%以下，达到了预期的处理效果，经验收合格后，按照SY/T 7300—2016《陆上石油天然气开采含油污泥处理处置及污染控制技术规范》的相关规定，进行无害化填埋处理。

图4 1#—34#生物降解情况分析

4 结论

采用生物堆技术在青藏高原高海拔地区开展含油污泥工业化规模处置研究，历时90 d，成功对134 837.28 m2含油污泥污染区域进行了收集和处理，共计建立34座生物堆，处理历史遗留含油污泥57 000 m3。

通过向生物堆中添加微生物菌剂约3 000余t，各类营养物质（含有机肥、氮肥、磷肥等）约800余t，各类大孔隙物质约1 000 t，添加并及时补充自来水等，保证生物堆含水量始终维持在适宜于生物降解反应进行的8%～15%范围，使生物堆中微生物量由开始的较低水平能稳定保持在1.0×106～5.0×107cfu/g较高水平，生物堆温度维持在20～30℃之间，受外界影响和干扰较少，保证了生物堆的稳定运行。经过70～90 d的生物降解反应，生物堆中含油污泥含油率由处理前的2.41%～4.64%（平均值），降至处理后1%以下，满足SY/T 7300—2016《陆上石油天然气开采含油污泥处理处置及污染控制技术规范》含油率不大于2%的有关要求，达到无害化处理标准，实现了微生物修复技术在青藏高原高海拔地区的首次大规模工业化应用。