基于复合微生物制剂的生物堆置处置研究

陈超

(中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司 技术检测中心,山东 东营 257000)

随着工业化进程的不断推进,世界各国对石油的开采量不断攀升。由于开发的历史性问题,环保意识相对薄弱,开采工艺相对落后,防渗技术不达标,缺乏有效的环境保护措施及设备的环境、运输、贮存、炼化等环节存在跑、冒、滴、漏等现象,在原油开采区域、输油管道附近、储油罐区域、炼化厂区内存在由于倾撒、遗留等造成土壤地下水相关检测指标超标现象[1]。残存的烃类物质,不仅影响了土壤的颜色和气味,还可能造成土壤有机质结构及组成的变化,减少植物所需的氮、磷、钾相关元素的含量,植物的根系得不到充足的营养,继而死亡[2]。同时由于烃类物质的黏稠性,降低了土壤的孔隙度与通透性,导致原有微生物群落发生变化。而且原油的开采、运输及炼化还可能造成区域土壤及地下水中重金属及离子浓度发生变化,进一步带来区域环境风险。

近年来,生物修复的优点正不断体现出来,较好地弥补了化学修复与物理修复的次生污染、成本高、耗费人力物力等缺点[3]。利用微生物自身代谢降低含油土壤的烃类物质,逐渐成为现在土壤修复手段的研究热点[4]。利用微生物修复含油土壤,因其最终产物主要是二氧化碳、水、盐类等物质,其不带来新的污染,环保、无公害。微生物本身适应性强,可以处理的有害物质种类多,浓度范围广,具有很好的环境适宜性[5]。微生物繁殖能力强,同时具有制备成本低、修复过程中土壤扰动小、不耗费过多的人力物力等优点。

微生物修复主要有生物强化、生物刺激等手段。其中生物强化是加入了具有高效降解能力的外源菌;生物刺激指的是加入磷源、氮源、氧气等微生物代谢等所需的营养物质,营造其适宜繁殖代谢的必要环境,加快代谢降解活动的发生[6]。

微生物修复在石油污染土壤中的应用由来已久,当人们在发现微生物具有降解有机污染物这个特点之后,微生物治理污染便被人们应用开来。Vecchioli等[7]分离出含油土壤中的本源微生物,Volkering等[8]耗时多年对不同种微生物对含油土壤中特定污染成分的治理能力进行了研究,丁克强等[9]在国内率先对微生物生长环境对微生物降解效率的影响展开了研究,Das等[10]研究了含油土壤含量对土壤微生物呼吸作用的影响,Mcmillen等[11]研究了不同营养元素的比例对含油土壤微生物降解速度的影响。含油土壤的微生物修复主要是通过改善土壤环境,如含氧量、营养物质、pH值等来培养本源微生物对污染物进行降解,这也是微生物修复法的主要影响评价体系。但是有时本源微生物不能有效降解污染物时,也可以人工添加培养的菌株来达到修复的目的。

XX地区存在含油土壤区域,随着生物技术的不断进步,人们开始将生物技术引入到石油污染修复的工作中来,因其具有操作方便、成本低、不产生二次污染、治理效果好等多种优点,在现代含油污染修复工程里,生物修复技术较物理、化学修复技术的应用越来越广泛。技术人员针对XX地区实际,利用已研制出的能够对含油土壤进行原位修复的土著菌剂,通过生物堆小试试验探究微生物生长、降解石油的影响因素,并找到微生物的最佳生长条件。

1 单因素实验研究

根据文献研究表明,在微生物修复过程中,提供微生物代谢降解所需的共代谢底物或电子受体,同时还有研究表明加入分散剂或表面活性剂提升石油烃在系统中的溶解度不断增强生物可利用性,有利于提升修复效果[12]。

本次室内试验选择含水率、温度、pH值、翻耕频率、菌剂、锯末、NH4NO3、CaCl2、MgSO4投加量进行单因素实验,实验土壤石油烃含量均为4.64%,使用SPSS20.0软件做单因素方差分析,研究生物刺激各项因素对提高白腐真菌修复的差异性和显著性;选择单因素条件的最优参数配合白腐真菌对含油土壤进行修复,核算35 d对石油烃的降解率。

2 单因素实验结果与讨论

不同因素对降解率的影响如图1～9所示。

图1 菌剂投加量的影响

图2 含水率的影响

图3 温度的影响

图4 pH值的影响

图5 菌棒+锯末的影响

图6 翻耕频率的影响

图7 添加NH4NO3的影响

图8 添加CaCl2的影响

图9 添加MgSO4的影响

3 生物堆置处置混合参数实验验证

混合参数实验的设计如表1所示。

表1 各试验点测试周期的参数

参数不同,石油烃降解率随时间变化如表2所示。由结果可知:菌剂的加入对石油烃的降解效果影响最大,未加入菌剂20 d的去除率几乎无变化。

表2 生物堆小试石油烃降解率

4 结论

通过对微生物对含油土壤修复效果分析,以及对影响微生物降解效果因素的分析试验研究,可以得出以下结论:

1)菌剂含量:菌剂含量对含油土壤修复影响较大,菌剂含量越多,修复效果越好;

2)含水率:含水率对细菌和真菌的生长代谢有着重要的作用,在含水率较低时提高含水率有利于降解,但水分含量过高,孔隙基本被水占据,不利于修复,最佳含水率为30%～40%;

3)温度:石油烃的降解性能随降解温度的提高而增加,温度在25～35 ℃时,修复效果较好;

4)pH值:pH值影响微生物降解效果,石油烃的降解趋势随pH值的增加呈抛物线形状,在pH值为6.8时达到最佳去除效果,菌剂在中性条件下的除油效果最好,但相较于酸性条件下菌剂的低除油率,微生物更能抵抗碱性环境;

5)菌棒+锯末:适宜的菌棒+锯末添加量有利于增强土壤透气性,提供微生物附着点,增强含油土壤修复效果;

6)翻耕频率:提高翻耕频率有利于刺激并加快微生物降解石油烃;

7)NH4NO3:NH4NO3促进修复含油土壤,但其含量达到一定数值时,再增加其含量不会促进降解,相反随着添加量的增加石油烃的降解效果反而会下降,NH4NO3质量分数为1.0 g/kg的条件下微生物的修复效率最高;

8)适量的无机盐有利于微生物除油,但不宜过量,钙镁无机盐分别在130和250 mg/L时的除油效果最好。

综上,由室内生物堆置处置混合参数实验可以得知,菌剂的加入对石油烃的降解效果影响最大,未加入菌剂20 d的去除率不到10%,使用菌剂进行现场修复是可行的。