CN109926440B

CN109926440B - 一种工程菌-植物联合修复废弃油基钻井液沉积物的方法

Info

Publication number: CN109926440B
Application number: CN201910253434.5A
Authority: CN
Inventors: 苏俊霖; 秦祖海; 闫璇
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2021-06-25
Anticipated expiration: 2039-03-29
Also published as: CN109926440A

Abstract

一种工程菌‑植物联合修复废弃油基钻井液沉积物的方法，先将清洁土壤与废弃油基钻井液沉积物制成混合土壤；将植物预种植20天；在混合土壤中加入两种工程菌及NH₄NO₃、KH₂PO₄和表面活性剂；然后种植植物30～300天，在种植后的7～10天内，将NH₄NO₃固体粉末和KH₂PO₄分别配制成浓度为0.05～1.2mg/kg、0.05～1.5mg/kg的水溶液，并均匀喷施到土壤中，喷施量为1m³的混合土壤喷施0.5～2.0L的水溶液。本发明能够解决现有技术处理效率低、容易造成二次污染的问题。

Description

一种工程菌-植物联合修复废弃油基钻井液沉积物的方法

技术领域

本发明属于废弃钻井液处理领域，具体涉及一种工程菌-植物联合修复废弃油基钻井液沉积物的方法。

背景技术

在页岩气开采过程中，由于水基钻井液还不能完全解决钻探过程中遇到的各种问题，而油基钻井液可以有效的减少岩屑脱落、预防井垮塌等井下事故，因此在钻井时被广泛的应用。目前国内的绝大多数页岩气井采用油基钻井液，随着页岩气勘探开发的快速发展，油基钻井液因此也大量的被使用，使用油基钻井液过程中产生大量废弃油基钻井液带来的环境污染问题也成为各大油气田企业的难题。

废弃油基钻井液沉积物的组成成分极其复杂，含有大量的石油及重金属元素，这些废弃油基钻井液沉积物需要处理到国家规定的排放标准才能排放到环境中，否则会造成周围土地及水体的严重污染，尤其在生态环境脆弱地区，废弃油基钻井液沉积物直接排放会带来更加严重的环境问题。废弃油基钻井液沉积物中含有多环芳烃、苯系物、蒽芘类这些使人致癌、致畸、致突的有害物质，废弃油基钻井液沉积物中的镉(Cd)是环境中生物毒性最强且持久的重金属，不经过处理合格后排放也会对人类的健康构成威胁。目前废弃油基钻井液沉积物处理可以参考的方法有填埋法、焚烧法、调质－机械分离处理工艺、溶剂萃取法、热解技术、化学热洗法、电化学处理技术等传统的物理方法和化学方法，传统的物理与化学方法虽然工艺较为成熟，但存在经济效益不理想和整体利用率较低等问题，而且很容易造成二次污染，随着国家环保政策的不断深化和国内油气公司降本增效的改革，传统的物理方法与化学方法已经难以满足现在页岩气开采现场废弃油基钻井液沉积物处理的要求。生物处理技术因具有无二次污染、可大面积使用、成本较低、处理效果理想已经在国内外石油生产及石油化工企业、研究机构及各高校进行广泛的研究与应用。目前在国内外公开报道中，大部分仅处于降解菌的选育培养筛选和最优降解环境的研究，还没有使用工程菌-植物进行页岩气开采现场废弃油基钻井液沉积物中TPH与重金属高效修复的生物处理实验研究。综上所述，研究可大面积使用、不会给环境带来二次污染、经济效益理想的页岩气开采现场废弃油基钻井液沉积物TPH与重金属镉高效修复的生物处理方法显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种工程菌-植物联合修复废弃油基钻井液沉积物的方法，解决现有技术处理效率低、容易造成二次污染的问题。

本发明采取的技术方案是：

一种工程菌-植物联合修复废弃油基钻井液沉积物的方法，包括以下步骤：

(1)将湿度为9％～60％、pH为4～9、土壤的颗粒粒度为0.005mm～1.5mm的清洁土壤与废弃油基钻井液沉积物按1:1～1:5的质量比均匀混合，制成混合土壤，静置24h；

(2)将后期需要种植的植物在该混合土壤中预先种植20天；使其根系充分的适应该混合土壤环境，也是为了更为准确的测量TPH和重金属的降解率。

(3)将步骤(2)预先种植的植物挖出放置在别处，然后在所述混合土壤中加入土壤质量0.5～4％的SQ-1工程菌、1～4％的SQ-2工程菌，混合均匀，然后加入0.5～3％的NH₄NO₃、1～3％的KH₂PO₄、0.1～3％的蔗糖酯或鼠李糖脂表面活性剂；所述SQ-1工程菌、SQ-2工程菌均为真菌和细菌的混合菌；

(4)在步骤(3)处理后的土壤中种植步骤(2)所述的预先适应了混合土壤环境的植物，种植时间为30～300天，其中，在种植后的7～10天内，将NH₄NO₃固体粉末和KH₂PO₄分别配制成浓度为0.05～1.2mg/kg、0.05～1.5mg/kg的水溶液，并均匀喷施到土壤中(分别作为氮源与磷源)，喷施量为1m³的混合土壤喷施0.5～2.0L的水溶液。

进一步的，所述SQ-1工程菌用于乳化和降解石油烃、降低石油烃生物毒性，由不动杆菌属细菌、黄杆菌属(Flavobacterium)、棒状杆菌属(Corynebacterium)、无色杆菌属(Achromobacter)、芽孢杆菌属(Bacillus)、脂肪酶、淀粉酶、蛋白酶按照1～3：1～3:0.5～3.2:0.1～3:1～3:0.3～2.0:0.5～2:1～5的质量比组成。

进一步的，所述SQ-2工程菌由鞘氨醇杆菌(Sphingobacterium)、食烷菌属(Alcanivorax)、解环菌属(Cycloclasticus)、嗜油菌属(Oleiphilus)、脂肪酶、淀粉酶按照1～3:0.2～3.5:1～3:1.5～4.5:1～2:1～3.5的质量比组成。

进一步的，在步骤(3)中还加入了0.1～1mL/kg的SQ-3工程菌，所述SQ-3工程菌由节核细菌属(Arthrobacter)、产碱杆菌属(Alcaligenes)、微球菌属(Micrococcus)、诺卡氏菌属(Nocardia)、分支杆菌属(Mycobacterium)；气单胞菌属(Aeromonas)、诺卡氏菌属(Nocardia)、假丝酵母属(Candida)按照1～2:1～4.3:0.1～2:0.1～3.5:0.2～4:0.3～2:0.2～1:0.1～3的质量比组成。

进一步的，所述植物为白皮松或东南景天。

进一步的，种植的白皮松幼苗的高度为15～25cm，株间距为15～25cm。

进一步的，在植物种植期间，土壤湿度保持在60～80％之间。

本发明的有益效果：

本发明通过工程菌和植物的联合协同作用对废弃油基钻井液沉积物进行降解修复，处理效率高且不会造成二次污染，具体的处理效果表现在(以白皮松为例)：

首先，与白皮松建立共生体系的工程菌中有芽孢杆菌属(Bacillussp.)、假单孢菌属(Pseudomonas sp.)、不动杆菌属(Acinetobacter sp.)等具有降解TPH等污染物能力的菌种，而白皮松生长过程中通过根系为微生物生长提供生活场所，向根际分泌氨基酸等低分子有机物而刺激工程菌等微生物的大量繁殖，促进TPH代谢过程中的脱氢作用、羟化作用和过氧化作用，从而使TPH污染物能够进行生物降解；

另外，工程菌可以增加白皮松根际土壤酶活性，同时，工程菌等微生物在白皮松体内或根际旺盛生长，可提高白皮松对极端温度、水分、营养条件及病原体侵染等外部胁迫的抵抗力，进而增强白皮松对污染物的降解，促使白皮松有更加优越的生长空间。

因而，这样的植物微生物联合体系促进了TPH污染物的快速降解，极大地提高了降解修复效率。

附图说明

图1白皮松和东南景天修复体系下的TPH降解率；

图2白皮松和东南景天在表面活性剂修复体系下的TPH降解率；

图3白皮松和东南景天在SQ-3工程菌修复体系下的TPH降解率。

具体实施方式

废弃油基钻井液沉积物取自西南石油局油田工程服务公司川东泥浆站，含水量较少，剔除杂物后测定PH值、TPH含量和重金属镉、铬、铅的含量，其值分别为8.3、32857.52mg.kg^-1、10.464mg.kg^-1、73.084mg.kg^-1、44.553mg.kg^-1。其中TPH含量超过《农用污泥中污染物控制标准》中的3000mg.kg^-1的标准，重金属镉的含量超过《土壤环境质量农用地土壤风险管控标准》(GB156182018)中农用地土壤风险管制值4.0mg.kg^-1的标准值。

分别测土样中含水率、PH值、TPH和重金属镉的含量。其理化性质如表1所示

表1废弃油基钻井液沉积物土样理化性质

对比例试验：

将白皮松和东南景天两种植物在废弃油基钻井液沉积物和正常农用土壤中进行栽培，在正常农用土壤中栽培的两种植物生长良好，而移栽至废弃油基钻井液沉积物中的植物第三天开始枯萎，一周后没有生长迹象。这是由于废弃油基钻井液沉积物具有失水、无营养元素、没有土壤特有的性质，不适合种植植物的原因。

实施例1

将湿度为35％、pH为8、粒度为0.005mm～1.5mm的清洁土壤与废弃油基钻井液沉积物按1:1均匀混合制备实验土样约300kg，在混合后的土样中添加SQ-1工程菌0.2mg.kg^-1、SQ-2工程菌0.1mg.kg^-1，再分别加入0.1mg.kg^-1的NH₄NO₃固体粉末与0.1mg.kg^-1的KH₂PO₄作为氮源与磷源(均以水溶的方式均匀喷施搅拌于配制土壤中)，所述SQ-1工程菌用于乳化和降解石油烃、降低石油烃生物毒性，由不动杆菌属细菌、黄杆菌属(Flavobacterium)、棒状杆菌属(Corynebacterium)、无色杆菌属(Achromobacter)、芽孢杆菌属(Bacillus)、脂肪酶、淀粉酶、蛋白酶按照1:1:0.5:1:1:0.3:0.5:1的质量比组成的混合物；所述SQ-2工程菌由鞘氨醇杆菌(Sphingobacterium)、食烷菌属(Alcanivorax)、解环菌属(Cycloclasticus)、嗜油菌属(Oleiphilus)、脂肪酶、淀粉酶按照1:2:2:2:1:1的质量比组成的混合物。

实施例2

与实施例1不同之处在于还加入了0.1mL/kg的SQ-3工程菌，所述SQ-3工程菌由节核细菌属(Arthrobacter)、产碱杆菌属(Alcaligenes)、微球菌属(Micrococcus)、诺卡氏菌属(Nocardia)、分支杆菌属(Mycobacterium)；气单胞菌属(Aeromonas)、诺卡氏菌属(Nocardia)、假丝酵母属(Candida)按照1:4.3:0.1:0.1:4:2:0.2:0.1的质量比组成。

实验的供试土壤选自西南石油大学学校校内实习实训基地往北200米处的农田，供试植物为白皮松和东南景天。分别设置不同的实验条件，在西南石油大学三期普通农田进行栽种实验，采用七个实验设计(见表2)。实验时间设置为56d，为减少废弃油基钻井液沉积物、重金属镉对移栽白皮松、东南景天根系的伤害，在向实验土壤移栽之前选择挖掘根系比较完整的植株进行移栽，移栽后生长情况良好。

表2实验条件设计

分别于播种后7、21、28、35、42、49，56d去除表约1cm的土壤，使用灭菌后的取土器采集植物根系中层的土壤样品，小心收集根系周围的土壤，称取20g土壤样品于棕色螺旋盖聚四氟乙烯瓶中，去除砂砾、植物根系等杂物后，充分混合均匀，撒在干净、不吸收水分的玻璃板上，为后续测定石油烃含量、重金属含量的测定做准备。

本实验中的含水率按照《土壤干物质和水分的测定重量法》(HJ 613-2011)进行测定；TPH含量按照《土壤石油类的测定红外光度法》测定后整理分析仪器扫描图；PH值按照《土壤理化分析》(中国科学院南京土壤研究所编)进行测定；重金属镉的含量按照《土壤质量铜、锌的测定火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 17138-1997)测定实验土壤中总镉的含量。

结果与分析

图1为种植白皮松、东南景天以及对照组的TPH含量随时间的变化情况(实验序号A、B、C)。

采用实验配制的土壤、对照组土壤在不投加任何表面活性剂以及其它外界条件的扰动下，经过56d的降解后，对照组土壤的TPH含量从16428.76mg·kg^-1下降为14166.41mg·kg^-1，降解率为13.77％，降解的主要原因是土著菌及SQ-1，SQ-2工程菌协同降解的作用。在土壤中种植白皮松对TPH的降解有一定程度的促进作用，经过56d的实验降解率为22.99％，同样条件下种植东南景天TPH的降解率为17.50％，分析原因可能是东南景天吸附土壤中的重金属从而导致对TPH的降解率相对较低。

本实验选用的废弃油基钻井液沉积物放置的时间较长，TPH中易被降解的直链烃和支链烃的含量减少，而难以降解的环烷烃等饱和烃的含量增加，实验对照组后期的TPH降解速率出现了一定程度的下降可能与这个因素有关。

图2为种植白皮松和东南景天在添加表面活性剂的情况下TPH降解率的变化(实验序号D、E)。

由图2可知，添加表面活性剂种植白皮松和东南景天都能不同程度的降解TPH，经过56天的降解处理降解率分别为30.97％和18.66％，种植白皮松在添加表面活性剂的情况下，实验的前28天降解速率为115.58mg·(kg·d)^-1，降解效果高于对照组69.26mg·(kg·d)^-1的降解速率，表面活性剂对石油污染物具有良好的增溶性，从而使吸附在土壤表面的石油污染物脱落，实现从固相介质至液相介质的转移。

图3为添加SQ-3的情况下种植白皮松和东南景天(实验序号F、G)。

从图3中可以看出，在土壤中添加SQ-3工程菌后，种植白皮松和东南景天降解TPH的效果(降解率分别为36.93％、26.31％)均优于对照降解TPH的效果。进一步比较可知，白皮松降解TPH的效果比东南景天更明显，推测可能是白皮松根系的生长能更好地改善土壤降解环境，促进土著菌及工程菌更好的催化氧化降解TPH，而且SQ-3工程菌的介入可能与土著菌、SQ-1工程菌、SQ-2工程菌形成了良好的协同降解机制。另外，白皮松向根际分泌氨基酸等低分子有机物刺激了土著菌及工程菌的繁殖，间接促进TPH污染物的根际微生物降解，也可能是白皮松降解TPH的效果比东南景天更明显的原因之一。

结论

1)实验土壤在不种植植物、不添加表面活性剂和SQ-3工程菌的条件下，经过56天的降解，对照土壤的TPH含量从16428.76mg·kg^-1下降为14166.41mg·kg^-1，降解率为13.77％，主要是土著菌、SQ-1工程菌和SQ-2工程菌协同降解的作用。单独种植植物时，白皮松对TPH的降解具有更明显的降解效果，其降解率达到22.99％。

2)种植白皮松在添加SQ-3工程菌的条件下对TPH有更明显的降解效果，降解率达到36.93％，同样条件下对重金属镉的去除率为17.52％，而且在实验后期对重金属镉的去除还有持续增长的趋势，在工程现场应用中可以考虑使用白皮松在添加SQ-3工程菌的条件下处理被TPH和重金属镉污染的场地。

3)东南景天在添加SQ-3工程菌条件下对重金属镉有明显的去除效果，56d重金属镉的去除率达到21.21％，同样条件下对TPH的降解率为26.30％。在实际应用中，能为TPH含量较高而重金属镉含量较低的污染场地提供参考性的修复意见。

Claims

1.一种工程菌-植物联合修复废弃油基钻井液沉积物的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(2)将后期需要种植的植物在该混合土壤中预先种植20天；

(3)将步骤(2)预先种植的植物挖出放置在别处，然后在所述混合土壤中加入土壤质量0.5～4％的SQ-1工程菌、1～4％的SQ-2工程菌，混合均匀，然后加入0.5～3％的NH₄NO₃、1～3％的KH₂PO₄、0.1～3％的蔗糖酯或鼠李糖脂表面活性剂；所述SQ-1工程菌、SQ-2工程菌均为真菌和细菌的混合菌；在步骤(3)中还加入了0.1～1mL/kg的SQ-3工程菌，所述SQ-3工程菌由节核细菌属、产碱杆菌属、微球菌属、诺卡氏菌属、分支杆菌属、气单胞菌属、诺卡氏菌属、假丝酵母属按照1～2:1～4.3:0.1～2:0.1～3.5:0.2～4:0.3～2:0.2～1:0.1～3的质量比组成；

(4)在步骤(3)处理后的土壤中种植步骤(2)所述的预先适应了混合土壤环境的植物，种植时间为30～300天，其中，在种植后的7～10天内，将NH₄NO₃固体粉末和KH₂PO₄分别配制成浓度为0.05～1.2mg/kg、0.05～1.5mg/kg的水溶液，并均匀喷施到土壤中，喷施量为1m³的混合土壤喷施0.5～2.0L的水溶液。

2.如权利要求1所述的一种工程菌-植物联合修复废弃油基钻井液沉积物的方法，其特征在于，所述SQ-1工程菌用于乳化和降解石油烃、降低石油烃生物毒性，由不动杆菌属细菌、黄杆菌属、棒状杆菌属、无色杆菌属、芽孢杆菌属、脂肪酶、淀粉酶、蛋白酶按照1～3：1～3:0.5～3.2:0.1～3:1～3:0.3～2.0:0.5～2:1～5的质量比组成。

3.如权利要求1所述的一种工程菌-植物联合修复废弃油基钻井液沉积物的方法，其特征在于，所述SQ-2工程菌由鞘氨醇杆菌、食烷菌属、解环菌属、嗜油菌属、脂肪酶、淀粉酶按照1～3:0.2～3.5:1～3:1.5～4.5:1～2:1～3.5的质量比组成。

4.如权利要求1所述的一种工程菌-植物联合修复废弃油基钻井液沉积物的方法，其特征在于，所述植物为白皮松或东南景天。

5.如权利要求1所述的一种工程菌-植物联合修复废弃油基钻井液沉积物的方法，其特征在于，种植的白皮松幼苗的高度为15～25cm，株间距为15～25cm。

6.如权利要求1所述的一种工程菌-植物联合修复废弃油基钻井液沉积物的方法，其特征在于，在植物种植期间，土壤湿度保持在60～80％之间。