CN111589855A

CN111589855A - 修复非均质含水层石油烃污染的方法及实验装置

Info

Publication number: CN111589855A
Application number: CN202010388408.6A
Authority: CN
Inventors: 李来庆; 王雪; 郑明霞; 牟永明; 陶盈冰
Original assignee: Beijing Longtech Environment Restoration Co ltd
Current assignee: Beijing Longtech Environment Restoration Co ltd
Priority date: 2020-05-09
Filing date: 2020-05-09
Publication date: 2020-08-28
Anticipated expiration: 2040-05-09
Also published as: CN111589855B

Abstract

本发明公开了一种修复非均质含水层石油烃污染的方法及实验装置，该方法的步骤包括：准备微生物菌群，所述微生物菌群的代谢产物包括胞外多糖和生物表面活性剂；将微生物菌群注入石油烃污染的非均质含水层；原位培养微生物菌群。在本发明的一个实施例中，通过微生物菌群原位培养能够有效提高修复剂波及范围，从而提高修复非均质含水层的石油烃污染的效率。

Description

修复非均质含水层石油烃污染的方法及实验装置

技术领域

本发明涉及修复含水层污染技术领域，更具体地，涉及一种修复非均质含水层石油烃污染的方法及实验装置。

背景技术

出现石油管道破裂、加油站储油罐泄露等情况，会造成大量的石油烃污染物进入地下含水层，因其难溶于水而以油相单独存在。石油烃污染物在含水层中聚集，难以通过自然衰减去除，从而成为长期污染源，严重威胁人类健康和生态环境。

天然地下含水层结构复杂，呈现出一定的空间结构性和变异性，含水层局部可能包含低渗透性黏土和高渗透性粗砂砾石层，使得石油烃的迁移和捕获十分复杂，导致修复效果拖尾。地层结构的非均质导致注入修复药剂过程出现“绕流”和“优先流”的现象，显著减小了修复药剂的波及范围，影响修复效果。

目前的非均质含水层石油烃污染的技术是通过表面活性剂冲洗以及聚合物调控粘度。表面活性剂通过降低油水界面张力，降低孔隙介质中石油烃的毛管力，从而增加其流动性。聚合物通过增加注入相的粘度，改善地下水的流变特性，提高药剂在含水层分布的均匀性，增强修复效果。但这两种方法对于含水层均有一定的危害性，不利于修复后地下水资源的再利用，且需要考虑与其他药剂的兼容性，成本高，操作技术要求高。

因此，需要提供一种新的技术方案，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种修复非均质含水层石油烃污染的方法的新技术方案。

根据本发明的第一方面，提供了一种修复非均质含水层石油烃污染的方法，步骤包括：

准备微生物菌群，所述微生物菌群的代谢产物包括胞外多糖和生物表面活性剂；

将微生物菌群注入石油烃污染的非均质含水层；

原位培养微生物菌群。

可选地，在所述原位培养微生物菌群后，注入修复药剂。

可选地，将微生物菌群注入石油烃污染的非均质含水层之前，对所述微生物菌群进行富集培养。

可选地，在所述将微生物菌群注入石油烃污染的非均质含水层的步骤中，注入激活剂，所述激活剂激活微生物菌群的活性。

可选地，所述微生物菌群筛选自石油烃污染海岸带。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于上述任意一项的修复非均质含水层石油烃污染的方法的实验装置，包括：水泵、第一容器、第二容器、第三容器、第四容器、非均质填砂箱、图像采集系统、图像分析系统；所述水泵分别与第一容器、第二容器、第三容器、第四容器连接，所述第一容器、所述第二容器、所述第三容器、所述第四容器的出口均与所述非均质填砂箱的入口连接；

所述非均质填砂箱内填装有模拟非均质含水层的填充介质，所述填充介质包括渗透率不同的第一渗透区、第二渗透区以及第三渗透区；

所述非均质填砂箱为透明材质，所述图像采集系统采集所述非均质填砂箱内的沿水平方向分布的信息。

可选地，所述非均质填砂箱的长度为1m，宽度为0.6m，高度为2cm。

可选地，所述非均质填砂箱设有多个测压孔，多个所述测压孔内设有压力传感器，所述测压孔至少分布于所述第一渗透区和所述第三渗透区。

可选地，所述第一渗透区包括10目-30目的填充介质，所述第二渗透区包括40目-50目的填充介质，所述第三渗透区包括60目-80目的填充介质。

可选地，还包括光源，所述光源提供光照，用于所述图像采集系统采集所述非均质填砂箱内的信息。

根据本发明的一个实施例，通过微生物菌群原位培养能够有效提高修复剂波及范围，从而提高修复非均质含水层的石油烃污染的效率。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是本公开一个实施例中的实验装置的结构示意图。

图2是本公开一个实施例中的非均质填砂箱中填充介质的分布示意图。

图中，1为水泵，21为第一容器，22为第二容器，23为第三容器，24为第四容器，3为非均质填砂箱，31为测压孔，4为图像采集系统，5为图像分析系统，6为光源，71为第一压力表，72为第二压力表，8为锥形瓶，91为第一渗透区，92为第二渗透区，92为第三渗透区。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

提供了一种修复非均质含水层石油烃污染的方法，步骤包括：

将微生物菌群注入石油烃污染的非均质含水层；

原位培养微生物菌群。

在该实施例中，微生物菌群在非均质含水层中原位培养会代谢胞外多糖以及生物表面活性剂。胞外多糖能够附着使高渗透区的孔隙减小，从而减小渗透率，改善高渗透区产生的修复剂发生优先流现象，使修复剂能够有效修复高渗透区的石油烃污染。低渗透区会聚集大量石油烃污染物，微生物菌群在油水界面聚集，代谢产物生物表面活性剂能够减小油水界面张力，从而增加石油烃的流动性；并且微生物能过吸附在固体颗粒表面，增加了固体颗粒的湿润性，从而减小固体颗粒对石油烃的吸附能力，能够改善注入的修复剂产生绕流现象。这样注入含水层的修复剂就能够有效地修复低渗透区的石油烃污染物。该方法中通过微生物菌群原位培养能够有效提高修复剂波及范围，从而提高修复非均质含水层的石油烃污染的效率。

生物表面活性剂可以包括糖脂、多糖脂、脂肽或中性类脂衍生物等，例如可以包括鼠李糖脂，鼠李糖脂能够减小油水界面的张力，增加了石油烃的流动性。从而在注入修复药剂后，能够使修复药剂的作用范围更广，提高修复能力。

在一个实施例中，在所述原位培养微生物菌群后，注入修复药剂。

原位培养微生物菌群后，微生物菌群会繁殖更大量的微生物，并且微生物会在原来注入的分布范围基础上扩大在含水层的分布。微生物产生的胞外多糖以及生物表面活性剂能够有效地在石油烃污染的更大的区域起到作用。原位培养微生物菌群后，再注入修复药剂能够有效提高修复剂的修复效果。

在一个实施例中，在所述将微生物菌群注入石油烃污染的非均质含水层之前，对所述微生物菌群进行富集培养。地下水的石油烃污染分布广泛，需要对这些区域进行修复，修复需要大量的微生物菌群。对微生物菌群进行富集培养能够提供更多的微生物注入石油烃污染的非均质含水层，更多的微生物在石油烃污染的非均质含水层作用，提高了微生物分布的密度，从而提高微生物的作用效果。可以在更大的范围内分布微生物菌群，有效地提高了修复剂的作用范围。

在一个实施例中，在所述将微生物菌群注入石油烃污染的非均质含水层的步骤中，注入激活剂，所述激活剂激活微生物菌群的活性。

激活剂激活微生活菌群的活性，能够提高微生物菌群的代谢，从而增加更多的代谢产物以及微生物的活动能力。更多的胞外多糖和生物表面活性剂能够提高解决非均质含水层中产生优先流和绕流问题的效率。

在一个实施例中，所述微生物菌群筛选自石油烃污染海岸带。

石油烃污染的海岸带生长的微生物菌群能够适应石油烃污染的水质，石油烃污染不会对该微生物菌群的生长造成影响。

上述各实施例中的修复非均质含水层石油烃污染的方法，适用于非均质含水层环境，解决了非均质含水层渗透率不均匀产生的优先流和绕流问题，扩大后续注入药剂的波及范围，具有操作简单、成本低、二次污染小的特点。

根据本公开的第二方面，如图1，图2所示，提供了一种用于上述任意一实施例中的修复非均质含水层石油烃污染的方法的实验装置，如图1所示，该实验装置包括：水泵1、第一容器21、第二容器22、第三容器23、第四容器24、非均质填砂箱3、图像采集系统4、图像分析系统5；所述水泵1分别与第一容器21、第二容器22、第三容器23、第四容器24连接，所述第一容器21、所述第二容器22、所述第三容器23、所述第四容器24的出口均与所述非均质填砂箱3的入口连接；

所述非均质填砂箱3内填装有模拟非均质含水层的填充介质，所述填充介质包括渗透率不同的第一渗透区91、第二渗透区92以及第三渗透区93；

所述非均质填砂箱3为透明材质，所述图像采集系统4采集所述非均质填砂箱3内的沿水平方向分布的信息。

在该实施例中，通过该实验装置能够准确测试出微生物菌群对修复非均质含水层石油烃污染物的作用效果。图像采集系统4采集非均质填砂箱3的沿水平方向分布的信息，能够避免重力作用对实验的影响。

第一渗透区91、第二渗透区92以及第三渗透区93在至少水平方向上有不重合的分布区域。在一个例子中，如图2所示，第一渗透区91、第二渗透区92以及第三渗透区93在水平方向上分布在不同区域，方便图像采集系统4采集信息。

在非均质填砂3的入口可以设置第一压力表71，用于监测注入非均质填砂箱3内的液体的压力，避免注入压力过大破坏填充介质的分布。可以在非均质填砂3的出口设置第二压力表72，用于监测流出非均质填砂箱3的压力。在非均质填砂3的出口后可以连接收集装置，用于收集流出非均质填砂箱3的物质，避免流出的物质污染实验环境，同时还可以收集流出的物质用于实验分析。收集装置可以为锥形瓶8。

在一个实施例中，所述非均质填砂箱3的长度为1m，宽度为0.6m，高度为2cm。非均质填砂箱3的高度方向为重力方向，将长度方向和宽度方向设置在水平方向上。该尺寸的非均质填砂箱3使填充介质沿水平方向分布，在实验中注入的物质是沿水平方向分布扩散，以水平方向上的分布扩散进行数据分析，能够有效避免重力对注入的物质分布扩散的影响导致的实验数据不准确的问题。例如，微生物菌群对修复剂的分布扩散的影响可以通过水平方向上的变化得出，避免了对竖直方向上的分布扩散数据的分析掺杂这重力的影响。

透明材质的非均质填砂箱3能够方便观察内部的微生物的运动情况以及分布情况。

在一个实施例中，所述非均质填砂箱3设有多个测压孔31，多个所述测压孔31内设有压力传感器，所述测压孔31至少分布于所述第一渗透区91和所述第三渗透区93。通过测压孔31内设置的压力传感器感测实验不同阶段的压力，从而比较微生物菌群作用前后对第一渗透区91和第三渗透区93的作用效果，以的出实验数据和结论。

在一个实施例中，所述第一渗透区91包括10目-30目的填充介质，所述第二渗透区92包括40目-50目的填充介质，所述第三渗透区93包括60目-80目的填充介质。通过不同目数的石英砂模拟出不同渗透区的性质，能够给实验提供准确有效的模拟环境，提高实验的准确度。石英砂选材方便，成本低，降低了实验的难度和成本。

可以在非均质填砂箱3的入口和出口均设置多孔筛板和尼龙网，从而避免非均质填砂箱3内的石英砂流失。

在一个实施例中，该实验装置还包括光源6，所述光源6提供光照，用于所述图像采集系统4采集所述非均质填砂箱3内的信息。

在该实施例中，光源6提供光照照向非均质填砂箱3.非均质填砂箱3为透明材质，光照能够提高图像采集系统4采集到的非均质填砂箱3的图像清晰度，有助于采集准确的实验数据。

以该实验装置对微生物菌群修复石油烃污染物的方法进行了实验，如下：

本实验装置可以在0-5MPa的条件下进行，本实验的条件为2MPa，温度为25℃。

选用的微生物筛选自石油烃污染海岸带，耐盐耐压，能够代谢产生胞外多糖和生物表面活性剂。具体地，取石油烃污染海岸带的油水混合物，加入LB培养基，放入高压容器中，通过液压增压，维持培养压力在1MPa-5MPa之间。将LB培养基置于170r/min，30℃摇床中培养，每天镜检观察微生物活性。根据同源性分析，该菌群中主要存在Pseudomonas，Geobacillus，Hyphomonas，Pusillimonas，Thauera，Empedobacter。该菌群具有耐盐耐压特性，离子矿化度范围为4000mg/L-50000mg/L，可承受压力为1MPa-5MPa，能够代谢产生生物表面活性剂和胞外多糖。

LB培养基的成份包括：蔗糖-40g/L，酵母粉-5g/L，蛋白胨-3.0g/L，NaCl-5.0g/L，K₂HPO₄-3g/L，PH约为7.0。

非均质填砂箱3内的填充介质高度为0.2cm-0.5cm。

将10目-20目和20目-30目的石英砂作为第一渗透区91、40目-50目的石英砂作为第二渗透区92、60目-70目和70目-80目的石英砂作为第三渗透区93填入所述非均质填砂箱中。第一渗透区91的渗透率＞第二渗透区92的渗透率＞第三渗透区93的渗透率，第一渗透区91模拟高渗透区，第三渗透区93模拟低渗透区。

通过第一容器21向非均质填砂箱3内注入2.0PV-3.0PV的地下水，注入速度为0.5mL/min-1.0mL/min。注入地下水的过程中，每隔1h记录压力传感器的数值，并计算出初始渗透系数。

通过第二容器22向非均质填砂箱3内注入石油烃污染物，注入速度为0.5mL/min-1.0mL/min，注入到非均质填砂箱3的出口有石油烃污染物流出后停止注入；非均质填砂箱3的入口和出口可以位于水平方向上的两个侧面上，从而使注入的物质沿水平方向扩散流动。

通过第三容器23向非均质填砂箱3内注入包括微生物菌群的菌液，注入量为2.0PV-3.0PV，注入速度为0.4mL/min-1.2mL/min。在菌液内混入激活剂，用于激活微生物菌群。注入的过程中每隔1h记录压力传感器的数值，并计算得到中间渗透系数。

对菌液中的微生物菌群使用无生物毒性的染色剂染色，并通过图像采集系统4采集微生物菌群的分布数据，通过图像分析系统5计算波及范围。

关闭非均质填砂箱3的入口和出口，对微生物菌群进行15d-20d的培养。培养过程中继续使用图像采集系统4采集微生物菌群的生长情况。

培养完成后，通过第四容器24向非均质填砂箱3内注入蒸馏水。注入速度为0.5mL/min-1.0mL/min。使用无生物毒性的染色剂染色蒸馏水，通过图像采集系统4采集蒸馏水的分布数据。通过图像分析系统5计算波及范围。在注入蒸馏水的过程中，每隔1h记录传感器的数值，并计算得到最终的渗透系数。

通过实验得出表1和表2的数据：

表1：不同粘度石油烃污染物对非均质含水层渗透系数的影响

表2：不同菌液注入速度对非均质含水层渗透系数的影响

从表1和表2看出，微生物原位培养能够减小介质整体渗透系数，显著扩大后续注入药剂的波及范围。后续药剂波及范围受石油烃污染物粘度和菌液注入速度的影响。对于10mPa·s–200mPa·s(20℃)的石油烃污染，微生物原位培养能够减小渗透系数30.3％–56.2％，但扩大波及范围8.13％–31.27％。当菌液注入速度为1.0mL/min，微生物原位培养后渗透系数从3.71×10-2cm/s减小到2.17×10-2cm/s，但波及范围扩大了19.95％，效果最佳。

原位培养期间，由于低渗透层处聚集大量石油烃污染物，微生物在油水界面处聚集，代谢产生表面活性剂，增加石油烃流动性；微生物吸附在固体颗粒表面，改变润湿性，减少其对石油烃的吸附，改善低渗透层的绕流现象；微生物在高渗透层处聚集，并代谢产生胞外多糖，减小渗透率，改善高渗透层的优先流现象，扩大后续注入药剂的波及范围，从而提高修复效率。

上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims

1.一种修复非均质含水层石油烃污染的方法，其中，步骤包括：

将微生物菌群注入石油烃污染的非均质含水层；

原位培养微生物菌群。

2.根据权利要求1所述的修复非均质含水层石油烃污染的方法，其中，在所述原位培养微生物菌群后，注入修复药剂。

3.根据权利要求1所述的修复非均质含水层石油烃污染的方法，其中，将微生物菌群注入石油烃污染的非均质含水层之前，对所述微生物菌群进行富集培养。

4.根据权利要求1所述的修复非均质含水层石油烃污染的方法，其中，在所述将微生物菌群注入石油烃污染的非均质含水层的步骤中，注入激活剂，所述激活剂激活微生物菌群的活性。

5.根据权利要求1所述的修复非均质含水层石油烃污染的方法，其中，所述微生物菌群筛选自石油烃污染海岸带。

6.一种用于权利要求1-5中任意一项所述的修复非均质含水层石油烃污染的方法的实验装置，其中，包括：水泵、第一容器、第二容器、第三容器、第四容器、非均质填砂箱、图像采集系统、图像分析系统；所述水泵分别与第一容器、第二容器、第三容器、第四容器连接，所述第一容器、所述第二容器、所述第三容器、所述第四容器的出口均与所述非均质填砂箱的入口连接；

7.根据权利要求6所述的实验装置，其中，所述非均质填砂箱的长度为1m，宽度为0.6m，高度为2cm。

8.根据权利要求6所述的实验装置，其中，所述非均质填砂箱设有多个测压孔，多个所述测压孔内设有压力传感器，所述测压孔至少分布于所述第一渗透区和所述第三渗透区。

9.根据权利要求6所述的实验装置，其中，所述第一渗透区包括10目-30目的填充介质，所述第二渗透区包括40目-50目的填充介质，所述第三渗透区包括60目-80目的填充介质。

10.根据权利要求6所述的实验装置，其中，还包括光源，所述光源提供光照，用于所述图像采集系统采集所述非均质填砂箱内的信息。