CN1121703A - 提高石油生物补救的方法和组合物 - Google Patents

Abstract

颗粒物质，以及制备和使用此物质的方法，此物质可用于促进降解石油细菌的生长以辅助对水和潮湿土壤中泄漏石油的生物补救，它含有微生物可利用的营养物作为核心，具有含有油酸，或者硬脂酸，棕榈酸或其混合物的薄层，此薄层是亲脂的，可生物降解，此薄层可用于在施用此物质之间将营养物保留在石油中以逐渐释放给微生物。

Description

提高石油生物补救的方法和组合物

本发明涉及由水溶性营养物配方制成的颗粒物质，它被包裹在亲油性保护层混合物中，可对降解石油的微生物，如细菌、酵母菌或真菌提供缓慢生物介导的营养物的释放。本发明进一步涉及制备此物质的方法以及使用此物质达到对泄漏石油生物补救(bioremediation)的方法。

由于对石油产品不断增长的需求正赶上用油船、驳船等运输方式在海上装运石油有所增加，石油泄漏所发生的频率也在增加。由于航行失误，尤其是在恶劣气候和其它因素的存在下所引起的石油泄漏对环境可导致劫掠性的破坏。

清除这种泄漏的大量努力集中于机械法以控制和除去泄漏的石油和净化被石油污染的区域。然而这些方法并不完全令人满意，因为许多石油或不能被控制或失控。即使可被控制时，机械清除最好也是部分的。在所有的石油泄漏中，当所有净化和去除石油的最佳努力完成后，相对于绝大多数泄漏石油而言，仍有少量残留于受影响区域。

早已知道石油通过自然渗出可不断地被释放至环境中。每年全世界由这些自然渗出所释放的石油量要超出全世界由所有其它来源(即石油泄漏、油船清洗、流出等)所释放的石油烃的总量。众所周知石油的这些巨大的自然释放并不会在环境中积累，也不会对全球的生态系统造成坏。原因在于在地球的生态系统中存在有来源丰富、高度多样性和广泛分布的能降解石油烃的微生物种群。已公知运用此知识，利用可降解石油的微生物处理泄漏石油可作为生物补救的工序或方法。

生物补救的成功或效力依赖于同时存在的关键因素。第一，天然地或添加地可降解烃的微生物的存在。第二，必须有可利用的氧和水以允许微生物有代谢活性。第三，也必须有可用的足够量的生物可利用的氮和磷以使微生物种群可快速代谢可利用的石油烃。通常微生物可利用的氮和磷的量不足从而限制了对环境中泄漏石油自然生物降解的速率。已证实使用水溶性的氮和磷散布到水环境中是无效的，因为营养物可快速消散到周围的水体积中。营养物添加配方典型地遇到大量难题，包括营养物不能完全分配到油相，被包裹的物质生物降解能力差以及制备的困难和高费用。

在美国专利3,883,397中，Townsky公开了由包被有亲脂物质的营养物配方制成的颗粒物质，它可使颗粒物质悬浮于油中或油—水界面的附近。包被层由亲脂脂肪酸的镁、铝和钙盐组成，尤其是硬脂酸镁盐。

发明的一个目的是在水或潮湿土壤环境中石油泄漏发生时，将微生物可利用的必需营养物，如氮、磷和铁保留于油水混合物的油相。本发明的一个方面是以缓慢和可控的速率对微生物释放营养物。

本发明的另一目的是提供经改良的包被配方，其具有改良的亲脂、亲油和生物降解特性，它包被在颗粒营养混合物外以用于加速和促进烃降解的微生物生长。此亲脂包被的重要特征是可根据生物需要，通过降解包被层和将其部分溶解至油相有控制地释放被包裹的营养物。本发明的被包裹营养混合物优选被分配到和保留于油相。由于降解烃的微生物可利用可用的石油烃，因而可代谢包裹了必需营养物配方的包被混合物所含有的脂肪酸成分，从而可利用含有氮、磷和铁的化合物。补充使用有创造性的营养混合物可保证有充足的营养物浓度以用于培养和维持提高微生物生长。

现有技术利用含有硬脂酸金属盐如镁、钙或铝硬脂酸盐作为海水水溶性营养物的结构单一的薄层。本发明的配方使用饱和、不饱和和胺化脂肪酸混合物来形成包被层物质，此物质更易被生物降解，它所具有的改良的物理特性可使之更有效地包裹微生物的营养物，增加混合物的油相分配并降低制备的费用。

本发明的另一目的是提供包被和包裹粉末状营养混合物的方法，此制备方法包括将液化的包被/包裹配方混合并将此配方以细雾状喷射到得以与粉基营养物薄雾密切接触的密闭容器中。此方法与装备有液体添加注射器和团块减少装置(即刀片)的干燥固体混合器相比，减少了团块的量，并只需较少量有关营养物的包被配方。由于这些原因，此制备方法降低了上述产品的费用。

本发明的目的是提供包被或包裹粉基物质的方法和装置。本发明的另一目的是提供对石油泄漏使用或施用此产品以促进烃降解的微生物生长方法。

本发明提供了颗粒物质以促进可降解石油的细菌的生长。每种营养物质颗粒含有微生物可利用的水溶性营养物核心，它选自形式为铵化合物的氮，形式为微生物可利用的磷酸盐化合物的磷，铁化合物形式的铁。营养物核心的包裹层由油酸和选自硬脂酸、棕榈酸及其混合物的羧酸的亲油性可生物降解的包被层构成。油酸与所选择羧酸重量比范围为70∶30至30∶70时为最佳。

本发明也提供了制备经包被的营养物质的方法，它包括将微生物营养物的混合在一起作为干燥成分并将它们碾成足以穿过40号筛孔的粉末。包被混合物由商品级硬脂酸和油酸制备，优选重量比为40∶60。通过加热至100℃使包被混合物融化并重新固化以形成均一的混合物，在100℃下重新融化。冷却至65℃，包被物可与营养物以90％营养物对10％包被物的重量比相混合。

本发明进一步提供了使用或施用经包被的营养物以促进微生物生长来转化石油油花的方法。此物质应尽可能快地施用于泄漏石油以进行微生物的生长。优选的剂量是每桶泄漏石油10至15磅。

此物质可在48至96小时的时间间隔范围内重新被使用。此应用可通过任何包括，但不局限于，喷雾、洒粉末和从飞机上投放的常规方法来实现。

为达到具有上述特征，优点和目的的本发明的方法，并可详细理解之，对上文简述的本发明更专门的描述可参见在附图中被阐明的实施例。

然而应指出，附图仅阐明本发明典型的实施例，因此不能认为它限制了本发明范围，因为本发明也承认其它同样有效的实施例。

图1表示根据本发明公开所述的程序步骤方框图；和

图2表示制备复合物物质的反应室的剖面图。

在几乎所有的天然水体中都可发现能降解石油烃的微生物，在特定的泄漏区域存在的微生物其精确类型可能会有很大差别，但都保持降解石油的能力。降解石油的微生物的基本营养物需求与微生物通常的基本组成大致相同。构成微生物组分48％的碳得自重量由轻至重的石油油花；C₇至C₈₀焦油。然而所要保持的生长所必需的基本物质必须由周围的水或补充的营养源提供。如果这些其它营养物，特别是氮、磷、硫、镁、钾、钙和钠的供应贫乏，那么微生物种群将不再生长。当大量石油泄漏至水体时，必须供给基本营养物以维持微生物的生长。此时，微生物可利用的营养物的量是泄漏石油补救的限制因素。促进降解石油细菌生长的营养物配方的例子具有下列典型配比：以

占重量94％的硫酸铵〔(NH₄)₂SO₄〕作氮源；

占重量5％的磷酸氢二钾〔K₂HPO₄〕或其替代物如磷酸二氢钾〔KH₂PO₄〕或磷酸氢钙〔CaHPO₄〕，磷酸二氢钙〔Ca(H₂PO₄)₂〕或正磷酸钙〔Ca₃(PO₄)₂〕；和

占重量1％的硫酸铁〔FeSO₄〕或替代物7水硫酸铁〔Fe-SO₄·7H₂O〕

配方的一例是94∶5∶1，而另一例是90∶8∶2。根据水中存在的微生物的特定类型，泄漏石油的组成和每种营养源目前的费用可改变营养物的精确配方。营养物配方以干燥成分混合在一起，并碾成足以通过美国标准40号筛孔的粉末。

为了防止所使用的这些水溶性营养物快速稀释，可使用亲脂和亲油的非水溶性包被层。此包被层对于在需要维持细菌生长的油相中维持营养物质至关重要，此层在使用期间逐渐释放营养物也很重要。包被层在油相中的部分溶解和由微生物引起的包被层生物降解会影响营养物的释放速率。当包被层变成有穿孔时，水溶性营养物的内部核心就会完全溶解。以这种方式，所制备的经包裹的营养物通过生物介导的需求可长期使用。

包被层由下列混合物组成：

占重量30—70％的硬脂酸〔CH₃(CH₂)₁₆COOH〕，包括商用制品如EMERSOL 132，PROMULSIN或PROVIS-COL WAX，或棕榈酸〔CH₃(CH₂)₁₄COOH〕或其混合物；和

占重量30—70％的油酸〔CH₃(CH₂)₆CH₂CH₂(CH₂)₆COOH〕。

可在此混合物中任意添加约占确2—5％的硬脂酰胺〔CH₃(CH₂)₁₆CONH₂〕，棕榈酰胺〔CH₃(CH₂)₁₄CONH₂〕或油酰胺〔CH₃(CH₂)₇CH＝CH(CH₂)₇CONH₂〕以延长营养物释放的时间并额外增强包被层混合物自身的营养物利用能力。

将包被层配方成分混合在一起，加热至100℃以融化，然后冷却以产生均一的固体混合物。使用前在100℃下重新融化包被混合物以得到调匀的流动液体，然后将包被层冷却至约65℃以使之施用于营养物时可快速固化。可用至少两种方法制备经包裹的颗粒混合物。使用常规制备法时，包被层物质以液体形式加入干燥固体混合器中，同时营养物得以混合，此方法中适当的干燥固体混合器是ROSS制造厂制备生产的RROSS ribbon混合器。有必要在ribbon混合器中装备刀片附属装置以减少混合过程中形成的团块。将包被层配方以占重量10％的比率加入营养物中以保证充足的包裹。经包被的营养混合物必须从混合器中移出并通过美国标准20号筛孔以除去结成团块的物质，被筛下的物质再与1至1.5％的无定形二氧化硅或任何其它标准的抗结块剂重新混合以保持本发明自由流动的特性。

制备本发明的第二种方法是新的制备方法，详见图1。经混合和碾成粉末的营养物以雾状被喷射到容器内。包裹薄层也被雾化并以微粒大小的薄雾形式被喷射到与粉末状营养物接触的容器中并在其中固化。进行此制备方法的装置示于图2。新的制备方法的优点是减少了团块的形成，减少了通过筛孔筛选混合物的时间和费用。此装置也可被设计成连续流动的机器，原料成分从机器一端进入，基本完成的产品从另一端出来。可在经包被的产品中加入抗结块剂，如无定形二氧化硅以保持产品的流动性。

下文将描述包被装置的功能是如何进行的。反应室10是一竖式容器，混合物在此制备。气流喷嘴12和14可为混合区16提供稳定的温暖空气流。温暖的空气可帮助调节混合区16的温度以获得营养物的适当包被以及决定粉末营养物在混合区所保留的时间。粉末营养物通过喷嘴18以悬雾的形式喷射到混合区16中。然后将营养物薄雾与从喷嘴20喷射入混合区16的热的液化包裹层接触以形成完全或部分被包裹的混合物。

混合物可被制成粉末或片剂，制备粉末混合物时，气体或空气流从喷嘴12中直接朝下喷以使营养物在混合区16中只停留较短时间。制备片状复合物时，气体或空气流从喷嘴14中直接朝上喷入混合区16中，反应室10顶部通过空气减压阀17和19出来，气体朝上的流动可提供上提力或气垫以使营养物保留于混合区16中，直至团块被充分包被，重量有所增加。一旦片剂达到特定的重量，重力将大于气体上提力，片剂将会落下。

当混合物从反应室10中落下时，它将穿过冷却区22，通过驱动冷却气体或空气穿过喷嘴24并朝下穿过分配器26可使冷却区22冷却。当混合物开始与冷却气体接触时，包被层即可固化。

再将制好的复合物质穿过圆锥形限制器28至收集装置30中，典型地为一粉末收集器，可将混合物收集于其中以备使用。从连接管道32至袋状滤网34空气压力有所降低。

在制备此复合物的可替换的方法中，通过将包裹层配方溶解于快速挥发的溶剂中，可使包裹层与雾状营养物接触。以这种方式，溶解的包被混合物可沉积于基粉的表面。

使用常规的粉末喷洒装置，无需预混合或稀释即可对泄漏石油施用复合物产物。也可通过手工撒布、粉末吹喷或飞行器施用此产品。长期贮存后会形成软的团块，但通过机械混合很容易打散。

对开放水系的石油泄漏最初施用量为每桶泄漏石油5—15磅产品(每立方米泄漏石油大约用14—43千克)，但每次施用量不应超过每英亩表面积250磅(每公顷280千克)。泄漏后应尽可能早地对泄漏石油施用此产品以刺激野生的利用石油的微生物群以使其生物降解能力最大化。以48—96小时间隔继续施用此产品直至石油被完全耗尽。精确的时间间隔和每英亩所用产品的重量所依赖的因素是如通过清除活性减少石油的小平、通过挥发的自然损耗水平，石油微滴的形成，扩散和组成，所存在的细菌类型和微生物活性。对泄漏石油施用这种新产品并不能有效改变泄漏石油的物理粘度，它不会对常规的清除活性有不利影响，常规的抑制和清除活性也不会对经包被的营养物产品有不利地损害。

对潮湿土壤石油泄漏施用此产品应限制于石油污染区域，对石油浓度量的最佳可能的估计可算出此时应使用的产品量，建议对每桶泄漏石油施用10—25磅产品(每立方米泄漏石油约为28—71千克)，但不应超出每英亩250磅(每公顷280千克)。通过使用粉末发送装置可将此产品直接施用于石油污染区域。此产品应直接施用于任何可见石油，所有可见石油应被薄薄地覆盖一层。通常，优选答案在一次大量施用后连续处理。连续施用的时间间隔为一周或两周。在石油尚未形成阻止营养物产品融合进石油层本身的坚硬外壳时，此产品最有效。

对海滩泄漏石油施用此产品应直接在每桶泄漏石油上加15—30磅产品(每立方米泄漏石油大约为43—86千克)。在泄漏石油与沙粒或海滩圆石相混的地方，产品应直接喷洒在污染区域，如有可能应与海滩物质相混合。此时施用量应增加到每英亩300磅(每公顷约为336千克)。

由于营养物质经常施用于含有鱼类和其它野生生物的区域，因而营养物质的低毒性很重要。为了避免大多数毒性问题，所施用的营养物质的量不要超过每英亩300磅(每公顷约为336千克)。

为了确证此物质的效力和毒性，将进行下述实验室试验。

实施例1：通过处理经营养混合物处理的人工风化原油可评价生物降解的潜能，保留相同的未经处理的对照以作比较。

在双室连续流动反应室中使用经过滤的来自Galve-ston海湾的天然海水(搜集于Texas A & M University，Pelican Island Marine Station)进行分析。在实验过程中，以每分钟40毫米持续交换海水，而不用再循环。将海水维持在盐度为33ppt，温度为29℃，约为Galveston海湾的夏季状况。将25毫升石油加入室中以得到厚度为1.225毫米的石油表层，它等同于每英亩30.6桶石油(每公顷约为12立方米石油，假定石油的分布一致。石油是从Alaskan PrudhoeBay原油中制备的，在施用于水之前用空气喷射4小时，在处理前使之在水上散布12小时。

然后用包被有0.018克油酸和0.012克硬脂酸混合物的含有0.256克(NH₄)₂SO₄，0.011克KH₂PO₄和0.003克FeSO₄·7H₂O的0.30克营养混合物处理石油。用起泡器以每分钟250毫升空气的速率给反应容器持续通气。48小时后，使用仅为首次施用量一半的营养混合物再次施用。

通过表层石油附着到玻璃纤维平盘上(每个平盘为0.633cm²，每个样品共有5个平盘，可测出表层石油存在的量。然后用GC级二氯甲烷(Burdick和Jackson，得自BasterScientific，Inc.)抽提平盘上附着的石油。样品由M.B.A.Labs，Houston Tenas通过使用带有火焰电离检测的气来分析。此分析局限于C₁₅或更高的重烃以及石油烃的总重量。

表I：此表包括表层石油(mg/cm²的薄膜区域)的总烃量在对照和加入了营养混合物的样品之间的比较结果。

时间(小时)	对照	营养混合物
			0	20.6	18.4
26	13.6	6.5(53.5％)
			32	14.8	6.0(45.4％)
48	10.5	2.8(29.9％)
			72	4.1	1.6(43.7％)
240	5.1	2.3(50.5％)

圆括号中的百分数是每个时间中经处理和未经处理的石油减少的相对百分数。

实施例2：如实施例1所述制备营养混合物和包被层，使用Mysidopsis bahia和Cyprinodon variegatas通过48小时的急性静电恢复生物检测可测定产品的毒性，它以暴露于不同稀释度产品的有机体存活率的降低来表示，所按照的是E.P.A./600/4—85/013的试验草案。所有生物体被维持于室温下，白天/黑夜的循环为16/8。从Tropic Marine Syn-thetic Sea Salt制得稀释水，在用于试验之前通气24小时，试验在600ml已用稀释水漂洗过的聚丙烯diSpo烧杯中进行。将10只Mysidopsis bahia生物体放入深度为5cm的200ml稀释水中，10只Cyprinodon variegatus生物体放入深度为9.5cm的500ml稀释水中。在更新水之前，测量溶解氧，pH，导电性和盐度，碱度、硬度。由E.P.A.提供的CdCl可用作Mysidopsis和Cyprinodon生物体的参考毒物。试验中所用的Mysidopsis和Cyprinodons都得自Aguatox，Inc.，在试验时约为27天龄。每隔一小时加入300ml合成的新鲜水以使两批生物体适应适当的盐度，直至试验开始。对这两批生物体而言，用于试验前盐度是千分之十一，在试验开始将水和样品的温度维持于24℃，在开始更新水之前试验进行了23小时，此试验1小时后结束。

E.P.A.用于计算数值的概率分析程序，版本1.4中提供了下述结果：

Mysidopsis bahia EC₅₀＝0.12g/l(＞300磅/英亩)

            CdCl EC₅₀＝118.5ug/l

Cyprinodon variegatus EC₅₀＝0.50g/l(＞1300磅/英亩)             CdCl EC₅₀＝7823.7ug/l

此试验表明经包被的营养混合物只稍微有毒，以至多300磅/英亩的量使用也是安全的。

应理解本发明的某些联合和亚联合具实用性，并可不参考亚联合的其它特征使用。这是本发明所期望的并在本发明的范围之内。由于很多可能的实例可以构成本发明而不会脱离本发明的精神和范围，应理解上文给出的所有方法只为了阐明本发明而没有限制的意思。

虽然上文直接指较优选的实例，本发明的范围是由以下权利要求决定的。

Claims (10)

1.生物补救营养物的包被配方，包括：

饱和脂肪酸；和

不饱和脂肪酸；

其中说饱和脂肪酸对所说不饱和脂肪酸的重量比范围是70∶30至30∶70。

2.如权利要求1的包被配方，其中所说饱和脂肪酸选自硬脂酸，棕榈酸及其混合物。

3.如权利要求1的包被配方，其中所说不饱和脂肪酸选自油酸，亚油酸及其混合物。

4.如权利要求1的包被配方，其中所说饱和脂肪酸是硬脂酸，所说不饱和脂肪酸是油酸，所说饱和脂肪酸对所说不饱和脂肪酸的重量比是40∶60。

5.如权利要求1的包被配方进一步包括脂肪酸的胺取代物形式，其中所说脂肪酸选自含有硬脂酸，棕榈酸和油酸的基团，饱和脂肪酸∶不饱和脂肪酸∶胺取代脂肪酸的重量比范围约为30∶68∶2至65∶30∶5。

6.促进降解烃的微生物生长的复合物质，包括：

具有水溶性的，微生物可利用的营养物的核心，其中所说营养物包括形式为铵化合物的氮，形式为微生物可利用的磷酸盐化合物的磷，形式为微生物可利用的铁化合物的铁；和

可供用的亲油、亲脂、部分油溶性和可生物降解的包被层，它具有选自硬脂酸，棕榈酸及其混合物的饱和脂肪酸，以及选自含有油酸，亚油酸及其混合物的不饱和脂肪酸，其中所说包被层包裹所说核心。

7.如权利要求6的复合物质，其中说包被层进一步包含脂肪酸的胺取代物形式，脂肪酸的胺取代物选自硬脂酸，棕榈酸和油酸胺取代物，其中饱和脂肪酸∶不饱和脂肪酸∶胺取代的脂肪酸重量比的范围约为30∶68∶2至65∶30∶5。

8.制备复合物质的方法，包括步骤：

(a)将微生物营养物以干燥成分混合在一起；

(b)将所说营养物碾成所选择的颗粒尺寸的粉末；

(c)形成硬脂酸与油酸重量比约为30∶70至70∶30之复合包裹薄层。

(d)以给定流速维持上提的气体载体通过容器；

(e)在所说容器内，产生所说营养物薄雾；和

(f)将所说包裹薄层以液体雾的形式喷射进所说容器，其中所说包裹薄层与所说营养物接触并在所说营养物上固化以形成所说的复合物质，其中营养物上的包裹薄层中营养物与包裹层的重量比约为80∶20至95∶5。

9.使用经包裹的微生物营养物以促进烃降解的微生物生长的方法，包括步骤：

对泄漏石油施用所说经包裹的微生物营养物，用量的范围为每桶泄漏石油10至25磅；和

在时间间隔为48至96小时内再施用所说经包裹的微生物营养物以持续生长直至泄漏石油被降解。

10.制备复合物质的装置，包括：

(a)具有外表面，顶部和底部的竖立容器；

(b)从所说容器中流过的温热空气源；

(c)在所说容器的所说顶部装配第一喷嘴，用于喷射粉末状微生物营养物薄雾；

(d)在所说容器的所述顶部装配第二喷嘴，用于喷射包裹层液雾；

(e)与所说容器的所述底部外表面装配冷却装置，用于使所说液体包裹层接触所说粉末状微生物营养物时固化；和

(f)在所说容器下方装配收集器，用于收集所说复合物质。