1前 言
石油在勘探､開采､運輸､存儲以及銷售過程中,都有可能引起對土壤不同程度的污染,而在油田及貯油場所污染尤為嚴重。在油田中鉆井､洗井､采油和修井作業(yè)過程中會有數(shù)量不等的落地石油和固體廢棄物排放到環(huán)境中,使土壤受到不同程度的污染。油田周圍土壤的污染,主要是落地石油引起的。落地石油殘留在地表不僅會危及地下水還會引起根系腐爛,造成植物消失。
在治理石油污染土壤的眾多方法中,微生物技術(shù)以其操作簡單､費用低､無二次污染而備受歡迎。然而,與化學(xué)處理方法相比,石油污染物的微生物降解速度慢,處理時間長是該方法的一個突出缺點。合成表面活性劑同樣具有增溶､分散等特點,能溶解那些難溶石油烴類化合物和其他有機化合物。從而可提高有機污染物的脫附率。有關(guān)表面活性劑對石油降解菌的除油率的影響,國內(nèi)很少有報道。為了研究表面活性劑對微生物除油的影響,采用了遼河油田中土著石油降解菌進行除油試驗,以研究表面活性劑對微生物除油效果的影響。
2 材料與方法
2.1 試驗土樣
試驗用的石油污染土樣,取自遼河油田采油井附近,土樣取回后,經(jīng)粉碎､混勻､密封儲存?zhèn)溆谩?/SPAN>
2.2 石油降解菌的來源
本試驗菌種來源于遼河油田中土著嗜油菌。微生物經(jīng)馴化培養(yǎng),已分離出的四株高效石油降解菌,經(jīng)鑒定分別為微球菌屬(Microvoccus sp.)､黃桿菌屬(Flavobacterium sp.)､假單胞菌屬(Pseudomonas sp.)和無色桿菌屬(Achromobater sp.)。利用上述混合菌進行除油試驗。
2.3 試驗用藥品
本試驗中使用的藥品KH2PO4､NaNO3､CHCl3､H2O2均為分析純。試驗中使用表面活性劑(見表1)分別為:月桂酸鈉(C.P)､十二烷基苯磺酸鈉(L.R)､曲拉通X-100(L.R)､吐溫-80(L.R)。
2.4 表面活性劑對微生物除油的影響本試驗采用生物泥漿法。將待處理土樣和無菌的表面活性劑水溶液配成固液比1∶10的懸浮液放入HZQ-C恒溫空氣浴振蕩器中進行試驗。表面活性劑的濃度分別為0mg/L､10mg/L､50mg/L､100mg/L､250mg/L､500mg/L,溫度為30℃。每個試驗用泥漿為150mg/L,并接種5mL已培養(yǎng)的石油降解菌,放置在250mL的三角瓶中,轉(zhuǎn)速為120～130r/min,處理21天后進行滅菌處理,然后風(fēng)干,分析。在試驗過程中,每次試驗重復(fù)三次。試驗結(jié)果如圖1所示。
2.5添加H2O2對除油率的影響
分別采用對曲拉通X-100和十二烷基苯磺酸鈉兩種表面活性劑,研究在添加表面活性劑同時,又補加了H2O2以優(yōu)化降解條件,以探討添加H2O2對除油率的影響。在微生物降解過程中, H2O2每天補加500mg/L,其他條件同1.4節(jié)。試驗結(jié)果如圖2所示。
2.6 氮源對微生物除油率的影響
本試驗中選用了四種氮源以觀察氮源對除油率的影響。四種氮源分別為硝酸鈉､脲､硫酸銨及硝酸鈉和脲的混合液,磷源采用KH2PO4。預(yù)先將KH2PO4和各種氮源配制成試驗所需濃度,使用時用移液管準確量取。其他條件同1.4節(jié)。試驗結(jié)果如圖3所示。
2.7 表面活性劑對細菌的生長活性的影響
為了進一步探討表面活性劑對細菌除油的影響,分別選用了陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉和非離子表面活性劑曲拉通X—100進行試驗研究,以考察表面活性劑對細菌的生長活性的影響。試驗中表面活性劑的濃度分別為0mg/L､50 mg/L､100 mg/L､250 mg/L。微生物計數(shù)采用平板菌落計數(shù)法。試驗結(jié)果如圖4所示。
2.8 石油量測定
本試驗采用重量法。其過程為:準確稱取通過0.25mm篩孔石油污染土樣15g,用氯仿熱浸三次,將濾液濾入已稱重的燒杯中,在50～55℃水浴上風(fēng)干,再將燒杯移入60～70℃烘箱中加熱4h,取出后干燥,冷卻0.5h,稱重,增加的重量即為土中的油量。
3 結(jié)果與討論
3.1 表面活性劑對微生物除油的影響圖1中表明,四種表面活性劑對微生物除油率的影響有所不同,表面活性劑的濃度對微生物除油率的影響各異。在濃度為10～50mg/L時,隨著表面活性劑濃度的升高,微生物的除油率是逐漸升高的,達到50mg/L時,微生物的除油率達到最大值。當表面活性劑的濃度繼續(xù)升高時,微生物的除油率卻逐漸下降。從圖中可以看出,添加四種表面活性劑時,除油率的最大值和最小值均有一定的差別。例如,添加曲拉通X-100時除油率的最大值和最小值分別為38.45%和20.81%,二者相差較大。這說明表面活性劑的濃度對微生物除油有較大影響。圖1表明,當表面活性劑的濃度為50mg/L時,十二烷基苯磺酸鈉和曲拉通X-100均未達到臨界膠束濃度(見表1)。
但此時可能有增溶作用,所以其微生物除油率已超過對照樣(無表面活性劑)時的除油率。但除油率不顯著。也有的學(xué)者認為,表面活性劑在低濃度時能在一定程度上改善微生物的除油效果,這是因為表面活性劑的存在能加快油的脫附速率,使微生物有更多的機會與烴類有機污染物接觸,提高了除油率。這說明了某些表面活性劑在低濃度時的增溶作用對微生物的除油率起到一定的促進作用。但在本試驗中這種促進作用不十分明顯。而月桂酸鈉和吐溫-80在濃度為50mg/L時的除油率略低于對照樣,且無明顯促進作用。通過本試驗發(fā)現(xiàn),本試驗中表面活性劑在低濃度時即無明顯促進作用,也無明顯抑制作用。
表面活性劑在超CMC時,具有較強的增溶作用,且濃度越高,增容作用越明顯。從圖1中可看出,表面活性劑對微生物除油的影響與增溶作用并不完全一致。在表面活性劑濃度高于100mg/L時,表面活性劑雖有較強的增溶作用,但隨著濃度的升高,微生物的除油率卻下降。即表面活性劑在高濃度時無促進作用。
在本試驗中,表面活性劑對石油降解率無促進作用,這可能是與試驗所選用的石油污染土樣有關(guān)。選用的石油污染土樣主要是由落地原油引起的,該原油屬中質(zhì)油,含蠟量為5.5%～7.5%,膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量為38%～41%。石油污染物中大分子量的有機物含量較高,雖然添加表面活性劑能在一定程度上提高了有機物的脫附率。但受污染的土壤屬粘性土質(zhì)且土壤中有機質(zhì)含量較高(有機質(zhì)含量為33.1%),能與石油中大分子有機物牢牢的結(jié)合,影響了表面活性劑對有機物的進一步脫附,進而影響了石油降解率。
另外,在高濃度時表面活性劑也可能發(fā)生了生物降解。有資料表明,月桂酸鈉和吐溫-80在高濃度時比另兩種表面活性劑易生物降解而被微生物作為基質(zhì)優(yōu)先利用。從而影響了表面活性劑的對微生物降解石油的效果。
3.2 環(huán)境因素對微生物除油率的影響影響微生物除油效果的環(huán)境因素主要包括:溫度､供氧量､營養(yǎng)物､含水量､酸堿度､鹽度等等。本試驗針對在添加表面活性劑的情況下,又進一步研究了在本試驗條件下影響微生物除油率主要環(huán)境因素(即供氧量､營養(yǎng)物),對除油率的影響。
3.2.1 添加H2O2對除油率的影響烴類降解菌是好氧細菌,這一類微生物通常都需要以分子氧作為最終電子受體。當微生物處在較深的液體培養(yǎng)基中時,由于O2不斷被微生物所消耗,而使液體較深層的部位成為無氧狀態(tài)。因此需要進行通氣或添加H2O2和其他的固體產(chǎn)氧劑,以提供充足的電子受體。
由圖2可以看出,加入H2O2后,添加表面活性劑和對照樣(無表面活性劑)的微生物除油率都有不同程度的提高。當添加H2O2時,表面活性劑為50mg/L微生物除油率與無表面活性劑的微生物除油率都有較大提高且提高程度幾乎相同。但對照樣的除油率與無表面活性劑除油率相差不大。當表面活性劑采用高濃度時,微生物的除油率雖有一定的提高,但除油率與無表面活性劑的相比仍很低。
添加H2O2時,添加表面活性劑和不添加表面活性劑的微生物除油率都有一定程度的提高,這是因為在微生物降解石油的過程中,隨著微生物的大量繁殖,電子受體氧開始缺乏,當添加H2O2時,由于H2O2能分解產(chǎn)生氧,部分的滿足微生物降解的需要,因此除油率上升。因而(如圖2所示)無表面活性劑時和添加不同濃度表面活性劑時微生物除油率都普遍上升。當表面活性劑濃度較高時,即使添加H2O2,其除油率仍低于低濃度表面活性劑的微生物除油率且濃度越高時,除油率越低。圖2結(jié)果進一步顯示了表面活性劑在高濃度時對微生物除油率有明顯抑制作用,而在低濃度時對微生物除油率促進作用和抑制作用不明顯。由此可見,即使添加H2O2,表面活性劑仍然無明顯促進作用。
3.2.2 氮源對微生物除油率的影響
在石油污染土壤中,細菌的生長對營養(yǎng)物質(zhì)有一定的要求。營養(yǎng)物質(zhì)的缺乏,將影響微生物的生長。試驗選用的污染土壤為遼河油田重度污染土壤,土壤中石油的濃度為15000～18000mg/kg。由于石油中含有大量的碳､氫元素,而且土壤中存在的無機鹽類已能保證細菌生長而不缺乏其他微量元素,所以氮､磷缺乏是影響細菌生長繁殖的主要原因。本試驗土壤中氮的含量為0.1%～0.2%,且大多是為微生物難利用的有機氮。造成了氮的缺乏。有資料表明,微生物利用氮營養(yǎng)源比利用磷敏感,在其他條件一定的情況下,改變氮源將會影響微生物的除油率。本實驗針對在添加表面活性劑條件下,研究改變營養(yǎng)物質(zhì)(氮源)時對除油率的影響。
從圖3可知,在采用相同的磷源而采用不同的氮源時,發(fā)現(xiàn)不同的氮源對除油率的影響不同。當添加表面活性劑時,以硫酸銨､脲､硝酸鈉和脲的混合液作為氮源時,除油率較低;而以硝酸鈉作為氮源時,除油率稍好一些。
為了進一步探討氮源對微生物除油機理影響,本試驗又對添加表面活性劑時的體系pH值進行了測定,試驗結(jié)果如圖4所示。
由圖4可知,添加硝酸鈉時體系的pH值較為穩(wěn)定,而添加其余三種氮源時體系的pH值不穩(wěn)定,變化較大。以硫酸銨為氮源時,由于氨根離子被利用,會使溶液中的pH值下降,而以硝酸鈉為氮源時,由于硝酸根被利用,會使環(huán)境中的pH值升高。因為微生物在降解烴類有機污染物時,利用烴類物質(zhì)作為碳源,當氧氣不充足時,能將烴類物質(zhì)降解生成有機酸中間產(chǎn)物,隨著時間的積累部分有機酸不能完全氧化。而造成C3,C5,C7脂肪酸的積累使pH值下降。時間越長,其脂肪酸積累就越多,因而烴類降解過程是pH值下降過程。石油降解菌在降解石油的過程中產(chǎn)生了大量的有機酸而利用硝酸鈉則可以中和部分有機酸,使體系的pH值維持在中性,有利于細菌進一步的降解烴類化合物。而利用硫酸銨作為氮源時,則使體系的pH值進一步下降,而不利于微生物的生長和繁殖。而當以脲為氮源時,因其不具有與硝酸鈉類似功能,所以其pH值不穩(wěn)定。
以硫酸銨為例,在處理后期,pH值已低于5,這時土壤溶液已是偏酸性溶液,對細菌的生長明顯不利。而烴類降解菌的最適宜pH值為中性,大多數(shù)烴類降解菌是異養(yǎng)菌,喜好中性環(huán)境。pH值太高和太低都會影響微生物的降解效果。Verstraet等人報道,汽油在中性的土壤中的降解速率是酸性土壤(pH=4.5)或堿性土壤中(pH= 8.5)的兩倍。由此可見氮源的選擇對微生物的除油效果有一定的影響。
采用硫酸銨､脲､硝酸鈉和脲的混合液這三種氮源時,添加表面活性劑時微生物的除油率反而下降。而采用硝酸鈉作為氮源時,添加表面活性劑時與不添加表面活性劑時對微生物的除油率影響不大。總之采用四種氮源時,添加表面活性劑時的除油率與無表面活性劑時的除油率相差不大(如硝酸鈉)或偏低(如脲､硫酸銨),這一結(jié)果說明了不同氮源的添加仍然未使有表面活性劑時的除油率高于無表面活性劑時的除油率。通過本試驗看出,采用不同種氮源也沒有使添加表面活性劑時的微生物除油率高于無表面活性劑時的除油率。即表面活性劑與氮源聯(lián)合作用時,并沒有使表面活性劑的除油效果得到顯著改善,即添加表面活性劑時微生物除油率很低,并不是由于氮源的缺乏造成。
4 表面活性劑對細菌的生長活性的影響圖
結(jié)果表明,生物泥漿中的細菌生長活性受表面活性劑影響較大。表面活性劑濃度在50mg/L時細菌的濃度與對照樣(無表面活性劑)相差不大。而在250mg/L時,細菌的除油率低于對照樣(如圖1､2),而此時細菌的濃度(如圖4)與對照樣的菌液濃度相比也有明顯的下降。十二烷基苯磺酸鈉和曲拉通X—100在濃度為250mg/L時,每毫升生物泥漿中的細菌數(shù)量與對照樣相比下降了1個數(shù)量級。另外,在本試驗的生物泥漿系統(tǒng)中,pH值介于6.5～8.5之間,能保證細菌維持良好的生長活性。因此,在本試驗中pH值對細菌的生長活性影響不大。以上結(jié)果表明表面活性劑可能對細菌的生長有抑制或毒害作用。
5 結(jié) 論
本試驗針對遼河油田的石油污染土壤進行了微生物除油試驗。發(fā)現(xiàn)添加表面活性劑對微生物的除油效果沒有明顯的改善。表面活性劑在低濃度時對微生物除油能力無明顯影響,而當表面活性劑處于高濃度時則對微生物的除油能力有較強的抑制作用。這可能是由于本試驗選擇的表面活性劑具有特殊性,也可能是由于表面活性劑與土壤發(fā)生了吸附而影響了除油效果,還有可能是表面活性劑的毒性影響了微生物的活性等等,這些原因都有可能影響微生物的除油效果。通過本試驗,發(fā)現(xiàn)有關(guān)表面活性劑對微生物除油的影響尚有許多問題有待進一步研究。
