油气田废弃钻井泥浆微生物处理技术研究进展

董晨曦 吴益锋 王丹丹 杨添麒 马天奇

1. 陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院 陕西 西安 710065

2. 绍兴市嵊新首创污水处理有限公司 浙江 绍兴 312400

由于野外作业特征，钻（完）井作业结束后，大量存留的废弃钻井液、废弃物，酸化废液和含油污泥等往往会排放堆积于井场周围的废弃钻井泥浆储存坑内，最终形成成分复杂的废弃钻井泥浆[1]。钻井泥浆是一种呈稳定态胶体的多相悬浮性体系，含有多种有毒有害污染物质，如烃类、盐类、油类、碱类、胶体及重金属等[2]，因此，油气田钻井废弃泥浆具有有机污染物（COD）高、色度、悬浮物含量高、含有多种重金属及含盐量较高等特征，是石油工业的主要污染源之一。采用生物法处理可使其中的有害污染物质得以彻底降解，有利于实现废弃泥浆的无害化和资源化处理，具有高效、经济和无二次污染等优势，对降低油气田企业废弃物处理压力，保护生态环境，实现可持续发展具有重要意义。

1 国内外废弃钻井泥浆处理技术研究现状

目前，国内外油气田废弃钻井泥浆处理，投入应用的常见处理技术有处理后直接排放、回注、填埋、固液分离法、固化、土地耕作、干燥焚烧、回收再利用以及生物法等。以上物理和化学方法多数往往将钻井泥浆中的污染物从液相转化为固相，通过限制泥浆流动和抑制其污染物迁移扩散（如固化法）或通过絮凝剂实现泥水分离（固液分离法）来消除废弃钻井泥浆中的有毒、有害物质对水体、土壤和生态环境的影响和危害；或者将其通过不同形式的填埋（注入安全地层、回填、土地耕作等）降低其对人居环境的潜在危害；或者因处理成本高，不宜推广应用（焚烧法和回收利用），因而从根本上未能达到解决钻井废弃泥浆中有害成分的问题，甚至可能还会造成二次污染问题，因此都存在有一定的应用局限性。

微生物处理技术是在人为优化的条件下，利用自然环境中的土著微生物或人为投加的特定微生物的生命代谢活动将环境中的有害污染物降解，从而实现污染物的减量化或无害化处理的一种生物修复技术，具有对环境友好、能源消耗少、无二次污染、处理效果较好等优势。

2 废弃钻井泥浆微生物处理降解菌主要来源

在自然界中存在许多能以有机污染物为唯一碳源和能源的异养微生物，通过新陈代谢及在污染物诱导下产生的酶系，这些微生物将长链的有机物或大分子有机物分解和矿化成小分子物质甚至气体，从而达到无害化处理的效果[3]。污染物降解菌株的获得主要有3种途径：（1）通过筛选和驯化的土著微生物；（2）外源微生物；（3）通过基因工程技术进行菌种改良。

2.1 筛选和驯化土著微生物

在废弃钻井泥浆以及石油烃污染的环境中往往存在着大量、可降解废弃钻井泥浆中污染物的细菌、真菌、藻类以及放线菌。因此，可以从被废弃钻井泥浆污染的环境中分离出对泥浆中的有机物具有较高降解作用的土著微生物。这些土著微生物对钻井泥浆的环境，如高pH、高含盐和缺乏营养等特殊环境具有较强的适应能力，是废弃钻井泥浆生物处理或生物修复的微生物菌株的重要来源。

2.2 外源微生物

除从废弃钻井泥浆环境中直接筛选高效的土著微生物菌株外，大量研究表明一些外源微生物可作为泥浆生物处理的菌株，对废弃钻井泥浆中的污染物具有重要的降解作用。陈五岭和朱伯龙发现由米曲霉、谷草芽孢杆菌、荧光假单胞菌、醋酸钙不动杆菌和红平球菌制成的固体菌剂对泥浆具有较好的处理效果，可使泥浆中的石油烃降至30mg/L、pH恢复至中性、活菌数达到108/g。

2.3 基于基因工程菌株改良

近年来，随着分子生物学、遗传学和基因工程的发展，PCR扩增与探针杂交、16S rRNA序列分析、末端限制性片段长度多态性分析等生物技术手段逐步应用于油气田微生物多样性研究领域，废弃钻井泥浆的高效降解菌株的筛选驯化技术也因此得到了快速发展。然而，基于基因工程的废弃钻井泥浆污染物降解菌株有针对性的设计改良驯化工作仍处于初期探索阶段，未见有规模化应用实例。

3 影响微生物降解废弃钻井泥浆的影响因素

微生物处理技术的根本是利用微生物分解污染物，因此，其处理效果必然受到外界环境对微生物活性的影响，在对菌株培养和应用时均需要考虑这些影响因素对其生长繁殖和污染物降解性能的影响。

3.1 营养物质

由于废弃钻井泥浆中的石油径类物质可以充当碳源，但可能缺乏氮磷营养，所以一般利用微生物进行生物处理时，需了解废弃钻井泥浆的组成和性质，适当的投加氮、磷盐后，以保证其生长繁殖所需的营养物质。营养盐（N、P）、水分和膨松剂往往会影响废弃泥浆的处理效果。Rojas-Avelizapa等调节废弃钻井泥浆的碳氮磷比为100 ：3 ：0.5，水分含量保持在30～35%，并在泥浆中添加3%的稻草；180d后实验组中的碳氢化合物降解细菌和异养细菌的数量比空白组分别提高了3个和4个数量级，废弃泥浆的总石油烃含量降低了94.4%。表明泥浆膨松剂（秸秆）、和氮磷营养的加入以及合适的水分有利于土著菌的繁殖和泥浆中石油烃的降解[4]。

3.2 泥浆环境因素

由于废弃钻井泥浆中有毒有害物质较多，微生物易被毒害造成活性降低，处理效果变差，因此在微生物实际应用中，需要为微生物创造良好的生长环境，以保证其具有良好的降解效果。

（1）温度：温度会影响石油烃类、粘土矿物及高分子化学添加剂在环境中的理化性质。如，温度增加，会促进石油烃中对微生物具有毒害作用的易挥发烃类的挥发，同时也会一定程度上增加石油烃的乳化性，因此会对微生物的降解效果产生影响。温度下降，不仅会降低微生物本身的活性，还会增加环境中低分子量石油污染物的相对浓度，因此，微生物因毒性作用降解污染物的效率会显著下降。

（2）氧气浓度：实践证明好氧分解对污染物的降解非常有效，且降解速度比厌氧系统快的多。在对钻井废弃物进行生物处理时，通常采用以下两种方式保证体系的氧气供给：其一是通过定期翻动污泥让空气自然通过，以满足好氧微生物的需氧量；其二是通过强制通入空气（如鼓风）为好氧微生物提供氧气。

（3）pH值：大多数微生物适宜生长的pH值在6～8之间。废弃钻井泥浆一般属于碱性污染物，所以在进行生物处理时，需要添加有效的pH调节和缓冲体系调节其pH至适宜的范围。

（4）盐度或矿化度：高盐环境对微生物的代谢影响是多方面的，包括引起细胞内渗透压的改变、降低水中的溶解氧以及导致中间代谢产物转化困难等。随着油气井的深度开发，尤其是高含盐油田的开发，油田采出液和废弃钻井泥浆中的含盐量日益增高，因此利用耐盐的微生物有助于提高废弃钻井泥浆生物处理效果。

（5）重金属：重金属对微生物的生长和繁殖会产生不利影响。由于废弃钻井泥浆中可能含有汞、铜、铬、镉、锌及铅等，因此在筛选降解菌时，应考虑到筛选微生物对不同重金属的耐受性，并进行相应的压力选择，使筛选菌株能适宜废弃钻井液的环境条件。

（6）表面活性剂：在高含油泥浆中添加生物表面活性剂，可以对泥浆中的油类物质起到分散和乳化作用，改变细胞表面的疏水特性，增加微生物在油类物质表面的附着能力，加速废弃微生物对钻井泥浆中油类物质的代谢[5]。

4 废弃钻井泥浆的微生物降解机理

微生物处理法主要原理是细菌、真菌等某些微生物会将含油污泥中石油烃类作为其新陈代谢的碳源，利用微生物的生长代谢活动将油污泥中的有害物质进行同化降解，使其最终完全转化为无害的无机物质，实现对含油污泥的无害化处理。含油污泥在一般情况下被优先降解的是直链烷烃，其次依次是支链烷烃，环烷烃，多环芳烃，杂环烃。

不同微生物降解链烷烃的好氧代谢途径不同，最常见的是单末端氧化；以烷烃为唯一碳源和能源的细菌可能以末端氧化的方式进行降解。相对于直链烷烃，支链烷烃难于被微生物降解。微生物对支链烷烃的氧化多从离支链最远的甲基开始，在单氧化酶的催化下甲基被羟基化，然后在一系列脱氢酶的作用下最终被生成支链脂肪酸，再通过脂肪酸的氧化作用被降解[6]。 环烷烃的主要降解途径类似于链烷烃的末端氧化途径，在两种不同氧化酶的协同作用下，环烷烃依次被氧化成环醇和环酮，最后再被氧化为内酯，内酯开环后形成羟基羧酸，再通过β-氧化作用下最终形成CO2与H2O。含有苯环结构的芳香烃在稠油中占比大，微生物降解困难，是废弃钻井泥浆中优先控制的污染物。不同种类的微生物对芳香烃（尤其是多环芳烃）的降解代谢途径不同，但芳香烃的好氧生物降解均从芳香环的氧化反应开始，然后再通过一系列反应生成最终的代谢产物或转化为CO2和H2O。

5 废弃钻井泥浆的微生物处理技术

目前微生物处理法的主要工艺有地耕法、堆肥法、植物-微生物联合处理法等方法。

（1）地耕法

地耕法主要用于含油污泥的处理，是指在露天条件下，将含油污泥平整覆盖于土壤地表层，通过翻耕通气、浇水、添加肥料等方式，优化废弃钻井泥浆中微生物活性与降解条件，最终达到利用土壤土著微生物或者外源微生物降解石油烃类物质的目的。此法最大优点是将污泥中对环境有害的转变成土壤的一部分，环保无二次污染，且运行成本极低[7]。

（2）堆肥法

堆肥法是将固体废弃物成堆放置，利用土著或外源微生物进行处理的方法，其实质也是利用以污泥中石油烃类为营养源的土著或外源微生物的生物代谢活动。基于处理过程中微生物对氧气的需求不同，可将堆肥分为好氧堆肥和厌氧堆肥两种。影响堆肥法处理效果的因素主要有营养物质、水分、通气量，以上均可通过添加疏松剂（麸皮、锯木屑、稻壳等）改善。

（3）植物-微生物联合处理技术

微生物-植物联合处理技术是将植物与微生物有机的结合，协同处理污染物的过程，其具有应用范围广，无二次污染、处理成本低等优势，是一种环境友好的废弃钻井泥浆无害化处理方法。研究表明，植物生长过程中，一方面其根部可为微生物提供良好的生长环境，植物根际还会分泌物质，刺激微生物对污染物的降解；另一方面，微生物对环境中污染物的降解，也有利于植物的生长及对污染物的吸收。影响植物-微生物联合修复效果的因素主要有：钻井泥浆污染物的理化性质、微生物与修复植物的种类，风、湿度、水分、温度等植物与微生物生长环境因素。

6 结论与展望

微生物法废弃钻井泥浆无害化处理具有低成本、无二次污染、处理效果好等优势，是一种具有潜力的绿色钻井泥浆处理方法。未来可着重在以下几个方面开展深入研究：

（1） 充分利用分子生物学、遗传学、基因工程等现代化科技手段与微生物技术相结合，对菌株进行强化改进，提高微生物的活性及环境适应性，进而提高微生物对目标污染物的降解能力。

（2）植物-微生物法废弃钻井泥浆联合处理技术是一种有潜力的绿色生物技术，但目前研究仍处于起步阶段。未来可着重开展植物与微生物协同处理技术机理研究，筛选处理效果好的植物与微生物种类，为其在实际中的广泛应用鉴定基础。