・ 126O・ 中国微生态学杂志2016年11月第28卷第11期Chin J Microecol,Nov 2016,Vo1.28 No.11 ・论 著・ 微生物堆肥技术修复石油污染土壤的试验研究 汪洋 。,赵晓菊 ,武燕。, 曲丽娜 ,许修宏 1.东北农业大学,黑龙江哈尔滨150030;2. 大庆师范学院,黑龙江大庆 163712 摘要:目的 利用堆肥处理技术对大庆油田原油污染土壤进行生物修复处理研究,建立最佳堆制配比及 堆制条件。方法 比较堆肥过程中不同碳氮比对石油烃降解效果的影响,分析堆制过程中各理化参数和 总石油烃降解的变化趋势,建立最佳堆制配比及堆制条件。结果 3种比例的堆肥处理,总碳含量呈下 降趋势而总氮含量呈上升趋势,当c:N约为30:1时,堆肥温度9 d持续在5O℃以上,土壤中石油烃 降解率达到最高。60 d后,土壤中总石油烃的降解率可达78 。结论堆肥C:N为3O:1时为最佳的 堆制比例。 关键词:堆肥;石油污染土壤;碳氮比;石油烃降解 中图分类号:X53 文献标志码:A 文章编号:1005—376X(2016)l1—1260—04 DOI编码:10.13381/J.cnki.cjm.201611006 Remediation of petroleum—contaminated soil by microbial compost technology WANG Yang ,ZHA0 Xiaoju,WU Yan,QU Lina,XU Xiuhong Northeast Agricultural University,Harbin,Heilongjiang 1 50030,China Daqing Normal University,Daqing,Heilongjiang 163712,China Corresponding author:X Xiuhong,E-mail:501255666@ .corn Abstract:0bjective To explore compost technology for bioremediation of Daqing crude oil contaminated soil,and establish the optimal C/N ratio and conditions of composting.Methods The effects of different carbon nitrogen ratio on the degradation of petroleum hydrocarbons during composting process were com— pared.The changes of the physical and chemical parameters and degradation of total petroleum hydrocarbons (TPHs)were analyzed.Results During the composting in three different C/N ratios,the total carbon (TC)decreased while the total nitrogen(TN)increased.The composting temperature was above 50℃for nine days when the C/N ratio was 30:1,and the petroleum degradation rate reached the peak value,which reached 78 after 60 days of composting.Conclusion The C/N ratio of 30:1 is the optimal C/N ratio for composting. Key words:Composing;Petroleum-contaminated;Carbon nitrogen ratio;Petroleum hydrocarbon degradation 大庆油田作为中国第一大油田,在石油长期的 不仅可以处理有毒有害物质,还可以实现固体有机 勘探、开发和运输过程中造成了油田土壤有机污染, 废物的无害化、资源化,同时堆肥产品又可作为有 石油烃污染物的渗入会破坏土壤和植被环境,严重 机肥料,所以堆肥处理具有环境保护和经济效益的 威胁着大庆地区生态系统的安全。因此,土壤石油 双重意义。目前堆肥法处理石油污染土壤的研究在 污染的修复工作已成为油田环境保护研究的热点问 国内外已有报道,Wan等口 研究了在柴油污染土壤 题,其中微生物修复技术的研究已受到许多国家的 中分别添加污泥和有机肥料堆肥的修复效果,TPH 广泛关注。堆肥作为生物修复技术的一种新型技术, (总石油烃)的降解率达95 以上。毛丽华等口 利 用加生物有机肥接种,采用生物通风堆肥方法修复 基金项目: 微生物复合菌剂在堆肥修复石油污染土壤中的应 吉林油田原油污染土壤并探讨其作用机制,达到了 用研究(14ZR17) 理想效果。王震宇等_3。 将黄河三角洲石油污染土壤 作者简介: 汪洋(1979一),女,硕士研究生,研究方向:应 和辅料进行不同配比的堆制试验,探讨了温度、 用微生物,E—mail:huohai888@163.com pH、通气性、营养条件等因素对石油烃降解效率的 通信作者 许修宏,男,博士,教授,研究方向:应用微生 影响,建立了最佳堆制配比和堆制条件,60 d后土 物,E-mail:501255666@qq.com 中国微生态学杂志2016年11月第28卷第11期Chin J Microecol,Nov 2016,Vo1.28 No.11 壤中总石油烃的降解率可达80 。本研究采用异位 生物修复的堆肥处理方法,对大庆油田油井附近污 染土壤进行修复研究,实验设置了3种不同的C/N 了9 d和8 d;经过高温期后,堆体温度基本维持在 40℃左右,并维持了1周左右,在堆肥第14天进 行1次翻堆,3个堆体温度再次升高,其中堆2持 比处理,探讨不同处理下堆肥温度、PH值、有机 碳、全氮含量和石油烃降解的变化规律,旨在确定 最佳堆肥条件,为进一步大规模处理石油污染土壤 提供科学依据。 1材料与方法 1.1 供试材料供试土壤为大庆油田采油二厂油井附 近石油污染土,2~3 cm筛网过筛,土壤TPH含量 95 g/ ,含水率4O.80 ,pH 7.40,总氮4.75 g/kg, 总磷1.062 g/kg,有机碳227 g/kg。 1.2 实验方法 收集新鲜牛粪晾干,捣碎成2 ClTI 左右粉末,将秸秆打成2~5 cm碎秸秆,采取堆制 式堆肥方式,调整牛粪、秸秆、石油污染土壤不同 比例进行堆肥,试验分别设置C/N比为25:1 (堆1)、30:1(堆2)和35:1(堆3)三个处理, 以此考察不同碳氮比对石油污染土壤的堆肥效果的 影响。三个处理均堆制成1.2 m×1.0 m锥形堆体, 上覆盖PVC膜以保温和保湿,在堆体的上中下三层 分别插入温度计测温,每15 d翻堆1次,每天2次 记录温度变化,每7 d采集1次样品,测定记录堆 体中各参数指标(温度、含水率、pH值、有机碳、 全氮、TPH)的变化情况。 1.3分析方法 1.3.1土壤基本理化指标的测定温度:每天早中 晚观察温度计数值并记录,计算平均值。含水率: 采用重量法[4]。pH测定:采用电位法_5]。土壤有 机质:重铬酸钾——稀释热法 引。全氮量的测定: 半微量凯氏法。 1.3.2土壤中石油烃测定 超声一索氏提取重量 法_7J:称取5 g风干土样,用滤纸包好放入50 mL 离心管中,加入2O mL二氯甲烷萃取剂,盖紧,功 率60 w超声10 min,用镊子夹住纸包放到索氏提 取器中,将离心管中的提取液倒人烘至恒重的烧瓶 中,补加萃取剂到125 mL,54℃水浴萃取,取下 烧瓶54℃旋转蒸发至干,通风橱内挥发至恒重,称 重。同时做2个平行。通过前后重量差计算 石油烃含量。 2 结 果 2.1堆肥过程中温度的变化不同比例下的各堆体 均可以快速升温,第3天温度均达到5O℃左右,且 堆2和堆3处理的堆体温度在50 ̄60℃内分别维持 续高温时间最长,堆1高温期时间最短。 6O +堆1 55 +堆2 +堆3 50 一40 著35 30 25 20 1 3 5 7 9 11 l3 15 17 l9 21 堆肥时间(d) 图1堆肥温度的变化规律 2.2 堆肥过程中pH的变化 适宜的pH有利于微 生物有效的发挥作用,pH在6~8最适于石油烃的 降解。本实验中3个堆体在堆制后比堆制前pH值 都有所下降,分析原因是堆制过程中有机物质分解 产生了一定量有机酸的缘故。堆2 pH值下降幅度 最小应有较强的降解能力,可把降解的中间产物降 解较彻底。 +堆1 +堆2 +堆3 图2堆肥pH值的变化的规律 2.3堆肥过程中全氮含量的变化在整个堆肥过程 中,各处理中全氮含量是逐渐增加的,其中堆3上 升趋势最明显,全氮含量增加是因为有机质不断分 解成CO 和H。O而散失,总物质重量下降幅度明 显大于NH。挥发引起的下降幅度,最终使得干物质 中全氮含量相对增加。越高的碳氮比堆肥处理的含 氮量上升趋势越明显。 2.4堆肥过程中有机碳含量的变化 在堆肥初期, 微生物新陈代谢旺盛,并大量繁殖,消耗分解了大 量的有机质,从而导致有机质含量的下降;随着堆 肥的继续进行,堆肥样品浓缩,单位质量的堆肥样 品含有的有机质下降缓慢。其中堆1和堆2堆体, 中国微生态学杂志2016年11月第28卷第11期一等 v喊啦】蓦剞 6 4 2 0 8 6 4 2 0 Chin J Microecol,Nov 2016,Vo1.28 No.11 一孚一∞蚰砷在堆肥开始的第1周内,全碳含量呈显著下降趋势, 从第3周开始下降较为缓慢平稳。 +堆l +地2 +堆3 图3堆肥全氮含量的变化规律 240 220 20o 絮捕。160 1o0 80 图4堆肥有机碳含量的变化规律 2.4堆肥过程中土壤TPH的降解效果 堆2堆体 温度保持在5O℃左右时间最长,这有利于保持微生 物的活性,土壤的石油烃降解速率较快;另外,堆 肥的碳氮比也会影响石油烃的降解,过高的碳氮比 将使氮素成为微生物生长的性因素,有机物质 降解速度缓慢;本实验中最佳碳氮比为30:1。 +堆1 +堆2 +堆3 图5堆肥TPH含量变化规律 3讨 论 3.1 结果分析 堆肥温度的变化直观体现堆肥效 果,试验中3个比例堆体温度均经历了升温、高温、 降温阶段。均在第3天就迅速进入高温期,5O~ 6O℃维持1周以上,符合堆肥要求。且在堆肥14 d 翻堆后再次升温。 在堆肥过程中,土样的有机质含量均成持续下 降趋势,说明有机物质在微生物作用下分解转化为 二氧化碳、水及矿物质等,产物又在微生物的作用 下合成腐殖酸物质_9]。从整体来看,碳氮比越高, 有机质下降越明显。但其下降趋势3个堆体略有区 别,碳氮比较低的堆1和堆2在堆肥开始的第1周 内,有机碳含量显著下降,从第3周开始有机碳含 量下降较为平稳,这与堆1和堆2迅速进入堆肥高 温期,微生物大量繁殖有关。堆3在第2周和第3 周呈现有机质明显下降趋势。第3周以后,堆体温 度逐渐下降,嗜温菌为优势菌群,微生物代谢速度 下降,碳氮比变化趋于平稳,到发酵末期,所有堆 体C/N比都在10左右,证明堆肥已完全腐熟。 堆肥过程中氮素形态的变化是主要有氨态氮、 硝态氮、有机氮。堆制原始物料中不同的氮素形态 对其总氮损失的贡献不同_8]。碳氮比较高时,有机 物氧化的剧烈程度下降,产生的氨气减少,同时减 少了过多氨态氮的浪费。当碳氮比升高到一定程度 后,例如本试验中均大于25时,有机氮的氧化过程 减弱,微生物的合成作用显著,导致氨态氮向有机 氮的转化。同时随着堆肥总物质重量的下降,最终 使含氮量呈上升趋势。 经过60 d的堆制处理,3种比例堆体石油烃去 除率分别为64.2O 、78.O0 9/6和59.62 。从图5 来看,在前30 d石油烃含量迅速减少,这是因为微 生物生长迅速,快速跨人升温期进入高温期,中温 和耐高温微生物代谢活动旺盛。石油烃降解率在堆 肥6O d后趋于不变。原因是堆体已进入腐熟阶段, 随着易降解物质的耗尽,2种功能微生物数量均急 剧降低。有研究表明,高温菌对有机物的降解效率 高于中温菌_】。。,故堆体2因为高温期维持时间最 长,所以烃降解效率最高。试验中石油烃降解效果 不但与堆体升温时间长短有关,同时也与碳氮比有 关,一般认为碳氮比25:1~35:1时最适于烃类的 生物降解_1 ,本试验中30:1堆体中,最终石油烃 降解率达到78 。 3.2研究意义及不足之处 土壤堆肥法的异位处理 技术操作简单,费用低廉,其堆肥后的腐殖质可归 田,是各油田污染土壤处理中可优先采用的一种简 单易行、环保高效的土壤清洁技术。但目前石油污 染土壤的堆肥修复仍主要集中在实验室的理论研究, 工程实施的报道相对较少。研究工作多是集中在研 究堆肥条件(例如温度、水分、pH、通风量和污染 程度等)对修复效果的影响,而表面活性剂、电子 受体、化学氧化剂和外源菌剂的单独及协同使用都 中国微生态学杂志2016年l1月第28卷第11期Chin J Mieroecol,Nov 2016,Vo1.28 No.11 ・ 1263 ・ 会对堆肥效果产生影响,同时堆肥过程中的微生物 群落和功能基因的动态变化也是堆肥效果的重要指 effect of application of complex microbial inoculants in cow dung compost[J].Jiangsu Agric Sci,2015,11(43):427—429. (in Chinese) 标。因此在堆肥修复大庆地区石油污染土壤研究中, 进一步深入探讨堆制机制,并在土壤堆肥的工程实 施中做好实地检测和场地维护等工作均是完善堆肥 技术的重要因素。 参考文献 a1.Bioremediation of diesel— [1] Wan N,Hwang EY,Park JS,et牛明芬,梁文涓,武肖嫒,等.复合微生物菌剂在牛粪堆肥中 的应用效果[J].江苏农业科学,2015,11(43):427—429. r7] CUI Jianyu,JIANG Rongfeng.Soil chemical analysis experiment [M].Beijing:China Higher Education Press,1998:56—60.(Chi— nese) 崔健宇,江荣风.土壤农化分析实验[M].北京:高等教育出 版社,1998:56—60. contaminated soil with composting[J].Environ Pollut,2002, 119(1):23—3l_ [8] WANG Rugang,WANG Min,NIU Xiaowei,et a1.Ultrasonic extraction and weight method determination of total petroleum [2] hydrocarbons in soil,lJ].Analyt Chem Res,2010,38(1):53— MAO Lihua,LIU Fei,MA Zhenmin,et a1.Experimental 56.(in Chinese) study on remediation of crude oil contaminated soil by bio aera— 王如刚,王敏,牛晓伟,等.超声?索氏提取?重量法测定土 tion composting[J].J Environ Sci,2009,29(6):1263—1272. (in Chinese) 壤中总石油烃含量[J].分析化学研究,2010,38(1):53—56. 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