2025, Vol. 55
2. 青岛海洋科技中心 海洋生态与环境科学功能实验室，山东 青岛 266237;
3. 中国海洋大学 深海圈层与地球系统前沿科学中心，山东 青岛 266100;
4. 中国海洋大学 海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室，山东 青岛 266100
含油污泥是石油开采、储运和炼化过程中产生的危险废物，含有重金属和多环芳烃等有毒成分，具有诱变性和致癌性[1]，对环境和人体健康危害极大，已被列入国家危险废物名录。通过各种处理修复技术实现含油污泥的无害化，是保护环境和人民生命健康的必然要求。
含油污泥的处理修复技术主要分为物理法、化学法和生物法[2]。物理法和化学法相对成熟、见效速度快，但操作成本高、易造成二次污染。生物法具有成本较低、环境友好和操作相对简便等优势；但修复周期较长，使其应用受到限制。生物法又可分为植物[3]、动物和微生物[4]修复法。微生物修复是利用微生物自身代谢活动去除有害污染物的修复技术，主要包括两大类，一类是直接向含油污泥投加能够降解石油污染物外源微生物，实现对含油污泥的无害化处理；另一类是通过混合含油污泥和生物质，激活含油污泥中的微生物降解菌群，以降解含油污泥中的石油污染物[5]。前期研究表明通过构建复合菌群，利用不同菌株的协同作用，能够较好的去除含油污泥中的石油污染物。陈立等[6]向石油污染土壤中添加优势土著微生物菌群制剂，经11~32 d的修复，试验区有害有机物降解率高达69.52%~88.11%，而对照区降解率基本在10%以内。含油污泥中总石油烃(Total petroleum hydrocarbons, TPH)降解率与其土壤中有机质的含量相关[7]，添加麸皮[8]、锯末[9]、棉杆等农业残留物可以改善土壤的理化性质，提高土壤中微生物的活性，增强透气性，有利于微生物的生长繁殖，从而增强生物修复的结果。谷糠、麸皮是水稻和小麦等谷物的加工副产物，产量高利用率低，向含油污泥中添加此类有机质能够有效降低修复成本，实现农业废物的再利用。
到目前为止，基于微生物技术处理修复含油污泥的相关研究已经取得了显著的进展，但是由于含油污泥来源多样、成分复杂，TPH中含有很多难降解的有机物，单纯的投加外源微生物或者生物质往往难以达到理想的修复效果。同时，对外源微生物与生物质联合修复含油污泥的研究相对较少，对其中TPH降解过程和机制研究也有待进一步加强。本研究选取廉价易得的谷糠、麸皮与石油烃高效降解菌群对含油污泥进行协同修复，考察单独添加生物有机质、外源微生物制剂以及两者协同作用时对含油污泥TPH的降解效果，并通过调节添加物的比例，追踪不同处理条件下油污泥含水率、TPH含量等参数的变化，确定处置含油污泥的有效方案，以期实现含油污泥的高效低成本处理，为油田含油污泥的处理提供新的思路。
1 实验材料及方法 1.1 含油污泥与外源微生物制剂本研究所用含油污泥取自山东东营某化工厂，由于该工厂没有处理含油污泥的手段，所产生含油污泥只能在密闭的环境中不断堆积，样品放置时间较长，表观为黑褐色黏稠软泥状固体(见图 1)，TPH含量为122.39 mg·g-1(干质量)，含油污泥基本特征：含水率88.23%，含固率10.35%，湿基含油率1.42%，干基含油率12.06%。
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图 1 实验所用含油污泥 Fig. 1 Oily sludge used in the experiment |
本研究所用的菌群为青岛浩澳环保科技有限公司提供的高效TPH降解混合菌群，主要菌种包括芽孢杆菌属(Sporolactobacillus)，相对丰度为40.49%；醋酸杆菌属(Acetobacter)，相对丰度为3.45%；乳酸杆菌属(Ligilactobacillus)，相对丰度为0.90%；己酸菌属(Caproiciproducens)，相对丰度为5.06%和梭状芽胞杆菌(Clostridium sensu stricto 12 )，相对丰度为4.33%等，并混合了从含油污泥筛选的微生物菌群，根据课题组已有的菌群发酵条件，采用糖蜜培养基于5 L发酵罐中进行扩繁培养，制备成石油降解微生物菌液制剂。
1.2 设备与试剂 1.2.1 设备UV-2550紫外-可见分光光度计(SHIMADZU公司)；KQ-500E超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)；GTR16-2B的低温高速冷冻离心机(北京时代北利公司)；LDZA-50L立式蒸汽灭菌锅(上海申安医疗器械厂)；DHG-9070A电热恒温鼓风干燥箱(上海一恒科技有限公司)。
1.2.2 试剂标准油(1 000 μg/mL)，来自国家海洋环境监测中心；正己烷、甲醇、二氯甲烷、无水硫酸钠来自国药集团化学试剂有限公司；研究所用的谷糠和麸皮采购于农贸市场，实验用水均为去离子水。
1.3 实验设计如表 1所示，本研究以外源微生物制剂、谷糠和麸皮等添加物的添加量作为变量，检验采用单一或协同处理方法对含油污泥TPH的去除效率。本研究的实验共有6组，分别为对照组(1#)、微生物组(2#)、谷糠组(3#)、麸皮组(4#)、谷糠+微生物组(5#)、麸皮+微生物组(6#)。所添加的谷糠、麸皮于121 ℃高压灭菌30 min，搅拌后与含油污泥充分混匀。以对照组为一个系列，五个实验组每个比例构成一个系列(见表 1)，每个系列均包括两个平行的子系列，每个子系列均包含八个样品，进行培养实验。实验时，分别称取10 g含油污泥转入经450 ℃高温灼烧6 h的洁净培养皿中，将添加物与含油污泥混合均匀后，室温密封避光保存。在实验过程中，每隔一天对制备的实验样品进行翻耕，分别于第0、2、4、6、9、12、15、20天固定时间段取样，以测定含油污泥中TPH含量。
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表 1 含油污泥降解实验方案 Table 1 Experimental scheme for oily sludge degradation |
由于含油污泥长期放置，其中残留的易挥发物质可以忽略。因此，本研究中含油污泥样品的含水率通过称重法进行测定，参照土壤干物质和水分的测定标准(HJ613-2011)，具体步骤如下：
取三个干燥洁净培养皿，编号并记录其重量；然后称取10 g含油污泥样品均匀分散于恒重后的培养皿中，于100 ℃烘干24 h，直至其重量不再发生变化，记录此重量，按照下式计算含水率
| $ W_{\mathrm{C}}=\frac{W+W_1-W_2}{W} \times 100 \% \text { 。} $ |
式中：WC为含水率；W为含油污泥初始质量(g); W1为培养皿的质量(g)；W2为恒重后含油污泥与培养皿的质量和(g)。取三个值的平均值作为样品的含水率。
1.4.2 含油污泥TPH含量的测定以正己烷为萃取剂，采用紫外分光光度法于225 nm波长测定含油污泥TPH含量。基于海洋监测规范第5部分：沉积物分析(GB 17378.5—2007)。移取10 mL标准油(1 000 μg/mL)于50 mL容量瓶中，用正己烷定容，配制成200 μg/mL标准油使用液。分别取石油类标准油使用液0.00、0.25、0.50、0.75、1.00、1.25 mL于6个10 mL容量瓶中，用正己烷定容，标准系列溶液浓度为0.00、5.00、10.00、15.00、20.00、25.00 μg/mL，以正己烷为参比，用紫外-可见分光光度计于225 nm处测定标准系列溶液的吸光度并绘制吸光度-原油浓度(X-Y)标准曲线。本研究中，标准油的工作曲线为y =0.021 3x-0.003 2，R2=0.999 6，其中，y为吸光度，x为浓度，μg/mL。测定含油污泥TPH含量时，称取2 g(±0.01 g)搅拌均匀后未经风干的含油污泥于50 mL离心管中，添加15 mL正己烷，涡旋震荡2 min，超声处理1 min后，于2 500 r·min-1离心10 min，随后将上清液转移到装有20 mL硫酸钠溶液的250 mL分液漏斗中，用10 mL正己烷重复提取含油污泥一次，将上清液合并于分液漏斗中，震荡后静置分层。再用20 mL硫酸钠液重复洗涤2次，弃去水相，以正己烷为参比，于225 nm处测定有机相的吸光值，通过标准曲线计算TPH的浓度以及相应的湿基含油率，并根据TPH浓度随培养时间的变化计算得到含油污泥TPH的降解率。
湿基含油率的计算公式如下：
| $ \omega_{\text {oil }}=\frac{\rho \times V}{M} \text { 。} $ |
式中：ωoil为含油污泥的湿基含油率，%；ρ为从标准曲线上查出的油浓度，μg/mL；V为正己烷萃取液体积，mL；M为含油污泥样品的称取量，g。
含油污泥TPH降解率计算公式如下：
| $ \eta=\frac{\left(C_1-C_2\right)}{C_1} \times 100 \% \text { 。} $ |
式中：η为油污泥的降解率，%；C1为降解前的TPH含量，单位mg·g-1；C2为降解后残留的TPH量，单位mg·g-1。
此外，干基含油率通过湿基含油率、含水率计算，公式如下：
| $ \text { 干基含油率 }=\frac{\text { 湿基含油率 }}{1 \text {-含水率。}} $ |
含固率=1-含水率-湿基含油率。
1.4.4 TPH降解速率常数计算大多数有机化合物在降解过程中，其降解效率一般随着时间的推移而降低，从而表现出前期降解迅速，随后降解很慢或停止降解的特征[10-12]。针对这种降解行为，Westrich和Berner率先于1984年提出G-model进行量化描述，该模型的准确性已得到许多现场检测与实验室研究的验证。该模型假定有机化合物降解可以分为降解速率不同的部分，且不同部分的降解行为相互独立，而该有机化合物的总降解速率可通过不同部分降解速率的加权平均求得：
| $ \begin{gathered} -\left(\frac{\mathrm{d} G_{\mathrm{t}}}{\mathrm{~d} t}=\sum k_i G_i\right) \\ G_{\mathrm{t}}=\sum G_i=\left(G_1\right)_0 \exp \left(-k_1 t\right)+\left(G_2\right)_0 \exp \left(-k_2 t\right)+\cdots。\end{gathered} $ |
式中：Gt为有机化合物的总含量；
| $ k_{\mathrm{av}}=k_1 \times f_1+k_2 \times f_2 \text { 。} $ |
式中：kav定义为该化合物的表观降解速率常数；f1与f2为G1和G2两部分的占比，且有
接种不同比例外源微生物制剂后，含油污泥中TPH浓度随培养时间的变化如图 2所示。经过20 d微生物修复，添加外源微生物制剂的实验组1#TPH降解率变化范围为7.93%~23.36%，而对照组降解率仅为3.98%(见表 2)，这表明在含油污泥的修复过程中，仅靠其本身的微生物进行修复难以达到理想效果，需要添加适当比例的外源微生物制剂，与其中的石油烃降解菌菌群里多种微生物的协同作用，从而促进含油污泥中TPH的降解。
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( 图中的点为实验结果，曲线为G-model模拟结果。The points in the figure are experimental results, and the curves are G-model simulation results. ) 图 2 添加外源微生物条件下含油污泥TPH含量随培养时间的变化 Fig. 2 Time-dependent variations of TPH content of the oily sludge with adding exogenous microorganisms |
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表 2 不同处理条件下含油污泥TPH的残留量与降解率 Table 2 Residual amount and degradation efficiency of TPH in the oily sludge under different treatments |
图 2的结果表明，含油污泥接种不同比例的外源微生物制剂，其TPH含量随培养时间变化的趋势相近，但降解情况有所差异。当微生物接种量为0.5%时，油污泥中最低TPH含量为92.90 mg·g-1，降解率达到峰值为23.36%；当微生物接种量为0.1%时，降解率较低，这归因于外源微生物制剂接种量过少，其生长受含油污泥中较高浓度TPH的限制，难以与含油污泥中本身的微生物发挥协同效应，导致修复效果较差[18]。而随着接种量增加，当外源微生物制剂接种量为2%时，TPH最终含量为109.34 mg·g-1，降解率仅为10.42%，和仅接种0.1%的实验组差别不大，显著低于外源微生物制剂接种量为0.5%和1%的实验组。这可能是因为外源微生物制剂接种浓度过高，形成对氧气、水分和营养物质的过度消耗，且接种量过大会加速细菌假菌丝生成速度[19]，影响菌体的生长，从而使得微生物菌群对TPH的降解率下降[20]。因此，选择合适的外源微生物制剂接种量对去除含油污泥的TPH具有重要意义。接种量过高会造成菌种浪费，增大处理成本，并且TPH降解率下降；接种量过低无法与含油污泥本身的降解微生物发挥协同效应，也达不到理想的处理效果。根据本研究的实验结果，确定外源微生物制剂的最佳接种比例为0.5%。
2.1.2 添加生物有机质对TPH降解率的影响添加谷糠或者麸皮条件下含油污泥中TPH随培养时间的变化如图 3所示。结果显示，当含油污泥与谷糠质量比为1∶1时，TPH含量达到的最低值为86.22 mg·g-1，此时，降解率(见表 2)达到最高为28.64%，为对照组的7.19倍。通过向含油污泥中添加适量比例的谷糠，能够改善其中土壤的透气性及微生物的生存环境，为微生物的新陈代谢活动增加活性碳源，有助于含油污泥自身微生物的生长繁殖，从而促进对含油污泥中TPH的降解[21]。在本研究中，含油污泥TPH含量随时间的变化趋势与Liu等[22]的研究结果一致。他们对含油污泥进行为期360 d的现场生物修复，被污染土壤的TPH含量下降了58.2%，而对照组仅降低15.6%。他们的研究结果表明向含油污泥施加有机肥，在显著提高土壤中氮磷钾等营养元素的浓度的同时，也提供了微生物生长的必要碳源，从而促进了含油污泥中以烃类物质为食的微生物的生长。Wang等[23]向被含油污泥污染的土壤中添加棉秆进行修复，经过39个月的翻耕，TPH降解率达68.48%，有效改善了被含油污泥污染的土壤的pH值、养分、有机质组成与含量等特性，也证明了生物有机物对含油污泥TPH降解的促进作用。
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( 图中的点为实验结果，曲线为G-model模拟结果。The points in the figure are experimental results, and the curves are G-model simulation results. ) 图 3 添加谷糠或者麸皮条件下含油污泥TPH含量随时间的变化 Fig. 3 Time-dependent variations of TPH content of the oily sludge with adding chaff or bran |
与添加谷糠的实验组类似，添加麸皮的实验组TPH含量也随培养时间的增加呈降低趋势，表明麸皮也有助于去除含油污泥的TPH。当含油污泥与麸皮比例为1∶0.5时，TPH含量达到最低值为80.85 mg·g-1，此时，降解率(见表 2)达到最高值为34.75%，是对照组的8.73倍。麸皮中富含纤维素、蛋白质、淀粉等，腐解后易被微生物利用；与添加谷糠类似，添加适量的麸皮能够改善土壤的透气性，从而促进微生物的生长繁殖，强化土壤中微生物对含油污泥中TPH的降解作用[24]，这与Vasudevan等[8]的研究结果相似。他们对含油污泥进行为期90 d的生物修复实验，结果表明使用麸皮能够将含油污泥的烃去除76%，远高于未添加麸皮的对照组(去除率为44%)。与本研究的结果相比，他们的研究虽然获得的较高的石油烃去除率，但是其实验组去除率仅为对照组的1.73倍，显著低于本实验的结果。
本研究结果还表明，向含油污泥添加麸皮的试验组，其TPH的降解率总体上高于谷糠组。在实验体系中，谷糠和麸皮既可以充当碳氮源，又是填充剂，能够刺激含油污泥土著微生物的生长繁殖，改善其微生物的多样性，从而加速对含油污泥的修复[25]。在微生物可利用的成分里，谷糠中纤维含量约为35%，含油量约为20%；麸皮中纤维含量约为45%，淀粉含量约为15%，脂肪含量约3%~5%，蛋白质含量二者较为接近，约为18%。淀粉和纤维是多糖结构，降解速度比脂类快，更容易被微生物利用。此外，谷糠纤维多为块状分布，麸皮则呈现多孔结构，比表面积比谷糠更大，从而更有利于微生物附着，为微生物的生长扩繁提供了更好的载体。故而相较于谷糠，麸皮更利于含油污泥石油烃降解菌的生长繁殖。刘伟民等[26]以谷糠、麸皮为发酵基质研究灵芝液态发酵过程中菌体生物量变化，同样得出麸皮比米糠更有利于灵芝菌体生长繁殖的结论。
实验结果表明，外源微生物制剂接种量的不同对含油污泥中TPH降解的影响显著，外源微生物制剂的接种比例为0.5%时降解效果最佳。添加谷糠或麸皮有机质对含油污泥中TPH降解有显著的促进作用。当含油污泥与谷糠质量比为1∶1时，对TPH的降解率达到该系列的最高值；而含油污泥与麸皮比例为1∶0.5时，对TPH的降解率也达到该系列的最高值。综合上述实验结果，选取最优和次优的外源微生物制剂和谷糠、麸皮的添加比例进行外源微生物制剂与生物有机质协同处理含油污泥的实验。
2.2 外源微生物制剂与生物有机质协同处理对含油污泥TPH降解率的影响图 4的结果表明，对含油污泥使用谷糠和外源微生物制剂、麸皮和外源微生物制剂协同处理20 d后，各实验组样品TPH含量均随着处理时间的推移而显著降低。其中，G3实验组TPH含量最低达到82.33 mg·g-1，此时，降解率(见表 3)达到最高值33.24%；为对照组的8.35倍，而仅添加微生物的实验组含油污泥TPH的降解率最高为23.36%；仅为添加谷糠的实验组的70.27%。谷糠和外源微生物制剂的协同作用显著提高了含油污泥TPH的降解率，使微生物修复更加有效[25]。
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( 图中的点为实验结果，曲线为G-model模拟结果。The points in the figure are experimental results, and the curves are G-model simulation results. ) 图 4 谷糠和外源微生物、麸皮和外源微生物协同作用下含油污泥TPH含量随时间的变化 Fig. 4 Time-dependent variations of TPH content in the oily sludge under the synergies of chaff and exogenous microorganisms, and bran and exogenous microorganisms |
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表 3 不同处理条件下含油污泥TPH的残留量与降解率 Table 3 Residual amounts and degradation efficiency of TPH in the oily sludge under different treatment conditions |
在本研究中，加入含油污泥的外源微生物制剂中，芽孢杆菌属占重要地位，相对丰度为40.49%，能够降解谷糠中的纤维素，将其转变为葡萄糖等容易被微生物利用的小分子有机物；另一方面，谷糠腐解产生的腐殖酸改善了土壤的理化性质，且随着培养时间延长，谷糠结构逐步被破坏，更易于腐解被微生物利用[27]；添加的乳酸菌属微生物能够将葡萄糖等碳水化合物转变为乳酸，由于乳酸的作用，使整个培养体系的pH降低，未
解离分子状态下的有机酸进入细胞内，由于细胞内pH较高，有机酸会发生解离生成H+和酸根离子，可以提高微生物细胞中酸性水解酶的活性。外源微生物制剂中的己酸菌属微生物发酵能力强，能够利用乳酸、乙醇等多种碳源，代谢生成己酸，为微生物脂肪酸的合成提供原料；此外，乳酸和其它外源微生物制剂代谢产物，如乙酸、乙醇等也可被其他微生物作为碳源利用，提高培养体系微生物的活性，从而促进TPH的降解，实现含油污泥的修复。
F1实验组中含油污泥中TPH最低残留量为71.38 mg·g-1，此时，降解率最高为41.05%(见表 3)，高于单独添加麸皮或外源微生物制剂的实验组。麸皮是多孔结构，形状不规则，与含油污泥混合后，提高了整个体系孔隙度和氧气扩散速率，成为微生物生长扩繁的良好载体，从而提高了整个培养体系的微生物活性[28]。而外源微生物制剂中的芽孢杆菌属微生物可以分泌蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶、脂肪酶等多种酶，能够将麸皮中的纤维素、半纤维素、淀粉、蛋白质等物质有效降解为小分子有机物，并使麸皮更加膨松多孔，形成蜂窝状结构[29]，相较于谷糠，更有利于微生物附着生长。Wang等[30]采用正交试验的方法，考察TPH、微生物、泥炭、麸皮对含油污泥生物降解的影响，结果显示添加微生物和麸皮可以显著提高含油污泥TPH的去除率，与本研究的结果一致。
2.3 不同处理条件下含油污泥TPH的降解速率常数本研究的结果表明，所有实验体系中含油污泥TPH的降解趋势类似，都随培养时间呈现出先快后慢的降解特征[31]。针对此降解特征，根据G-model建立了含油污泥中TPH的降解模型并计算了TPH在多种实验体系中的降解速率常数(见表 4)。
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表 4 不同处理方式下含油污泥TPH的降解速率常数 Table 4 Degradation rate constants of TPH in the oily sludge under different treatments |
在该模型中，TPH中易于被微生物降解的部分其降解速率为k1，该部分物质在实验前期被迅速降解，随着该部分物质的减少，较难被微生物降解的部分成为TPH的主体(降解速率常数为k2)，从而导致TPH降解速率大幅度减缓[32]。另一方面，所添加的外源微生物制剂与含油污泥的土著微生物有较大差别。Wu等[33]研究表明，生物强化处理中，所接种的外源微生物制剂成为石油污染土壤中占主导地位的微生物。在支持其生长的营养物质被消耗之后，其支持含油污泥土著菌群降解石油烃的作用减弱，也会导致培养后期TPH降解速率的大幅度下降。由表 4可知，各实验组k1的变化范围为0.16~0.95 d-1，F1实验组(5.0 g麸皮+0.5%微生物)k1值最高，与TPH降解率结果相一致。各实验组k1远高于对照组k1，表明投加外源微生物制剂或生物质，能够在处理初期大幅度加快含油污泥中易降解物质的降解速率。各实验组k2的变化范围为0.001 1~0.009 5 d-1，均显著低于各实验组的k1，但仍然远高于对照组的k2(0.000 82)，表明向含油污泥投加外源微生物制剂或者谷糠、麸皮，也能够显著促进TPH中难降解部分的降解。
在接种不同量外源微生物制剂条件下，实验组kav变化范围为0.012~0.064 d-1，均显著高于对照组。因此，与自然降解相比，接种外源微生物制剂能够加速含油污泥TPH的降解。其中，kav在外源微生物制剂接种量为0.5%时最高，在接种量为0.1%时最低，最大降解速率常数为最低降解速率常数的5.6倍。接种不同比例外源微生物制剂的含油污泥中，kav由高到低的顺序为0.5%>1%>2%>0.1%，与TPH降解率结果相一致，降解速率快的实验体系，TPH的降解率也更高。通常，微生物的初始密度低，降解速率常数也较低[34]。kav的计算结果进一步表明，添加麸皮实验组和添加谷糠实验组的降解速率常数显著高于对照组。添加麸皮实验组的kav最高值为0.13 d-1，约为添加谷糠实验组最高kav的1.7倍，进一步证实向含油污泥中添加麸皮能够更好的促进其中TPH的降解。Wang等[35]向150 g含油污泥中添加15 g堆肥补充剂，进行为期175 d的实验，采用一阶降解方程描述降解速率，含油污泥中的TPH呈现先快后慢的降解趋势，在前80 d快速降解，之后降解速率趋于平缓，0~175 d的kav仅为0.009 2 d-1，而在0~80 d的kav为0.015 d-1。本研究得到的TPH降解速率优于Wang等[35]的实验，这是因为麸皮、谷糠生物质的添加量适当，从而能够促进含油污泥中TPH的降解。
图 4使用G-model对各对照组和各实验组数据的拟合结果进一步表明，麸皮+外源微生物制剂和谷糠+外源微生物制剂协同作用对含油污泥TPH降解速率快于外源微生物制剂、麸皮、谷糠单独作用。与谷糠+外源微生物制剂(G1—G4)实验组相比，麸皮+外源微生物制剂(F1—F4)能够实现更高的kav(0.084~0.26 d-1)。最高降解速率分别出现在G3和F1实验组，F1的降解速率常数是G3的1.3倍，且当培养实验进行到第6天时，F1实验组降解率达到最终降解率的80%。Maleti c ' 等[36]在带有秸秆堆肥的生物堆上添加水和微生物以探究被石油污染土壤生物修复过程中的降解动力学，实验过程微生物生物量始终高于初始阶段，表明添加有机质有利于微生物降解TPH及微生物的生长。
通常认为不同烃类化合物的降解由易到难的顺序为直链烷烃＞支链烷烃＞低相对分子量芳香烃＞多环烷烃[37]。而本实验使用的含油污泥由于经过长期放置，TPH中难降解的组分含量较高，根据G-model估算，若不添加外源微生物制剂和生物质，单纯依靠土壤本身的微生物，其TPH含量达到国家标准需要2 188 d。在麸皮+外源微生物制剂最佳投加比例，(F1实验组)条件下，约需要培养136 d，含油污泥中TPH含量可降至国家标准20 mg·g-1，降解率达到83.69%；若在F1实验组基础上生物修复6 d在快速降解部分消耗完后适当补充麸皮和外源微生物制剂，如果降解模型继续有效，理论上则需要继续培养7 d左右，就能够使含油污泥的TPH含量符合国家标准。然而，如果以对照组和各实验组TPH的降解速率常数kav和降解率绘制关系图，得到图 5。图 5的结果表明，当降解速率常数较低的时候，TPH降解率随降解速率的增加呈线性增加，而当降解速率常数较高的时候，TPH降解率随降解速率的增加变化不大。这样一种关系非常类似于酶促反应时酶反应速率和底物浓度的关系。在酶促反应中，酶反应速度和底物浓度的关系如下：V0 = Vmax (S / (Km+S)), 其中V0为所测得的酶促反应的反应速度，Vmax为最大反应速度，Km为米氏常数，S为底物浓度。如果将米氏方程中的V0替换为降解率η，S替换为kav，Km替换为常数A，则本研究中TPH降解速率常数与其降解率的关系为η=ηmax· (kav/(A+kav))，由此求得的最大降解率为39.6%，与我们研究结果得到的41.05%非常接近。这个结果说明，含油污泥的TPH，如果外部条件不发生明显的变化，其降解率存在几乎无法突破的高值。同时，对照组的实验结果表明，即使不向含油污泥中掺入任何添加物，通过改变外部条件，也能去除少部分的TPH，即总会有一部分TPH在外部条件改变的情况下快速降解而被去除。实际上，当含油污泥所处的内外部条件改变时，会导致其中的微生物群落的改变，从而适应变化了的环境。这个过程中这些微生物会产生各种各样的有机物降解酶，为其生长繁殖提供支持，从而导致含油污泥有机质的消耗。这也是培养前期，所有体系都会有部分TPH快速降解的原因。到了培养后期，随着含油污泥中的微生物群落和新的环境的平衡重新建立，对有机质的利用速率也会显著下降。因此，要提高含油污泥TPH的去除率，需要不断改变其所处的外部环境和处理方式，所采用的方法包括不断的搅拌和翻耕，每隔一定是时间投加外源微生物制剂和生物质，改变外源微生物制剂的种类和相对丰度等。这为解决含油污泥生物修复周期过长、降解效率过低的等问题提供了理论依据和新的思路。
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图 5 含油污泥降解率随降解速率常数的变化 Fig. 5 Changes of degradation efficiency of the oily sludge with degradation rate constants |
(1) 本研究以山东东营某化工厂长期放置的含油污泥为研究对象，在不同的处理条件下考察其TPH含量随培养时间的变化。经20 d生物修复，不采用任何处理手段的对照组TPH降解率为3.98%，而单一添加外源微生物制剂或谷糠、麸皮，其最高降解率能够达到23.36%、28.64%和41.05%，投加外源微生物制剂或生物质能够显著促进含油污泥中TPH的降解。
(2) 在外源微生物制剂与生物有机质协同处理条件下，麸皮+外源微生物制剂协同处理含油污泥效果最佳，经20 d微生物修复，TPH降解率达41.05%，添加麸皮和接种外源微生物制剂是提高含油污泥修复效率的有效措施。
(3) 所有培养体系中含油污泥TPH的降解趋势类似，都随培养时间呈现出先快后慢的降解特征。微生物、谷糠、麸皮、谷糠+微生物、麸皮+微生物处理体系TPH平均降解速率常数kav的变化范围分别为0.012~0.064、0.008 0~0.077、0.017~0.13、0.024~0.040、0.084~0.26 d-1，均远高于对照组的kav(0.000 85 d-1)。降解速率快的实验体系，TPH的降解率也更高。要提高含油污泥TPH的去除率，需要不断的改变含油污泥所处的外部环境和处理方式。
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