微生物能夠降解石油烴已經被大量文獻報道，水解酸化—好氧工藝應用於油田採油汙水處理時，水解酸化過程可使採油汙水中的酮類、芳烴得到較好的降解，醇類和酸類的相對組成提高，可生化性提高，後續結合好氧處理能取得較好的處理效果。然而，很多油田採出水高溫、高礦化度的特點，在很大程度上制約了生化處理技術的使用。因為較高的汙水溫度僅適合嗜熱微生物的生長，非嗜熱菌會發生原生質膠體的變性、蛋白質和酶的損傷、變性，生活機能異常或喪失，最終導致死亡。在高鹽情況下，不論是使用好氧生物處理，還是厭氧、缺氧生物處理，均會對微生物的正常代謝產生不利影響，會發生微生物細胞原生質分離、脫氫酶活性降低等，造成處理系統懸浮物增多，生物絮凝作用下降等現象。通過篩選、馴化複合高效耐鹽耐高溫微生物來保證處理效果，雖然能取得較好的效果，但投菌的成本較高，生物活性也容易降低。因此，研究能夠持續處理高溫、高鹽採油汙水的生化處理技術難度很大。
本研究針對某油田稠油含油汙水，通過馴化能夠降解此類汙染物的複合菌，採用生物膜水解酸化—接觸氧化—兩級缺氧工藝對能夠持續處理該汙水的適合條件進行了研究。
1 試驗材料與方法
1.1 試驗裝置
採用水解酸化—接觸氧化—兩級缺氧聯合工藝，試驗裝置為碳鋼製圓柱形反應器。其中水解酸化和接觸氧化裝置有效容積分別為18 L，兩級缺氧裝置有效容積分別為9 L，裝置總容積為54 L。裝置中填充體積為總容積20%的複合填料，採用自制數顯電熱系統進行溫度控制，調節精度為±0.5 ℃。
1.2 試驗用水
試驗採用某油田稠油汙水，其廢水COD 3 450 mg/L，BOD 5 699 mg/L，油830 mg/L，鹽12.5 g/L，氨氮7.85 mg/L，溫度58 ℃。實驗中汙水中的油含量根據需要進行稀釋，鹽含量隨實驗需要投加NaCl，且在進反應器前按m(COD)∶m(N)∶m(P)=100∶5∶1投加NH4Cl和KH2PO4。
1.3 分析項目及方法
COD：重鉻酸鹽法;油含量：紅外分光光度法;DO：OX1330型便攜式溶氧儀;pH：pHS-25型pH 計;微生物相：OLYMPUS COVER-108鏡檢。
1.4 微生物馴化和啟動
接種汙泥取自某汙水處理廠。將汙泥投加於各反應器，使得投加後反應器內的汙泥質量濃度為20 g/L。啟動初期採用混合進水，即V(生活汙水)∶V(含油汙水)=1∶4，後根據掛膜情況逐漸減少生活汙水，直至全部採用含油汙水。待水解酸化和缺氧反應器內出水由渾濁逐漸變清，並伴有氣泡產生，填料上汙泥呈灰黑色;好氧反應器內出水逐漸清澈，膜組件上懸掛了大量黃褐色生物膜，由此表明反應器掛膜初步成功。微生物生長穩定後，採取連續進水試運行，在出水COD和油的去除率均穩定在60%以上時，認為馴化成功。
2 結果與分析
利用水解酸化—接觸氧化—兩級缺氧工藝對該稠油汙水進行了6個月的處理試驗。考察了停留時間、溫度、油含量、鹽含量對去除效果的影響。試驗階段，水解酸化池溶解氧保持在0.5 mg/L左右，pH為6.0左右，接觸氧化池溶解氧在2~4 mg/L，pH為7.0左右，而一級缺氧段溶解氧保持在0.9 mg/L以下，二級缺氧段溶解氧低於0.5 mg/L，pH在6.0~7.5。
2.1 水力停留時間對處理效果的影響
在溫度為30 ℃時，考察了水力停留時間分別為18、24、36、48 h時汙水的處理情況，結果見圖 1。
由圖 1可以看出，進水中油質量濃度在20~60 mg/L時，原油去除率隨停留時間的增加而提高，不同停留時間下，出水中油質量濃度均低於10 mg/L。其中水力停留時間為48 h時，原油去除率可達到82%，平均出水油質量濃度為4.3 mg/L，這也基本說明了含油汙水的生化降解速率較低，需要較長時間降解的結論。實驗表明，工藝較適合的停留時間為24 h，該段實驗內，在日均進水油質量濃度為39.6 mg/L時，出水油質量濃度在10 mg/L左右。
2.2 溫度對處理效果的影響
選定工藝停留時間為24 h，採用整體工藝分階段升溫方式，考察溫度對處理效果的影響，試驗分為6個階段，共歷時2個月。其中溫度為35~60 ℃，每間隔5 ℃作為一個考察階段，試驗的每個階段首日升溫2 ℃，次日升溫3 ℃，穩定運行1 d後進行一週的監測，實驗結果見圖 2、圖 3。
實驗過程中發現，運行溫度達到55 ℃及以上時，從表觀上來看，水解酸化及缺氧段反應器生物膜的生長情況良好，但接觸氧化反應器由於受到溫度條件的抑制，出現膜脫落現象。延長適應時間後，在溫度提高到60 ℃時未出現系統崩潰的情況。在該反應器穩定運行階段，COD和石油類的去除率均在70%左右，並沒有因為溫度的上升而有明顯變化，表現出普通生物汙泥馴化後處理含油汙水較好的高溫適應能力。
2.3 進水油含量對處理效果的影響
因實際工藝過程中，水解酸化段溫度最高，之後的處理段溫度降低。根據汙水處理廠的實際溫度，實驗中，控制水解酸化段溫度為53 ℃，接觸氧化段和缺氧段溫度為35 ℃，停留時間為24 h。其間，採取按比例稀釋原水的方式，以間隔7 d為一階段，調節1次進水油含量，各階段的平均油質量濃度分別為15.7、28.8、42.5、58.9、139.5 mg/L。
運行的結果如圖 4所示，進水平均油質量濃度為15.7、28.8 mg/L時，對油的去除率為70%左右，出水中油質量濃度低於10 mg/L。而在進水油含量較高時，去除率提高2%~14%，但出水油含量也隨著進水油含量的提高而明顯增加，在進水平均油質量濃度大於42.5 mg/L時，出水油質量濃度將超過15 mg/L。
實驗發現，平均進水油質量濃度為139.5 mg/L的運行階段，取得80%以上的去除率，但水解酸化池漂浮油量增加水面浮油增多，出水也變渾濁，裝置受油衝擊影響嚴重。因此，進水油質量濃度為30~40 mg/L是本生物法能否有效去除水中油的臨界範圍。
2.4 鹽含量對處理效果的影響
基於採油汙水普遍鹽含量較高的特點，保持水解酸化段溫度為53 ℃，接觸氧化段和缺氧段溫度為35 ℃，考察了該生化處理工藝對不同鹽含量的抗衝擊能力，其中鹽含量以按比例添加單一NaCl的形式，調節至考察濃度。每次調節進水鹽含量，穩定運行7 d，運行結果見圖 5。
由圖 5可以看出，在進水油質量濃度約為30 mg/L，鹽質量濃度為4~20 g/L的各階段，原油去除率穩定在60%左右，但低於不加鹽時的去除率。此過程中，在初始鹽質量濃度超過8 g/L時，出現了接觸氧化單元溶解氧降低，生物膜出現脫落，裝置出水渾濁的現象，表明生化系統受到衝擊。此時，控制進水油含量不變，將水力停留時間由24 h提高至36 h後，運行狀況逐漸改善。在油質量濃度為12.8 mg/L，鹽質量濃度為40 g/L時，出水油質量濃度仍可穩定在7.0 mg/L以下，去除率達到46%左右，表現出一定的高耐鹽性。
2.5 影響因素分析
實驗發現，增加水力停留時間並沒有使出水油含量降到非常低的水平，而進水初始油含量降低也未能使原油得到徹底降解，這說明汙水油含量低時微生物對原油的利用度降低。因此，用生物法對含油汙水進行深度處理時應考慮對水中原油的富集，以提高生物法的處理效果。此外，微生物的生長數量及降解原油的速率並不因為油含量的增加而明顯提高，原油的物理狀態和化學性質很可能影響了工藝對高濃度含油汙水的去除。
相關研究表明，20 ℃時的石油烴微生物降解率比10 ℃時高，在40 ℃以上時，石油烴對細胞膜的毒性不斷增加，降解率的提高受到制約。觀察本實驗在35~60 ℃運行的情況，可以看出溫度對接觸氧化處理影響明顯，符合溫度高於40 ℃時生物活性降低的規律，但厭氧段微生物在該溫度範圍仍然能夠較好地生長，因此對該工藝對原油的去除率並沒有較大的影響。但從整個工藝運行穩定性方面來看，隨著溫度的升高穩定性有所降低，活躍微生物的數量和種類也發生明顯變化。造成上述現象的原因可能是普通馴化汙泥的適應性問題。李大平等採用接觸氧化工藝進行含油廢水的中試試驗，篩選出的嗜熱降解功能菌在60～67 ℃可取得較好的處理效果，說明篩選馴化嗜熱微生物處理高溫含油汙水具有一定的可行性。
本實驗中，低鹽(4 g/L)條件對微生物有一定刺激作用，系統穩定性較好;隨著鹽含量的提高造成汙泥量增多，缺氧段產氣量減少;可採取鹽含量緩慢提高的方式使微生物逐漸適應新環境，沒有對系統造成嚴重衝擊。
延長適應時間、降低油含量，系統在40 g/L的鹽質量濃度下，仍然穩定運行。通過鏡檢發現，同未加入NaCl階段相比，微生物在不同的處理單元中呈現不同的種屬和數量的規律沒有變化。同樣，水解酸化段活躍微生物較少，接觸氧化段較多，一級缺氧段最少，活躍最多的為二級缺氧段，且此段的微生物種類也更多。這表明水解酸化段和一級缺氧段分解了難降解有機物，為接觸氧化和二級缺氧微生物提供了較好的碳源。
文獻表明，不同的汙水、各種工藝的處理效果有所差別，但鹽含量對處理效果有明顯的負面影響是普遍的事實，本實驗採用水解酸化、接觸氧化、缺氧結合的工藝，選擇的複合填料為微生物提供了較好的生存環境，在處理含油汙水中表現了普遍的規律和良好的適應性。
3 結論
(1)從實驗結果看，試驗用稠油汙水的生化性尚好。通過馴化培養普通汙泥細菌，採用水解酸化—接觸氧化—兩級缺氧工藝處理該汙水，在進水油質量濃度不高於40 mg/L時，可以在35~60 ℃穩定運行，出水油含量和COD可以達到70%的去除率。
(2)在厭氧溫度為53 ℃，接觸氧化、缺氧溫度為35 ℃、HRT為36 h、進水油質量濃度約30 mg/L、鹽質量濃度為4~20 g/L時，該工藝能夠穩定運行，原油去除率可達到60%左右。在低油負荷(油質量濃度為12.8 mg/L)，鹽質量濃度為40 g/L時，原油去除率仍能保持46%左右，表明該工藝處理高溫高鹽含油汙水具有技術可行性。
(3)生物法處理該稠油汙水時，進水油質量濃度低於40 mg/L很重要，也是汙水能否處理達標排放的關鍵。
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