（环境工程专业论文）反硝化抑制硫酸盐还原菌活性试验研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 摘要 油田采出水系统中存在着硫酸盐还原菌( s r b ) 。s r b 能将硫酸根还原为 硫离子，造成设备腐蚀。产生的金属硫化物的难溶性，使采出水系统中悬浮 固体含量增加，导致滤料污染、油水分离困难和注聚能力下降等，给油田生 产造成严重危害。 本文立足于微生物生态抑制，通过反硝化作用抑制s r b 活性，研究了室 内连续流试验、现场水抑制试验和间歇试验的抑制效能。 通过厌氧折流板反应器( a b r ) 室内连续流试验，确定出s 0 1 n 0 3 _ 、水 力停留时间、碳源、氧化还原电位是影响反硝化抑制效果的重要影响因子。 最佳s 0 4 z 。n 0 。 为l ：l ，较低含量的碳源有利于提高抑制效果，反硝化有效作 用时问为2 6 h ，氧化还原电位在一5 0 m v 一1 5 0m v 时，主要发生反硝化作用， 氧化还原电位在一3 0 0 m v 一4 0 0m v 时，主要发生硫酸盐还原反应。 油田含聚采出水与不含聚采出水都可以通过反硝化作用有效抑制硫酸赫 还原菌活性，抑制后硫化物浓度可由2 5m g l 左右降低至o 3m g l 以下。反 硝化抑制的方法不仅可以抑制硫化物的产生，同时能够去除系统原有的硫化 物。 间歇试验考察了s n 、碳源的种类和数量以及碱度等关键生态因子对反 硝化抑制硫酸盐还原效果的影响。s n 比为1 ：1 时，效果较好；乙酸、乙醇 和乳酸是适于反硝化菌( d n b ) 生长的碳源，而乳酸同时是适于s r b 生长的 碳源。在试验过程中发现，可能存在三种抑制机理，即d n b 和s r b 对基质的 竞争、反硝化中间产物的抑制作用和自养硝酸盐还原菌的氧化作用。 在碳源条件相同情况下，油田采出水中微生物进行硝酸盐还原在7 9 h 内可基本完成，而硫酸盐还原在1 2 h 后才可完成，且微生物的反硝化速率高 出硫酸盐还原速率一倍以上；碳源充足时( c n 比、c s 比大于3 ) ，系统的 反硝化率可超过9 8 ，而硫酸盐还原率仅达到8 4 。在相同条件下，微生物 进行反硝化反应的能力强于进行硫酸盐还原反应的能力，硝酸盐还原过程占 有较大的优势。 关键词：反硝化抑制作用；硫酸盐还原菌活性；生态因子；油田采出水 哈尔滨下程大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h e r ew e r es u l f a t e r e d u c i n gb a c t e r i a ( s r b ) i no i l f i e l dp r o d u c e d w a t e r s r bc o u l dr e d u c es u l f a t et os u l f i d e 。l e a d i n gt ot h ec o r r o s i o no f e q u i p m e n t s d u et o t h e i n f u s i b i l i t y o fm e t a ls u l f i d e s ，i tc a u s e dt h e s u s p e n d e ds o l i dc o n t e n tt oi n c r e a s ei np r o d u c e dw a t e rs y s t e m 。a n dl e a d e d t ot h ef i l t e rp o l l u t i o n ，t h ew a t e r - o i ls e p a r a t i o nd i f f i c u l t y 巍dt h ea b i l i t y o fi n j e c t i n gp o l y m e rd r o p p i n ga n ds oo n a l lt h e s ec r e a t e dt h es e v e r e i m p a i rf o rt h eo i lf i e l dp r o d u c t i o n b a s e do nt h em i c r o o r g a n i s me c o l o g i c a li n h i b i t i o n ，w ep r o p o s e dt o i n h i b i tt h ea c t i v i t yo fs r bw i t ht h em e t h o do fd e n i t r i f i c a t i o n i n h i b i t o r y e f f e c t so fc o n t i n u o u s f l o we x p e r i m e n t 、p r o d u c e dw a t e re x p e r i m e n ta n d i n t e r m i t t e n te x p e r i m e n tw e r es t u d i e d 。 a b rc o n t i n u o u s f l o we x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e d i ts h o w e dt h a ts 0 4 n 0 3 r a t i o ，h y d r a u l i cr e s i d e n tt i m e ( h r t ) ，c a r b o n $ o b r c ea n dr e d o xp o t e n t i a l ( o r p ) w e r et h ei m p o r t a n te c o l o g i c a lf a c t o r sw h i c hc a ni n f l u e n c e dt h ei n h i b i t o r ye f f e c t t h eo p t i m a ls 0 4 2 - ，n 0 1 v a l b ew a sl ：l ，a n dt h el o w e rc o n t e n to fc a r b o n s o u r c ef a v o r e dt oe n h a n c et h ei n h i b i t o r ye f f e c t t h ee f f e c t i v ef u n c t i o n t i m eo fd e n i t r i f i e a t i o nw a s2 - 6 h w h e nt h eo r pw a sa t 5 0 m v 一15 0m v i tm a i n l yh a p p e n e dd e n i t r i f i c a t i o n ；w h e nt h eo r pw a sa t 一3 0 0 m v 4 0 0 m v ，i tm a i n l yh a p p e n e ds u l f a t er e d u c t i o n w h e t h e rp r o d u c e dw a t e rc o n t a i n e dp o l y r 耳e ro rn o t ，i tc o u l db o t hu s e d e n i t r i f i c a t i o nt oe f f e c t i v e l yi n h i b i tt h ea c t i v i t yo fs r b a f t e ri n h i b i t i o n s u l f i d ec o n c e n t r a t i o nc o u l dr e d u c ef r o ma b o u t2 5 m g lt ob e l o w0 3 m g l t h em e t h o do fd e n i t r i f i c a t i o ni n h i b i t i o nc o u l dn o to n l yi n h i b i tt h e p r o d u c t i o no fs u l f i d e ，b u ta l s or e m o v et h eo r i g i n a ls u l f i d ei nt h es y s t e m i n t e r m i t t e n te x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e dt oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fp i r o t a l e c o l o g i c a lf a c t o r s s u c ha ss nr a t i o 、t h et y p ea n dq u a n t i t yo fc a r b o ns o u r c ea s w e l la sa l k a l i n i t ya n ds oo n ，o nt h ee f f e c to fd e n i t r i f i c a t i o ni n h i b i t i n gs u l f a t e r e d u c i n g w h e nt h es nr a t i ow a s1 ：1 ，t h ee f f e c tw a sb e s t a c e t i ca c i d ，e t h a n o l a n dl a c t i ca c i dw e 坞c a r b o ns o u r c es u i t a b l ef o rd n b g r o w i n g b u ta tt h e $ a i n et i m e 1 a t t i ca c i da l s ow a sc a r b o ns o u r c es u i t a b l ef o rs r bg r o w i n g i nt h ep r o c e s so f e x p e r i m e n t ，i tw a sf o u n dt h a ti tm i g h te x i s tt h r e em e c h a n i s m s ，s u c ha ss u b s t r a t e c o m p e t i t i o nb e t w e g nd n ba n ds r b 、t h ei n h i b i t i o no ft h em i d d l ep r o d u c to f 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 d e n i t r i f i c a t i o na n dt h eo x i d a t i o no f t h ea u t o t r o p h i cn i t r a t er e d u c i n gb a c t e r i a a tt h es a m ec o n d i t i o no fc a r b o ns o u r c e ，t h en i t r a t er e d u c t i o no f m i c r o o r g a n i s m si no i l f i e l dp r o d u c e dw a t e rc o u l dc o m p l e t eb a s i c a l l yi n 7 9 h ，b u tt h es u l f a t er e d u c t i o nc o m p l e t e di n12 h a n dt h ed e n i t r i f i c a t i o n r a t eo fm i c r o o r g a n i s m sw a so v e ro n et i m em o r et h a nt h er a t eo fs u l f a t e r e d u c t i o n ；w h e nt h ec a r b o ns o u r c ew a se n o u g h ( c nr a t i oa n dc sr a t i o m o r et h a n3 ) ，t h ee f f i c i e n c yo fn i t r a t er e d u c t i o ns u r p a s s e d9 8 ，b u tt h e e f f i c i e n c yo fs u l f a t er e d u c t i o no n l yr e a c h e d8 4 u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n , t h ea b i l i t yo fn i t r a t em d u c t i o no fm i c r o o r g a n i s m sw a s s t r o n g e rt h a nt h e a b i l i t yo fs u l f a t er e d u c t i o n ，a n dt h ep r o c e s so fn i t r a t er e d u c t i o nh a dm u c h m o r es u p e r i o r i t y k e y w o r d s ：d e n i t r i f i c a t i o ni n h i b i t i o n ；a c t i v i t yo fs u l f a t er e d u c i n g b a c t e r i a ( s r b ) ：e c o l o g i c a lf a c t o r s ；o i l f i e l dp r o d u c e dw a t e r 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：丛堡叠 日期：加1 年3 月j 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 硫酸盐还原菌及危害 1 1 1 硫酸盐还原菌概述 硫酸盐还原菌( s r b ) 是一组进行硫酸盐还原代谢反应的有关细菌的通称。 根据不同的生理生化特性，它们可以分为异化硫酸盐还原细菌和异化硫还原 细菌( “异化”的意思是指还原的硫酸盐组分并未同化为细菌的细胞组分，而 是作为产物释放) 。前者可以利用乳酸盐、丙酮酸盐、乙醇等作为碳源和能源， 还原硫酸盐生成硫化物；后者则不能还原硫酸盐，只能还原元素硫或其它含 硫化合物( 如亚硫酸盐、硫代硫酸盐) 【”。一般的研究多限于异化硫酸盐还原 菌。 s r b 是一类形态、营养多样化的微生物。s r b 利用硫酸盐作为有机物异化 作用的电子受体，是革兰氏阴性的严格厌氧菌。通过许多研究者的研究和成 功地分离，对s r b 进行了属、种分类【2 】。b a r g e y 细菌分类手册第一卷中，w i d d o l 和p e m i n g 按s r b 对有机物利用性能不同，将其归属为8 个属【3 j ：d e s u l f o v i b r i o ； d e s u l f o m o n k s ；d e s u l f o b u l b u s ；d e s u l f o t o m a c u l u m ；d e s u l f o c o c c u s ：d e s u l f o b a c t e r ： d e s u l f o s a r c i n a ；d e s u l f o n e m a 。上述s r b 的8 个属种中，其中d e s u l f o c o c c u s 等4 属能将脂肪酸等彻底氧化为c 0 2 ，属海洋中的s r b ：其它4 属均属淡水 中存在的$ r b ，大多数不完全氧化而形成h a c 作为终产物，仅 d e s u l f o t o m a c u l u m ( 此菌往往存在于动物粪便中，由于污染而存在于淡水中) 和 d e s u l f o v i b r i ob a a r s i i 能以h a c 作为电子供体，将h a c 彻底氧化为c 0 2 ，s o ? - 还原为h 2 s 。 根据s r b 生长对温度的要求，可将其分为中温菌和嗜热菌两类。虽然这 两种菌属不能完全相互转化，但有机体对温度和盐度具有较高的适应力。一 般来说，氧抑制s r b 生长，与普通的土壤或水体中的微生物如假单胞菌相比， s r b 生长速率相当缓慢，但是它们也有极强的生存能力，且分布广泛1 4 】。 1 1 2 硫酸盐还原菌的代谢机理 一般好氧细菌的新陈代谢能够分为合成代谢和分解代谢，但关于s r b 的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 合成代谢几乎一无所知，而对其分解代谢已有人作了不少研耕5 1 ，可以简单 地将$ r b 的代谢过程分为3 个阶段：分解代谢、电子传递、氧化，如图1 1 所示。 产生a t p 高能电子 碳源 黄素蛋白细胞色素c 3 等 c 0 2 + h 2 0 + c h 3 c o o h 分解代谢电子传递 消耗a t p s + o h 。 氧化 图1 1s r b 的分解代谢过程 在分解代谢的第一阶段，有机物碳源的降解是在厌氧状态下进行的，同 时通过“基质水平磷酸化”产生少量a t p ；第二阶段中，前一阶段释放的高 能电子通过s r b 中特有的电子传递链( 如黄素蛋白、细胞色素c 等) 逐级传递， 产生大量的a t p 。在最后阶段中，电子被传递给氧化态的硫元素，并将其还 原为s 2 ，此时，需要消耗a t p 提供能量。从这一过程可以看出，有机物不仅 是s r b 的碳源，也是其能源，硫酸盐( 或氧化态的硫元素) 仅作为最终电子受 体起作用，即s r b 利用s 0 4 2 。作为最终电子受体，将有机物作为细胞合成的碳 源和电子供体，同时将s 0 4 2 。还原为硫化物嘲。 1 1 3 硫酸盐还原菌的危害 1 1 3 1 对水体的危害 s r b 对水体的危害是由有机物和硫酸盐的污染引起的，当水中的有机物 和硫酸盐浓度增大时，有机物污染增加了水体中的c o d 和b o o ，使得水体中 溶氧大量消耗，致使水体呈厌氧状态，s r b 大量繁殖，硫酸盐还原发生，造 成大范围的h 2 s 形成，使得水体发黑发臭下水道的恶臭也是由h 2 s 引起的。 h 2 s 不仅产生恶臭，而且对人体健康有害。有人报道了下水道工人死于生物 起源的h 2 s 中毒，并很快尸僵【7 1 。也有报道这种污染引起光合硫细菌的快速 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 - i 生长，出现“血潮”、。赤潮” 7 1 。水体底质中s r b 也大量存在，其通过代 谢作用不断地释放出h 2 s ，消耗大量的溶解氧，使水质变坏，由此而发生的 需氧微生物和浮游生物( 包括鱼和水生植物) 死亡的事件时有报道。最为严重 的污染发生在非洲西南部的w a l v i s 海湾，那里海底淤泥覆盖面积达1 3 0 0 0 k i n ，隔几年即喷发大量的h 2 s ，使成群的鱼死亡，并引起周围城镇大气污染 唧。京杭大运河也由于工业污染物排入，造成严重污染，致使s r b 大量繁殖， 河水变黑发臭，鱼类根本无法生存。 1 1 3 2 对土壤的危害 s r b 在土壤中是普遍存在的，一般在好气的土壤中s r b 无活性，土壤出 现黑色或粘性时通常是厌氧的，显示有严重的s r b 感染，存在腐蚀的危脸， 且常伴有令人讨厌的h 2 s 气味。稻田特别易受h 2 s 的污染，虽然水稻本身对 硫化物具有相当的抗性，但当h 2 s 浓度达到有破坏性时，会引起减产。明显 的碱性黑钙土，能因硫酸盐还原而变得有毒，谷物根际周围的s r b 生长，产 生硫化物杀死植物或阻止植物生长。这种例子可见于柑橘属植物、豆科植物 和玉蜀黍的死亡。大量的日照和高浓度的硫酸盐，可促进这种毒性。 1 1 3 3 对金属和岩石的腐蚀 在厌氧条件下，s r b 对钢铁具有强烈的腐蚀作用。最引人关注的是其对 石油管道和水管的腐蚀作用。据报趔9 】，9 0 年代，由于s r b 对地下铜或铁制 的天然气管道和水管的腐蚀作用使美国每年损失5 2 0 亿美元。在低p h 或需 氧条件下，或在这两个条件都存在时，s r b 形成的h 2 s 能直接腐蚀钢。硫化 物氧化的形态，如硫酸和硫磺，也可以是强腐蚀性的。另外，s r b 还能引起 岩石或混凝土腐蚀。其机理是当s r b 产生的s 从污染源到达好氧带时，硫 杆菌便将h 2 s 氧化成硫酸，而硫酸是有腐蚀性的。这种腐蚀常见于水泥制的 下水道、石制雕像及土石方工程等。由此可见，s r b 引起的腐蚀带来严重的 经济损失。 1 1 3 4 对油田开采的影响 i 0 1 对采油工艺而言，较差的注水水质会给注水管材、设备以至油层带来腐 蚀、堵塞和结垢等严重危害。研究分析表明，s r b 可以同时对注水系统造成 上述三大危害，而且它们之间相互关联、相互作用【i ”。另外，美国学者g r u l a 和s w e l l 在1 9 8 2 年提出，s r b 对p a m 豹降解作用可能还会导致三次采油工作 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的失败。 。 致腐蚀的主要因素是s r b 的新陈代谢在金属的电化学腐蚀过程中起到了 阴极去极化的作用，从而加剧了腐蚀程度1 1 2 1 。在美国石油工业中，发现某个 生产井组7 7 以上的腐蚀成因是由s r b 造成的。 产生的腐蚀产物f e s 又易造成注水井渗滤端面和油层的堵塞：存在于油 层中的s r b 还能将硫酸钙还原为硫化物，同时生成碳酸钙沉淀。特别是在油一 水接触区中的岩石由于碳酸钙沉淀物堵塞了空隙，使油层的渗透率降低【1 3 】。 反应如下： c a s o , + 8 h + + c 0 2 i 苎芝一c h c d l 上+ 3 h 2 d + 日2 s ( 1 ) 另外，s r b 的代谢物和乳化油等物质与某些细菌( 如铁细菌、腐生苗等) 的分泌物粘附在器壁上形成生物膜垢【1 4 1 。而各种垢下的厌氧条件又为s r b 的 代谢创造了生存条件，当各种微生物膜剥落后又会造成多种形式的堵塞。 1 1 3 5 其它危害【1 习 嗜盐的s r b 可污染腌制的食物，它会使食物的颜色变黑并有一股臭鸡蛋 ( h 2 s 的恶臭) 的味道。据报道川，脱硫肠状菌还能腐败糖蜜、污染婴儿食品 和罐装的蘑菇。 s r b 也能造成气体污染。h 2 s 产生的恶臭不仅污染空气，令人讨厌，而 且危害人体健康。受s r b 污染的物质和燃料在燃烧时会产生大量的s 0 2 ，污 染大气环境，燃煤管道、阀门、喷气发动机也可能被s r b 腐蚀。 另外，s r b 可以产生致病性，危害人体健康。有人发现脱硫弧菌还存在 于人类龋齿样品的口腔链球菌中，其感染作用不清。1 9 7 8 年，在美国加州的 一所医院中，在一患有多种综合症的病人血液中分离并培养出典型的绿胶霉 素阳性的脱硫弧菌，该菌引起菌血症伴随着发烧，不过，病人会在2 4 h 内自 动康复网。 1 2 防止$ r b 腐蚀的常规方法 根据硫酸盐还原菌的生长繁殖条件、腐蚀活动机理和作用对象等因素， 常用的s r b 腐蚀的防治可以分为物理方法、化学方法、阴极保护方法和防腐 材料保护方法等几种。 4 哈尔滨1 程大学硕十学傅论文 _ - _ - - - l l i - l i _ i - _ - _ | l 目；i _ _ _ _ _ - ；- l _ i l l _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ l h i l l i - 1 2 1 物理法 s r b 只有在合适的环境条件下才能生长繁殖，因此可以通过控制环境的 物理条件来控制s r b 的腐蚀。可控制的环境条件有p h 值、温度、矿化度、溶 解氧和紫外线与超声波等。 1 2 1 1 温度 根据硫酸盐还原菌生长对温度的要求，可将其分为两种中温菌最适温度 一般在3 0 3 5 左右，高温菌最适温度一般为5 5 6 0 ，而在油田中最适宜 s r b 生长的温度为2 0 4 0 c 。因此，在一定条件下，周期性注入热水( 6 0 ) 可以杀死油田中的硫酸盐还原菌【1 6 l 。 、 1 2 1 2p h 值 硫酸盐还原菌生长的p h 值范围比较广泛，一般在5 5 8 5 之间，最适 宜的p h 值为7 o 7 5 。在厌氧条件下，当p h 值低于5 5 或高于8 5 时，s r b 即不能生存【m 。所以，可以通过提高或降低环境的p h 值来抑制硫酸盐还原 菌的生长和繁殖，以此来控制s r b 的腐蚀。 1 2 1 3 矿化度 盐对硫酸盐还原菌的影响是通过水中渗透压的变化影响细菌物质运输的 过程。盐浓度过高会引起细胞的脱水死亡【1 町。当环境中n a c l 含量小于0 8 1 8 时，s r b 可以正常生长，n a c l 含量在0 9 7 2 2 2 8 0 时，可以在沉积相中 生长，n a c l 含量大于2 5 4 0 时，s r b 的生长完全受到抑制n 可。所以在条件 允许时，向环境中注人高矿化度水或者n a c l 溶液可以抑制s r b 的生长。 l 2 1 。4 溶懈氧 一般认为硫酸盐还原菌是绝对厌氧菌，所以氧气对s r b 的生长会产生很 大的影响。油田系统中采用短时曝气法来杀灭水中的s r b 。然而，在利用游 离氧杀灭厌氧细菌的同时，也给本来严格厌氧的体系提供了曝气的机会。在 曝气期间，金属的腐蚀速率将会明显地高于原有的厌氧腐蚀速率，其点蚀更 为严型嘲。张小里等通过实验测定了s r b 的耐氧度，指出短时曝气法难以杀 灭水中的硫酸盐还原菌，硫酸盐还原菌可以耐受4 5 m g l 的溶解氧。因此 对此类短时曝气法需要重新进行评价。 1 2 1 5 紫外线照射和超声波处理 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 紫外线具有杀菌作用，利用紫外线处理油田注水可以杀灭水中的硫酸盐 还原菌。一般紫外线灯在2 6 0 h m 波长附近有很强的辐射，而这个波长恰好可 以为核酸所吸收网。因而，紫外线照射一段时间可以杀死s r b 。 同时，外加超声波来抑制硫酸盐还原菌的生长也在逐渐被重视起来。当 声波频率在9 2 0 k h z s 以上的超声波时，即可以使细菌内容物受到强烈振荡 而使s r b 被破坏【2 l 】，以达到防止s r b 腐蚀的目的。 1 2 2 化学法 化学方法是最简单而又行之有效的控制硫酸盐还原菌腐蚀的方法。目前 在油田和冷却水系统中被广泛使用，其主要途径是通过投加杀菌剂杀死s r b ， 或投加抑制剂来抑制s 9 8 的生长繁殖。 目前，在我国常用的杀菌剂为季胺盐、醛类、杂环类以及它们的复配物， 如十二烷基二甲基苄基氯化铵( 1 2 7 7 ) 和甲硝唑等。但是由于杀菌剂在环境中 分布不均匀，使局部位置的s r b 长期处于低浓度的抗菌物环境中而不能被杀 死，其中的少数个体由于染色体的抗药性突变，或者生理适应方式，最终形 成了对杀菌剂的抗药性 2 2 1 ，使杀菌剂的浓度逐渐提高，大大增加了处理的成 本。为了解决这一问题，杀菌剂的复配使用问题正越来越受到重视。同时， 研制一种高效、环保的新型杀菌剂正成为实验室研究的热点，并已经有所突 破田，卅。但实验室内的试验结果不一定能直接推广到现场条件下使用，仍需 补做现场试验。 1 2 3 阴极保护法 在硫酸盐还原菌存在的条件下，也可以使用阴极保护的方法来防止s r b 的腐蚀，这是由于在阴极保护下，阴极提供自由氢的速度超过了细菌去极化 作用中利用氢的速度【1 8 1 。在不含s r b 的正常情况下，利用阴极保护方法时， 在被保护对象上施加的阴极极化电位降至一0 8 5 0 v ( 相对于c u c u s 0 4 电极) 时，即可达到保护的目的；而在有活性硫酸盐还原菌存在的条件下，则需再 降低0 1 0 0 v ，即降到- 0 9 5 0 v ( 相对于c u c u s o , 电极) 时，才可以保护被保护 对象口卯。这是从热力学角度考虑做出的预见，并已经在实验室用细菌的纯培 养实验进一步得到证实。同时，就硫酸盐还原菌活动而言，采用阴极保护时， 6 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 作为阴极的金属表面附近形成了碱性环境，对s r b 的活动具有抑制作用。 1 2 4 防腐蚀材料法 从材料的制备和选择上，使用抗硫酸盐还原菌腐蚀的材料即可避免或者 减少s r b 腐蚀产生的危害。铁及不锈钢、铝及其合金、混凝土等多种材料都 能发生s r b 腐蚀，而通常铬及高分子聚合材料i 凋、钛及其合金【2 7 嚣1 等对s r b 具有较好的抵抗性。所以可以通过对材料表面进行处理或者在其基体材料中 添加耐s r b 腐蚀的元素，以达到防止s r b 腐蚀的目的。 1 3 新型微生物控制方法 一些防腐蚀专家认为，从环境的角度考虑，s r b 的防治有必要从微生物 学自身去寻找新的方法 2 9 1 。由此，提出了新型微生物控制方法，就是利用生 物竞争淘汰的方法，通过微生物种群的替代将有害的微生物问题变为有利因 素 3 0 i 。可替代生物群再生产天然气、聚合物、表面活性剂，同时除去硫化物。 这样既可以提高油田中油层采收率，又可以防止油层酸化。 1 3 1 微生物控制s r b 的机理 微生物防治s r b 腐蚀的机理【3 l l ，一是所用的替代细菌在生活习性、生长 环境等方面与硫酸盐还原菌非常相似，只是它们不产生h 2 s ，而生成其它对 油田无害的产物或者将h 2 s 转化，降低s r b 的腐蚀。这些细菌注入地层中， 就可以与s r b 争夺生活空闻和营养底物，使s r b 的生长繁殖受到抑制，即利 用微生物之间的竞争关系来防止s r b 腐蚀。这一类细菌主要包括脱氮硫杆菌 ( t h i o b a c i l l u sd e n i 打“c a n s ，简称t d e n i 脚跚曲和硫化细菌 ( s u l p h i d e - o x i d j z i n g b a c t e r i a ，简称s o b ) 等，它们通过将h 2 s 转化来降低 s r b 的腐蚀1 3 2 l ；二是利用某些细菌可以产生类似抗生素类的物质直接杀死或 降低s r b 活性，也就是利用微生物之间的共生、竞争以及拮抗的关系来防止 微生物对金属的腐蚀。如短芽孢杆菌( b a c i l l u sb r e r y s ，简称bb r e r y s ) 接 种至s r b 后，可以分泌短芽菌肽s 来抑制不锈钢上s r b 引起的腐蚀【3 那。 1 3 2 新型硝酸盐基处理技术嗍 目前，研究和应用最为广泛的生物抑制技术就是硝酸盐基处理技术，也 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 称为生物竞争排除技术( b i o c o m p e t i t i v ee x c l u s i o n ，简称b c x ) 1 3 5 l 。该技术主 要是向地层导入低浓度的硝酸盐亚硝酸盐成分，它将更容易更积极地替代硫 酸盐成为电子受体，这可以促使天然存在于油层中的硝酸盐还原菌群( n r b ) 迅速增生扩散，并在与s r b 竞争生存空间和基质时，d n b 优先选择使用油层 中的基质，因此可阻止s r b 获得所需要的营养物，从而控制s r b 的代谢活性。 b c x 试剂的成分是由硝酸盐亚硝酸盐的混合物组成，这种混合物可依据 不同的油藏特性、水组成以及硫化物的浓度进行调节和修改。实践证明b c x 的这种特性更适合现场作业的特点，并且在调整b c x 成分过程中只能改变硝 酸盐浓度。8 c x 体系的功能就是在油藏中不断地激励原地目标脱氮微生物产 生驱油化学剂和物理剂，它就像是位于油藏内部的一个气体化学工厂，在油 藏内部其功能得到优化。 与以前的生物杀菌剂相比，b c x 体系具有明显的硫化物抑制作用，见表 1 1 。 表1 1b c x 体系与生物杀菌剂抑制硫化物效果比较 b c x 体系生物杀菌剂 无危险无机盐有毒、危险的化学剂 选择有益种群培养试图完全抑制 成本较低相对昂贵 原地细胞不断生产稀释可降低生物杀菌作用 在孔隙基质内发生微生物作用产生杀菌剂阻抗 穿透油藏由于吸附有衰竭作用 防止硫化物的产生能有效的控制部分硫化物 消除硫化物不能消除硫化物 环保对环境有危害 另外，使用通用的b c x 体系还有其他好处，如增加了b c x 本身的经济 价值，包括：降低投资费用、作业及维护成本；降低腐蚀费用；第三级税额 抵免并在增加e o r 方面取得了成功。 该项技术的重要意义还在于它具有显著提高原油采收率的作用。报道中 原油产量增加了2 0 ，这源于油藏内原生n r 8 微生物群落的作用，这种微生 物群落主要应用硝酸盐亚硝酸盐同时产生诸如气体( c h 4 、c 0 2 、n z ) 、表面 活性剂、溶剂及有机酸等，即众所周知的原油采收率特性。另外必须强调的 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 是泄油有机微生物的增长、所有发生的反应及最终形成的表面活性剂等产品 发生在整个油藏内，产生像多层泄油机理及溶剂的增效作用。这些泄油、原 油流动的多层效应在微观孔隙基质内通常不会遇到或不予考虑。表1 2 就b c x 技术作业处理与常规c 0 2 、聚合物等作了比较。 表1 2 提高原油采收率体系：b c x 与常规技术的比较 b c x 提高原油采收率体系非生物提高原油采收率体系 自生产设备呈指数增加e o r 剂不断稀释减少 产生多层原油流动剂通常仅有一种作用 同时产生溶剂、有机酸、气体 及表面活性剂 流度：由其自身的作用细胞 运移受到注水流动模型的限制 移至圈闭油 在孔隙内及孔隙基质中存在反应主要发生在化学剂 多层效应注入前沿 不断产生原生泄油剂不产生原生泄油剂 在每一原生油藏结构中所有方向上 油藏内部没有明显的反应 都有泄油剂 通过实施低成本补救方案获得门限值及不断的工程费用常常成为 更多的经济效益限制条件 1 4 反硝化控制s r b 的研究现状 目前，国内外有关用硝酸盐或亚硝酸盐反硝化控制s r b 的研究较多，并 且取得了很好的效果。也有人对其作用的机理进行了探讨，提出了各种不同 的假说。下面就根据其机理不同分类概述其研究现状。 1 4 1 基质竞争性抑制作用 o n b 和s r b 由于其生存环境极为相似，同属于专性厌氧菌，可共同存在 于同一环境中。当基质和营养物质有限时，它们之间存在着对基质和生存空 间的激烈竞争。许多研究表明，d n b 在与s r b 的竞争中占据优势，优先利用 基质【3 毛3 7 1 。由于乙酸是厌氧分解的最主要的中间产物，通常降解c o o 的7 0 要经过乙酸而降解【3 町，所以本文以乙酸为例说明d n b 在与s r b 竞争中所占 据的优势。在对基质的竞争中，d n b 比s r b 有三个明显的优势：( 1 ) d n b 对 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 乙酸的亲和力要比s r b 高的多，即k 。值较低( 见表1 3 ) ，因此在低基质浓 度时，对基质的竞争方面，d n b 比s r b 占有优势：( 2 ) 反应热力学有利于 硝酸盐还原的进行。表1 3 表明，硝酸盐还原作用释放的能量比硫酸盐还原 所释放的能量高，即硝酸盐还原反应比硫酸盐还原反应更溶液进行；( 3 ) s r b 所要求的氧化还原电位( 一1 0 0 m v ) 比d n b ( + 4 0 0 m v ) 低，因此，硝酸盐还原 反应一般总是优先发生。 但是，s r b 的最大比基质降解速率v 。比d n b 高( 表1 3 ) 。因此，在 较高基质浓度环境中，由于s r b 有较大的v 。，它能有效的转换基质，保持 物质代谢平衡，也能够生长。所以，在基质充足时，d n b 对s r b 的竞争抑 制作用不十分明显。另外，影响d n b 和s r b 优势竞争的环境因素很多，且 各因素之间关系错综复杂，因此实际竞争结果可能与上述热力学、动力学等 预测的相差甚远l 帅l 。 表1 3s r b 和d n b 以乙酸为基质时的热力和动力学常数 3 9 1 g o k mv 细菌反应式 ( m o l j )( m m 基质)( m m s 1 ) s r bc h 3 c o o + s 0 4 2 一h s - + 2 h c 0 3 - 4 70 5 l 5 7 l o 5 c h 3 c o o + 8 n 0 3 + 3 h + 一 ， d n b- 4 9 5o 0 9 1 2 x l 矿 1 0 h c 0 3 + 4 n 2 + 4 h 2 0 目前，有关硝酸盐用于控制硫酸盐还原的研究很多。e i n a r s c n , a m 等人 通过向l i l l e h a r a r a e r 污水处理厂污泥处理过程中加入适量的硝酸盐，控制了 其间所产生的臭味，用很低的成本改善了污泥操作的环境条件1 4 l j 。g b e n t z e n 等人用硝酸盐控制下水道管网中的腐败问题，结果表明硝酸盐的加入能有效 的控制下水道中h 2 s 的含量，加入后操作入口处h 2 s 含量为0 4 m g l ，日变 化在o o 4 n l g ，l ；而加入之前，此值为4 2 m g l ，日变化在l 1 0 m g l 之间， 并且n o r 加入期间污水处理厂生物滤池内的硝化过程改善了1 4 2 】。 r o d r i g u e z - g o m e z , l u i se 等人进行了用硝酸盐消除废水传输过程中硫化物产 生的试验，当在6 1 k i n 长的重力流管子中加入加入2 5 m g l 的n 0 3 - n 时，进 行了完全的反硝化，仍含有硫化物，但有了很大程度的减少；而当加入5 0 m g l 的n 0 3 - n 时，反硝化没有进行完全，但是完全抑制了硫化物的产生1 4 3 】。b a b i n , j a y 等人用硝酸钙对腐败发生臭味的排水沟沉积物进行了处理，结果表明， 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 不仅控制住了臭味，硫化物浓度去除了9 9 5 ，而且电位提高为正值，能长 期的控制硫化物产生嗍。o k a b e ，s 等人研究了生物转盘内硝酸盐对硫酸盐还 原的影响，当加入硝酸盐后，s r b 生长区域更加靠近生物膜内部，并且活性 也降低，在生成的硫化物中有6 5 通过厌氧硝酸盐氧化为硫酸盐【4 卯。o k a l 七 s a t o s h i 等人运用微电极、f i s h 和d g g e 技术分析了n 0 2 和n 0 3 对活性污泥 固定琼脂凝胶生物膜内原位产生硫化氢的影响。在加入n 0 2 和n o r 后，硫酸 盐还原区域更加靠近凝胶深处，并且硫化物产生明显减少，而在n 0 2 。和n o 消耗完后，硫酸盐还原重新恢复，由此他们认为n 0 2 和n 0 3 对硫酸盐还原的 抑制是异化d n b 和s r b 对基质竞争的结果脚l 。 国内外多数研究者将重点集中在油田水反硝化抑制s r b 的研究上。 h i t z m a n , d 0 等人认为向油层水中加入硝酸盐刺激了另外一种硝酸盐还原菌 的生长，它与s r b 竞争水中的挥发酸成分，从而抑制了硫化物的产生，由此 在硝酸盐改良后的微生物群体中，异养反硝化菌群是主导生物群体，也是控 制硫化物产生的主要原因【4 7 j 。h y v i k , h e n r i k 等人应用硝酸盐去除含油废水和 设备中的硫化物，当投加量( s 2 。：n o s 。) 为1 ：1 0 l ：4 0 ，反应器内停留时 间为l o 6 0 m i n 时，出水硫化物的去除率达9 0 以上，反应器运行成功的关 键是其中含有大量的硫氧化生物膜1 4 8 】。g i a n 舀a c o m o , l e oa 等人测试了几种 油层本土细菌减少和去除硫化物的能力，通过向油层注入少量必要的营养， 刺激反硝化菌的生长，与s r b 竞争油藏中的挥发酸等基质，利用生物竞争排 除技术控制了油藏内硫化物的产生即l 。t e l a n g , a j 和g e v e r t z , d 等人用翻转 基因探针( r s g p ) 对硝酸盐改良的c o l e v i l l e 油田采出水所进行的微生物群体 分析表明，采出水中硫化物的减少伴随着t m o m i c r o s p i r as p 菌株c v o , 硝酸 盐还原菌株。硫氧化菌株的明显增加【m5 1 】。h u b e r t , c a s e 7 等人用油田采出水 接种的升流填充床反应器进行s r b 抑制试验，用1 7 5m mn 0 3 或2 0m m n 0 2 ，可以抑制含有7 8 m ms 0 4 2 和2 5 r a m 乳酸的升流介质中s r b 产生的硫 化氢，并且控制酸化所需的硝酸盐或亚硝酸盐的量与电子供体乳酸的量呈比 例，而与硫酸盐浓度无关。他们还得出，硝酸盐的加入对群体组成没有太大 的改变，而高浓度亚硝酸盐的加入，改变了反应器内微生物的群体组成，这 也使得他们抑制s r b 产生硫化物的机理不同1 5 2 】。 不同的研究者在试验室研究中应用不同的硝酸盐浓度来抑制硫酸盐还 哈尔滨工程大学硕士学位论文 原。id a v i d o v a 等人在室内试验中，分别向o k l a h o m a 和a