石油集输系统中硫化氢的反硝化生物抑制技术研究

西安建筑科技大学硕士学位论文X701西安建筑科技大学硕士学位论文西安建筑科技大学硕士学位论文石油集输系统中硫化氢的反硝化生物抑制技术研究专专专专业：业：业：业：市政工程市政工程市政工程市政工程研研研研究究究究生：生：生：生：王堂彪王堂彪王堂彪王堂彪指导教师：指导教师：指导教师：指导教师：金鹏康金鹏康金鹏康金鹏康教授教授教授教授摘要H2S是一种剧毒气体，对人体危害严重。就石油行业而言，H2S气体的分布非常广泛，对作业工人存在潜在的生命伤害等安全隐患。长庆油田公司勘探总面积达37万平方公里，登记地域范围占中油股份公司总登记面积的14%，位居中国石油第二位。随着长庆油田勘探、开采与集输系统的不断扩大，硫化氢对设备的腐蚀以及对作业人员人身危害越来越严重，监测、预防、治理H2S等有毒有害气体成为企业的当务之急。基于H2S控制及企业安全生产需求，研究了石油集输系统中硫化氢的反硝化生物抑制技术。建立了两个UASB反应器（UASB-1和UASB-2），其中UASB-1模拟石油集输系统中硫酸盐还原菌的生存环境，强化系统中硫酸盐还原菌的滋生使其不断产生硫化氢气体。该系统液体随后进入后续UASB-2厌氧反应器，其主要作用是在其中形成反硝化作用的环境条件，以控制石油输集系统中不断滋生的硫酸盐还原菌，从而达到控制硫化氢气体的目的。实验结果表明，硫酸盐还原菌的最佳氧化还原电位（ORP）为-370～-300mV，而反硝化细菌的最佳ORP为-150mV～-50mV。向系统中加入亚硝酸盐可以迅速增加反应器中的ORP值，并且为反硝化细菌提供充足的氮源。当系统中的w(SO42-)：w(NO2-)=8：1.2时，抑制效果最佳，可以将硫化氢的产生降低至10%。运用16SrDNA基因克隆–变性梯度凝胶电泳分析方法研究了系统中微生物种属的变化情况。结果表明，反硝化细菌能够有效抑制系统中硫酸盐还原菌繁殖，系统中3种典型硫酸盐还原菌（脱硫弧菌属、脱硫肠状菌属、脱硫单胞菌属）逐渐消失，同时反硝化细菌的种属和数量都显著增加。本论文得到陕西省自然科学基金（项目编号:2011JY002）资助西安建筑科技大学硕士学位论文基于室内实验结果和理论分析，针对长庆油田采油四厂艾家湾作业区集输系统中硫化氢气体较高的问题，采用生物抑制技术对该系统中H2S进行了处理。结果表明，采用单井反硝化生物抑制可以使集输系统沉降罐、污水罐中H2S气体浓度由最初的268mg/m3降低至《工作场所有害因素职业接触限值》(GBZ2-2002)要求的10mg/m3以下。在实验周期内，系统中的反硝化细菌的数量随加药时间的延长逐渐增加，从最初的3000cfu/100mL增加至600000cfu/100mL，而此时系统内的ORP值由硫酸盐还原菌生存的最佳微环境(-370～-300mV)升高至反硝化细菌生存的最佳微环境(-50～-100mV)。对加入亚硝酸盐后的微生物种群进行测序发现，反硝化微生物种群和数量有很大发展，其中反硝化微生物主要有耐盐芽孢杆菌、产碱假单胞菌和奈瑟菌。本研究完善了集输系统中H2S生物抑制技术研究，证实了该处理技术与实施工艺的可行性。关键词：石油集输系统；硫化氢；硫酸盐还原菌；反硝化西安建筑科技大学硕士学位论文InhibitingInhibitingInhibitingInhibitingfunctionfunctionfunctionfunctionofofofofdenitrificationdenitrificationdenitrificationdenitrificationininininreducingreducingreducingreducinghydrogenhydrogenhydrogenhydrogensulfidesulfidesulfidesulfideininininthethethethecrudecrudecrudecrudeoiloiloiloilrefillingrefillingrefillingrefillingandandandandtransportationtransportationtransportationtransportationprocessprocessprocessprocessSpecialtySpecialtySpecialtySpecialty：：：：MunicipalEngineeringCandidateCandidateCandidateCandidate：：：：TangbiaoWangInstructorInstructorInstructorInstructor：：：：Pro.PenkangJinABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACTH2Sisatoxicgas,whichcancauseseriousharmtohumanbody.Asfarastheoilindustryisconcerned,H2Siswidespreadandit’sharmfulforthelivesofoccupationallyexposedworkers.Changqingoilfieldhave37squarekilometersexplorationarea,anditsregistrationTerritoriesshares14%oftheChinaNationalPetroleumCorporationtotalregisteredarea,rankingthesecondinChina'soil.Withtheexpandingofexploration,exploitationandgatheringinchangingoilfield,itspressingmatterofthemomenttosurvey,preventandmanageH2Sandothertoxicandharmfulgases.BasedonthecontrollingofH2Sandthedemandofsecurityenvironmentanditsprotectionandgovernanceofcorporation，thepresentpaperhasresearchedtheinhibitingfunctionofdenitrificationinreducingtheactivitiesofsulfatebacteriainthecrudeoilrefillingandtransportationprocess.Inourresearch,wehavepreparedtwosetsofUASB(up-flowanaerobicsludgeblanket)reactors(UASB-1andUASB-2).Thefirstreactoristosimulatethecurrentenvironmentofsulfate-reducingbacteriainthecrudeoilrefillingandtransportationprocessinordertopromotethebreedingofsuchbacteriaforproducinghydrogensulfide,whereasthesecondreactor,thesubsequentreactor,ismainlyusedtoformthedenitrificationconditiontolettheoilliquidinsoastocontrolthesulfate-reducingbacteriainproducinghydrogensulfide.Throughadjustingtheratioofw(SO42-)/w(NO2-),DNBcouldbemadetobethesuperiorpopulationinUASB-2,whichhelpstocontrolthehydrogensulfide.TheresultsofourexperimentsindicatethattheoptimalORP(Oxidation-ReductionPotential)valuewithsulfate-reducingbacteriacanbemadetoincreasefrom-370mVto-300mVwhen-150mVto-50mVarejust西安建筑科技大学硕士学位论文neededfordenitrifyingbacteria.AddingsodiumnitritetoUASB-2isnotonlyhelpfultoimproveORPvaluebutalsoabletoprovidesufficientnitrogensources.Inourexperiments,wehavesucceededinachievingthebestinhibitoryeffectonthedecreaseofhydrogensulfideby10%intheratioofw(SO42-)/w(NO2-)is8:1.2.Wehavealsostudiedthechangetakingplaceinthemicrobialcommunitiesbyusing16SrDNAgenebasedmethodanddenaturinggradientgelelectrophoresis(DGGE)analysis.Theresultsprovethatthesulfate-reducingbacteriacouldbesuccessfullyinhibitedbythedenitrifyingbacteria,withthethreetypicalSRB(Desulfovibrio,Desulfotomaculum,Desulfomonas)graduallyvanishing.Atthesametime,boththegeneraandtheamountofthedenitrifyingbacteriawerefoundincreasedremarkably.Theanalysisofthemicroorganismgrowthrevealsthatthedifferentmicroenvironmentsarelikelytosiftmicroorganismsinwhichdifferentspeciesmaystrivefortheirsurvivalthroughcompetition.Inotherwords,thespeciesvarywiththechangingenvironment.Theprocessofourexperimentshelpstofindthattheremayexiststhreemechanisms,i.e.thesubstratecompetitionbetweenDNBandSRB,theinhibitionofthemiddleproductofdenitrificationandtheoxidationoftheautotrophicnitrate-reducingbacteria.Subsequently,onthebasisofaseriesoflaboratoryexperiments,aimingattheproblemofhighconcentrationofhydrogensulfideincrudeoilgatheringandtransferringsystemsofAijiawansectioninChangqingOilfield,theinhibitingfunctionofdenitrificationinreducingtheactivitiesofsulfatebacteriaintheprocesswasused.Thefieldexperimentresultshowsthatwhenweusedthebiologicalinhibitiontechniqueinf