（微生物学专业论文）微生物对储油罐底油泥无公害处理初步研究.pdf

微生物对储油罐底油泥无公害处理初步研究 手葡要 储油罐底油泥是一种废弃物，若能研究出一套经济实用的方法对其进行无公害处 理，就会成为一种资源，并产生一定的经济社会效益。生物处理法以其无二次污染、操 作简单、费用低等优点目前被认为是处理含油污泥的一种比较好的方法。目前的研究多 集中于单一菌株对石油的降解作用。本研究从分离表面活性剂产生菌和石油降解菌出 发，通过菌株组合试验，获得一个石油降解混合菌群f l o 2 ，并对其石油降解条件进行 研究；通过摇床试验，利用混合菌群对储油罐底油泥进行无公害处理，以期为治理含油 污泥造成的污染提供一条技术途径。 目的：从储油罐底泥及石油污染土壤分离表面活性剂产生菌和石油降解菌，完成石 油降解混合菌群的组建，并研究其石油降解条件，利用混合菌群对储油罐底泥进行无公 害处理。以期为实现含油污泥微生物治理工艺奠定理论基础。 方法：通过富集分离法，获得表面活性剂产生菌和石油降解菌；通过菌株组合试验， 组建石油降解混合菌群；通过菌株、茵落形态观察试验对菌群中各菌株进行初步鉴定； 设计单因素试验选择菌群降解石油的的最佳氮、磷营养盐、最适p h 范围及摇床转速； 并先后采用l 9 ( 3 4 ) 、l 1 6 ( 4 5 ) 正交试验对菌群中各菌株的最适接种比例、菌群的石油 降解条件进行优化研究；通过摇床试验，利用混合菌群对储油罐底油泥进行无公害处理。 结果：分离得到2 株石油降解菌( 编号为p b l 0 ，s y - 8 ) ，3 株表面活性产生菌( 编 号为s v 3 ，p b 2 ，g j 4 ) ，组合试验得到一个石油降解混合菌群f l o 2 ( 由菌株p b 2 ，p b l 0 ， s y - 3 和s y - 8 组成) ，初步鉴定4 株菌s y - 3 、s y - 8 、p b 2 和p b l 0 均为芽孢杆菌属( b a c i l l u s 印) ，其适宜的生长和石油降解条件：p h 值5 - 9 ，最适p h 值7 5 ；温度2 5 5 0 ，最适 温度3 5 c ；盐浓度2 - 1 2g l ，最适盐浓度7g l ； 菌群f l o 2 石油降解的最佳氮源为n a n 0 3 ，磷源为k 2 h p 0 4 ，最适p h 范围7 9 ，摇 床转数1 8 0r m i n ，优化后菌群f l o 2 中各菌株的最适接种比例p b 2 ：p b l 0 ：s y - 3 ：s y - 8 为5 ：l ：5 ：1 ，最佳石油降解条件为p h8 0 ，初始油浓度1 2g l ，n a n 0 3 4g l ，k 2 h p 0 4 3g l ，接种量7 ，在此条件下，其石油降解率达7 3 1 9 ，石油粘度降低6 1 8 3 。利 用混合菌群f l o 2 对储油罐底油泥进行处理，结果表明同时投加混合菌群f l o 2 和无机盐 营养物质能够提高罐底油泥中石油的降解速率，处理1 6 d ，石油降解率达7 1 4 。气相 色谱检测分析表明混合菌群f l o 2 对石油的不同组分有不同程度的降解作用，经菌群 f l o 2 作用后，罐底油泥中油、泥沙分离效果相对较好。 结论：该研究为解决油田环境问题提供了一定的菌种资源和信息，同时为治理含油 污泥造成的污染或其他石油污染提供了一条可行的途径。 关键词 罐底油泥，混合菌群，生物降解，正交优化 s t u d y o np o l l u t i o n - f r e et r e a t m e n to fo i l ys l u d g ef r o mt a n k b o t t o mb ym i c r o o r g a n i s m s a b s t r a c t o i l ys l u d g ei saw a s t e ，i tw i l lb e c o m ea r e s o u r c ea n db r i n gc e r t a i ne c o n o m i cb e n e f i t si f w ec a ns e a r c has e to fe c o n o m i c a la n dp r a c t i c a lw a yt od e a lw i t hi t b i o l o g i c a lt r e a t m e n t m e t h o df o ri t sn os e c o n d a r yp o l l u t i o n ，s i m p l eo p e r a t i o n ，l o wc o s t i sc o n s i d e r e dab e t t e r m e t h o do ft r e a t i n go i l ys l u d g ec u r r e n t l y t h er e c e n ts t u d yf o c u s e do n as i n g l es t r a i no ft h eo i l d e g r a d a t i o n i nt h i st h e s i s ，o i ld e g r a d i n ga n ds u r f a c t a n t - p r o d u c i n gs t r a i n sw e r ei s o l a t e df r o m o i l ys l u d g eo fo i l t a n kf i r s t l y ，a n dv i ac o m b i n a t i o n ，t h em i x dc u l t u r ef l o 2w a so b t a i n e d ， f u r t h e rs t u d y i n gt h eo p t i m i z a t i o n a lc o n d i t i o n so fo i l ys l u d g e ，b ys h a i n gf l a s kt e s t ，t h e b i o d e g r a d a t i o ne x p e r i m e n to fo i l ys l u d g ef r o mt a n kb o t t o mw a sf i n i s h e dw i t hm i x dc u l t u r e t h i sw i l lb ep r o v i d i n gat e c h n i c a lw a yt oc o n t r o lp o l l u t i o nc a u s e db yo i l t a n ks l u d g e o b j e c t i v e s ：o i ld e g r a d i n ga n ds u r f a c t a n t - p r o d u c i n gs t r a i n sw e r ei s o l a t e d f r o mo i l y s l u d g ef r o mo i l t a n ka n do i l c o n t a m i n a n t ds o i lf i r s t l yi no r d e rt oc o n s t r u c tam i x dc u l t u r e ； s t u d yo nt h eo p t i m i z a t i o n a lc o n d i t i o n so fo i ld e g r a d a t i o no f m i x dc u l t u r e ；t h r o u g hs h a i n gf l a s k t e s t ，t h eb i o d e g r a d a t i o ne x p e r i m e n to fo i l ys l u d g ef r o mt a n kb o s o mw a sf i n i s h e dw i t hm i x d c u l t u r e t h i sw i l lb el a y i n gat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h er e a l i z a t i o no fo i l ys l u d g et r e a t m e n t m e t h o d s ：t h r o u g he n r i c h m e n ta n ds e p a r a t i o n , t h eo i ld e g r a d i n ga n ds u r f a c t a n t p r o d u c i n g s t r a i n sw e r eo b t a i n e d ；a n dv i ac o m b i n a t i o n ，am i x dc u l t u r ew a sc o n s t r u c t e d ；b yu s i n g m o r p h o l o g i c a l ，p h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a lm e t h o d so ft h ev a r i o u ss t r a i n si nt h em i x d c u l t u r e ；c h o i c eo fs i n g l e f a c t o re x p e r i m e n tf o rt h eb e s to i ld e g r a d a t i o no fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sn u t r i e n t s ，t h es u i t a b l ep hv a l u er a n g ea n dr o t a t es p e e d ；t h eo p t i m a li n o c u l a t i o n p r o p o r t i o no fs t r a i n sa n dt h eo p t i m a lc o n d i t i o n so fo i ld e g r a d a t i o n w e r es c r e e n e db yb ( 3 a n dl 1 6 ( 4 5 ) o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ；t h eb i o d e g r a d a t i o ne x p e r i m e n to fo i l ys l u d g ef r o mt a n k b o r o mw a sf i n i s h e dw i t hm i x dc u l t u r eb ys h a i n gf l a s kt e s t r e s u l t s ：t w os t r a i n so fo i l d e g r a d i n gs t r a i n s ( n u m b e r e dp b 10 ，s y - 8 ) a n d3s t r a i n so fs u r f a c t a n t 。p r o d u c i n gs t r a i n s ( n u m b e r e ds y - 3 ，p b 2 ，g j 4 ) w e r ei s o l a t e df r o mo i l - t a n ks l u d g e ，t h em i x d c u l t u r ec o m p o s e do f p b10 ，s y - 8 ，s y - 3a n dp b 2w a sa b t a i n e dv i ac o m b i n a t i o nt e s t ，t h es t r a i n ss y - 3 ，s y - 8 ，p b 2 a n dp b l 0a sb a c i l l u ss p ，f o rt h ef o u rs t r a i n st h es u i t a b l ep hv a l u er a n g ei s5 - 9 ，t h e t e m p e r a t u r er a n g ei s2 5 c - 5 0 c ，t h er a n g eo fs a l tc o n c e n t r a t i o ni s 2 1 2g l ，t h eo p t i m a l c o n d i t i o n s ：t h et e m p e r a t u r e3 5 。c ，t h ep h7 5 ，t h es a l tc o n c e n t r a t i o n7g l ；t h eo p t i m a lo i l d e g r a d i n gi n g r e d i e n to ff l o 2w a s ：ns o u r c e sa n dps o u r c e sw e r er e s p e c t i v e l yn a n 0 3 a n d k 2 h p 0 4 ，t h eo p t i m a lr a n g eo fp hv a l u ew a s7 - 9 ，r o t a t es p e e d18 0r m i n ；t h eb e s ti n o c u l a t i o n p r o p o r t i o no fe a c hs t r a i nw a sp b 2 ：p b l 0 ：s y - 3 ：s y - 8 = 5 ：1 ：5 ：1 ，t h eo p t i m a lc o n d i t i o n so f o i ld e g r a d a t i o nw e r et h a tp h8 0 ，i n i t i a lo i lc o n c e n t r a t i o n12e d l ，n a n 0 34g ，l ，k 2 h p 0 43e i l ， i n o c u l a t i o nv o l u m e 7 ，u n d e rt h eo p t i m a lc o n d i t i o n s ，t h eo i ld e g r a d a t i o nr a t er e a c h e d7 3 19 ， t h ev i s c o s i t yr e d u c e d61 8 3 t h er e s u l to fb i o d e g r a d a t i o ne x p e r i m e n tf o u n dt h a tt h eo i l d e g r a d a t i o nr a t ew a si n c r e a s e dr a p i d l yw h e na d d i n gb o t hn u t r i e n t sa n dm i x dc u l t u r ef l o 2 ，i n 1 6d a y s ，i tr e a c h e d7 1 4 g a sc h r o m a t o g r a p h yd e t e c t i o na n a l y s i ss h o w e dt h a tf l o 2c a l l d e g r a d e ds a t u r a t e da n da r o m a t i ch y d r o c a r b o nd r a s t i c a l l y ，t h eo i la n ds a n dw e r es e p a r a t e d e f f e c t i v e l ya f t e rd e g r a d a t i o n c o n c l u s i o n s ：t h i sr e s e a r c hp r o v i d e ss o m es t r a i nr e s o u r c ea n d i n f o r m a t i o ni ns o l v i n go i lf i e l de n v i r o n m e n tp o l l u t i o n ，a n da l s oaf e a s i b l ew a yi na s p e c t so f t h eb i o l o g i c a lc o n t r o lf o rf u t u r ep o l l m i o nc a u s e db yo i l t a n ks l u d g eo ro t h e ro i lp o l l u t i o n k e yw o r d s o i l ys l u d g eo fo i l t a n k ，m i x dc u l t u r e ，b i o d e g r a d a t i o n ，o r t h o g o n a lo p t i m i z a t i o n 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许 论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：) 望主毯指导教师签名：篷塾堑 一 驴厂年月留日 砷年圳日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本 论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：刃身乙棠式 2 矿? ，年厂月移日 两北大学硕l j 学位论文 第一章文献综述弟一早义陬三示迎 1 1 含油污泥的主要来源 1 1 1 石油开采过程中产生含油污泥 在石油开采过程中产生的含油污泥主要来自地面处理系统。如：原油脱水过程中， 脱水罐、储油罐、沉降罐、污水罐、隔油池等各类容器中淤积的污泥；采油污水净化过 程中所投加的净水剂形成的絮状体【l 】；输油管道以及设备的腐蚀产物和垢物等组成了含 油污泥，采油污水处理过程中产生一定含油污泥【2 1 。这种含油污泥具有组成复杂、分布 范围广、含油量高、粘度大等特点，给含油污泥的处理带来极大的困难。 1 1 2 炼油厂和石化厂污水处理场产生含油污泥 石油化工厂、炼油厂的污水处理过程中产生的含油污泥主要来自“三泥”【3 1 包括隔 油池底泥、池底泥、浮选池浮渣、储油罐底泥及少量剩余活性污泥。其含水率、含油率、 分别4 0 , - 0 0 和1 0 0 o , - , 5 0 之间【4 1 ，且混有一定量的泥砂、无机絮体、有机絮体、沥青 质、胶质、重金属等物质。这些污泥残油及有机物含量高，属多相体系，通常是由油包 水( w o ) 、水包油( o m 及悬浮的固体物组成【5 1 ，且粘度较大、乳化充分，固相不能彻 底降解。 1 1 3 储油罐底产生含油污泥 胜利油田、中原油田的含油污泥主要来自转接站、联合站的储油罐、沉降罐、污水 罐以及一次沉降罐、二次沉降罐、回收罐排出的污泥。油田储油罐在储存、存放油品时， 油品中含有的机械杂质、泥土、沙粒、重金属盐类以及沥青质和石腊等重油组分会因比 重差而自然沉积，沉降在储油罐底部，形成又稠又黑的胶状物质【6 1 。罐底油泥单位时间 产生的数量庞大，约占该储油罐容量的1 左右，且产生时间相对集中，产生过程具有 不连续性，因此要求储油罐的清理和含油污泥的处理速度要快。据有关测试表明【7 1 ，罐 底油泥中含水约2 5 ，碳氢化合物组份含量高达7 0 ，剩余部分为泥沙等无机沉淀物约 占5 左右。 1 2 含油污泥的危害 石油是现代工业的“血液，石油产业作为国家的支柱产业之一，在推动人类文明 进步的同时，它所带来的负面影响也不可低估。随着石油工业的迅速发展，在石油开采、 运输、j n ：i ：和使用过程中，产生的含油污泥总量不断增加，对环境造成的污染同益严重。 据统计【引，我国平均每年将会产生8 0 万吨左右的储油罐底泥，仅长庆、胜利油田的产生 第一章文献综述 量就在1 0 万吨以上，且每年有所增加，经初步测算，这些储油罐底泥含油污泥中残留 原油约占年原油产量的千分之一，这部分原油由于滞留在泥沙中或位于水驱的扫油面积 之外，很难回收。这些罐底油泥组分较复杂，是一种稳定的悬浮乳状液体系，体积庞大， 如果采用填埋的方式不仅占用大量耕地，而且油泥的石油中含有苯类、酚类、葸和芘等 多环芳烃类；锌、铜、汞、铬等重金属、盐类以及多氯联苯、二恶英、放射性核元素等 难降解的有毒害物质【9 。1 1 1 ，多数具有一定的致癌和致突变作用，对环境和人类健康均会 造成不同程度的危害。同时油泥中含有大量有机物和丰富的氮、磷、硫等营养盐以及大 量的寄生虫、病原菌等对周围土壤、空气、水体都会造成污染，若不进行及时处理或处 理不当直接排放，不仅造成石油资源的浪费，而且会严重地污染环境。国家环保局部门 已经将含油污泥列入国家危险废物目录列出的危险废物之一【1 2 l ，禁止随意排放含油 污泥。因此，寻找一套经济且实用的方法对大量储油罐底油泥进行无公害化处理，一直 是国内外环境保护界和石油行业界亟需解决的棘手问题。 1 3 国内外含油污泥处理方法 1 3 1 国外含油污泥处理方法 自2 0 世纪8 0 年代中期以来，欧洲一些发达国家一直致力于含油污泥无公害处理技 术的研究，已取得大量研究成果并得到良好的应用。俄罗斯、美国、英国、荷兰、加拿 大等欧美一些国家，所使用的方法是将含油污泥用7 0 c 左右的的热碱水及洗涤剂反复清 洗，在固液比值为2 的情况下，可将含油量为3 0 的油泥减少到含油量仅为0 3 ，然 后将固体进行排放填埋【1 3 】；德国、法国的石油化工企业大多使用焚烧的方式，灰渣可用 来修路或填埋，而焚烧产生的热能可供热发电使用【1 4 , 6 2 1 。就储油罐底泥的处理技术而言， 考虑到罐底油泥含有大量的、可回收利用的有机物，且根据投入资金不能太大、清理储 油罐时间不能太长、作业回旋空间小等方面要求，选用机械抽吸油泥、喷射、以及高速 离心分离其油、水及泥渣，从而实现含油污泥的资源化、减量化、无害化处理f 1 4 ，1 5 】。国 外对含油污泥的处理技术主要以下几类： ( 1 ) 调质机械分离技术【】 这种方法是采用高分子絮凝剂改变含油污泥颗粒的结构，提高污泥的脱水性能，然 后通过调质进一步离心分离。具体处理过程可分为以下六个步骤：1 ) 用搅拌、高温加 热、投加药物等进行分选调质；2 ) 使用筛子等除掉较大的渣子和杂质；3 ) 用两相倾析 器滤出较为细小的固体颗粒；4 ) 用三相除油离心机分离固体、水、油；5 ) 用三相水浓 缩离心机分离水o ；6 ) 利用微生物对所分离的固体物质进行无公害处理，使油含量达到 2 两北人学硕】：学位论文 排放标准。此方法存在的主要问题是分离效果差、所需设备昂贵，运行成本高。 ( 2 ) 高温裂解工艺【1 7 l 这种方法是将含油污泥置于隔绝氧气的环境下，进行加热，到达一定温度( 约4 5 0 或更高) 时，石油烃类物质在裂化、水合等一系列复杂的反应中分离出来，进一步冷 凝并回收。此方法是将含油污泥作为一种资源回收，对含油污泥的处理较彻底，经过处 理的高温污泥含油量仅有1 0 0 m g k g ，可直接排放或填埋。但此方法要求油泥中油含量 较高，只有- - + 部分含油量较高的罐底油泥可以使用该方法，且热消耗较大，投资费用 高。 ( 3 ) a p e x 技术f 5 9 】 a p e x 技术是加拿大m g 公司采用的一种利用专门化学配方将石油烃类物质分离出 来的技术。处理过程可分为两步：1 ) 将专用药物、水及含油污泥混合后加入分离罐中， 进行离心沉降分离；2 ) 用高温加热和高速机械分离，将细小固体颗粒进一步分离，以 达到排放要求。这种技术由于使用了专门的a p e x 设备，占地面积相对小，处理效率高 且无污染排放，但预处理工艺的适应性相对差。目前，加拿大、美国、罗马尼亚等多个 国家已经成功地将该技术应用于含油污泥的处理。 ( 4 ) 生物修复技术【1 8 】 作为治理含油污泥的一项重要的清洁环保技术，生物修复技术以其具有无形成二次 污染、可就地处理、费用低( 约为焚烧处理费用的( 1 4 , - 1 3 ) 、处理效果好、操作简单 等优点而日益受到各国环保界人士的重视。生物处理的主要原理是微生物利用石油烃类 作为碳源进行同化降解，使其最终完全矿化，转变为无害的无机物质( c 0 2 和h 2 0 ) 。微 生物对含油污泥的降解按其过程机理分为两个方向：一是向石油污染地添加具有高效石 油降解能力、自然形成并经选择性分离出的细菌、复合菌剂、化肥及二些生物吸附剂； 二是曝气，向石油污染地添加氮、磷等营养盐，刺激微生物的活性【1 9 1 。近年来美国德沃 萨生物技术公司利用微生物降解的特性已开发出具有提高水基压裂采油效率的石油酶； 美国的b i o f o r m 环保生物科技公司研发出了可用于石油污染土壤治理的菌制剂，已在 世界范围销售。但由于价格昂贵在我国尚未见使用。 1 3 2 国内含油污泥处理方法 含油污泥的治理方法在国外已有不少成功的例子，而由于各方面条件的限制我国在 此领域的研究起步较晚。近年来，也有不少研究者已在该领域进行了大量研究2 ，但 是研究工作主要停留在实验室内研究阶段，并未有进行成规模应用的实例。国内有部分 第一章文献综述 油田根据其特殊的地理环境已经形成了自己特有处理含油污泥的方法。如华北、辽河和 中原、大港、胜利等通常对污水处理过程中产生的含油污泥采取回注地层的处理方法， 对罐底含油污泥的处理，仍然采用传统的人工清理罐底油泥方法，这种方法极易引发二 次污染事故【2 2 1 。 处理含油污泥是以资源化、减量化、无公害化为原则，目前国内已有的处理含油污 泥的方法，归纳起来有 2 3 - 2 6 】：焚烧法、焦化法、填埋法、地耕法、溶剂萃取法、热解技 术、含油污泥综合利用、固化法、化学破乳法及生物治理等。用这些方法处理含油污泥， 因成本高、原油回收率较低、易产生二次污染等原因均未能普遍实施。含油污泥直接填 埋或固化后填埋是目前多数国内油f f j 采用的主要方法，但这种方法的缺点是污染易被转 移，有可能污染地下水等，既浪费了其中的宝贵能源，还有可能导致环境污染；焚烧法 具有减容效果显著，处理比较安全，消灭病原菌的优点，但是焚烧必须在专门建立的焚 烧炉中进行，能耗高、设备投资大、工艺技术要求较高，且需要加入助燃剂，存在粉尘、 s 0 2 废气等二次污染。据统计【2 7 ，2 8 1 ，焚烧每吨含油污泥需耗油1 8 5 k g ，其处理成本高， 同时造成能源浪费故也未得到实施。化学法适合于含油量在5 1 0 以上的含油污泥， 因其处理过程通常需要加入化学药剂，需要专门的处理设施，处理过程复杂，原油回收 不彻底，存在废渣和废水二次污染物等问题而并未得到普遍推广使用。生物治理技术目 前也成为我国研究的热点。大多数都致力于研究可降解有机物的高效微生物【2 9 1 ，努力开 发更多的新的高效石油降解菌种。由于生物治理可通过对环境因素的最优化而加速自然 生物降解速率，是一种经济、高效和生态可承受的清洁技术。因此，生物治理技术的研 究领域目前已扩展到固体废弃物、农药、石油等对地下水、土壤、海洋污染的治理。 1 4 含油污泥的微生物治理研究 1 4 1 微生物降解石油的机理 石油降解菌以石油烃类作为唯一碳源进行增殖，将石油烃类进行同化降解并最终完 全碳化。一般来说，石油烃进入微生物细胞可分为两个阶段【3 0 】，第一阶段是烃类从油相 转移到微生物细胞表匝，第二阶段是烃类通过细胞壁与膜进入细胞内。石油烃类物质进 入微生物的细胞膜后，通过好氧呼吸、厌氧呼吸和发酵三种方式被同化降解。微生物对 污染物的降解主要是好氧作用，将石油污染物降解为c 0 2 、h 2 0 和细胞生物量。以下为 其降解方式： 石油污染物+ 石油降解菌株( 群) + 0 2 + 营养物质一c 0 2 + h 2 0 + 副产物十细胞生物量 对于烷烃类，则是以下列方式被降解： 4 两北大学硕。卜学位论文 烷烃一酒精一乙醛一脂肪酸一乙酸盐类一h 2 0 + c o2 + 细胞生物量 不同组分的石油，由于其芳香烃、饱和烃、胶质和沥青质的含量不同以及饱和烃中 正构烃的含量不同而导致它们具有不同的降解性3 2 1 。小于c 1 0 的直链烷最易被降解， c l 旷c 2 4 或中等长度的直链烷烃降解速度较快，杂环芳烃、多环芳烃及单环芳烃的结构 比较稳定，其降解过程需要混合菌群的共同作用。 链烃的降解【3 3 琊】：微生物首先将直链烷烃氧化成醇，然后在醇脱氢酶的作用下被氧 化为相应的醛，在醛脱氢酶的作用下醛被氧化成脂肪酸，主要有三种氧化途径：单末端 氧化、双末端氧化和次末端氧化，其三种途径可用下式表示： ( 1 ) r c h 2 - c h 3 + 0 2 ，r c h 2 - c h 2 - o h - r - c h 2 一c h o ，r - c h 2 一c o o h ( 2 ) h 3 c c h 2 一r - c h 2 一c h 3 + 0 2 - - c h 3 0 h c h 2 一r - c h 2 - c h 3 0 h c h o c h 2 r c h 2 - c h o - - h o o c - c h 2 一r - c h 2 - c o o h ( 3 ) r - c h 2 一c h 3 + 0 2 一r - c h o h - c h 3 - - r c h o c h y - r - c o o c h 3 相对正构烷烃而言，含碳数相同的支链烷烃则不易降解，支链烷基越多，其生物降 解性越差，支链烷烃的氧化还会受到正构烷烃氧化作用的抑制。 脂环烃类的生物降解是环烷烃被氧化为一元醇，对于大多数细菌而言，环烷烃醇、 酮通过内脂中间体的断裂而代谢，大量能利用环己醇的微生物，也能在一些脂环化合物 中生长，包括环己酮、顺( 反) 一环己烷一l ，2 一二醇和2 一羟基环己酮。被烷基取代的脂 环化合物有两个位置可能被氧化，脂环和侧链，微生物的种类、化合物的特性等因素都 会影响反应的初始位置。 芳香烃的降解【3 6 】：一些好氧菌对芳香烃代谢的共同点是芳香烃化合物首先在加氧酶 的催化作用下形成邻苯二酚或其衍生物的共同代谢中间体，真菌类微生物将芳香烃降解 为反式二醇，而细菌类则降解成顺式二醇。随着邻苯二酚的形成，再通过问位或邻位断 开环，形成三羧酸循环的中间产物。芳香烃在厌氧或者缺氧的条件下将苯还原，进一步 水解开环生成羧酸，再通过末端氧化等使之转化为c 0 2 和c h 4 。 胶质、沥青质的降解【3 7 】：胶质、沥青质的结构复杂，其组成结构中含有o 、s 、n 原子，能溶于苯等有机溶剂。在原油中胶质、沥青质的极性最强、分子量最大，研究发 现，该成分导致原油具有不同程度的抗降解性，因为沥青质通过阻碍原油中可降解组分 向油和微生物接触面的传递，从而了降低原油中可降解组分的降解效率速率及降解程 度。 第一章文献综述 1 4 2 影响石油微生物降解的因素 微生物以含油污泥中的原油为碳源进行生长，同时产生的表面活性剂可乳化石油， 使微生物更有效地降解石油，从而达到油泥中的油、水、泥沙分离以及污染物降解的目 的。影响含油污泥生物降解的因素多且复杂，石油降解微生物的种类、含油污泥中油的 种类、组分、理化性质及所处的状态等对含油污泥的降解至关重要。 1 4 2 1 石油降解微生物种类的影响 微生物在自然界分布广泛，能够降解石油烃类化合物的微生物种类有数百种，1 0 0 多个属、2 0 0 ( 1 ) 多种微生物 3 s 】，主要有细菌、酵母菌、霉菌、和放线菌等，而一些蓝 细菌和绿藻也能降解石油中的多种芳香烃。主要的石油降解菌见下表1 1 ： 表1 1 石油降解微生物种类 t a b 1 1t h eo i ld e g r a d a t i o nm i c r o o r g a n i s m s 石油降解微生物的分布，细菌和真菌是油污土壤生物降解的最基本的菌群，在海洋 中细菌较多，而真菌则是淡水和陆地生态系统中更重要的因子【3 9 1 。不同种属的微生物往 往只能对石油物质中的某些成分有强的降解能力。有研究发现【删，酵母菌c a n d i d a t r o p i c a l i s 能降解c 1 2 c 3 2 的石油物质，细菌s e r r a t i am a r c e s c e n 和a c i n e t o b a c t e rc a l c o a e t i c u 分别降解c 2 “2 8 和c 2 2 - c 3 0 的石油物质，其中c a n d i d at r o p i c a l & 和a c i n e t o b a c t e r c a l c o a e t i c u s 对石油的乳化能力较强，s e r r a t i am a r c e s c e n 对石油的吸附能力强。细菌中假 单胞菌最常见，它对芳烃、短链及长链烷烃都能降解，并且能使烷烃彻底降解；1 9 9 1 年的l a b i a ，m i k l o s o v i c o v a 等f 4 l j 利用假单胞菌属和黄杆菌属降解含油污水，1 4 天后，降 6 两北人学硕i ：学位论文 解率达8 9 。真菌中假丝酵母应用较广泛，由于它所需营养要求低，只需n i - h + 或n 0 3 一 等无机氮元素存在。林鹿【4 2 】等报道了白腐菌对芳香化合物的降解。蓝细菌和绿藻可降解 芳烃；许多放线菌也能够降解烃类；另一个独特的石油降解细菌种群是甲烷营养菌，它 对c 。的代谢具有高度特异性，在含甲烷天然气的人为或自然引起的泄漏处附近大量富 集。 1 4 2 ，2 温度的影响 温度直接影响微生物的生长代谢和降解活性，通过影响石油烃类化合物的状态，间 接地影响烃类物质的生物降解。微生物对石油烃的降解借助于酶的催化作用，而酶的活 性只有在一定的温度范围内才能得以发挥，不同的微生物有不同的最佳酶活性温度。在 低温条件下，由于油粘度增加，对微生物有毒的短链烷烃的挥发性降低，从而减弱微生 物的某些功能，同时低温会使微生物的活性下降，所以低温下微生物对石油烃类较难降 解。生物降解能在较宽的范围内发生，一般来说，土壤温度在3 0 4 0 * ( 2 ，淡水温度在2 0 - - 3 0 ，海水温度在1 5 2 0 c 时具有最高的降解效率【4 3 】。有研究发现【枷，石油烃氧化速率有 季节差异，与温度密切有关，降解石油烃类化合物的微生物菌群的大小会随温度的季节 变化而变化，当环境中存在大量嗜冷微生物时，即使在温度很低的情况下也能发生明显 的降解。c o l w e l l 4 5 】等报道原油污染的土壤中，混合菌在3 c 时的降解率比2 2 降解率要 高 1 4 2 3p h 和盐度的影响 不同的微生物其生长和繁殖的最佳p h 值范围不同。一般情况下，微生物处于中性 的p h 值时降解较好。通常在p h 4 5 8 5 范围内微生物生长最佳。大部分真菌和异养细 菌的最适p h 接近中性，在酸性土壤中，大部分烃类的生物降解由真菌实现的，但在p h 值较低时烃类化合物降解的总速率，要低于细菌和真菌混合菌群在中性或偏碱性p h 值 条件下可达到的降解速率【4 6 1 。p h 值较低时会影响n 的转化，p h 稍偏碱时，能够促进硝 化作用及n 的进一步转化，在p h 6 0 8 0 时，磷的有效性极甜4 7 1 。 盐度也是影响石油生物降解的一个重要因素。溶液中盐浓度的高低对细胞膜上的 n a + ，k + 泵有很大影响，而n a + ，k + 泵对于维持细胞内外的离子梯度具有重要的生理意 义，它不但能维持细胞的膜电位，也能调节细胞的体积和驱动某些细胞中氨基酸和糖的 运输，从而影响细胞的生长。据r o b e r t f 4 8 i 等研究，土壤中汽油的降解率随盐度的增加而 降低。g i r e s s e l 4 9 】等研究发现，微生物对石油的降解速率随盐度的增加有显著的降低。因 此考察不同盐度下原油的生物降解情况，以便针对不同盐度的环境采用合适的处理方 7 第一章文献综述 案。 1 4 2 4 氧气的影响 微生物降解石油一般都是在有氧的条件下进行的。这是因为许多烃类物质的降解过 程实质上是烃类物质的氧化过程，需要有加氧酶和分子氧的共同参加。从实验室的摇瓶 实验到中试的发酵罐放大实验，氧气的供给和发酵液中的溶氧浓度的高低是两个非常重 要的影响因子，通常是通过摇瓶转数( 搅拌转数) 来完成。在好氧环境下，氧分子可以 直接作为电子受体，但在厌氧或者缺氧的环境中，硝酸根、亚硝酸根离子代替氧分子成 为电子受体，或者通过微生物的酶将水分子引入一些发生脱氢作用的部位，从而形成醇 类化合物，醇类则可进一步被氧化分解。虽然在好氧、厌氧环境中均可发生石油的微生 物降解，但相比而言，好氧环境中石油的降解速率高于厌氧环境中的降解速率【5 0 1 。 1 4 2 5 油浓度的影响 石油为微生物的生长提供了较好的碳源，某种化合物在低浓度时，由于缺乏酶的诱 导导致低浓度成为生物降解的限制因子。随着油浓度的增加，微生物种群繁殖加快，促 进了对石油的乳化降解，但油浓度过高，一是会对微生物产生毒害作用，抑制微生物的 活性；二是对微生物利用氧和其他的营养盐产生一定的阻碍，从而对微生物的生长产生 抑制作用5 ，导致微生物对石油的降解率达到一定程度后就不在提高。f r a n c a l 5 2 】等人发 现降解率与石油浓度成负相关关系。d i b b l e t 5 3 】等通过研究油浓度与土壤呼吸强度的关 系，发现油浓度过高对微生物的活性有抑制作用。因此环境中石油烃类物质的含量只有 在一个合适的范围才能得到更好的降解。 1 4 2 6 石油烃物理状态的影响 液态的石油烃类在水中会形成水油界面，微生物正是在这一水一油界面上降解烃类 的，石油的乳化分散程度会影响微生物能接触到的石油烃的表面积，所以降解速率与水 一油界面的面积密切相关【5 4 】，能产生生物乳化剂的微生物正是通过乳化剂促进石油烃类 分散，从而增大水油界面的面积，进一步提高微生物对石油的降解效率。 1 4 2 7 石油烃化学组成的影响 石油烃的化学组成同样影响微生物对石油的降解。不同烃类化合物因其化学结构不 同和分子量大小的差异其生物可降解性相差很大【5 5 1 。其难易程度为：短链正构烷烃 长 链正构烷烃 异构烷烃 环状烷烃 f 氐分子量芳烃 高分子量芳烃 杂环烃。同种类型烃类 中分子量越大、支链烷基越多降解越难。不饱和烃比饱和烃易降解。对于芳香烃，二环 和三环化合物较容易被降解，胶质、沥青、环烷烃及芳香烃( 4 个环以上) 则极难被微 两北人学硕l ：学位论文 生物所降解 5 6 , 5 7 】。混合菌群以原油为唯一碳源时，其降解效果由脂肪烃部分和非饱和烃 部分的组成共同决定。 1 4 2 8 氮、磷营养物质的影响 在被石油污染的地方，通常有机碳含量较高，而氮、磷相对缺乏，石油物质只为微 生物的生长提供了充足碳源，而不能提供氮、磷等无机养料，微生物代谢还需要氮、磷、 三价铁、镁等营养物质的参与才能顺利进行。研究表明f 5 8 1 ，最佳的c n p 为1 0 0 ：1 0 ： 1 时最适合烃类的生物降解。近年来，有不少研究者致力于开发亲油性的氮、磷肥料， 使其能附着于油类，保持菌体的持续生长需要，从而加速石油的降解，氮源可以是含有 尿素的油酸，磷源用三磷酸酯【鲫。 1 4 2 9 表面活性剂的影响 表面活性剂是烃类降解的主要影响因素。表而活性剂能增强有机物的亲水性，减少 石油物质与水溶液间的界面张力，增加石油的溶解性，使微生物和石油更有效的接触， 加速石油的生物降解。宋玉刊删等的研究发现，非离子表面活性剂t w e e n 一8 0 能够提 高土壤中多环芳烃的生物可利用性，加快多环芳烃的降解速率，但表面活性剂浓度过高 则会抑制微生物活性。离子型和非离子型表面活性剂对石油降解都有促进作用，而微生 物自身产生的生物表面活性剂能够促使石油烃类乳化并被动扩散进入细胞内，从而对石 油烃的降解更有效。部分学者认为石油烃类水合性差【6 3 1 ，是石油烃类降解效率低的限制 因子。利用可代谢表面活性剂的微生物处理含油污泥，可提高石油烃类溶解度和降解效 率。 1 4 3 含油污泥微生物治理现状 我国利用微生物降解含油污泥的研究较晚，近几年发展迅速。已有不少学者进行 了相关研究。魏小芳等6 5 1 通过对代谢表面活性剂菌处理含油污泥的研究表明，1 2 0d ， 在外源微生物和内源微生物共同作用下，油泥中的石油烃总量由2 2 9 1 0m g k g 下降到 3 0 0 0m g k g 以下；孙j 下贵【删采用了生物处理技术，通过添加外源石油降解菌剂以及采取 适当措施刺激含油污泥中土著菌两种手段处理含油污泥，结果发现使用这两种方法均能 有效降低含油污泥中的石油污染物性能和含量、改善含油污泥的理化性质、降低其生物 毒性；陈荣灿等【6 7 1 采用污水池污泥中分离筛选的5 株高效石油降解菌构成复合菌群，对 其池底含油污泥进行了降解性研究，结果表明复合菌群对池底含油污泥的降解效果较 好，2 0 d 后对石油的降解率达2 0 ，5 - - - 4 8 。5 ；b a s s a m 、m r a y y a n 等1 6 8 1 人研究发现，投加 s 、n 、p 等营养元素，能进一步提高含油污泥中石油烃类的降解率。李春荣等【6 9