（环境工程专业论文）微生物固定化处理含油废水的研究.pdf

目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论l 1 1 含油废水的来源及危害1 1 2 石油在水中存在的状态2 1 3 含油废水治理方法概述2 1 4 微生物降解含油废水的原理及影响因素5 1 5 固定化微生物技术的研究进展7 1 6 本课题的研究目的及意义1 0 1 7 本课题的研究内容及技术路线1 1 第二章柴油除油菌的筛选驯化及鉴定1 3 2 1 实验材料和设备1 3 2 2 实验测定及分析方法1 4 2 3 实验结果与讨论一1 7 2 4 本章小结2 l 第三章除油菌降解含油废水的研究一2 2 3 1 实验材料和设备2 2 3 2 实验测定内容及分析方法2 2 1 3 3 实验结果与讨论2 4 3 4 本章小结2 9 第四章固定化除油菌降解含油废水的研究3 0 4 1 实验材料和设备3 0 4 2 实验内容及测定方法3 1 4 3 实验结果与讨论3 5 4 4 本章小结4 1 第五：章结论与展望4 2 ：5 1 结论4 2 ：5 2 展望4 2 参考：交献。4 4 致谢：4 8 在学期间所发表的文章4 9 在学期间所获得授权的专利4 9 重庆工商大学硕士学位论文 摘要 随着： 土会的发展，石油烃类物质对环境的污染日益严重，对生态系统及人类 的健康都产生了极大的危害，所以非常有必要采取一种对石油烃类物质具有高效 处理能力的方法来减少石油烃的危害。石油烃类物质是一种碳氢化合物，而根据 碳氢化合：物是自然界中大部分微生物都需要的物质这一点为前提，从自然界中筛 选驯化对石油烃类物质具有高效去除能力的菌株，并采取一种切实可行的方法增 加菌株的降解能力，是非常具有实用价值的。通过研究发现，通过将微生物固定 化的方式，可以提高微生物对石油烃类物质的利用率。微生物固定化方法是一种 生物修复技术，具有微生物密度高、反应迅速、微生物流失少、产物易分离、反 应过程易控制的优点。是一种高效低耗、运转管理容易和十分有前途的污染治理 技术。 本文的研究内容是：从活性污泥中筛选驯化出对含油废水具有高效降解能力 的菌株，对其进行初步的鉴定。对筛选出的菌株进行了5 个单因素条件的研究， 确定其最佳的降解条件。然后将菌株固定在以聚乙烯醇和海藻酸钠为包埋材料的 所制成的固定化颗粒当中，通过正交实验，得出菌株在固定化之后的最佳降解条 件。 通过本文的研究，结果表明： ( 1 ) 从活性污泥中筛选驯化出对含油废水有一定降解能力的除油菌a 2 ，经 初步鉴定，该除油菌属于假单胞菌属( p s e u d o m o n a ss p ) 。 ( 2 ) 研究了除油菌对含油废水的降解特性。主要从对除油菌的降解能力有较 大影响的五个因素( 温度、p h 、氮源浓度、投菌量、柴油浓度) 进行了实验，确 定该除油菌的最佳降解条件。通过实验，确定该除油菌的最佳降解条件为：温度： 3 0 。c ，p h ：7 0 、氮源浓度：1 5 9 l 、投菌量：5 、柴油浓度：4 9 l 。在最佳条 件下，在柴油浓度为l o g l 液体培养基中，降解7 天后，该除油菌的降解率为5 6 ， 说明该除油菌对高浓度的含油废水具有一定的降解能力。 ( 3 ) 本文采用的固定化方法是包埋法。包埋材料是聚乙烯醇( 1 0 ) 和海藻 酸钠( 5 ) 。通过实验结果的对比发现，除油菌经过包埋之后，比游离菌更能适应 恶劣的降解条件。针对温度、p h ，氮源浓度、柴油浓度，设计正交实验，实验结 果表明温度对固定化颗粒的降解能力影响最大，其次依次是柴油浓度、p h ，氮源 浓度。 关键词：除油菌筛选驯化含油废水固定化聚乙烯醇 重庆工商大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t l lt h e d e v e l o p m e n t o fs o c i a l ，p e t r o l e u mh y d r o c a r b o np o l l u t i o no ft h e e n v i r o n m e n ti sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l ys e r i o u s i tc a u s e se x t r e m e l yg r e a th a r mt o e c o s y s t e m sa n dh u m a nh e a l t h i t sn e c e s s a r yt ot a k eap e t r o l e u mh y d r o c a r b o n e f f i c i e n t p r o c e s s i n gc a p a b i l i t y p e t r o l e u mi sah y d r o c a r b o n h y d r o c a r b o n sa r et h em a t e r i a lo f m o s tm i c r o o r g a n i s m si nn a t u r e i t sv e r yp r a c t i c a lv a l u et ot a k eap r a c t i c a la p p r o a c ht o d o m e s t i c a t i o no fp e t r o l e u mh y d r o c a r b o n sw i t he f f i c i e n tr e m o v a lo ft h ea b i l i t yo ft h e s t r a i n ss c r e e n e df r o mn a t u r ea n di n c r e a s et h ed e g r a d a t i o na b i l i t yo fs t r a i n t h es t u d y f o u n dt h a tm i c r o b i a li m m o b i l i z a t i o nc a ni m p r o v et h em i c r o b i a lu t i l i z a t i o no fp e t r o l e u m h y d r o c a r b o n s m i c r o b i a li m m o b i l i z a t i o nm e t h o dh a sm a n ya d v a n t a g e sa sab i o l o g i c a l r e m e d i a t i o nt e c h n o l o g y t h e ya r eh i g hm i c r o b i a ld e n s i t y ，r a p i dr e s p o n s e ，m i c r o b i a l l o s so fl e s s ，p r o d u c te a s ys e p a r a t i o n ，a n de a s yc o n t r o lo ft h er e a c t i o np r o c e s s ，a n ds oo n m i c r o b i a li m m o b i l i z a t i o nm e t h o di sah i g he f f i c i e n c y , l o wc o n s u m p t i o n ，o p e r a t i o n m a n a g e m e n t ，e a s ya n dv e r yp r o m i s i n gp o l l u t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y t h i ss t u d yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gc o n t e n t s f i r s ti st h a tt of i l t e ro u tt h ed e g r a d i n g a b i l i t yo fs t r a i no no i l yw a s t e w a t e r s e c o n di s t os t u d yt h ec u l t u r ec o n d i t i o n so ft h e s t r a i na n dt h ed e g r a d a t i o no fc r u d eo i lc o n d i t i o n s 删i st h a tt os t u d yt h es t r a i n so f t h eb e s ti m m o b i l i z a t i o nm e t h o d sa n dc o n d i t i o n s t h em a i nr e s u l t so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ( 1 ) ac e r t a i nd e g r a d a t i o no f t h ec a p a c i t yo ft h ed e g r e a s i n gb a c t e r i aa 2i ss c r e e n i n g f r o ma c t i v a t e ds l u d g es c r e e n i n g p r e l i m i n a r yi d e n t i f i c a t i o no ft h ed e g r e a s i n gb a c t e r i a i sp s e u d o m o n a ss p e c i e s ( 2 ) t h ep a p e rp r e l i m i n a r ys t u d yt h ed e g r a d a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed e g r e a s i n g b a c t e r i ao i l yw a s t e w a t e r f i v ef a c t o r s ( t e m p e r a t u r e ，p h ，n i t r o g e ns o u r c ec o n c e n t r a t i o n ， t h ec a s to fb a c t e r i a , d i e s e lc o n c e n t r a t i o n ) w i t l lag r e a t e ri n f l u e n c eo fd e g r e a s i n g b a c t e r i ad e g r a d a t i o na b i l i t ya r er e s e a r c ha n da n a l y s i si no r d e rt od e t e r m i n et h eb e s t d e g r a d a t i o nc o n d i t i o n so ft h ed e g r e a s i n gb a c t e r i a e x p e r i m e n t st od e t e r m i n et h eb e s t d e g r a d a t i o n c o n d i t i o n so ft h e d e g r e a s i n gb a c t e r i aa s ：t e m p e r a t u r e ：3 0 ，p h ：7 0 ， n i t r o g e nc o n c e n t r a t i o n ：1 5 9 l ，t h ec a s to fb a c t e r i a ：5 ，d i e s e lo i lc o n c e n t r a t i o n ：4 9 l u n d e ro 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 ei s5 6 t ot h ed i e s e lc o n c e n t r a t i o no f 1o g lo fl i q u i dm e d i u ma f t e r7 d a y s mr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e g r e a s i n gb a c t e r i u mt o h i g hc o n c e n t r a t i o n so fo i l yw a s t e w a t e rh a sc e r t a i nd e g r a d a t i o na b i l i t y ( 3 ) t h ei m m o b i l i z a t i o nm e t h o d su s e d i nt h i sp a p e ri st h ee m b e d d i n g t h e i l 重庆工商大学硕士学位论文 曼i l m m 鼍皇暑舅舅曼曼曼曼皇皇曼曼鼍量量量舅量曼罾曼曼曼皇曼皇曼量量皇量曼量舅鲁量璺寰 e m b e d d i n 【gm a t e r i a li sp o l y v i n y la l c o h o l ( 10 ) a n ds o d i u ma l g i n a t e ( 5 ) t h r o u g ht h e c o m p a r i s o no fe x p e r i m e n t a lr e s u l t sf o u n d t h a tt h ed e g r e a s i n gb a c t e r i aa f t e re m b e d d i n g a r eb e t t e ra b l et oa d a p tt ot h eh a r s hc o n d i t i o n so fd e g r a d a t i o nt h a nt h ef r e eb a c t e r i a t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n ti so r d e rt os t u d yt h eb e s td e g r a d a t i o nc o n d i t i o n s t h e r e s u l t ss h o wt h a tt e m p e r a t u r eh a st h eg r e a t e s ti m p a c to nt h ed e g r a d a t i o no ft h e i m m o b i l i z e d p a r t i c l e s f o l l o w e d b y d i e s e l c o n c e n t r a t i o n ，p h a n dn i t r o g e n c o n c e n t r a t i o n k e y w o r d ：d e g r e a s i n gb a c t e r i a s c r e e n e da n dd o m e s t i c a t i o n o i l yw a s t e w a t e r i m m o b i l i z e d p o l y v i n y la l c o h o l i t i 重庆3 - 商大学硕士学位论文 第一章绪论 1 】含油废水的来源及危害 含油废水是指废弃水中含油包括天然油、石油产品、焦油及其分馏物，以及 食用动植物油和脂肪等。 1 1 1 含油废水来源及组成 石油是由不同的碳氢化合物混合组成的，随着社会经济的发展，石油的使用 越：来越广泛，由油液产生的环境的污染日益严重。因此减少油液对环境的污染是 十：分必要的。 含油废水来源广泛，主要来自石油工业的采油、炼油、贮油及运输石油化工 部1 排出的大量含油废水 1 4 】。以及在以上过程中，由于安全措施不当等原因造成 的： 庙类物质的泄漏，也成为含油废水来源之一。另外在农业，运输业和生活污水 的排放都能产生含油废水【5 j 。 油化合物的不同组分对有机溶剂和吸附具有选择性溶解和吸附性能，选用不 同：有机溶剂和吸附剂，将石油分成若干部分，每一部分就是一个组分，分别为油 质、胶质、沥青质和碳质旧j 油质：是指石油中凡能溶解于中性有机溶剂，不被硅胶吸附，浅黄色粘性油 状物。成份主要为饱和烃和一部分芳香烃。 胶质：是指石油中可溶于石油醚、苯、三氯甲烷等有机溶剂，能被硅胶所吸 附。可分为苯胶质( 用苯解吸的产物) 和酒精苯胶质。前者多为芳香烃和一些 含有杂原子( 氧、硫、氮) 的芳香烃化合物，后者主要为含杂原子的非烃化合物。 轻质油中胶质含量少于5 ，重质油中胶质含量可达2 0 以上。 沥青质：是指石油中不溶于石油醚和酒清，而溶于苯、三氯甲烷的沥青部分。 其分子量较大，在电子显微镜下，其宏观结构呈胶状颗粒，其分子结构以稠环芳 香烃和烷基侧链组成的复杂结构。 碳质：是指石油中不溶于有机溶剂的非烃化合物。 1 】2 含油废水的危害 含油废水如果不加以回收处理，会产生浪费，排入河流、湖泊或海湾，会污 染水体，影响水生生物生存，用于农业灌溉，则会堵塞土壤空隙，妨碍农作物生 长。所以油类对人类、动物和植物以及整个生态系统都会产生污染【7 嗡j 。含油废水 对生态环境的破坏很大，当含油废水排入江河湖海后，油层将水体的表面覆盖， 空气中的氧不能进入水体中，水体表面富氧不能进行，水体的自净能力下降。水 重庆工商大学硕士学位论文 体中由于溶解氧减少，水中生态平衡遭到破坏，藻类的光合作用受到抑制，影响 水生生物的正常生长，使水生动植物有油味或毒性，甚至使水体变臭，破坏水资 源的利用价值【9 j 。另外油类物质污染水体后，对牲畜的饮用水、农田灌溉、海滩 旅游等都有影响。含油废水被排到江河湖海等水体后，油层覆盖水面，阻止空气 中的氧向水中的扩散；水体中由于溶解氧减少，藻类进行的光合作用受到限制； 影响水生生物的正常生长，使水生动植物有油味或毒性，甚至使水体变臭，破坏 水资源的利用价值；如果牲畜饮了含油废水，通常会感染致命的食道病；如果用 含油废水灌溉农田，油分及其衍生物将覆盖土壤和植物的表面，堵塞土壤的孔隙， 阻止空气透入，使果实有油味，或使土壤不能正常进行新陈代谢和微生物新陈代 谢，严重时会造成农作物减产或死亡。另外，由于溢油的漂移和扩散，会荒废海 滩和海滨旅游区，造成极大的环境危害和社会危害。但更主要的危害是石油中含 有致癌烃，被鱼、贝富集并通过食物链危害人体健康。因此，对石油和石化等行 业产生的含油废水进行有效处理是及其必要的。 从进入石油时代以来，已经发生许多突发事件，对环境产生了具大的危害。 比如2 0 1 0 年4 月2 1 日，英国石油公司( b p ) 租赁的“深水地平线”钻井平台发 生爆炸，4 月2 9 日，美国政府将该海洋原油污染事件定性为“国家灾害”，美国 科学杂志在其网站的显著位置，用一组动态数据形象说明，此次漏油事件的 严重程度及恶劣影响。“深水地平线探井泄漏处高达1 亿帕的压强；仅每天回 收的原油价值就一百五十万美元。”；“墨西哥湾尚存5 种海龟；2 9 种海洋哺乳 动物；2 0 0 8 年渔业收入高达1 0 亿英镑；目前美国在墨西哥湾3 3 的海域被列为 禁渔区；3 2 处生物栖息地受到原油污染的侵袭。” 1 2 石油在水中存在的状态 石油在水中的存在状态主要分为悬浮油、溶解油、乳化油三种形式 1 0 - 1 2 】。悬 浮油一般油品粒径大于1 5 u m ，悬浮于水面上。它是含油废水的主要部分，一般 占废水中含油量的( 6 5 7 0 ) 。重油就属于可浮油。可浮油常采用捞撇等手段在 隔油池中去除。溶解油是指小于乳化油粒径的油份，多数为溶解的烃类物质油， 在水中的溶解度甚小，一般约为( 5 1 5 ) m g l ，多采用生化法去除。乳化油是指 含油废水在输送过程中被叶轮机械切割，或压力突然降低或存在表面活性剂，油 在水中呈乳化状态，形成乳化油，油品粒径小于1 5t i m ，体系较稳定，不易上浮 于水面，一般采用浮选、过滤、絮凝等方法去除。 1 3 含油废水治理方法概述 含油废水的一般处理方法有如下几种： 重庆工商大学硕士学位论文 1 3 1 重力分离法 重力分离法是利用重力作用使废水中的悬浮物质下沉或上浮，从而净化废水 的一种废水物理处理法，分为沉降法和上浮法。重力分离法是最常用、最基本的 废水处理方法，应用的历史较长。石油工业废水中含有浮油和乳化油，常采用重 力分离法进行处理，既可使废水得到一定程度的净化，又可以回收有用物质。隔 油池是重力分离的常用设备。分为平流式、斜板、波纹等类型。国内外学者就用 “浅池原理”与“聚结技术”成功研制了高效油水分离器和高效过滤器，填补了 该领域的空白。 1 3 2 粗粒化法 粗粒化法的原理是利用油水两相对聚结材料亲和力的不同来进行分离的。含 油废水在通过粗粒化材料的过程中，其中细小的油滴聚结成较大的油粒，从而加 大上浮速度，属二级处理。此法的技术关键是粗粒化材料，一般认为亲油、耐油、 水性能好的材料分离效果好。粗粒化法的优点主要有不需外加化学试剂，无2 次 污：染，设备占地面积小，基建费用较低。此法不足的是要求含油废水进口浓度较 低，因此迸入设备前的含油废水必须经预处理，不然出水油浓度较高( 一般高于 1 0 m g l ) ，需再进行深度处理。 1 3 3 过滤法 过滤法是利用颗粒介质滤床的截留、惯性碰撞、筛分等机理，去除水中油份。 比较常见的颗粒介质滤料有石英砂、无烟煤、玻璃纤维、高分子聚合物等。过滤 法一般用于含油废水的二级处理或深度处理。过滤法设备简单，操作方便，投资 费用低。不过随着运行时间的增加，压力降逐渐增大，需经常进行反冲洗，以保 证设备的正常运行。 1 = ；4 吸附法 吸附法是利用多孔固体吸附剂对含油废水中的溶解油及其它溶解性有机物进 行表面吸附。经吸附法处理后出水，油含量可在5 m g l 以下，因此吸附法一般只 用于含油废水的深度处理。活性炭、沸石、二氧化硅、硅藻土、膨润土、煤粉、 泥炭等可用作吸附剂去除乳化油和溶解油 1 3 - 14 1 。其中活性炭处理含油废水的效果 最好，它的优点有：对油有很好的吸附性能、能有效的吸附废水中的其他有机物。 缺点有：吸附容量有限、成本高，重复利用困难，所以一般只用于含油废水的深 度处理。它不仅对油有很好的吸附性能，而且能同时有效地吸附废水中的其他有 机物，但吸附容量有限，且成本高，再生困难，一般只用于含油废水的深度处理。 重庆工商大学硕士学位论文 1 3 5 膜分离法 膜分离法是在近2 0 多年来迅速发展起来的分离技术。膜分离法在处理含油废 水时是利用多孔薄膜为分离介质，将含油废水中的油及表面活性剂截留从而使水 分子通过，以达到油水分离目的。膜分离技术的关键是膜和组件的选择。膜材料 可分为高分子膜和无机膜，常用的高分子膜有醋酸纤维膜、聚砜膜、聚丙烯膜、 聚偏氟乙烯膜等；常用的无机膜材料有氧化铝、氧化锆、氧化钛等。按孔径大小 又可分微滤、超滤、反渗透等。最适合于排放要求高、处理量不大的含油废水； 经微滤处理后出水油浓度一般也小于质量分数1 0 1 0 。 1 3 6 化学絮凝法 化学絮凝法是向废水中加入一定比例的絮凝剂，在废水中生成亲油性的絮状 物，使微水油滴吸附其上，然后用沉降或气浮的方法将油分去除。比较常用的无 机絮凝剂有铝盐和铁盐，如无机高分子絮凝剂聚硫酸铁、聚氯化铝等，具有用量 少、效率高的特点，使用时的最优p h 也较宽。常常两种絮凝剂复合使用，以加 强絮凝效果。化学絮凝法的特点是：投药量大、排渣打量大、适用于处理废水量 很大、而含油量较少，浓度一般在质量分数为1 0 1 0 4 以下的乳物油或其它细小 悬浮物。虽然无机絮凝剂法的处理速度快，装置比盐析法小，但药剂较贵，污泥 生成量多。由此产生了污泥脱水和污泥处理的问题【15 。1 6 j 。 1 3 7 生物化学法 生物化学法是利用微生物去除有机物的一种方法。生物化学法与物理或化学 方法相比较，生物法具有成本低，投资小，效率高，无二次污染等特点【l 卜旧】，可 以分为好氧处理和厌氧处理两大类，根据微生物在污水中的存在状态，又可分为 活性污泥法和生物膜法。活性污泥法在国内外炼油厂中被广泛应用，该法处理率 高，基建费用较生物滤池法略低，但要求较高的管理技术水平，运行费用较高。 生物滤池是通过微生物使废水中的有机物被分解除去。最早的生物滤池于1 8 7 1 年建于英国的伯明翰，以碎石为填料，滤池深度在2 m 左右，采用间歇布水。其 缺点是滤料空隙率低，水力负荷小。生物利用微生物使部分有机物作为营养物质 被吸收转化成为微生物体内的有机成分或增殖成新的微生物，其余部分被微生物 氧化分解成简单的无机或有机物，如c 0 2 ，h 2 0 ，c h 4 等，从而使废水得到净化。 而且经过人们的不断努力，生物法在形式是已发展为多种多样 2 0 - 2 6 】。 4 重庆工商大学硕士学位论文 1 4 微生物降解含油废水的原理及影响因素 1 4 1 微生物降解含油废水的作用机理 微生物与含油废水的作用机理主要有以下4 点： ( 1 ) 直接作用 在实验中，微生物将目标降解物作为主要的碳源和能源，主要是通过驯化、 筛选、诱变、基因重组等技术得到的。例如微生物降解含油废水的时候，由微生 物产生的表面活性物质，先乳化分散油脂，漂浮于废水表面的油脂，就形成了悬 浮二于二水中的微小油滴，然后由于表面活性物质的作用，油滴与微生物细胞壁的表 面张力降低，除油菌吸附在微小油滴的表面，最后微小油滴中的油就可以通过进 入除油菌菌体被吸收或积累。 ( 2 ) 共代谢作用 多种微生物对化合物的生物降解通常是分步进行的，这种机制称为共代谢机 制。在此过程中，会产生多种酶和多种微生物，其中的一种酶或微生物可以成为 另外一种酶或微生物的底物。 ( 3 ) 酶的诱导 比较难降解的有机物在降解的过程中，有许多酶的参与，其中的大部分酶是 诱导酶，并且该过程是一系列酶的催化反应过程。据报道，人们通过对铜绿假单 胞菌种烷烃代谢途径的研究，发现通过诱导可以产生短链烷烃的氧化作用，同时 可以诱导相应的酶、醛和脂肪酸。某一种目标物的加入，微生物几乎能够同时诱 导几种酶的合成，而有机污染物可以彻底降解的关键就是诱导酶的产生与否。 ( 4 ) 遗传物质转移作用 微生物代谢的多样性是通过同种或不同种微生物之间的遗传物质的转移实现 的，同时这种遗传物质的转移也是得一些新的性状能够在微生物群落之间转移。 随：着微生物降解基因在环境中的扩散作用，微生物对难降解有机物的降解能力也 逐渐加强。一些研究者认为遗传物质在微生物种群间的转移使微生物对难降解有 机物适应并利用( 微生物的驯化过程) 的一种主机机制【2 7 j 。 1 4 2 微生物降解含油废水的影响因素 ( 1 ) 石油烃的性质与物理状态 石油烃的化学组份对含油废水的治理效果影响比较大。在条件相同的情况下， 微生物对不同种类石油烃的降解能力是不同的。石油烃的可以分为四类：饱和烃 ( 烷烃和环烷烃) 、芳香烃( 苯、甲苯、萘、葸、菲等) 、树脂( 嘧啶、喹啉、咔 唑、亚砜和氨基化合物等) 和沥青质( 苯酚、脂肪酸、酮、酯、卟啉等) 2 8 】。不 重庆工商大学硕士学位论文 同的烃对生物降解的敏感性不同，一般直链烷烃对降解最敏感，其次是支链烷烃， 最后是低分子量的芳烃和环烷烃；细菌对饱和烃的降解率最高，轻质芳烃次之， 高分子量的芳烃和极性组分降解率最低【2 9 | 。 微生物对含油废水的降解率与石油烃的物理状态也有较大关系，烃类的可溶 性和分散程度直接影响微生物能接触到的石油烃的表面积。在水体系中，油滴分 散在水中的表面积越大，微生物对烃的利用率越高1 29 l 。油一水界面面积的增加，不 仅可以使石油烃更易到达微生物内部，而且进入水体的乳化液滴使氧和营养物更 易被微生物获得，从而促进微生物对石油烃的降解p 。效果较好的乳化使石油烃 形成微小液滴，类似于溶解烃，这种情况下石油烃更易被微生物降解。如多环芳 烃，研究发现只有溶于水相的那部分才能为胞内代谢所利用，而通过共溶剂和表 面活性剂的添加可以减少或消除这方面的限制f 3 。某些烃降解微生物产生乳化剂， 乳化剂促进了石油烃在水体系中的分散。就微生物降解石油烃而言，如果不产生 抑制作用的毒性影响，油的分散应能促进微生物对石油烃的降解。 ( 2 ) 微生物的影响 能降解石油烃类化合物的微生物很多，有1 0 0 多个属，2 0 0 余种，分属于细菌、 放线菌、霉菌、酵母等【3 2 1 。降解石油烃的微生物主要是细菌和真菌，细菌在海洋 生态系统中占主导地位，而真菌则是淡水和陆地生态系统中更重要的因子。降解 原油的微生物大量的存在于污染地区，在受油污染的水和底部沉积物中，其数量 可达1 0 2 1 0 8 个毫升，比未受污染地区商出1 2 个数量级1 3 3 j 。降解石油烃类化合 物的细菌主要有：无色杆菌属( a c h r o m o b a c t e r ) 、不动杆菌属( 彳曲? p f 0 6 口c f p ，| ) 、 产碱杆菌属( a l c a l i g e n e s ) 、节杆菌属微杆菌属( a r c h r o b a c t e r ) 、芽孢杆菌属 ( b a c i l l u s ) 、黄杆菌属( f l a v o b a c t e r i u m ) 、棒杆菌属( c o r y n e f o r m s ) 、微杆菌属 ( m y c o b a c t e r i u m ) 、微球菌属( m i c r o c o c c u s ) 、假单孢菌属( p s e u d o m o n a s ) 、分枝杆菌 属( m y c o b a c t e r i u m ) 等；放线菌中有放线菌中有放线菌属c t i n o m y c e t e s ) 、诺卡氏菌 属( n o c a r d i a ) ；在真菌中有：金色担子菌属u r e o b a s i d i u m ) 、假丝酵母属( c a n d i d a ) 、 红酵母属( r h o d o t o r u l a ) 、掷孢酵母属( s p o r o b o l o m y c e s ) 、曲霉属( a s p e r g i l l u s ) 、毛霉 属( m u c o r ) 、镰刀霉属( f u s a r i u m ) 、青霉属( p e n i c i l i u m ) 、木霉属( t r i c h o d e e r m a ) 、被 孢霉属( m o r t i e r e l l a ) 等。 ( 3 ) 环境因素 温度 石油烃的物理状态、化学组成会随着温度的变化而变化，尤其是温度会对微 生物可接触到的石油烃的表面积的大小以及挥发后供微生物降解的石油烃类组成 产生影响，同时温度也会影响微生物本身的代谢活性 3 4 1 。微生物对石油烃的降解 重庆工商大学硕士学位论文 是通过酶的催化作用完成，而酶的活性只有在一定的温度范围内才能得以发挥。 ( d 营养物质 微生物对石油烃的降解需要氮、磷、镁、铁等营养物质的参与才能顺利进行， 作为微生物能源碳源的烃类足够多时，营养物的供给是否充分将直接影响微生物 对烃类的降解活动。营养物质的缺乏会影响微生物对石油烃的降解率。 氧气 氧气对大多数有机物的生物降解都非常重要。微生物能够对石油烃的降解分 为有氧和厌氧两种类型。一般而言，在有氧条件下的微生物对石油烃的降解率比 在厌氧条件下的降解率高得多。通常，每氧化3 5g 石油需要消耗1g 氧气，每 3 2 1 0 l 海水中溶解的氧可以供微生物氧化1l 石油。一方面油是碳氢化合物， 几乎不含氧原子，所以比其他有机物的还原程度都高，其氧化时化学需氧量也最 高。另一方面，氧是组成细胞的主要元素，细菌、酶母菌、霉菌( 根霉) 的细跑 干物质的含氧量分别为3 0 5 2 、3 1 1 、4 0 1 6 ，尤其是在石油烃微生物降解过 程中需要有分子态的氧作为呼吸链电子传递系统末端的电子受体，同时氧还直接 参与一些生物反应【3 川。j o h n s t o n 测定了含有科威特原油的沙柱中氧的消耗，在有 氧条件下二氧化碳的产生速率比在无氧条件下二氧化碳的产生速率高几个数量级 3 6 一j 7 o p h 值 p h 值是一个影响微生物生长的重要环境因素，p h 值可导致蛋白质、核酸等 生物大分子所带电荷发生变化，从而导致微生物细胞吸收营养物质的能力发生改 变j 3 8 】。石油烃类的微生物降解一般处于中性p h 值，极端的p h 值环境不利于微 生物的生长【3 9 j 。 1 ：5 固定化微生物技术的研究进展 1 微生物固定化载体及方法 微生物固定化方法是指通过化学和物理的方法将游离的细胞或微生物加以固 定，使之成为不溶于水但仍具有高生物活性固定生长体的技术 4 0 。微生物经固定 化后，对有毒物质的承受能力及对有机物的降解能力都有明显的提高。 ( 1 ) 微生物固定化载体 用于微生物固定化的载体当对微生物细胞无毒、机械强度高、使用寿命长， 具备一定的容量，价格低廉、性能稳定，不易被生物降解、固定化过程简单、常 温下易于成形、生化及热力学稳定性好。基质通透性好、沉淀分离性好、具有惰 性、不能干扰生物分子的功能1 4 1 j 。 重庆工商大学硕士学位论文 目前，采用的包埋材料主要分为天然高分子多糖类和合成高分子化合物两大 类【42 | 。其中天然高分子多糖类具有固定化成型方便，对微生物毒性小，传质性能 好，固定化密度高等优点，但强度较低。常见的有琼脂、海藻酸钠、卡拉胶等。而 合成高分子化合物抗微生物分解性好，机械强度、化学稳定性好。常用的有聚丙 烯酰胺和聚乙烯醇等。 王广金m 3 j 等人提出了一种采用多孔微囊载体固定化微生物的新方法，同时采 用溶胶一凝胶相转化法，首次成功的制备出了适合于固定微生物的具有指状通孔 结构的膜微囊载体。该载体载球型度好，外观直径约为2 m m ，微囊载体内外表面 粗糙，具有较大的孔容和孔表面积。实验表明，利用这种多孔膜微囊载体，微生 物细胞不仅能在微囊载体表面，而且能在微囊内部球型空间内生长，微生物聚集 密度大，所以这种微囊载体有很大的应用价值。 ( 2 ) 微生物固定化方法 ( ! ) 吸附法 吸附法，又称载体结合法，是依据带电的微生物细胞和载体之间的静电作用， 使微生物细胞固定的方法，可分为物理吸附法和离子吸附法两种【4 4 1 。前者使用具 有高度吸附能力的硅胶、活性碳、多孔玻璃、石英砂和纤维素等吸附剂将细胞吸 附到表面上使之固定化。吸附法的特点是：操作简单、反应条件温和、载体可以 反复利用、结合微生物量有限、反应稳定性和反复使用行差。鉴于此，往往采用 引入疏水和亲水的配位体后制成载体衍生物。亲水的配位体制成载体衍生物的根 据是在解离状态下可因静电引力( 即离子键合作用) 而固着于带有相异电荷的离 子交换剂上，如d e a e 纤维素、d e a e s e p h a d e x 、c m 一纤维素等。 交联固定法 交联固定法是利用两个或两个以上的功能基团，直接与细胞或酶表面的反应 基团( 如氨基酸、羟基、硫基、咪哗基) 发生反应，使其彼此交联形成网状结构的 固定化细胞或酶。常用的交联剂有戌二醛、甲苯二异氰酸酯等。由于此法靠化学 结合的方式是酶固定化，反应比较激烈，所以固定化微生物的活力在多数情况下 较脆弱。而且适用于此类固定化的交联剂大多比较昂贵，这就限制了该方法的广 泛应用。 包埋固定法 包埋固定法是将微生物细胞包埋在半透明的聚合物或膜内，或使微生物细胞 扩散进入多孔性的载体内部的方法。载体的孔道或凝胶膜可以让小分子底物和反 应代谢物自由出入，微生物细胞却不能移动。包埋法操作简单、能保持多酶系统， 对微生物细胞的活性影响也比较小，目前对其的应用和研究是最常用也是最广泛 重庆工商大学硕士学位论文 的。但是包埋材料常常会在一定程度上阻碍底物和氧的扩散，影响水处理的效果。 常用的包埋固定化材料有：聚乙烯醇( p v a ) 、聚丙烯胺( a c a m ) 、聚乙烯乙二 醇( p e g ) 、琼脂、光硬化树脂聚藻酸钙、角叉菜胶和聚丙烯醇等。 包洛法 2 0 世纪9 0 年代初期，提出用包络法固定微生物的新技术，是为了克服吸附 法和包埋法固定微生物的缺点。包络法以人工合成生物相容性好的聚丙烯酸酷共 聚物基体型多孔颗粒为载体。 ( d 共价结合法 共价结合法是细胞表面上官能团和固相支持物表面的反应基团形成化学共价 键连接，从而固定微生物。该方法的有固定化微生物稳定性好，不易脱落的优点， 缺点是该方法限制了微生物的活性，反应激烈、操作与控制复杂困难。常用于共 价法的功能基团有氨基、羚基、琉基、轻基、酚基等。韩辉等【4 5 j 将巨大芽胞杆菌 胞! 青霉素酰化酶通过共价键结合到聚合物载体e u p e r g i t c 颗粒的环氧基团上， 成功地获得了高活力的固定化青霉素酰化酶。 ( d 交联法 交联法是利用双功能基团试剂或多功能基团试剂使微生物发生分子间交联而 得到固定的一种方法。该方法的应用有一定的限制，主要是因为该方法生物反应 活性损失大，采用的交联剂大多数也都比较昂贵。常用交联剂有戊二醛、双重氮 联苯胺。 ( d 无载体固定法 无载体固定化方法，又称为细胞间白交联固定法。这种固定化方法是一种全 新的概念，此方法是通过严格控制处理过程中的影响因素和生物处理反应器的运 载负荷，根据一些微生物能自絮凝产生颗粒的性质，让微生物产生自固定。此法 一般不需使用人工载体或包埋剂，所需固定化时间长且受环境因素的影响大。这 种方法与以往的一些固定化方法具有显著的优势，在环境工程中的污水处理领域 广泛的得到了应用。属于微生物自身固定化过程包括升流式厌氧污泥床反应器 ( v a s b ) 和厌氧折流板反应器( a b r ) 中颗粒污泥的形成。 1 5 2 微生物固定化在处理含油废水中的应用 郭召海( 4 6 】等人通过包埋固定化微生物法固定除油菌，选用聚乙烯醇海藻酸钠 复配作为包埋固定化载体材料，处理含油废水。通过实验优化微生物固定化小球 的制备工艺条件。在连续批次除油实验结果表明，在2 5 4 0 ，固液比1 ：1 0 ，h r t 为6h 的条件下，进水油含量在2 0 一5 0m g l ，乳化油去除率可达8 5 9 0 ，出水油 含量低于5m g l 。 9 重庆工商大学硕士学位论文 徐新阳h7 1 针对含油废水的特点，从土壤和活性污泥中，筛选驯化得到四株对 油类物质具有高效降解去除能力的细菌。通过对几种固定化工艺的比较，确定采 用改进的p v a n a a l g 共固定工艺。凝胶剂的组成为聚乙烯醇( p v a ) 1 0 5 ，海 藻酸钠( n a a l g ) 0 5 ，活性炭3 及微量生长素。经过6 4 h 的运行使用，测试 的结果表明4 种菌株的固定化颗粒对含油污水中c o d c ，的去除率分别为6 2 、 6 5 、 6 8 5 和6 6 5 ，躔显高于游离菌对c o d c ，的去除率。 李伟光【4 8 j 等人对含油废水的处理，是采用人工固定化生物活性炭的方法，其 对油的去除效率在8 0 9 5 之间，c o d 平均去除率达到5 3 ，并且出水中油质 量浓度小于5m g l 。试验结果表明该固定化工艺对污染物的去除效果明显高于颗 粒活性炭和传统的二级气浮工艺。 朱文芳【4 9 j 等从炼油厂污水处理曝气池中分离、筛选得到对含油废水具有高效 降解能力的工程菌，并将其固定在颗粒活性炭上，组装成固定化微生物反应柱。 实验结果表明，在相同p h 值条件下，通过采用固定化技术后，除油率比细胞游 离时提高2 0 ，并且微生物在固定化之后，对p h 值及其变化的耐受力明显增强。 1 6 本课题的研究目的及意义 由于国内石油工业的快速发展，石油勘探开发活动的增加，产生了大量的含 油废水，对于含油废水的深化处理，传统的处理技术还有许多不足的地方。主要 表现在：如物理法占地面积大，成本高，油去除率低；化学法会产生二次污染； 传统的生物法菌体易脱落，微生物不易重复利用等。因此，探索新型高效的处理 技术是极其重要的。最近几年，研究人员采用固定化技术，将微生物利用载体材 料、包埋物质或合理控制水力条件等技术使微生物固着生长。通过固定化技术， 可以提高对去除油类、氮、有机物或难以生物降解的物质的效率。固