（分析化学专业论文）固定化微生物处理含油污水的研究.pdf

eilllltli ti t l u l l11 1 1 1 1l l t l i t l g l | i y 18 3 017 5 固定化微生物处理含油污水的研究 学位论文完成同期：兰! ! 鱼垒尽 独创声 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，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 靴敝储獬：删 签字日期：沙i o 年f 月手日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将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、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 靴敝储鹤：峭 签字日期：纠口年月午日 导师签字 签字日期 同定化微生物处理含油污水的研究 固定化微生物处理含油污水的研究 摘要 石油在给人们带来巨大经济利益的同时，也对生态环境造成了巨大威胁。石 油污染对环境生态和人体健康的危害已经逐渐引起了人们的关注，石油污染治理 的方法和技术也成为当今环境工作者迫切需要解决的难题。利用微牛物固定化技 术修复污染环境的研究成果，固定化微生物技术在处理含油废水领域也有一定的 突破。 所谓固定化技术，是指利用物理或化学手段将游离的微生物或酶定位于限定 的空间区域，使其保持活性并可反复使用，在适宜的条件下还可以增殖以满足应 用之需的生物技术。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。本论文重点讨论了固定化技术在含油污水处理中的应 用。 本论文以含油污水为研究对象，考察了实验室已有的两株石油烃降解菌对原 油的降解能力；采用海藻酸钠包埋法对微生物进行包埋固定并比较了固定化菌与 游离菌对原油的降解效果；对壳聚糖挂膜方法做了初步的探讨，增强了海藻酸钙 微球强度，为海藻酸钙微球的实际应用提供了理论基础。通过实验研究，主要的 研究结论概括如下： ( 1 ) 通过生理生化实验，实验室已有的两株石油烃降解菌w - 1 和w - 2 初 步鉴定为红球菌和蜡样芽孢杆菌。通过测定两株菌的生长曲线，得出w - 1 和w - 2 在富集培养基中生长速度比较快，7h 达到生长稳定期。通过单因素分析实验得 出两株菌的最佳生长条件，w - l ：p h 值为7 5 8 5 ，温度为3 5 。c ，盐度为2 左 右：w - 2 ：p h 值为7 5 8 5 ，温度为3 54 c ，盐度为4 左右。与w 二1 相比，w - 2 有较高的耐盐性。 ( 2 ) 两株菌对原油的降解率，随着原油浓度的增大而减小；w - 1 和w - 2 能 适应的最大原油浓度为o 3 且w - 2 对原油的降解率高于w - 1 ，分别为3 2 和 4 5 ；当原油浓度超过o 3 时，原油中的有毒物质明显抑制菌的生长，培养基 中w - 1 和w - 2 数量显著减少，甚至无法进行生物修复；微生物对原油的降解率， 随着降解时间增长而逐渐增大，7d 后两株菌的数量达到动态平衡，趋于稳定， 对原油的降解率也趋于稳定。w 二1 和w - 2 对原油降解的最佳条件与生长的最佳 固定化微生物处理含油污水的研究 条件基本一致。 ( 3 ) 测定了2 5 。c 时活性炭对菌w - 2 的吸附量为1 0 9 1 0 8c e l l g ，所以添加 活性炭不仪能给微球提供支撑增强微球强度而且能通过对菌的吸附作用增强固 定化效果。采用含有活性炭的海藻酸钠包埋法固定w - 2 ，通过单因素分析实验， 得出最佳的固定化条件为：交联温度2 5 。c ；交联剂p h 值为5 6 ；交联时间为2 4 h ；包埋菌量为6m l ( 包埋菌与凝胶剂的体积比为5 ：1 ) 。通过对比试验得出，添 加无机盐能加快固定化w - 2 的活性恢复。 ( 4 ) 在含油量为0 3 的无机盐培养基中，固定化w - 2 能适应的降解条件为： 温度，3 0 5 0 。c ；p h 值，6 - 9 ；盐度，2 - 5 ，比游离w - 2 的适应范围( 温度4 0 。c ， p h 值为7 8 ，盐度4 左右) 变宽；并且游离w - 2 对原油的降解率最高达到4 0 左右，固定化w - 2 对原油的降解率能达到7 0 以上，比游离w - 2 提高了3 0 以 上，处理效果明显优于游离菌。 ( 5 ) 由于海藻酸钠存在机械强度低、易分解等缺点，本论文除了采用添加 活性炭外，还采用壳聚糖溶液在微球表面挂膜的方法增强固定化微球的强度。实 验证明，当采用脱乙酰度为8 5 壳聚糖溶液、壳聚糖溶液浓度为0 8 、挂膜时 间为1 5h 条件下，挂膜效果最好，机械强度最强，经过一段时间的搅拌，无破 损。挂膜后，微球的机械强度显著提高，可重复利用两次。 关键词：含油污水，海藻酸钠，固定化微生物，生物降解 i i 固定化微生物处理含油污水的研究 t h er e s e a r c ho no i l y w a s t e w a t e rt r e a t m e n tb y i m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s m s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r y , t h eq u a n t i t yd e m a n do fo i li sm o r ea n dm o r e o i l b r i n g sh u g ee c o n o m i ci n c r e a s e ，a n dd o e sg r e a th a r mt oe c o l o g ye n v i r o n m e n ta tt h e s a m et i m e p e o p l eh a v ep a i dm o r ea t t e n t i o nt oo i lp o l l u t i o nd a m a g e si nt h ef i e l do f e c o l o g ye n v i r o n m e n t a n dp e o p l e h e a l t h ， a n dt h em e t h o da n dt e c h n o l o g yo f r e m e d i a t i o nt oo i lc o n t a m i n a t i o ni sb e c o m i n gt h ep u z z l ef o re n v i r o n m e n tr e s e a r c h e r s n o wi m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s m st e c h n o l o g yh a so b t a i n e dac e r t a i nb r e a k t h r o u g hi n t h ef i e l do fo i l y - w a s t e w a t e r t r e a t m e n t i m m o b i l i z a t i o ns y s t e m sa r ei n t e n d e dt oe n t r a pm a t e r i a l ss u c ha sm i c r o o r g a n i s m so r e n z y m e si n t oad e f i n e ds p a c ea n di nt h i sw a ym i c r o o r g a n i s m so re n z y m e sc a nr e t a i n a c t i v i t ya n db er e u t i l i z e ds e v e r a lt i m e so v e ral o n gp e r i o do ft i m e i m m o b i l i z e d m i c r o o r g a n i s m sc a l li n c r e a s et h eb i o d e g r a d a t i o nr a t et h r o u g hah i 曲m i c r o o r g a n i s m l o a d i n ga n do f f e rp r o t e c t i o nf r o me x t r e m ep ha n dt o x i cc o m p o u n d s e s p e c i a l l yt h i s p a p e rr e s e a r c h e dt h ea p p l i c a t i o no fi m m o b i l i z a t i o nt e c h n o l o g yi no i l y - w a s t e w a t e r t r e a t m e n t i nt h i ss t u d y , o i l y - w a s t e w a t e ri so b j e c to fs t u d y t h eo i lb i o d e g r a d a t i o na b i l i t yo f t w ob a c t e r i ac o n s e r v e di nl a b o r a t o r yi se x a m i n e d ；t h eb i o d e g r a d a t i o ne f f i c i e n c yo fo i l b e t w e e nf r e ea n di m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s m su s i n gs o d i u ma l g i n a t ei m m o b i l i z a t i o n m e t h o di sc o m p a r e d ；t h em e t h o do fc h i t o s a nt e c t o r i a lm e m b r a n e ，w h i c hr e i n f o r c et h e s t r e n g t ho fm i c r o o r g a n i s m si m m o b i l i z e db e a d ，i ss t u d i e dp r e l i m i n a r y t h er e s u l t so f t h i sp a p e rw i l lc o u l dp r o v i d eat h e o r y s u p p o r tf o rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no f o i l w a s t e w a t e rb i o r e m e d i a t i o n t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) ：t w ob a c t e r i an a m e dw - 1a n dw - 2a r ei d e n t i f i e d a sr h o s o c o c c u ss p a n d b a c i l l u sc e r e u ss p r e s p e c t i v e l y , b ym o r p h o l o g i c a l ，b i o c h e m i c a la n dp h y s i o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s f r o mt h eg r o w t hc u r v eo ft w ob a c t e r i a , w ec a ns e et h a tw - 1a n dw - 2 g r o wq u i c k l yi ne n r i c h m e n tm e d i a , r e a c h i n gs t a b l ep h a s ea f t e r7h o u r s o ，i ti ss u i t a b l e t ou s eb a c t e r i ai n c u b a t e d7 - 8h o u ra ss e e db a c t e r i a a n dt h eo p t i m a lg r o w t hc o n d i t i o n s f o rw 一1a n dw - 2a r ea b o u t3 5 0 c ，p h7 5 - 8 5 ，s a l i n i t y2 a n d4 ，r e s p e c t i v e l y , w - 2 h a v em o r es a l tt o l e r a n c et h a nw 1 i i i 固定化微生物处理含油污水的研究 ( 2 ) ：t h eo i lb i o d e g r a d a t i o nr a t eo fw - 1a n dw - 2 i sd e c l i n i n gw i t ht h ei n c r e a s eo fo i l c o n c e n t r a t i o ni nw a s t e w a t e r , i si n c r e a s i n gw i t ht h ei n c r e a s eo fb i o d e g r a d a t i o nt i m e a f t e r7d a y sb i o d e g r a d a t i o n t h eo i lb i o d e g r a d a t i o nr a t eo f 、- 1a n dw 一2c a nr e a c h 3 2 a n d4 5 ，r e s p e c t i v e l yi nt h em e d i ac o n t a i n i n g3 0 0m g l s t a n d a r do i l t h e o p t i m a lo i ld e g r a d a t i o nc o n d i t i o n sa r es i m i l a rt ot h e i rg r o w t hc o n d i t i o n ，i n d i c a t i n g t h a tm a x i m u md e g r a d a t i o nr a t ei sc o n e l a t e dw i t hm a x i m u mg r o w t hr a t e ，c o n s i s t e n t w i t ht h eo i lb e i n gt h es o l es o u r c eo fc a r b o n ( 3 ) ：t h ea d s o r p t i o nq u a n t i t yo fa c t i v ec a r b o nt ow - 2i st e s t e d ，w h i c hi s10 9 x10 8 c e l l ga t2 5 c ，s oi m m o b i l i z a t i o nm e t h o dc o n t a i n i n ga c t i v ec a r b o nn o to n l yc a n i n c r e a s et h es t r e n g t ho fi m m o b i l i z e db e a db u ta l s or e i n f o r c em i c r o o r g a n i s m s i m m o b i l i z a t i o nb ya c t i v ec a r b o na b s o r b i n gb a c t e r i a t h eo p t i m a li m m o b i l i z a t i o n c o n d i t i o na r e ：e r o s s l i n k i n gt e m p e r a t u r e ，2 5 ；c r o s s l i n k e rp h ，5 - 6 ；c r o s s l i n k i n gt i m e ， 2 4h ；t h ev o l u m er a t i oo fi m m o b i l i z e db a c t e r i a lt og e l si s1 ：5 m e a n w h i l e ，t h es p e e do f i m m o b i l i z e d m i c r o o r g a n i s m sr e a c t i v a t i o ni sa c c e l e r a t e db ya d d i n gi n o r g a n i cs a l t ( 4 ) ：t h ei n f l u e n c eo fp h ，t e m p e r a t u r ea n ds a l i n i t yt om i c r o o r g a n i s m sb e a d s ( m b ) b i o d e g r a d a t i o ni si n v e s t i g a t e di nt h em i n e r a ls a l tm e d i a ( m s m ) c o n t a i n i n go 3 s t a n d a r do i l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e a d a p t a b l er a n g eo fp hi s6 - 9 ，t h a to f t e m p e r a t u r ei s3 0 5 0 c ，t h a to fs a l i n i t yi s2 - 5 f o ri m m o b i l i z e dw 一2 ，w h i c ha r em o r e t o l e r a n tt h a nf r e e ；t h eb i o d e g r a d a t i o nr a t eo ff r e ew - 2r e a c ha b o u t4 0 a n dt h a to f i m m o b i l i z e dw 一2r e a c ha b o v e7 0 w h i c hi n c r e a s em o r et h a n3 0 ( 5 ) ：b e c a u s eo fe x i s t i n gl o ws t r e n g t h ，e a s yd e c o m p o s i t i o nf o ri m m o b i l i z e d m i c r o o r g a n i s m sb e a d s ，b e a d ss t r e n g t hi s r e i n f o r c e d b yt h e m e t h o do fc h i t o s a n t e c t o r i a lm e m b r a n c e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m a lt e c t o r i a lm e m b r a n c ec o n d i t i o n s a r ec h i t o s a nw i t h8 5 d e a c e t y l a t e dd e g r e ea n dw i t h0 8 c o n c e n t r a t i o n ；t e c t o r i a l m e m b r a n c et i m ew i t l l1 5h a f t e rt e c t o r i a lm e m b r a n c e t h es t r e n g t ho fb e a d sa r e i m p r o v e do b v i o u s l ya n dt h eb e a d sc a nr e u s et w i c e k e y w o r d s ：o i l yw a s t e w a t e r ；s o d i u ma l g i n a t e ；i m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s m s ； w 同定化微生物处理含油污水的研究 目录 0 引言1 1 文献综述2 1 1 石油的组成。2 1 2 石油污染的现状2 1 3 石油污染的治理方法4 1 4 微生物固定化技术6 1 5 微生物固定化技术在含油废水处理中的应用1 3 1 6 微生物固定化方法在其他领域的应用1 7 1 7 本论文的研究目的和研究内容1 8 2 高效石油烃降解菌的鉴定及培养条件优化2 0 2 1 实验仪器及材料2 0 2 2 实验方法2 2 2 3 实验结果与讨论2 5 2 3 1 菌株鉴定的实验结果2 5 2 3 2 菌株生长曲线的测定结果2 7 2 3 3 微生物生长最佳p h 值的确定2 8 2 3 4 微生物生长最佳温度的确定2 9 2 3 5 微生物生长最佳盐度的确定3 0 2 4 本章小结3 1 3 石油烃降解菌降解条件的优化3 2 3 1 实验仪器及材料3 2 v 固定化微生物处理含油污水的研究 3 2 实验方法3 4 3 3 实验结果和讨论3 6 3 3 1 基准油的标准曲线3 6 3 3 2 原油浓度对微生物降解率的影响3 7 3 3 3 降解时间对微生物降解率的影响3 8 3 3 4p h 值对微生物降解率的影响3 9 3 3 5 温度对微生物降解率的影响4 0 3 3 6 盐度对微生物降解率的影响4 1 3 4 本章小结4 2 4 石油烃降解菌的包埋固定及固定化效果的评价4 3 4 1 实验仪器及材料4 3 4 2 实验方法4 4 4 3 实验结果和讨论4 9 4 3 1 吸附材料吸附量的测定结果4 9 4 3 2 固定化过程中凝胶剂、交联剂和吸附剂配比的确定5 0 4 3 3 两种不同固定化方法的比较5 3 4 3 4 最佳固定化条件的确定5 3 4 3 5 无机盐对微球性能的影响5 5 4 3 6 固定化微生物小球s e m 和传质性5 6 4 3 7 固定化菌与游离菌降解效果的比较5 7 4 4 本章小结6 1 5 壳聚糖挂膜效果的评价6 3 5 1 实验仪器及材料6 4 固定化微尘物处理含油污水的研究 5 2 实验方法6 4 5 3 实验结果和讨论6 5 5 3 1 壳聚糖脱乙酰度的确定6 5 5 3 2 壳聚糖浓度的确定6 6 5 3 3 挂膜时间的确定6 7 5 3 4 微球挂膜前后对原油的降解效果比较6 7 5 4 本章小结6 8 6 结论及展望6 9 6 1 结j 沧6 9 6 2 存在的问题及展望7 0 参考文献7 1 致谢7 7 个人简历7 8 发表学术论文7 8 v i i f 固定化微生物处理含油污水的研究 v i l l 固定化微生物处理含油污水的研究 0 引言 近年来，随着经济和社会的迅速发展，石油产品广泛地应用于人类的日常生 活及社会各行各业，且使用量与日俱增。但由于各种技术的限制和管理落后等原 因，大量油品进入水体、土壤等形成污染。与此同时，石油在开采、储存、运输、 加工以及应用过程中的泄漏和排放对环境的污染也越来越严重。石油污染对环境 生态和人体健康的危害已经逐渐引起了人们的关注，石油污染治理的方法和技术 也成为当今环境工作者迫切需要研究的问题。 含油废水中的油份通常以浮油、分散油、乳化油和溶解油等4 种形式存在。 浮油的粒径较大，大于1 0 0 岬，以连续相浮出水面，形成油膜和油层。分散油 以微小油滴悬浮于水中，静置一定时间后往往变成浮油，其油滴粒径为1 0 1 0 0 岬。乳化油是由于水中含有表面活性剂而形成，粒径极小，一般小于1 0 岬。 溶解油是一种以化学方式溶解在水中的油，其粒径可以达到几个纳米【1 】。由于含 油污水中油的存在形式不同，其处理的方法也不同。处理含油废水的方法可归纳 为4 大类：物理法、化学法、物理化学法、生物化学法等。处理浮油和分散油一 般用物理方法，这两种含油废水比较好处理。溶解油用一般的物理及化学方法都 难以将其去除，目前用得较多的还是生化法【2 】。由于游离微生物在处理含油废水 时存在利用率低，容易流失、抗毒性差等缺点，目前，固定化微生物技术以其自 身特有的优势广泛应用于含油废水治理方面。与其它环境治理技术相比，固定化 技术能够保持微生物高密度、高活性，减轻或消除微生物的流失，提高处理效率 等。所以本论文采用固定化石油烃降解菌方法处理含油污水，提高了石油烃降解 菌的环境耐受力、重复利用率和对原油的降解率，并取得了初步的研究成果。 固定化微生物处理含油污水的研究 1 1 石油的组成 1 文献综述 石油又称原油，是古代海洋或湖泊中的生物经过漫长的演化形成的混合物， 是从地下深处开采的棕黑色可燃粘稠液体。组成石油的化学元素主要是碳( 8 3 8 7 ) 、氢( 1 1 1 4 ) ，其余为硫( o 0 6 0 8 ) 、氮( o 0 2 1 7 ) 、氧 ( 0 0 8 。1 8 2 ) 及微量金属元素( 镍、钒、铁等) 1 3 】。由碳和氢化合形成的烃 类构成石油的主要组成部分，约占9 5 9 9 ，含硫、氧、氮的化合物对石油产 品有害，在石油加工中应尽量除去。 不同产地的石油中，各种烃类的结构和所占比例相差很大，但主要属于烷烃、 环烷烃、芳香烃三类。通常以烷烃为主的石油称为石蜡基石油；以环烷烃、芳香 烃为主的称环烃基石油；介于二者之间的称中间基石油。此外，石油中的非烃组 分共有6 种，分别是含硫化合物、含氮化合物、含氧化合物、叶琳，沥青烯和痕 量金属。 1 2 石油污染的现状 石油的污染主要体现在土壤污染、大气污染和水污染，对生物生存以及人类 身体健康造成严重的危害。 1 2 1 土壤污染 石油作为现代工业的血液，在其开采、运输和使用过程中发生的溢油和泄漏， 以及油页岩矿渣的堆放和施用等过程，使得大量的石油进入土壤，对土壤造成严 重污染【4 1 。作为各种物质循环及能量交换的重要场所，土壤通常是污染物在环境 中迁移、滞留和沉积的目的地，是环境污染的最终承受者【5 j 。石油在土壤环境中 的大量存在严重影响整个土壤生态系统。 石油对土壤的污染主要集中在2 0c i i l 左右的表层。石油排入土壤后，能破坏 土壤结构，影响土壤的通透性，改变土壤有机质的组成和结构，降低土壤质量， 降低土壤透水性等。石油类物质在土壤中的残留性、累积性较强，严重影响土壤 2 固定化微生物处理含油污水的研究 同外界环境物质、能量交换，同时石油进入土壤在向地下渗透过程中还沿地表扩 散，使土壤盐碱化、沥青化、板结化，并在重力作用下向土壤深部迁移。由于石 油的粘度大，粘滞性强，在短时间内形成小范围的高浓度污染，改变土壤的物理 化学性质，破坏土壤的生产功能【6 】。 据目前所掌握的资料显示，我国部分石油化工区土壤残油高达1 0 0 0 0m g k g ， 是国家农业标准临界值( 5 0 0m g k g ) 的2 0 多倍，每年新污染土壤1 1 0 8 蚝。因 此，迫切需要结合各地情况加强研究，积极采取有效措施，切实防治土壤石油污 染川。 1 2 2 水体污染 石油及石油产品对水体的污染主要有海洋污染、江河湖泊污染、地下水污染 等。 石油对海洋污染按石油输入类型可分为突发性输入和慢性长期输入。造成污 染的原因主要体现在：石油的海上运输频繁使海上溢油事故发生几率增大；港口 装卸油作业频繁，存在溢漏油的隐患；油轮的大型化增添了发生重大海上溢油事 故的可能性，提高了溢油处理的难度；海上油田石油勘探开发中的泄漏和采油废 水排放等 8 1 。 石油对海洋的污染危害是多方面的。第一，不透明的油膜降低了光的通透 性，阻碍了水体跟大气之间的气体交换，影响了污染海藻的光合作用，减少海洋 产氧量，制约了海洋动物的生长和繁殖。第二，生物生产力最丰富的近海区域往 往发生最严重的石油污染。石油溢出后使污染区内的海洋动物迅速死亡，海鸟也 难以幸免。第三，海面浮油内的一些有毒物质会进入海洋生物的食物链。这不仅 对海洋生物有毒害作用，而且可通过食物链最终富集在人体内，对人类健康造成 严重危害。第四，海面浮油可萃取分散于海水中的氯烃，如d d t 、狄氏剂等农药 和聚氯联苯等，并把这些毒物浓集到海水表层，影响浮游生物、甲壳类动物和晚 上浮上海面活动的鱼苗的生理、繁殖行为或直接触杀。第五，石油中有些烃类与 一些海洋动物的化学信息相同，或是化学结构类似，从而影响这些海洋动物的行 为。实验证明，浓度仅为十亿分之几的煤油可以使龙虾离开天然觅食场所游向溢 油区。显而易见，因石油污染造成的这种化学信息泛滥对海洋生物的危害是极其 固定化微生物处理含油污水的研究 严重的f 9 。 石油对河流湖泊的污染主要是由炼制石油产生的废水以及石油产品造成的。 在炼油过程中，大量含油废水排出，常超出水体的自净能力，易形成油污染。另 外，油轮洗舱水以及船舶在水域中航行时所产生的油污也会对水域造成污染。这 些污染物使河流、湖泊水体以及底泥的物理、化学性质或生物群落发生变化，从 而降低了水体的使用价值，甚至危害到人的健康。 石油及石油化工产品对于地下水的污染经常以非水相液体的形式。当非水相 液体的密度大于水的密度时，污染物潜没在地下水中，并沿隔水底板横向扩展； 当非水相液体密度小于水的密度时，污染物在地下水面的垂向移受阻，而沿地下 水面( 主要在水的非饱和带) 横向广泛扩展。随着石油的大规模勘探、开采，石油 化工业的发展及其产品的广泛应用，石油及石油化工产品对于地下水的污染己成 为不可忽视的问题。 1 2 3 空气污染 石油对空气的污染主要是通过石油燃烧产生的硫的氧化物和氮的氧化物。硫 的氧化物能够刺激人的呼吸系统，吸入后诱发慢性呼吸道疾病。如果大气中同时 有颗粒物质存在，就会大大地加大危害程度。因为颗粒物质吸附了高浓度的硫氧 化物可以进入肺的深部，对人体产生严重危害。同时这些酸性气体被雨雪冲刷， 溶解，成为雨水中杂质硫酸根、硝酸根和氨离子，使雨变成酸雨，严重污染土壤 以及水体，造成生态的失衡。 综上所述，石油污染已经成为一个非常严重的现实问题，它对于土壤、水体、 空气的危害，直接或间接的影响了生物的正常生长发育，人类的健康，造成了生 态的失衡，因此治理右油污染成为目前迫切需要解决的问题。 1 3 石油污染的治理方法 1 石油污染的治理技术主要包括物理方法、化学方法、生物方法以及三种方法 技术的集成。物理方法主要有气浮法、吸附法、膜分离法和磁性分离法。化学处 理技术主要有化学絮凝法、化学氧化法和电化学法。 生物方法主要原理是利用微生物对石油烃类进行同化降解，使其最终完全矿 4 固定化微生物处理含油污水的研究 化，转变为无害的无机物质二氧化碳和水的过程。降解效率可以通过改变土壤理 化条件( 包括温度、湿度、p h 值、供氧量及营养添加等) 来完成，也可接种特殊 驯化与构件的工程微牛物提高降解速率。生物修复的主要优点有：费用低、处理 效果好、对环境影响低、无二次污染等优点【l o 】。 尽管生物处理技术多种多样，但它必须遵循三个原则，即使用合适的微生物、 在合适的地点和适合的环境下进行【 。 适合的微生物：是指具有生理和代谢能力并能降解污染物的细菌和真菌。 在许多情况下，修复位点处就有降解微生物存在。如果在反应器内处理高浓度的 有毒污染物，则需要加入外源微生物。 适合的地点：是指要有污染物和合适的微生物相接触的地点。例如在表面土 壤中存在的降解苯微生物是无法降解位于蓄水层中的苯污染物，只有抽取污染水 到地面在地上生物反应器内处理，或将合适的微生物引入污染的蓄水层中处理。 适合的环境条件：是指控制或改变环境的条件，使微生物的凋谢和生长活动 处于最佳状态。环境因子包括温度、无机盐营养( 主要是氮和磷) 、电子受体( 氧 气、硝酸盐和硫酸盐) 和p h 值等。 传统的生物法，如活性污泥法( s b r 法) 、生物膜法( 膜生物反应器) 、接触 氧化法等，处理含油废水时，能去除废水中大部分具有生物降解性的有机化合物， 并且通过吸附作用可以去除废水中的一些物质。因其费用低、效果好、无二次污 染等特点已成为研究的热点。但是对于废水中一些难降解的有机物由于其毒性、 难降解性、对细菌生长的抑制性导致游离态的微生物处理含油废水时，对这部分 有机物去除率较低，并且游离生物容易流失，利用率低，且不易与水分离，难以 回收利用。目前，固定化微生物技术以其自身特有的优势广泛应用于含油废水治 理方面。 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。2 0 世纪7 0 年代后迅速成为生物、环境等领域的一个研究热点。在初期， 它主要用于发酵生产【1 2 】。随着水污染问题的日益严重，该技术在废水治理领域 有着很大的发展潜力，被处理废水的种类主要有：含难降解污染物的有机废水、 高浓度的有机废水、重金属废水、废水脱色、含油废水等，并取得了阶段性的进 展。固定化微生物技术以其特有的优势，在废水生物处理领域中引起普遍关注 【13 1 ，其中含油废水是最常见的废水之一。 同定化微生物处理含油污水的研究 随着采油技术不断发展，先后经历了一次、二次、三次采油。特别是三次采 油，其本质就是为了改善驱油效果，向水中添加化学试剂，主要是聚合物、表面 活性剂和碱。结果使采油废水的成分更加复杂，其中含有许多固体颗粒、游离油、 乳化油和各种残余助剂，处理更加困难 14 1 。若将含油废水直接排入水体，含油 废水表面的油污薄膜会破坏水体的富氧条件，导致水体溶解氧下降，致使水体中 生物因缺氧而死亡，限制水生植物的光合作用，进而影响水体的自净功能；动物 饮用了含油废水，有可能感染致命的疾病；水体表面的聚集油还有可能燃烧产生 安全问题【1 5 】。因此必须对含油废水进行处理。 固定化微生物技术与其它环境治理技术相比，能够保持微生物高密度、高活 性，减轻或消除微生物的流失，处理效率高；降解某些难降解有机物，对环境的 耐受力强；反应易控制，重复性好；简化了工艺，节省污染治理的投资费用和运 行费用【1 6 - 1 7 1 。 1 4 微生物固定化技术 1 4 1 微生物固定化的概念 所谓固定化技术，是指利用物理或化学手段将游离的微生物或酶，定位于限 定的空间区域，使其保持活性并可反复使用，在适宜的条件下还可以增殖以满足 应用之需的生物技术【18 1 。 1 4 2 固定化微生物技术所需条件 固定化技术所需要的微生物应满足以下3 个基本条件：( 1 ) 投加的菌体活性 高；( 2 ) 菌体可快速降解目标污染物：( 3 ) 在系统中不仅能竞争生存，而且可维持 相当数量 19 1 。 1 4 3 微生物的固定化方法 固定化微生物的制备方法多种多样，任何一种限制细胞自由流动的技术，都 可以用于制备固定化微生物。从载体固定到无载体固定，微生物的固定化技术不 断发展。载体固定大致可以分为吸附法、包埋法、共价结合法和交联法4 种，这 6 固定化微生物处理含油污水的研究 些方法各有优缺点( 表1 1 ) 。理想的固定化载体应具有对微生物细胞无毒、传质 效果好、性能稳定、使用寿命长、价格低廉等特点。无载体固定法是利用某些微 生物具有自絮凝形成颗粒的特性，使微牛物产生自固定，这种固定化方法是一种 全新的概念 2 0 】。 表1 1 四种包埋方法原理和优缺点的比较 t a b l el - 1t h ec o m p a r i s o no ff o u ri m m o b i l i z a t i o nm e t h o d s 1 4 4 微生物固定化载体的选择 固定化微生物处理含油污水的研究 微生物固定化的理想载体应该具备以下特性【2 2 】： ( 1 ) 机械强度高，寿命长，具备一定的容量，价格低廉： ( 2 ) 性质稳定，不易被生物降解； ( 3 ) 固定化过程简单，常温下易于成形，固定化过程及固定化后对微生物无 毒； ( 4 ) 生化及热力学稳定性好； ( 5 ) 基质通透性好， 沉淀分离性好； ( 6 ) 具有惰性，不能干扰生物分子的功能。 可供选择的载体多种多样，各有其优缺点。寻找合理有效的载体是微生物固 定化研究成败的关键之一，下面介绍一些常见的载体材料2 3 1 。 表1 - 2 各种固定化载体的比较 t a b l e1 - 2t h e c o m p a r i s o no fd i f f e r e n ti m m o b i l i z a t i o nc a r r i e r s 1 4 5 吸附法和包埋法 由于在交联和共价结合过程中反应剧烈，微生物的部分酶参与反应，降低了 酶的活性，同时交联剂价格昂贵，因此目前交联法和共价结合法应用较少，吸附 法与包埋法最为常用。下面主要介绍吸附法和包埋法。 吸附法根据吸附机理可分为物理吸附和离子吸附【2 1 1 。物理吸附是使用具有 同定化微生物处理含油污水的研究 高比表面、高吸附能力的物质，微生物吸附在载体表面使其固定化。所用的载体 一般是硅胶、活性炭、多孔玻璃、石英砂、纤维素、硅藻土、多孔砖等吸附剂， 将微生物吸附在表面使其固定。离子吸附是利用微生物在解离状态下离子键合作 用而固定于带有相反电荷的离子交换剂上，常见的离子交换剂有d e a e 纤维素、 c m 纤维素等。该方法又因为载体的组成、结构及形态的不同而具有不同的种类 和不同的处理效果。 吸附法的载体选择范围很大，涉及天然或合成的无机、有机高分子材料，吸 附过程可同时达到纯化和固定化，但吸附法固定的微生物数量有限且易脱落，因 此，积极开发新型载体是解决这个缺点的重要途径。 包埋法是用高分子水凝胶材料形成网络、微囊等使微生物固定化或利用水溶 性单体聚合形成凝胶时将微生物包埋在内部使微生物固定化。常用的有凝胶包埋 法、纤维包埋法和微胶囊法。用于包埋法的材料载体归纳起来主要可分为两大类， 一类是有机合成高分子载体，如聚乙烯醇( p o l y v i n g la l c o h o l ，p v a ) 、聚丙烯酰氨 ( p o l y c a r y l a m i d e ，p a m ) 、聚乙烯7 , - - 醇( p o l y e t h y l e n eg l y c o l ，p e g ) 、聚丙烯酸 ( p o l y a c r y l i ca c i d ，p a a ) 等；另一类是天然高分子载体，如琼h 旨( a g a r ) 、海藻酸钠 ( s o d i u ma l g i n a t e ，s a ) 、角叉菜胶( c a r r a g e e n i n ) 等。值得注意的是，通常载体都要 经过活化后才能用于固定化微生物。例如，对于纤维素载体通常要引入脂肪族或 芳香族氨基、羧基或硫羟基来活化羟基【2 4 1 。作为包埋法的载体，很严重的一个 限制就是底物中氧气、营养物以及代谢后产物的传递，从而降低了微生物的活性。 s t o r m ok e 等【2 5 】研究表明，降低生成包埋小球的直径可以有效的减小载体所带来 的传质的影响。 蒋宇红等通过实验对琼脂、明胶、海藻酸钠、聚乙烯醇和丙烯酰铵凝胶5 种固定化载体的性能进行比较，研究表明琼脂的强度极差，丙稀酰胺凝胶对生物 有毒性，明胶内部结构密实，传质性能差。相比之下，海藻酸钠和聚乙烯醇凝胶 机械强度和传质性