響應(yīng)曲面法優(yōu)化混合菌HJ8-1降解水中原油污染物

吳文華，張?jiān)撇?，劉春爽，趙東風(fēng)，劉其友

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)化學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266555)

目前，油田開(kāi)采、運(yùn)輸事故、油輪泄漏、航道油污水排放等[1，2]對(duì)水體(河流、湖泊、海洋)造成的油污染環(huán)境問(wèn)題日益凸顯。由于泄漏原油在水面產(chǎn)生油膜，阻止空氣中的氧向水中擴(kuò)散，使水生生物因缺氧而死亡，嚴(yán)重破壞水體生態(tài)[3～5]。油類(lèi)中的芳香烴等有毒物質(zhì)可使水生生物致畸、致癌，從而危害水產(chǎn)資源。當(dāng)海水中含油量達(dá)到0.01 mg·L-1時(shí)，魚(yú)在24 h內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生油臭味；污染嚴(yán)重的海域，還會(huì)導(dǎo)致某些抗性弱的物種死亡，其生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)需要10年以上的時(shí)間，進(jìn)而危及人類(lèi)的健康。為此，尋找高效的原油污染水體修復(fù)技術(shù)一直是環(huán)境領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[6，7]。

目前，原油污染水體修復(fù)技術(shù)有物化法和生物法。其中，生物法具有費(fèi)用低、效果好、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[8，9]。生物修復(fù)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及到微生物、原油濃度、營(yíng)養(yǎng)鹽[10]和表面活性劑[11]等因素。當(dāng)發(fā)生漏油事故時(shí)，氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽[12]和表面活性劑的投加往往會(huì)促進(jìn)原油的降解。因此，生物修復(fù)條件的優(yōu)化，尤其是營(yíng)養(yǎng)鹽和環(huán)境條件的優(yōu)化對(duì)原油污染水體修復(fù)非常重要。統(tǒng)計(jì)分析方法能夠快速有效地篩選優(yōu)化復(fù)雜體系的關(guān)鍵影響因子[13，14]，然而，關(guān)于原油污染水體生物修復(fù)的Box-Behnken 法設(shè)計(jì)分析尚未見(jiàn)報(bào)道。

基于此，作者采用響應(yīng)曲面法優(yōu)化混合菌HJ8-1修復(fù)原油污染水體的條件，研究原油濃度、氮濃度、磷濃度和表面活性劑(SDBS)濃度及其交互作用對(duì)原油降解效果的影響，以期為原油污染水體修復(fù)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 菌株與培養(yǎng)基

混合菌HJ8-1，由Bacilluslicheniformis、Bacillussubtilis、Acinetobacter、Pseudomonasaeruginosa和Rhodococcuserythropolis組成。

無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基：Na2HPO40.6 g，KH2PO40.2 g，NaNO34.0 g，CaCl20.01 g，F(xiàn)eSO40.01 g，MgSO40.3 g，ZnCl20.1 g，酵母膏0.5 g，蒸餾水1000 mL，pH值7.2。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用Box-Behnken (BB)設(shè)計(jì)法考察原油濃度、氮濃度、磷濃度和表面活性劑濃度4個(gè)因素對(duì)混合菌HJ8-1處理含油廢水效果的影響，響應(yīng)面中心組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的因素與水平見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面中心組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的因素與水平

實(shí)驗(yàn)結(jié)果用二次多項(xiàng)式回歸擬合，用微分計(jì)算預(yù)測(cè)最佳值。由統(tǒng)計(jì)軟件SASS對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，并對(duì)擬合方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)及方差分析。

1.3 分析方法

水中油含量的測(cè)定采用萃取-紅外分光光度法(GB/T16488-1996)[15]。

2 結(jié)果與討論

2.1 響應(yīng)面中心組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表2)

表2 響應(yīng)面中心組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，經(jīng)過(guò)7 d的搖床培養(yǎng)，各實(shí)驗(yàn)組的油含量均有所降低，降解率為41.79%～63.54%。在原油濃度為2 g·L-1(1#)、11 g·L-1(15#)和20 g·L-1(16#)時(shí)，降解率分別為63.54%、60.35%、53.21%，說(shuō)明原油濃度對(duì)廢水處理效果影響較大，低濃度油有利于混合菌HJ8-1對(duì)廢水中原油的降解。表面活性劑濃度對(duì)混合菌HJ8-1處理含油廢水的效果影響不大，這可能與混合菌HJ8-1中含有表面活性劑產(chǎn)生菌Bacillussubtilis有關(guān)?；旌暇鶫J8-1降解原油的最適氮濃度為1.1 g·L-1、磷濃度為0.6 g·L-1。

2.2 預(yù)測(cè)模型的建立

以原油降解率為響應(yīng)值，對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得回歸模型：

Y=60.72-6.60A+0.19B-0.39C-1.71D+0.034AB-0.95AC-1.45AD+2.18BC+0.80BD-1.24CD-4.16A2-4.71B2-6.83C2+0.089D2

式中：Y為預(yù)測(cè)原油降解率；A、B、C、D分別代表原油濃度、氮濃度、磷濃度和表面活性劑濃度。

對(duì)該模型的回歸分析見(jiàn)表3。

表3 響應(yīng)曲面二次多項(xiàng)式預(yù)測(cè)模型方差分析

由表3可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與二次多項(xiàng)式回歸方程預(yù)測(cè)模型非常符合，R2=0.9991。此外，A、B、C、D及其交互因素AC、AD、BC、BD、CD 對(duì)混合菌修復(fù)效果影響顯著。

影響混合菌HJ8-1處理含油廢水效果的各因素及其相互作用的響應(yīng)曲面圖如圖1所示。

圖1 各因素及其交互作用的響應(yīng)曲面圖

由圖1可以看出，當(dāng)?shù)獫舛葹?.10 g·L-1、磷濃度為0.60 g·L-1時(shí)，原油濃度越小，混合菌HJ8-1降解效果越好，而表面活性劑濃度對(duì)降解效果影響不明顯。在氮濃度為1.10 g·L-1時(shí)，原油濃度越小，混合菌HJ8-1對(duì)原油的降解效果越好(圖1a)，這是因?yàn)楦邼舛鹊脑蛯?duì)微生物有毒害作用，原油濃度越小，對(duì)微生物的毒害作用越小，微生物的降油效果越好；在磷濃度為0.60 g·L-1時(shí)，原油濃度越小，混合菌HJ8-1活性越大，對(duì)原油的降解效果越好(圖1b)；表面活性劑濃度增大時(shí)，原油降解率幾乎沒(méi)有變化，降解率只是隨著原油濃度的減小而升高(圖1c)；當(dāng)?shù)?、磷濃度分別為1.10 g·L-1、0.60 g·L-1時(shí)，混合菌HJ8-1對(duì)含油廢水的處理效果最好，原油的降解率最高(圖1d)。

2.3 預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證

不同原油濃度下，對(duì)預(yù)測(cè)模型優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同原油濃度下模型優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

由表4可以看出，在最優(yōu)條件下，當(dāng)原油濃度分別為2 g·L-1、11 g·L-1和20 g·L-1時(shí)，混合菌HJ8-1對(duì)含油廢水的降解率分別為63.55%、61.52% 和53.00%，與預(yù)測(cè)值十分接近，標(biāo)準(zhǔn)方差均小于5%，說(shuō)明實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值吻合得很好，可以用該預(yù)測(cè)模型來(lái)預(yù)測(cè)混合菌HJ8-1對(duì)含油廢水的處理結(jié)果。同時(shí)也可看出，當(dāng)原油濃度達(dá)到20 g·L-1時(shí)，降解率由原來(lái)的63.55%下降到53.00%，說(shuō)明高濃度原油會(huì)抑制混合菌HJ8-1的生長(zhǎng)，導(dǎo)致降油活性的降低。因此，在處理高濃度的含油廢水時(shí)，可以先采用物化法預(yù)處理，再用生物法處理。

3 結(jié)論

(1)運(yùn)用Box-Behnken設(shè)計(jì)法研究了原油濃度、氮濃度、磷濃度和表面活性劑(SDBS)濃度4個(gè)自變量對(duì)因變量原油降解率的影響，確定原油濃度、氮濃度、磷濃度和表面活性劑濃度是影響混合菌HJ8-1處理含油廢水效果的關(guān)鍵因素，其最佳的處理?xiàng)l件為氮濃度1.1 g·L-1、磷濃度0.6 g·L-1。

(2)以原油降解率為響應(yīng)值，對(duì)響應(yīng)面中心組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到二次多項(xiàng)式預(yù)測(cè)模型：Y=60.72-6.60A+0.19B-0.39C-1.71D+0.034AB-0.95AC-1.45AD+2.18BC+0.80BD-1.24CD-4.16A2-4.71B2-6.83C2+0.089D2。以模擬得到的二次多項(xiàng)式回歸方程為基礎(chǔ)，對(duì)原油濃度為2 g·L-1、11 g·L-1和20 g·L-1的廢水降解條件進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化條件下的原油降解率分別為63.55%、61.52% 和 53.00%，實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值十分接近，說(shuō)明可用該模型來(lái)預(yù)測(cè)混合菌HJ8-1對(duì)含油廢水的處理結(jié)果。響應(yīng)曲面法是一種優(yōu)化生物處理含油廢水行之有效的方法，為混合菌HJ8-1處理含油廢水提供了基礎(chǔ)參數(shù)。

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