固定化菌藻組合對含油污水的處理研究

陳慶國，王杏娣，劉 梅*，孫靜亞，穆 軍

(1.浙江海洋學(xué)院海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江舟山 316022；2.浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江舟山 316000)

固定化菌藻組合對含油污水的處理研究

陳慶國1，王杏娣2，劉 梅1*，孫靜亞1，穆 軍1

(1.浙江海洋學(xué)院海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江舟山 316022；2.浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江舟山 316000)

[目的]優(yōu)化固定化菌藻對含油污水的降解條件。[方法]首先，研究了固定化菌藻組合對含油污水的處理效果，并對降解前后的原油進(jìn)行紅外光譜、GC-FID及GC-MS分析，然后考察了原油濃度、降解溫度、溶液pH、溶液鹽度等條件對固定化菌藻降解原油效果的影響，最后對固定化菌藻的可重復(fù)利用性能進(jìn)行研究。[結(jié)果]經(jīng)過15 d的降解，固定化菌藻對3 g/L原油的降解率可達(dá)91.8%。固定化菌藻與固定化單菌、固定化單藻相比，菌藻組合表現(xiàn)出協(xié)同作用，對主要的正構(gòu)烷烴及多環(huán)芳烴的去除效率增加。當(dāng)原油濃度為1～7 g/L，pH為6～8，溫度為25～35 ℃，NaCl濃度<1.5%時(shí)，固定化菌藻具有較高的生物量，并對原油具有較高的去除率。固定化菌藻重復(fù)利用3次以內(nèi)(每次5 d)，對其降解原油的性能影響不大。[結(jié)論]該研究為固定化菌藻組合對含油污水的處理提供了理論依據(jù)。

含油污水；固定化菌藻；降解

隨著石油工業(yè)的發(fā)展及含油污水的大量產(chǎn)生，現(xiàn)有的含油污水處理技術(shù)難以滿足人們對于環(huán)境保護(hù)的需求[1]。采用新型、高效、生態(tài)環(huán)保的含油污水處理技術(shù)已勢在必行。微生物固定化技術(shù)由于可以維持高生物量、處理效率高、對環(huán)境的耐受性強(qiáng)[2-4]，已成為生化法處理含油污水中的重要發(fā)展方向。

由于異養(yǎng)細(xì)菌對于含油污水具有較高的處理效率，微生物固定化技術(shù)的研究目前主要集中在固定化細(xì)菌對于含油污水的處理[5-6]。但由于固定化材料的限制，固定化微生物不可避免出現(xiàn)因傳質(zhì)性差導(dǎo)致固定化載體內(nèi)部供氧不足，導(dǎo)致異養(yǎng)細(xì)菌降解效率的下降，而固定化菌藻技術(shù)可以解決此問題，由于包埋載體中自養(yǎng)微藻的供氧使細(xì)菌的活性增強(qiáng)，另外，細(xì)菌的代謝產(chǎn)物也可被微藻利用促進(jìn)微藻的生長[7-8]。由于固定化菌藻組合表現(xiàn)出協(xié)同作用，已被應(yīng)用于養(yǎng)殖廢水的處理[8-10]。目前，對于固定化菌藻處理含油污水的研究較少。筆者利用固定化菌藻對含油污水的處理進(jìn)行了研究，并對其降解條件進(jìn)行優(yōu)化，對固定化菌藻的降解特性進(jìn)行了探討。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料試驗(yàn)所用菌種與藻種均為實(shí)驗(yàn)室保藏種，已純化分離得到純種。菌種為銅綠假單胞菌SJ-2，為普通小球藻SZ-1。試驗(yàn)所用的原油由舟山中化興中提供，原油密度為(0.897 g/L)，按照文獻(xiàn)[11]中的方法制備試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)原油。試驗(yàn)所用模擬含油污水配制在BG11 培養(yǎng)基[12]的基礎(chǔ)上增加了NH4Cl(1.5 g/L)，酵母浸粉(0.2 g/L)，含油污水中原油的濃度根據(jù)試驗(yàn)需求添加，初始原油濃度為3 g/L。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1菌藻的包埋固定化。將培養(yǎng)7 d 的銅綠假單胞菌SJ-2和小球藻SZ-1各自離心濃縮去除培養(yǎng)基，用無菌水分別調(diào)節(jié)濃縮液的OD600為1，等體積混合后，定量加入海藻酸鈉混合均勻，使海藻酸鈉濃度為5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))；用注射器吸取混合液，逐滴滴入3.5% CaCl2溶液，制備一定數(shù)量的固定化微球，交聯(lián)12 h之后，用無菌水洗凈備用。海藻酸鈉與CaCl2溶液需滅菌后使用。制得的固定化微球的直徑為3～4 mm，其中含有菌藻的生物量約為3×109cell/g(微球)。

1.2.2固定化菌藻對含油污水的降解。將固定化菌藻微球按照體積比為2%接種于配制的已滅菌的100 ml含油污水中，放在恒溫振蕩搖床中25 ℃下降解，光暗比為12∶12，光照強(qiáng)度為7 000 LX，搖床轉(zhuǎn)速為150 r/min。

1.2.3原油降解效率的測定。樣品中原油含量的測定按照文獻(xiàn)[11]進(jìn)行溶劑選擇30～60 ℃的石油醚，測定波長選擇420 nm，并按下式計(jì)算原油的降解效率(η)：

式中，C0為空白含油污水中原油的濃度(mg/L)；C1為降解后含油污水中原油的濃度(mg/L)。

1.2.4菌藻生物量的測定。樣品測定時(shí)，將含油污水中的微球取出清洗后，先稱出微球的質(zhì)量，然后對其破碎加入25 ml無菌水振蕩后，取1 ml上清液用血球計(jì)數(shù)板鏡檢測定生物量，單位為 cell/g(微球)。

1.2.5原油樣品的紅外光譜分析。將降解前后的原油樣品用脫芳處理，然后用石油醚萃取，自然條件下將溶劑揮發(fā)干凈后，取少量樣品與KBr混合壓片后，進(jìn)行紅外光譜的測定。

1.2.6原油樣品的氣相色譜分析。將降解前后的原油樣品用25 ml脫芳處理正己烷萃取后，用氣相色譜儀(7890B，美國安捷倫)和氣質(zhì)聯(lián)用儀(5977A，美國安捷倫)測定主要的烷烴組分與芳烴組分的變化。烷烴組分采用FID檢測器(HP-5色譜柱，30 m×0.32 mm×0.25 um)，芳烴組分用MS檢測器(HP-5MS色譜柱，30 m×0.25 mm×0.25 um)。色譜條件參照文獻(xiàn)[13]進(jìn)行。

1.2.7降解條件的優(yōu)化。

1.2.7.1原油濃度對降解效果的影響。將含油污水中原油的濃度按照0.5、1、3、5、7、10、15 g/L分別添加，降解一段時(shí)間后，考察原油濃度對固定化菌藻的生物量及降解原油效能的影響。

1.2.7.2pH對降解效果的影響。為考察固定化菌藻對含油污水pH的適應(yīng)性。用1 mol/L的HCl或NaOH調(diào)節(jié)含油污水的pH為5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0，考察pH的變化對固定化菌藻的生物量及降解原油效能的影響。

1.2.7.3溫度對降解效果的影響。在溫度為 5、10、15、20、25、30、35、40、45 ℃的條件下，考察溫度的變化對固定化菌藻的生物量及降解原油效能的影響。

1.2.7.4鹽度對降解效果的影響。為考察固定化菌藻對含油污水鹽度的適應(yīng)性，以添加NaCl的量作為鹽度的改變量，在NaCl添加量為0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%的條件下，考察鹽度的變化對固定化菌藻的生物量及降解原油效能的影響。

1.2.8固定化菌藻的重復(fù)利用試驗(yàn)。為考察固定化菌藻的重復(fù)利用能力，將100個(gè)固定化微球接種于含油污水中(原油含量3 g/L)5 d后，取出未破損的微球，再接種于新的含油污水中(按照微球破損率，減少含油污水的體積及原油質(zhì)量)，以5 d為一個(gè)降解周期，將完好的固定化微球重復(fù)接種降解，在此期間，計(jì)算微球的破損率、生物量及對原油的降解率。

2 結(jié)果與分析

2.1 固定化菌藻對原油的降解特性研究

2.1.1原油的降解效率。將等體積吸光度各為1菌藻組合與單菌、單藻分別制備固定化菌、固定化藻、固定化菌藻，接入含油污水中，降解7 d，測定各自對石油烴的降解效率，并與游離的菌、藻、菌藻組合對原油的降解效率對比。由圖1可知，經(jīng)過7 d 的降解，游離石油烴降解菌SJ-2對3 g/L的含油污水中原油的降解率可達(dá)60.1%，游離小球藻SZ-1對原油的去除率也可達(dá)27.5%，其對原油去除是由于吸附及降解的共同作用的結(jié)果[12]。石油烴降解菌SJ-2與小球藻SZ-1分別固定化后，扣除固定化載體的吸附作用，固定化藻與固定化菌對原油的去除率并未見明顯的提高。游離的菌藻組合對原油的去除率為62.5%，未表現(xiàn)出明顯的協(xié)同作用，這是由于游離的菌藻組合在生長過程中出現(xiàn)了相互競爭、抑制，導(dǎo)致降解效率下降[14]。與游離的菌藻組合相比，固定化菌藻組合對原油具有更高的降解效率，降解效率提高12.7%。在固定化菌藻組合中，由于載體的限制作用，菌藻的局部競爭性生長效應(yīng)減弱，而且小球藻SZ-1的供氧使石油烴降解菌SJ-2的活性增強(qiáng)，同時(shí)菌SJ-2的代謝產(chǎn)物也可被小球藻SZ-1利用[8]，表現(xiàn)出較為明顯的協(xié)同作用。

2.1.2原油中主要組分的降解情況。為考察固定化菌藻對原油中主要組分的降解情況，并與固定化單菌和固定化單藻對原油的降解情況作對比，以未降解的含油污水做空白，進(jìn)行了紅外光譜分析和氣相色譜分析。

2.1.2.1紅外分析。與未降解前的原油樣品相比，降解后的樣品均在3 640～3 030 cm-1、1 773～1 493 cm-1、1 170～910 cm-1范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯吸收峰，1 660 cm-1的 C=O 吸收峰及 3 292 cm-1的 O-H 吸收峰，這說明降解后的產(chǎn)物中可能含醛酮或羧酸官能團(tuán)(圖2)。雖然固定化菌對原油的降解效率高于固定化藻，但是固定化菌藻組合降解后的原油紅外光譜與固定化藻的原油紅外光譜相似，也從一定程度上說明在固定化菌藻的協(xié)同降解過程中，菌的代謝產(chǎn)物也可以被藻利用，最終殘余的是藻類的代謝產(chǎn)物。

2.1.2.2氣相色譜分析。采用GC-FID和GC-MS測定了4個(gè)樣品中主要的正構(gòu)烷烴和芳烴組分。從圖3正構(gòu)烷烴C11～C30的含量分布可以看出，藻對中低鏈烷烴(

2.2 固定化菌藻對原油的降解效率研究在原油濃度為3 g/L時(shí)，對含油污水連續(xù)降解15 d，測定了原油去除率與菌藻生物量的變化。由圖5可知，經(jīng)過15 d的降解，固定化菌藻對原油的降解率可達(dá)91.8%。雖然隨著降解時(shí)間延長，固定化菌藻對原油的降解效率逐漸增加，7 d后降解速率趨于平緩，對3 g/L的原油的降解率可達(dá)77.3%。而生物量則呈現(xiàn)先減少、后增加、再減少的趨勢。這是由于微生物在固定化初期因?qū)Νh(huán)境的不適宜導(dǎo)致生物量的減少，隨著時(shí)間延長，逐漸適應(yīng)后生物量開始回升，在7 d左右達(dá)到最大，為2.4×109cell/g，但在降解后期由于營養(yǎng)物質(zhì)的減少，生物量又開始下降。

2.3 固定化菌藻降解條件研究

2.3.1原油濃度對固定化菌藻降解效能的影響。為考察固定化菌藻對原油的耐受性，將含油污水中原油濃度由0.5 g/L增至15 g/L，25 ℃下降解7 d后，測定原油的降解率及菌藻生物量。由圖6可知，在原油濃度為1～7 g/L時(shí)，固定化菌藻對原油具有較高的降解率，均在80%以上；原油濃度過高，原油對微生物的毒害作用增強(qiáng)，降解效率顯著下降，對應(yīng)的生物量也明顯下降；而當(dāng)原油濃度過低時(shí)，由于碳源受限，生物量也受到限制。當(dāng)原油濃度為5～7 g/L時(shí)，生物量達(dá)到最大。

2.3.2pH對固定化菌藻降解原油效能的影響。在pH 5～9范圍內(nèi)考察了pH對固定化菌藻降解性能的影響。由圖7可知，在pH 5～9的弱酸弱堿范圍內(nèi)，由于固定化載體對pH環(huán)境具有較強(qiáng)的緩沖作用，pH對原油降解效率的影響不大，特別是pH為6～8時(shí)，固定化菌藻對原油的降解率維持在80%以上。這與Bao等[15]研究的固定化細(xì)菌對鹽度的適應(yīng)性能結(jié)果一致。

2.3.3溫度對固定化菌藻降解效能的影響。為考察固定化菌藻對含油污水溫度的適應(yīng)性，改變含油污水溫度(5～45 ℃)，降解7 d后測定了生物量與原油的降解率。由圖8可知，隨著溫度的升高，固定化菌藻對原油的降解效率與生物量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。在溫度為25～35 ℃時(shí)，固定化菌藻具有較高的降解效率與生物量。

2.3.4鹽度對固定化菌藻降解效能的影響。由圖9可知，高鹽度對于固定化菌藻降解石油烴的影響較大，當(dāng)NaCl濃度>1.5%時(shí)，固定化菌藻對原油的降解效率與生物量均顯著下降。鹽度顯著增加會對微生物細(xì)胞產(chǎn)生毒害，使其脫水，直至死亡[14]。NaCl濃度<1.5%時(shí)，固定化菌藻對原油具有較高的利用效率。

2.4 固定化菌藻的重復(fù)利用性能研究可持續(xù)利用性能是考察固定化技術(shù)的一個(gè)很重要的指標(biāo)[4]，對固定化菌藻的可重復(fù)利用性能進(jìn)行試驗(yàn)。由圖10可知，隨著重復(fù)利用次數(shù)增加，固定化載體由于水的機(jī)械剪切及溶脹作用，破損率逐漸增加。在5次重復(fù)利用過程中，固定化菌藻對原油的降解性能及生物量隨著固定化載體破損率的升高而降低，但重復(fù)利用小于3次，對固定化菌藻的性能影響不大。

3 結(jié)論

(1)固定化菌藻降解3 g/L原油7 d后，降解速率趨于平緩，降解率可達(dá)77.3%，15 d后降解率可達(dá)91.8%。

(2)原油降解后的紅外光譜、GC-FID及GC-MS分析結(jié)果表明，固定化菌藻與固定化單菌、固定化單藻相比，對中鏈烷烴(C15～C25)以及菲、二苯并噻吩及其同系物的去除，菌藻組合表現(xiàn)出較明顯的協(xié)同作用。

(3)當(dāng)原油濃度為1～7 g/L，pH為6～8，溫度為25～35 ℃，NaCl 濃度<1.5%，搖床轉(zhuǎn)速為120～180 r/min時(shí)，固定化菌藻具有較高的生物量，并對原油具有較高的去除率。

(4)固定化菌藻重復(fù)利用3次以內(nèi)(每次5 d)，對其降解原油的性能影響不大。

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Study on Oil Wastewater Treatment by Immobilized Bacteria-Algae

CHEN Qing-guo1, WANG Xing-di2, LIU Mei1*et al

(1. College of Marine Science & Technology, Zhejiang Ocean University, Zhoushan, Zhejiang 316000; 2. Zhejiang International Maritime College, Zhoushan, Zhejiang 316000)

[Objective] The study aimed to optimize the conditions for the degradation of oil wastewater by immobilized bacteria-algae. [Method] Firstly, the oil wastewater treatment by immobilized bacteria-algae was studied, and the infrared spectrum, GC-FID and GC-MS analysis of crude oil before and after biodegradation were conducted. Afterwards, the effects of various factors (crude oil content, media pH, media temperature, and NaCl content of media) on crude oil biodegradation efficiency were explored. Finally, the reusable property of immobilized bacteria and algae was also studied. [Result] After 15 days’ biodegradation, the degradation rate of 3 g/L crude oil by immobilized bacteria-algae could reach 91.8%. Bacteria-algae performed synergistic effect, which enhanced the removal efficiencies of the main n-alkanes and polyaromatic hydrocarbon. The immobilized bacteria-algae got high biomass and crude oil removal efficiencies under the conditions as follows: the crude oil content was 1-7 g/L; pH was 6-8; temperature was 25-35 ℃; NaCl content was below 1.5%. Within 3 times (5 d every time), there were no significant effects on the performance of crude oil removal by the immobilized bacteria and algae. [Conclusion] The research could provide theoretical references for the oil wastewater treatment by immobilized bacteria-algae.

Oil wastewater; Immobilized bacteria-algae; Degradation

浙江省自然科學(xué)基金(LQ13D060001，LY14D060003)；舟山市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014C41004)。

陳慶國(1984- )，男，山東泰安人，講師，博士，從事水污染治理與資源化利用方面的研究。*通訊作者，助理實(shí)驗(yàn)師，碩士，從事水處理材料的開發(fā)與利用方面的研究。

2015-03-27

S 182;X703.1

A

0517-6611(2015)13-213-04