固定化微生物降解油田廢水技術(shù)評(píng)述＊

仝坤藺愛國(guó)宋啟輝劉國(guó)廷王恩旭李勇

（1.中國(guó)石油大學(xué)國(guó)家大學(xué)科技園；2.中國(guó)石油遼河石油勘探局）

固定化微生物降解油田廢水技術(shù)評(píng)述＊

仝坤1，2藺愛國(guó)1宋啟輝2劉國(guó)廷2王恩旭2李勇2

（1.中國(guó)石油大學(xué)國(guó)家大學(xué)科技園；2.中國(guó)石油遼河石油勘探局）

固定化微生物技術(shù)因處理效率高、抗沖擊能力強(qiáng)、固液分離效果好、污泥產(chǎn)生量少等優(yōu)點(diǎn)而廣泛用于難降解有機(jī)廢水的處理。文章簡(jiǎn)要介紹了固定化微生物技術(shù)的起源，發(fā)展過(guò)程，制備材料和方法，特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)；對(duì)其高效降解油田廢水的機(jī)理進(jìn)行了分析，綜述了固定化微生物技術(shù)在高鹽采油廢水、稠油廢水、含聚廢水、石油污染地表水等油田廢水處理中的應(yīng)用研究，對(duì)固定化微生物技術(shù)進(jìn)一步提高油田廢水降解效率的研究方向提出了建議。

固定化微生物；降解；油田廢水；高鹽含油廢水；稠油廢水；含聚廢水

0 引 言

油田廢水是石油開采的副產(chǎn)品，主要在原油脫水時(shí)產(chǎn)生［1］，含有大量大分子有機(jī)物如石油烴和表面活性劑，毒性大、氮磷缺乏、可生化性差、難生物降解［2-5］。生物法因其經(jīng)濟(jì)有效、對(duì)環(huán)境友好而成為油田廢水處理的首選［6-7］。與傳統(tǒng)的廢水生物處理技術(shù)相比，固定化微生物技術(shù)處理廢水時(shí)可較大幅度地提高微生物濃度，降低微生物抵抗不利環(huán)境的影響，該技術(shù)具有反應(yīng)啟動(dòng)快、處理效率高、操作穩(wěn)定、污泥產(chǎn)生量少、固液分離容易、能純化和保持優(yōu)勢(shì)菌群，以及基建占地少等優(yōu)點(diǎn)而倍受關(guān)注，并取得了令人矚目的研究成果［8］。目前已廣泛用于油田廢水的處理，并取得了很好的效果。

1 固定化微生物技術(shù)

固定化微生物技術(shù)是通過(guò)物理或化學(xué)方法將游離微生物或酶限制或固定在選定的載體上，使其高度密集并保持生物活性，在適宜條件下能夠快速、大量增殖并能重復(fù)或連續(xù)使用的生物技術(shù)。固定化微生物的制備方法主要有共價(jià)結(jié)合法、交聯(lián)法、吸附法、包埋法及介質(zhì)截留法等。包埋法是將微生物細(xì)胞包埋在半透性多聚物膜或凝膠小格中，因其具有操作簡(jiǎn)單、能保持微生物細(xì)胞的多酶體系、對(duì)微生物活性影響較小的特點(diǎn)，在廢水處理中得到廣泛應(yīng)用，是固定化微生物最常用的方法［9-10］。微生物固定化常用的載體材料分為有機(jī)、無(wú)機(jī)和有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合摻雜3大類。有機(jī)材料有聚乙烯醇、角叉（菜）膠、藻酸鹽、聚亞胺酯等。無(wú)機(jī)載體材料有多孔陶瓷、活性炭、竹炭等，是利用本身的多孔結(jié)構(gòu)對(duì)微生物細(xì)胞的吸附作用和電荷效應(yīng)來(lái)固定細(xì)胞，無(wú)機(jī)載體材料大多具有成本低、使用壽命長(zhǎng)、機(jī)械強(qiáng)度高和耐酸堿等特性而更具實(shí)用性。有機(jī)與無(wú)機(jī)復(fù)合摻雜載體材料，性能更優(yōu)越［11］。

2 固定化微生物處理油田廢水

2.1 降解機(jī)理

不同固定化材料對(duì)油田廢水中原油吸附機(jī)理不同，但降解機(jī)理相似［12］。以改性大孔聚氨酯泡沫（FPUFS）載體為例，其孔徑為0.3～0.7mm，有利于微生物的固定化，為微生物的生長(zhǎng)和繁殖提供了良好的環(huán)境，同時(shí)還形成了一個(gè)保護(hù)層，減輕了水力負(fù)荷沖擊對(duì)微生物的影響［13］，可以有效地避免反應(yīng)系統(tǒng)中由于微生物及其胞外多聚物（extracellularpolymers，ECPs）累積而造成的堵塞現(xiàn)象，并且在高鹽度的環(huán)境下提供良好的水、氣、有機(jī)物的傳質(zhì)條件，抵御鹽度、有機(jī)污染物的毒害作用［14］；因受氧擴(kuò)散的限制，即使在較高的溶解氧條件下，載體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生缺氧區(qū)域［13］，為厭氧、兼性和好氧處理同步進(jìn)行創(chuàng)造了條件［15］。共固定厭氧和好氧混合菌可加速生物轉(zhuǎn)化和提供有毒中間體的徹底轉(zhuǎn)化［16］；載體能在單位容積內(nèi)提供巨大比表面積，利于生物膜的生長(zhǎng)［17］；載體固定絲狀菌，可避免出現(xiàn)污泥膨脹、解體，出水SS過(guò)高等現(xiàn)象的發(fā)生，使出水水質(zhì)保持良好［18］。

2006年呂榮湖等［19］首次采用固定化微生物技術(shù)降解油田含油廢水，目前該技術(shù)已廣泛用于高含鹽、含稠油及含聚等油田廢水的處理，并取得很好的處理效果。

2.2 高鹽采油廢水

趙昕等［20］采用一種特殊載體固定復(fù)合微生物B350M在曝氣生物濾池反應(yīng)系統(tǒng)中處理采油廢水。廢水中的鹽度＞0.5%，C∶N∶P＝100∶2.58∶0.044，N、P營(yíng)養(yǎng)缺乏，有機(jī)物濃度較低。在HRT（水力停留時(shí)間）為4h、COD容積負(fù)荷為1.07kg／（m3·d）的條件下，小試反應(yīng)裝置穩(wěn)定運(yùn)行142d，石油類、TOC、COD和H2S的平均降解效率分別達(dá)到90.5%，74.4%，85.6%和100%，處理效果良好。GC-MS（氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀）分析表明，該系統(tǒng)可以將大分子烷烴類物質(zhì)，特別是支鏈烷烴切碎形成小分子物質(zhì)，并有效地處理菲等多環(huán)芳烴，最易被微生物降解的是含有4個(gè)苯環(huán)、脂溶性強(qiáng)的PAHs（多環(huán)芳烴），降解效率達(dá)98.0%；而含二個(gè)苯環(huán)、脂溶性較差的萘降解效率最低，僅為66.4%［21］。

趙昕等［14］開展鹽度對(duì)固定化微生物降解采油廢水的研究，在進(jìn)水鹽度為0～3%時(shí)，固定化曝氣生物濾池（BAF）對(duì)人工合成采油廢水的處理效果良好。當(dāng)鹽度小于1%時(shí)，載體上活體微生物數(shù)量不斷上升，達(dá)1.3×107個(gè)／cm3；當(dāng)鹽度上升到2%和3%時(shí)，活體微生物數(shù)量開始下降，細(xì)胞個(gè)體縮小、破裂，并隨出水流失，經(jīng)馴化后系統(tǒng)中微生物數(shù)量保持在1.1×106個(gè)／cm3。在鹽度為0.5%時(shí)，微生物脫氫酶活性（dehydrogenaseactivity，DHA）達(dá)最高，為14.4μg／（mg·h），降解性能最好。微生物分泌的胞外多糖（extracellularpolysaccharide，ECPc）起到了將微生物固定在載體上的作用，并在鹽度為2%時(shí)達(dá)到最高濃度209.9μg／mg。載體上ECPs和微生物質(zhì)量隨著系統(tǒng)運(yùn)行而堆積。

李艷紅等［22］對(duì)固定化微生物的除油性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明：以甘蔗渣和海綿為載體的固定化微生物的除油效果比游離狀態(tài)的微生物除油效果好。甘蔗渣的最佳投加量為20g／L（干重），最佳固定化條件為：固定化時(shí)間為36h、pH值為6、溫度為40℃，在最佳固定化條件下，菌種接入廢水24h后，除油率達(dá)62%；海綿的最佳投加量為5g／L（干重），最佳固定化條件為：固定化時(shí)間48h、pH值為7、溫度為35℃，在最佳固定化條件下菌種接入廢水24h后，除油率達(dá)75.8%；以甘蔗渣為載體的固定化微生物在處理時(shí)間為108h時(shí)，除油率最高達(dá)84.5%，以海綿為載體的固定化微生物在處理時(shí)間為96h時(shí)，除油率達(dá)82.4%。

2.3 稠油廢水

稠油廢水的特點(diǎn)是油水密度差小，含大量難降解重質(zhì)原油和高分子有機(jī)表面活性劑，毒性大、可生化性差且氮磷缺乏［23］。

TongKun等［24］采用活性污泥法（CAS）與固定化微生物曝氣生物濾池（I-BAF）處理遼河油田歡采稠油廢水，COD去除率達(dá)64%，出水COD接近75 mg／L，最佳HRT為18h；稠油廢水中的酚類、烯烴、醛及有機(jī)酸等有機(jī)污染物完全被去除，直鏈烷烴部分被去除；微生物形態(tài)主要為桿菌和絲狀菌，未發(fā)生污泥膨脹；CAS反應(yīng)器內(nèi)優(yōu)勢(shì)菌是Pseudomonas和Planococcus，I-BAF反應(yīng)器內(nèi)優(yōu)勢(shì)菌是Agrococcus和Acinetobacter；大分子直鏈烷烴（C15～C23）是該系統(tǒng)難降解的有機(jī)物。

LiuGuohua等［25］采用上流式厭氧污泥床（UASB）與I-BAF處理遼河油田錦采稠油廢水，UASB和I-BAF的HRT都為12h時(shí)，工藝的容積負(fù)荷相對(duì)最高；系統(tǒng)出水COD可穩(wěn)定控制在90mg／L左右；C20、C21和C26等3種直鏈烷烴為該系統(tǒng)較難降解的物質(zhì)；鄰苯二甲酸酯為該系統(tǒng)不能降解物質(zhì)；微生物形態(tài)為球狀、桿狀和絲狀；優(yōu)勢(shì)菌為Rhodobacterales和Bacillusspp.。

2.4 含聚廢水

孫鴻等［26］采用微生物固定化技術(shù)降解含聚廢水。將混合菌固定化制得的微生物固定化顆粒加入到含聚廢水處理工藝的生化池單元中，進(jìn)行含聚廢水處理的模擬實(shí)驗(yàn)。通過(guò)曝氣和添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的方式對(duì)含聚廢水進(jìn)行可生化性調(diào)整，以提高廢水的生化比，使其達(dá)到可以生化處理的水平。實(shí)驗(yàn)流程分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩部分。微生物固定化靜態(tài)處理含聚廢水3d后，出水的PAM含量為82.2mg／L，降解率可達(dá)83.6%；微生物固定化動(dòng)態(tài)處理含聚廢水3d后，出水水質(zhì)指標(biāo)趨于穩(wěn)定，PAM含量為104mg／L，降解率為79.2%；原油含量為8.5mg／L，去除率為98.8%；CODCr含量為119mg／L，去除率為85.5%，出水水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到GB8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

劉江紅等［27-29］為降解含聚廢水中的聚丙烯酰胺和原油，從含聚廢水中篩選出以聚丙烯酰胺為唯一碳源和氮源的降解菌。比較了單一菌株和混合菌對(duì)原油和聚丙烯酰胺的降解率，發(fā)現(xiàn)混合菌降解效果優(yōu)于單一菌株。以混合菌為研究對(duì)象，采用微生物固定法處理含聚廢水，聚丙烯酰胺、原油、COD的去除率分別為83.1%，98.7%和86.4%，出水水質(zhì)達(dá)到GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。微生物固定化方法對(duì)聚丙烯酰胺、原油、COD的去除率均高于相關(guān)文獻(xiàn)未固定化的處理效果。

利用掃描電鏡（SEM）對(duì)混合菌固定化降解聚丙烯酰胺的效果進(jìn)行了表征，SEM圖顯示聚丙烯酰胺由大分子斷裂為小分子物質(zhì)［27］。利用紫外光譜分析了聚丙烯酰胺降解機(jī)理，發(fā)現(xiàn)聚丙烯酰胺的酰胺基轉(zhuǎn)化為了羧基，經(jīng)微生物降解后的PAM結(jié)構(gòu)中的羥基和酰胺基已被降解［26］。

2.5 石油污染地表水

地表水中石油污染日益嚴(yán)重，由于石油污染地表水的特殊性，常規(guī)修復(fù)技術(shù)難以發(fā)揮高效作用［30］。張輝等針對(duì)石油污染地表水的特點(diǎn)，采用固定化微生物技術(shù)修復(fù)石油污染的地表水。實(shí)驗(yàn)表明：包埋微桿菌（Microbacteriumsp.）最適接種量為10%；對(duì)油濃度為150mg／L的地表水，48h游離菌對(duì)油的去除率達(dá)62.3%，固定化細(xì)菌對(duì)油的去除率達(dá)75.6%［31］；采用改進(jìn)的聚乙烯醇—硼酸包埋固定芽孢桿菌，固定化芽孢桿菌對(duì)地表水中油和COD的去除能力均大于游離菌，作用120h后固定化芽孢桿菌對(duì)油的去除率為80.1%，對(duì)COD的去除率為79.4%；游離菌對(duì)油的去除率為50.4%，對(duì)COD的去除率為66.5%［32］；從遼河油田受石油污染的河床底泥中篩選出一株芽孢桿菌（Bacillussp.）和一株黃桿菌（Flavobacterium sp.），采用二次交聯(lián)化學(xué)方法對(duì)2株細(xì)菌單獨(dú)及混合固定，固定化混合菌在pH值為6～10、溫度20～40℃時(shí)能保持較好的活性。在120h時(shí)，固定化混合菌對(duì)自然地表水中油的降解率達(dá)94.5%，對(duì)地表水中COD的去除率達(dá)89.6%［33］。上述實(shí)驗(yàn)表明：在相同時(shí)間內(nèi)固定化細(xì)菌對(duì)油的去除率均高于游離菌、固定化顆粒對(duì)pH值變化的耐受能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于游離菌；固定化顆粒再生性能好，可以長(zhǎng)期反復(fù)使用。

3 固定化微生物技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)及未來(lái)發(fā)展方向

3.1 優(yōu)缺點(diǎn)分析

某單位為對(duì)現(xiàn)有稠油污水處理廠進(jìn)行升級(jí)達(dá)標(biāo)改造，開展了近五年的生化實(shí)驗(yàn)、小試及現(xiàn)場(chǎng)中試研究［15-24，34］，與其他生物處理技術(shù)相比，固定化微生物技術(shù)可較大幅度地提高微生物濃度［35］，減少反應(yīng)器的體積［36］，提高代謝活性和抗毒性［37］、污泥量少且特性好，抗高負(fù)荷沖擊能力強(qiáng)，降解效率高［38］，具有反應(yīng)啟動(dòng)快、處理效率高、運(yùn)行穩(wěn)定、污泥產(chǎn)生量少［39］且無(wú)污泥膨脹現(xiàn)象的發(fā)生、固液分離效果好、能純化和保持優(yōu)勢(shì)菌群，以及基建占地少等優(yōu)點(diǎn)［40］。固定化微生物適應(yīng)溫度（10～55℃）和pH值（4～12）的范圍較寬，生物活性、熱穩(wěn)定性、重復(fù)使用性和儲(chǔ)存能力高于游離菌［41-44］。

其不足之處是石油工業(yè)的污染物種類很多，既有礦物油，又有石油開采和加工過(guò)程中加入的各種化學(xué)藥劑，毒性大且很難降解，目前工業(yè)化降解菌群仍比較單一，單一生物法仍不能實(shí)現(xiàn)出水COD≤50 mg／L。

3.2 未來(lái)發(fā)展方向

油田廢水是一種成分復(fù)雜的有機(jī)廢水，應(yīng)針對(duì)其有機(jī)組成優(yōu)選土著菌或有效微生物群［45］，或開發(fā)多種微生物（包括藻類）共生的復(fù)合固定化微生物體系［46］，提高系統(tǒng)降解效率；目前固定化載體的價(jià)格仍較高，應(yīng)開發(fā)成本低、耐用、適應(yīng)性強(qiáng)的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合且高效的載體以降低投資［11，47］；開發(fā)新型高效、節(jié)能固定化微生物反應(yīng)器，并開展與其他處理技術(shù)協(xié)同應(yīng)用研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用固定化微生物降解油田廢水的效率遠(yuǎn)高于游離菌，且抗沖擊能力、抗毒性、抗鹽性強(qiáng)；固定混合菌降解效率優(yōu)于單一菌屬；固定化載體可長(zhǎng)期反復(fù)使用，缺點(diǎn)是工業(yè)化降解菌比較單一，僅用生物法仍難實(shí)現(xiàn)出水COD≤50mg／L。

固定化微生物降解油田廢水的機(jī)理主要有載體可吸附原油及有機(jī)物，利于微生物的固定，提供更好的水、氣和有機(jī)物的傳質(zhì)，載體內(nèi)好氧、兼性和厭氧并存，載體為微生物生長(zhǎng)和繁殖提供了良好的環(huán)境，抗沖擊能力強(qiáng)。

優(yōu)選降解菌，開發(fā)復(fù)合微生物體系、低價(jià)耐用復(fù)合型載體，研制新型反應(yīng)器，與其他處理技術(shù)協(xié)同應(yīng)用是未來(lái)研究方向。

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（編輯 王薇）

j.issn.1005-3158.2015.02.018

1005-3158（2015）02-0056-05

2014-08-03）

＊2014年度山東省博士后創(chuàng)新項(xiàng)目專項(xiàng)資金資助；中國(guó)石油低碳關(guān)鍵技術(shù)研究（2011E-2403）。

仝坤，2013年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)，博士后，高級(jí)工程師，現(xiàn)在中國(guó)石油遼河石油勘探局從事油田環(huán)境保護(hù)工作。通信地址：遼寧省盤錦市興隆臺(tái)區(qū)石油大街88號(hào)，124010