石油原油在水中的微生物降解

張雙翼

(上海城市水資源開發(fā)利用國(guó)家工程研究中心有限公司， 上海 200082)

石油原油的意外泄漏危害著水體水質(zhì)，給水生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重的不良影響[1-2]。對(duì)于下游地區(qū)的水源地，探索有效去除原油污染物的方法至關(guān)重要?；瘜W(xué)分散劑被廣泛應(yīng)用于清理機(jī)械處理無(wú)法觸及的漏油區(qū)域[3]，可將原油分散成細(xì)小的油滴懸浮在水體中，促進(jìn)原油在水中的去除[4-5]。相較于物理分散(例如機(jī)械攪拌)，化學(xué)分散(添加分散劑)能更有效地提高原油油滴分散在水體中的穩(wěn)定性，防止其重新結(jié)合后上浮到水體表面，降低微生物降解速度[6]。除了化學(xué)分散劑，補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)劑也能有效促進(jìn)微生物的活動(dòng)，提高微生物降解原油的速度[7]。筆者通過(guò)微生態(tài)實(shí)驗(yàn)，比較了在有氧的狀況下物理分散和化學(xué)分散對(duì)微生物降解水中石油原油的影響，同時(shí)評(píng)估了營(yíng)養(yǎng)劑對(duì)微生物降解效果的促進(jìn)作用。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原油與水的混合液

向底部設(shè)有采樣口的2個(gè)瓶子中分別加入4 L水樣，在采用磁力攪拌機(jī)攪拌的過(guò)程中，分別緩慢加入20 mL石油原油。提高攪拌速度至水流漩渦觸及瓶子底部，使氣泡回蕩在水樣中，以保證水樣與原油之間充分?jǐn)嚢?。?duì)于化學(xué)分散組，將2 mL分散劑緩緩加入處于攪拌狀態(tài)的水油混合液中；物理分散組則保持水油混合液的攪拌，不加入任何化學(xué)分散劑。將2組水油混合液持續(xù)攪拌16 h后，靜置30 min，采集水樣并檢測(cè)。

1.2 微生態(tài)試驗(yàn)

有氧生物降解原油過(guò)程中的主要指標(biāo)，包括原油去除率、氧氣消耗量和CO2產(chǎn)生量，都通過(guò)密封的呼吸循環(huán)微生態(tài)系統(tǒng)測(cè)得。用NaOH溶液吸收系統(tǒng)中微生物降解原油所產(chǎn)生的CO2，并通過(guò)用硫酸滴定至pH值為8.3計(jì)算總量。微生態(tài)系統(tǒng)的側(cè)邊連接1個(gè)帶有刻度的氧氣針管，當(dāng)系統(tǒng)因?yàn)檠鯕庀亩l(fā)生氣壓變化時(shí)，針管可以補(bǔ)充氧氣，并可從刻度上讀取消耗的氧氣量。

每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件下，都進(jìn)行3個(gè)平行樣本并取平均值。共設(shè)置了54個(gè)微生態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括24個(gè)化學(xué)分散組(12組加營(yíng)養(yǎng)劑+12組不加營(yíng)養(yǎng)劑)，24個(gè)物理分散組(12組加營(yíng)養(yǎng)劑+12組不加營(yíng)養(yǎng)劑)，以及3個(gè)化學(xué)分散控制組和3個(gè)物理分散控制組(見表1)。每個(gè)微生態(tài)系統(tǒng)中加入100 mL相應(yīng)的水油混合液。營(yíng)養(yǎng)劑投加量為100 mg NO3-N/L以及10 mg PO4-P/L?？刂平M加入0.5%的疊氮化鈉(NaN3)，滅活水樣中的微生物，與其他組別進(jìn)行對(duì)比。所有的微生態(tài)系統(tǒng)被置于15±0.5 ℃的培養(yǎng)箱中，在搖床上以140 r/min的轉(zhuǎn)速搖擺，在穩(wěn)定的微生物降解溫度下，確保原油與水樣的混合。

表1 微生態(tài)系統(tǒng)的設(shè)置Tab.1 Setup of the microcosms

1.3 原油濃度的測(cè)定

每種組別的3個(gè)平行密封樣品分別在培養(yǎng)0，14，28和42 d后打開，并測(cè)定水樣中的原油濃度。通過(guò)液液萃取，用二氯甲烷(DCM)在分液漏斗中將原油從水樣分離到1個(gè)24 mL的玻璃樣品瓶中，并對(duì)收集到的油樣進(jìn)行稱重。

2 結(jié)果與討論

2.1 微生態(tài)系統(tǒng)中原油濃度的變化

物理分散的有營(yíng)養(yǎng)組原油初始濃度(第0 d)為0.020±0.003 g/L，無(wú)營(yíng)養(yǎng)組的初始濃度為0.017±0.001 g/L?；瘜W(xué)分散組的原油初始濃度比物理分散組高10倍左右：有營(yíng)養(yǎng)組為0.304±0.095 g/L，無(wú)營(yíng)養(yǎng)組為0.298±0.042 g/L?？傮w上，物理分散組的原油初始濃度無(wú)論是投加營(yíng)養(yǎng)與否均低于化學(xué)分散組。這說(shuō)明，化學(xué)分散劑能更穩(wěn)定地將原油分散成細(xì)小的油滴并懸浮在水樣中，而不是結(jié)合成大顆粒上浮回到水樣的表面，削弱微生物的降解作用。

從圖1中看出，無(wú)論是否投加營(yíng)養(yǎng)劑，物理分散組的原油濃度在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中基本沒(méi)有變化，最終的原油濃度與物理控制組基本一致。說(shuō)明在物理分散組中由于原油分散不理想，未發(fā)生微生物降解。

另一方面，培養(yǎng)14 d后，添加營(yíng)養(yǎng)劑的化學(xué)分散組對(duì)原油的去除率為24%，未加營(yíng)養(yǎng)劑的去除率在14%左右。此后一直到42 d，無(wú)論投加營(yíng)養(yǎng)劑與否，化學(xué)分散組都未發(fā)現(xiàn)更多的微生物降解。營(yíng)養(yǎng)劑的投加促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)，使原油的微生物降解效果進(jìn)一步提高，將原油去除率提高了近2倍。

圖1 各個(gè)組別中原油濃度的變化Fig.1 Variation of oil concentration in each group

第42 d后打開的化學(xué)控制組中，原油濃度與初始濃度相同，沒(méi)有變化，經(jīng)過(guò)滅活的微生態(tài)系統(tǒng)未發(fā)生任何微生物降解。這也說(shuō)明在其他化學(xué)分散組中，微生物降解是去除水樣中原油的可行方法，直接使原油濃度降低。

2.2 氧氣的消耗量

微生物對(duì)原油的降解與其呼吸循環(huán)有密切的關(guān)系，因此監(jiān)測(cè)微生態(tài)系統(tǒng)中的氧氣消耗量也可以從另一方面反映微生物降解原油的程度。從圖2可以看出，與原油去除率的趨勢(shì)相同，投加營(yíng)養(yǎng)液后的化學(xué)分散組消耗了最多的氧氣，明顯高出其它組別。2個(gè)物理分散組經(jīng)過(guò)42 d培養(yǎng)后，氧氣消耗量小于15 mg。對(duì)于化學(xué)分散組，投加營(yíng)養(yǎng)劑的試驗(yàn)組氧氣消耗量累計(jì)為42.24 mg，而不投加營(yíng)養(yǎng)劑的組別則只有11.71 mg。較高的氧氣消耗量支持了微生物的生長(zhǎng)，也促進(jìn)了原油的去除。

圖2 微生態(tài)系統(tǒng)中氧氣的消耗量Fig.2 Consumption of oxygen in the microcosms

2.3 二氧化碳的產(chǎn)生量

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，二氧化碳產(chǎn)生量的變化趨勢(shì)和氧氣消耗量一致，如圖3所示。物理分散組中產(chǎn)生的CO2很少，培養(yǎng)42 d后只有0.44 mg。在投加了營(yíng)養(yǎng)劑的化學(xué)分散組中，CO2產(chǎn)生量在前14 d快速增長(zhǎng)到3.7 mg，并在42 d時(shí)上升到16.34 mg。在未投加營(yíng)養(yǎng)劑的化學(xué)分散組中，42 d時(shí)的CO2產(chǎn)生量為0.74 mg。與其他組別比較，投加了營(yíng)養(yǎng)劑的化學(xué)分散組持續(xù)、大量地消耗了氧氣并產(chǎn)生二氧化碳，有效地去除了水樣中24%的原油。

圖3 微生態(tài)系統(tǒng)中二氧化碳產(chǎn)生量Fig.3 Production of carbon dioxide in the microcosms

3 結(jié)語(yǔ)

① 化學(xué)分散劑能將水中泄漏的原油分散成小的油滴并穩(wěn)定懸浮在水樣中，提高了油滴的穩(wěn)定性，促進(jìn)微生物對(duì)原油的有效降解。

② 在化學(xué)分散后投加營(yíng)養(yǎng)劑有助于微生物的生長(zhǎng)，進(jìn)一步促進(jìn)其對(duì)原油的降解效果，將原油的去除率從未投加營(yíng)養(yǎng)劑時(shí)的14%提升至24%。

③ 化學(xué)分散和營(yíng)養(yǎng)劑投加，促進(jìn)了水樣中微生物的呼吸循環(huán)，第42 d的氧氣消耗量為42.24 mg，是其他組別的4倍，二氧化碳產(chǎn)生量大約是其他組的20倍。

④ 在化學(xué)分散劑與原油體積比為1 ∶10并聯(lián)合投加營(yíng)養(yǎng)劑的情況下，采用微生物降解能有效去除水中泄漏原油。