（环境科学专业论文）机油降解菌群的驯化及其活性与结构分析.pdf

摘要 有一定的耐受能力； 6 对不同培养条件下菌群样品采用p c r d g g e 手段分析发现，碳源对菌群中 优势菌种更替影响较大。高盐度会刺激菌群中出现新的优势菌种。对菌群经 过一段时间的连续曝气培养后，一类与摇床培养时菌群中的优势菌种除油机 理不同的细菌逐渐成为优势菌种，这类细菌对烷烃的摄取机制为直接接触机 制。 7 从优势条带测序分析结果来看，多数匹配度较高的比对结果为不能单独培养 的菌种( u n c u l t u r e d ) ，这也是进行常规平板徒布分离无法得到这些菌种的重 要原因。 关键词：机油，混合菌群，生物降解，群落结构 i l a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ep o l l u t i o nc a u s e db yt h el e a k a g ea n ds p i l lo fc r u d eo i la n di t s r e f i n e dp r o d u c t sh a sb e c o m es os e r i o u st h a ti th a sa r o u s e dt h ea t t e n t i o no fp e o p l e m a n yo i lp r o d u c t sh a v eb e c o m et h em a i nc o n t a m i n a n t so fs u r f a c ew a t e ra n ds o i l a s s o m eo ft h e mc a nb ea c c u m u l a t e dt h r o u g hf o o dc h a i n , t h u si t e n d a n g e r s h u m a n - b e i n g sa sw e l l t h e r e f o r e ，a sam o r ee f f e c t i v e ，e c o n o m i c a la n dg r e e nm e t h o d ， b i o - t r e a t m e n tt e c h n o l o g yi sn o wg a i n i n gm o r ec o n c e r nt h a ne v e r m a c h i n eo i li so n eo ft h em o s tw i d e l yu s e dp e t r o l e u mp r o d u c t s ，w h i c ha r e m a i n l yc o m p o s e do fas e r i e so fl o n g c h a i na l k a n e s t h e r ei sf e wr e p o r ta b o u tt h e b i o d e g r a d a t i o n o fm a c h i n eo i l f o rt h i sr e a s o n , t h ec o m p o u n d e d - b a c t e r i aw a s s c r e e n e df r o ms e v e r a ls a m p l e so fo i l - c o n t a m i n a t e ds o i l t h eb i o d e g r a d a t i o n c o n d i t i o n s ，i m m o b i l i z a t i o na n db i o s u r f a c t a n tw e r es t u d i e d b e c a u s eo ft h ef a i l u r eo f t h ec o n v e n t i o n a ls e p a r a t i o nm e t h o df o rt h ec o m p o u n d e d b a c t e r i a , t h em o l e c u l a r b i o l o g ym e t h o dw a su s e dt oa n a l y z ea n dc o m p a r et h em i c r o b i a lc o m m u n i t ys t r u c t u r e o ft h ec o m p o u n d e d b a c t e r i a t h er e s u l t so ft h es t u d ya r ea sf o l l o w s ： 1 t h em a c h i n eo i lr e m o v a le f f i c i e n c ya c h i e v e d81 4 b y7 - d a y - b i o d e g r a d a t i o n u s i n gt h ec o m p o u n db a c t e r i aw h i l et h ei n i t i a lm a c h i n eo i lc o n c e n t r a t i o nw a sa b o u t 2 0 0 0m e g l ，t h eb i o d e g r a d a t i o nc o n d i t i o n sw e r e3 2 c ，p h7 2 ，19 0r m i n ( r o t a t i o n s p e e d ) a n di n o c u l u m c o n c e n t r a t i o nw a s0 1 ； 2 n ec o m p o u n db a c t e r i ah a v et h ea b i l i t yt or e s i s tt h ec h l o r i d ei o n s ，c o p p e ri o n s ， s d sa n do t h e rr e s t r i c t i v em a t t e r s t h em a c h i n eo i lr e m o v a le f f i c i e n c yw i l ld e c r e a s ei f t h ec o m p o u n db a c t e r i ah a sb e e nc u l t u r i n gs e v e r a ld a y si nt h ec u l t u r em e d i u mw h o s e c a r b o nr e s o u r c ei sn o n s e l e c t i v e , s u c ha sg l u c o s e ，g l y c 肺ne t c 3 t h es e c o n d o r d e re q u a t i o n d s d t = k 2 s 2 + k l s + k o ，p r o p o s e db yq u i r o g a a n ds a l e sw a sa p p l i e dt ot h ee x p e r i m e n t a ld a t ao b t a i n e df r o mt h eb i o d e g r a d a t i o n t e s t ( m a c h i n eo i lc o n c e n t r a t i o no f4 8 9 ，10 7 5 ，2 0 8 8m g l ) ，a n dt h ec o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n tv a l u e s ，2a r ea l la b o v e0 9 8 4 e m b e d i n gi m m o b i l i z a t i o nc a nh e l pt o r e s i s tt h ec h a n g eo ft h ee x t e r n a l c o n d i t i o n t h em a c h i n eo i lr e m o v a le f f e c t i v e n e s so fa d s o r p t i o ni m m o b i l i z a t i o nw a s i i i a b s t r a c t n o tb e t t e rt h a nt h en o n a d s o r p t i o nu n i t 5 t h eb i o s u r f a c t a n ts e c r e t e db yt h eb a c t e r i ac o n t a i n st w ok i n d so fm a t t e r , o n ei s g l y c o l i p i da n da n o t h e ri sl i p o p e p t i d e ，w h i c hc a nd e c r e a s et h es u r f a c et e n s i o no ft h e c u l t u r em e d i u mf r o m6 8 5m n mt o3 5 1m n ma n dc a nr e s i s tt h eh i g hc o n c e n t r a t i o n o fc h l o r i d ea n dc a l c i u mi o na n dc h a n g eo fp h 6 t h et y p eo fc a r b o nr e s o u r c eo ft h ec u l t u r em e d i u md e t e r m i n e dt h ed o m i n a n t s t r a i no ft h ec o m p o u n db a c t e r i ab yu s i n gt h ep c r - d g g et e c h n o l o g y s o m en e w s t r a i n sw o u l db ed o m i n a n tu n d e rt h ec o n d i t i o no fh i g hs a l i n i t y an e wk i n do fs t r a i n b e c a m ed o m i n a n ta f t e rap e r i o do fc o n t i o u sa e r a t i o nc u l t u r e t h em a c h i n eo i l b i o d e g r a d a t i o nm e c h a n i s mo ft h i sk i n do fs t r a i nw h i c hi sd i f f e r e n tf r o mt h a tc u l t u r e d i nt h es h a k et a b l e ，i sd i r e c tc o n t a c tm e c h a n i s m 7 t h es e q u e n c i n gr e s u l t ss h o w e dt h a tm o s to ft h ed o m i n a n ts t r a i n sw e r et h e s t r a i n st h a tc o u l dn o tb es p e r a t ec u l t u r e d t h i si st h er e a s o nw h yt h e s es t r a i n sc o u l d n o tb ei s o l a t e db yu s i n gt h es p r e a dp l a t em e t h o d k e y w o r d s ：m a c h i n eo i l ，c o m p o u n d e d - b a c t e r i a , b i o d e g r a d a t i o n i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：弓i - l ，_ e l o 砂习年月弓7 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年 月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：咖 印年j ，月日 第一章绪论 1 1 石油类制品污染 第一章绪论 1 1 1 石油的组成和石油类污染的来源 石油是烃类和非烃组分组成的混合物，比重为0 8 3 0 9 7 。其成分具体可以 分为以下四类：第一类，低沸点饱和烃( 轻质油) ；第二类，高沸点饱和烃( 重 质油和原油) ；第三类，芳香族烃；第四类，非烃组分，即氮、氧、硫和各种金 属化合物。其中烃类是主要成分【啦l ，占了9 5 o 9 9 5 。 石油污染是指在石油的开采、炼制、贮运、使用过程中，原油和各种石油 制品进入环境而造成的污染。作为宝贵的能源和化工原料，石油早已被公认为 “工业的血液”，为人类文明做出了巨大的贡献。但原油及其制品在开采、提炼、 加工、运输以及使用的各个环节中，都有可能产生泄露，这些泄露有的是事故 性的，如海上油轮事故，沿海、河口石油开采事故泄漏的石油，而有些则是废 弃造成的，如来自炼油厂、石油化工厂的废水，油船事故和各种机动船的压舱 水、洗船水等含油废水。但只要有泄露，就势必会对人类的生存环境带来冲击， 有时甚至可能带来灾难性的生态危机。 1 1 2 石油类制品污染现状 当今石油及其制品污染已成为世界性公害之一，每年全世界至少有8 0 0 万 吨，我国有6 0 多万吨原油进入环境，污染海洋、河流、湖泊、地下水和土壤【3 】。 石油污染中最主要的是石油对水域( 海洋、河流) 的污染，每升石油的扩 散面积可达1 0 0 0 1 0 0 0 0m 2 水面。水污染本身就是一个十分复杂的问题，污染源 众多，污染程度千差万别，含油废水则是众多废水中常见的、能给人类社会带 来较严重环境污染的一种水污染。为此含油废水的处理在国内外均受到特别重 视【4 1 。 随着海上石油开采业和运输业的发展，各种石油泄漏事故不断。自上世纪 六十年代“t o r r yc a n y o n 号油轮在英吉利海峡触礁，将近1 0 万吨石油泄入海 第一章绪论 域，污染了1 4 0 英里海岸的事件发生后，至今已有数十起类似事故见诸报道。 石油污染目前和今后仍然是海洋环境的一个严重问题【5 6 】。据统计，我国沿海约 有2 0 0 多处向海洋排放含油废水的排污口。另外，我国近海石油资源十分丰富， 海上石油开采和石油运输事业发展甚快，致使我国沿海地区和某些内河水域遭 受石油污染。 就目前国内情况而言，曰益增加的机动车船使用的燃料油的泄漏，是造成 内河及湖泊大面积、低浓度油污染的主要原因【_ 7 1 。石油类污染物已成为地表水中 超标的主要污染物之一嫡j 。 地下水也受到了石油类污染的威胁。随着石油工业的发展，我国北方紧邻 油田、石化厂的一些城市赖以生存的地下水甚至已经受到了石油的污染。尽管 这些污染物含量通常很低，只有几十微克升，但危害却不小。虽然近几年来已 经做了大量的控源防治工作，但目前污染形势仍很严峻。国内外的调查报告表 明，受到石油污染的地下水，在污染源得到控制后，一般几十年都难以在自然 状态下使水质复原一j 。 土壤石油污染现状也同样不容乐观。在我国，受石油污染的土地面积正在 不断扩大，污染程度也日益严重。在辽河油田污染严重的区域，土壤中含油量 已达1 0 0 0 0m g k g ，远远超过国家标准临界值5 0 0m g k g ，土地不能耕种，在一 般情况下需要5 0 年才能恢复【i o 】。特别是石油开采过程中产生的落地原油，已成 为土壤矿物油污染的重要来源。目前，我国石油企业每年产生落地油约7 0 0 万 吨，各油田每作业一次遗留于井场的落地油为几十到几百公斤，一些油田井口 周围5m x 5m 范围为最严重污染区，地面呈黑色；5 0 m 3 0 m 范围为严重污染 区，有原油和油泥散落【i 。 值得注意的是，地表水、土壤以及地下水的石油污染还会通过雨水冲刷、 渗透、地下水灌溉等过程而使污染转移和扩散，增大集中治理的难度，理应引 起人们的足够重视。 1 1 3 石油类污染物的危害 石油及其制成品进入地表水体后，可发生复杂的物理和化学变化，如扩散、 蒸发、溶解、乳化、光化学氧化、形成沥青块等。由于石油比水轻，且不溶于 水，因此进入水体的石油漂浮于水面，形成一层油膜或油层。水体受到石油污 2 第一章绪论 染后，可通过三种自然降解途径得到净化，即：向大气中挥发( 蒸发) ；自然降 解和微生物分解；以及粘附于泥沙表面而沉淀于底泥中。其中挥发作用是水体 石油污染自净作用的重要途径。石油可造成污染，不仅是因为石油的各种成分 都有一定的毒性，还因为它具有破坏生物的正常生活环境、造成生物机能障碍 的物理作用。石油污染对海洋生物资源的危害是很大的。据测算，1 吨石油进入 海洋后，会使1 2 0 0 公顷的海面覆盖一层油膜。这些油膜阻碍大气与海水之间的 交换，减弱太阳光辐射透入海水的能力，影响海洋浮游植物的光合作用【1 2 】。油 膜可堵塞鱼的鳃部，使其呼吸困难，甚至窒息死亡。海面上的油膜还会沾污海 兽皮毛和海鸟羽毛，使它们失去保温、游泳和飞行的能力。石油污染物还会干 扰海洋生物的摄食、繁殖、生长，使生物分布发生变化，改变群落和种类组成。 海洋鱼类大多对石油污染物十分敏感，成鱼一接触到石油即迅速游离污染区， 洄游鱼类的洄游路线上如果有油膜，会阻碍它们赶路，影响繁殖。石油对鱼卵 和幼鱼的杀伤力更大，海水含油量在0 1m g l 时，孵出的鱼苗大都有缺陷，只 能活一二天。石油在水中自然降解，或被微生物吞噬降解，还会消耗掉水中的 大量溶解氧。所以一起大规模的石油污染事件，会引起大面积水域严重缺氧， 使水中的生物面临死亡威胁。除了破坏水域生态系统的平衡，石油污染还可能 破坏海滨风景区和海滨浴场，对旅游业产生不良的影响，造成不可估量的经济 损失。 而地下水往往是受石油污染威胁地区的唯一的供水水源，一旦受到污染， 往往既不能用于工农业生产，也不适合作为饮用水源，造成该地区水质型缺水。 石油排入土壤后，会影响土壤的通透性。因为石油类物质的水溶性一般很 小，土壤颗粒吸附石油类物质后不易被水浸润，形不成有效的导水通路。能积 聚在土壤中的石油烃，大部分是高分子组分。它们粘着在植物根系上形成一层 粘膜，阻碍根系的呼吸与吸收功能，甚至引起根系的腐烂【1 3 1 。而土壤表层常常 是农作物根系最发达的区域，所以石油对土壤的污染程度直接影响到农作物的 生长情况。即使植物不死亡，石油中的某些成分在粮食中形成积累，影响粮食 品质，并通过食物链，进而危及人类健康【1 4 】。 石油中的一些组分还易于挥发。石油的挥发性取决于许多因素，如油的组 份、水温、风速与油的扩散特性等。油的低沸点组份比例越大，挥发性越快， 油的表面积越大，轻组份挥发越快。挥发的石油气对人体有害，一般人体的容 许浓度为5 0 0p p m 。 3 第一章绪论 此外，石油及其制品含有多种具致癌作用的多环芳烃，世界保健署和国际 癌研究署把多环芳烃化合物定为2 a 类物质【l5 1 ，有许多成分如：苯、甲苯、乙苯、 萘、菲、蒽、萤葸、苯并a 篦、苯并a 葸等都被列入美国环境保护署( e v a ) 优先 污染物范剧1 6 】，许多多环芳烃( p a h ) 都具有致突变和致癌性，会通过直接和间接 途径对人体健康带来严重损害。联合国欧洲经济委员会也将多环芳烃化合物列 为残留性有机污染物。这些污染物污染水体后可通过食物链进入人体，诱发癌 症，危及人体健康。 1 2 石油类有机污染物研究的意义、手段和范围 1 2 1 石油类有机污染研究的意义 石油类污染物对环境的污染已成为当前和今后最突出的环境问题之一，油 类污染物也被列为环境中应优先控制的潜在的危险性大的毒害性污染物，即优 先控制污染物【1 7 1 ，同时，这也是到2 0 1 0 年我国环境保护中面临的最紧迫的问题 和最大需要之一。因此，鉴于目前石油有机污染的严重性，为实现经济社会 资源环境的协调发展，确保地下和地表水资源的可持续利用，防止土壤水环境 遭受油类化合物进一步污染，对石油类有机污染的治理研究已迫在眉睫。 1 2 2 石油类有机污染研究的手段 油类污染物的复杂性、隐蔽性和持久性引起了环境工作者的高度重视。这 一问题的全面而彻底的解决，必将依赖于环境工程、水文地质工程、石油工程、 地下水动力学、流体力学、微生物学、植物学与环境地球化学等学科领域的交 叉合作，以寻求治理渠道。这也是此类研究的方法论所在。 1 2 3 石油类有机污染研究的范围 目前的研究范围主要集中在两大块：一类是对环境中石油类污染物发生、 迁移和转化等规律以及影响因子的研究1 8 】，运用系统动力学理论，多相流理论、 溶质运移动力学理论等，得出计算模型、经验公式和预测方法等。在这一方面 国内外学者做了大量工作，研究也开始趋于完善。然而依然存在许多不足【1 9 1 ， 4 第一章绪论 例如从定量化角度对吸附解吸弥散、水动力弥散、分配以及微生物降解条件下 环境动力学行为对石油类污染物质迁移转化过程的研究几乎没有开展，也为以 后的研究留下了空间。另一类是采用具体方法对石油类有机污染治理进行实验 室研究和污染现场试验，包括对实际工程中污染治理方法的改进研究。本文的 研究就属于第二类。 1 3 石油类污染治理研究现状 总体而言，对于石油类污染的治理，不外乎物理、化学和生物三种方法以 及它们的组合应用。目前的石油类污染的治理研究基本围绕这三个方法展开的， 在这之中生物法已逐渐成为当前及今后研究和应用的热门方向。 1 3 1 物理方法 物理方法是基于油类物质本身的物理性质来除油的。包括重力法，吸附法， 过滤法以及气浮法等等比较常规的方法。 重力法 重力分离法是典型的初级处理方法，是利用油和水的密度差及油和水的不 相溶性，在静止或流动状态下实现油珠、悬浮物与水分离。分散在水中的油珠 在浮力作用下缓慢上浮、分层，油珠上浮速度取决于油珠颗粒的大小，油与水 的密度差，流动状态及流体的粘度。它们之问的关系可用s t o k e s 和n e w t o n 等 定律来描述。重力分离法的特点是：能接受任何浓度的含油废水，同时除去大 量的污油和悬浮固体等杂质，但处理出水往往达不到排放标准。在稳定的流速 和油含量的特定条件下，可作为二级处理的预处理。常用的设备是隔油池，包 括平流隔油池( a p i ) 、斜板隔油池( p p i ) 、波纹斜板隔油池或称高效除油器( c p i ) 、 小型隔油池以及用于收集来自家庭、汽车库、饭店、医院等的废水油脂的简易 隔油井。隔油池水面的浮油可利用集油管排出或采用撇渣机等专用机械撇出， 而小隔油池也可进行人工撇油。重力分离技术是应用最广泛、最实用的一种油 水分离技术。通过对几种重力油水分离设备的比较，i - i n s i i i 型分离性能最优， 油中含水质量分数仅为1 5 6 。2 0 世纪7 0 年代中期出现的立式斜板除油罐集 立式除油罐与斜板隔油池的优点子一体，大大提高了除油效率，可基本去除水 5 第一章绪论 中的浮油和分散油。该法适用于除去废水中的浮油、部分分散油、重油以及油 一固体物等不与水溶解的有害物质，但不能除去废水中的溶解油和乳化油。 膜分离法 膜分离法是s s o u r i r a j a l l 所开拓并在近2 0 多年迅速发展起来的分离技术， 传统的含乳化油废水的处理方法常辅以电解、絮凝等先行破乳过程，能耗和物 耗较大。而膜法处理含乳化油废水，一般可不经过破乳过程，直接实现油水分 离。并且在膜法分离油水过程中，不产生含油污泥，浓缩液可焚烧处理；透过 流量和水质较稳定，不随进水中油浓度波动而变化；一般只需压力循环水泵， 设备费用和运转费用低，特别适合于高浓度乳化油废水的处理。膜分离除油， 关键在于膜的选择。膜分离理论由于膜分离的传质机理各异、情况复杂，至今 仍是学派林立，众说纷纭，但基本共识是膜分离是一处理物料组分选择性透过 膜的物理一化学过程，过程的推动力主要是膜两侧的压差，膜的孔径虽然是膜 的基本性质，但膜和分离组分的物理一化学性质，如亲水性以及荷电情况都直 接影响分离过程和结果，即膜从溶液中分离溶解的成分是依据尺寸、荷电、形 状以及溶质和膜表面问的分子相互作用而决定的。目前用于油水分离的膜通常 是反渗透、超滤和微滤膜，它们的作用是截留乳化油和溶解油。简单的情况是 乳化油基于油滴尺寸被膜阻止，而溶解油的被阻止则是基于膜和溶质的分子间 的相互作用，膜的亲水性越强，阻止游离油透过的能力越强，水通量越高。含 油污水中油的存在状态是选择膜的首要的依据。若油水体系中的油是以浮油和 分散油为主，则一般选择孔径在1 0 1 0 0 l am 之间的微滤膜。文献【2 0 】表明，以 陶瓷为支持物的微滤膜处理过的含油废水中，油和油脂质量浓度在5m g l 以 下，固体悬浮物质量浓度在1m g l 以下。若水体中的油是因有表面活性剂等使 油滴乳化成稳定的乳化油和溶解油，油珠之间难以相互粘结，则须采用亲水或 亲油的超滤膜分离，一则是因为超滤膜孔径远小于1 0um ，二则是超细的膜 孔有利于破乳或有利于油滴聚结1 2 1 】。目前国内外主要使用醋酸纤维、聚亚酰胺、 聚砜等有机膜，处理效率较好，但易腐蚀，用无机陶瓷膜处理含油污水，其耐 高温，耐酸、碱和有机介质的腐蚀，机械强度高，使用寿命长( 一般为5a 以上) 。 影响膜分离除油的另一个重要因素是膜组件及与之相应的操作方式的选 择。膜组件设计可以有多种形式，一般均根据两种膜构型平板式和管式来设计。 板框膜器和卷式膜器使用平板膜，中空纤维膜器及毛细管膜器使用管式膜，多 个单元膜器构成膜组件。操作方式一般分为死端操作和错流操作，其中死端操 6 第一章绪论 作是传统方式，油水乳液被强制通过膜，随着被截留物( 如油) 在膜表面上的 堆积，渗透物( 如水) 流量下降，必须定时清除膜表面的油，以便持续作业， 错流操作是近2 0a 才应用到实际过程中的新方式，油水乳液以一定流速平行于 膜表面流动，在一定程度上克服了死端操作的弊病。因此，若适当配置膜组件 并合理选择膜，将获得好的分离效果。 膜分离法处理含油污水方法简单，分离效率高，能耗低；合理选择膜是实现 油水分离的前，各种因素应同时考虑；传统的膜分离设备存在油脱除率低、膜易 被污染等问题，亟待改进；新式旋转膜组件不仅延续了错流操作的特点，更强化 了膜表面静止带来的弊端，是一种发展前景较好的含油污染水处理方式；其存 在的主要问题是，需对废水进行严格的预处理，且膜的清洗也较麻烦。 离心法 离心分离法是使装有含油废水的容器高速旋转，形成离心力场，因固体颗 粒、油珠与废水的密度不同，受到的离心力也不同，达到从废水中去除固体颗 粒、油珠的方法。常用的设备是水力旋流分离器。旋流分离器在液固分离方面 的应用始于1 9 世纪4 0 年代，现在较为成熟，但在油、水分离领域的研究要晚 得多。虽然液固分离与液液分离的基本原理相同，但二者设备的几何结构却差 别较大。脱油型旋流分离器起源于英国。从2 0 世纪6 0 年代末开始，由英国南 安普顿大学m a r t i n t h e w 教授领导的多相流与机械分离研究室开始水中除油旋流 分离器的研究，发明了双锥双入口型液液旋流分离器，在试验过程中取得满意 效果。随后，y o u n gg a b 等人设计出的与双锥型旋流器具有相同分离性能但处 理量要高出一倍的单锥型旋流分离器。经过几何优化设计，c o n o c o 公司提出了 k 型旋流分离器，对于直径小于1 0i lm 的油滴分离性能提高更加明显。由于 旋流分离器具有许多独特的优点，旋流脱油技术在发达国家含油废水处理特别 是在海上石油开采平台上已成为不可替代的标准设备。该法常用来分离分散油， 对乳化油的去除效果不太好。离心分离法设备体积小、除油效率高，但高流速 产生的紊流容易将部分分散油剪碎，而且运行费用高，因此常用于处理水量少， 占地受限制的场合，如海上采油平台、油船等。 气浮法 气浮技术是国内外含油废水处理中广泛使用的一种水处理技术，其原理就 是在水中通入空气或其他气体产生微细气泡，使水中的一些细小悬浮油珠及固 体颗粒附着在气泡上，随气泡一起上浮到水面形成浮渣，从而完成固、液分离 7 第一章绪论 的一种净水法。目前国内外对气浮法的研究多集中在气浮装置的革新、改进以 及气浮工艺的优化组合方面，如浮选池的结构已由方型改为圆形减少了死角， 采用溢流堰板排除浮渣而去掉机械刮泥机构，此外还研究了一些新型装置。如 石油大学冯鹏邦用浮选柱处理含油污水田】，除油率为9 0 左右，处理1m 3 污水， 能耗为0 1 1 7k w h ，比从国外引进的w e m c o 充气浮选机能耗低5 0 ，成本仅 为其l 5 。r a j i n d e r 用浮选柱回收乳状液中的油【2 3 1 ，试验结果表明：对给定的送 液量，随送液油浓度的增加，油回收率下降，但产品里的油浓度增加；随气体 流量增加，油回收率增加；随表面活性剂的增加，油回收率下降。肖坤林在实 验研究的基础上，结合单级气浮技术和多级板式塔理论，开发出两级气浮塔处 理含油废水的新工艺，实现了塔釜一次曝气、多级气浮的分离【2 4 。实验研究了 气浮塔板的流体力学性能、布气性能及操作条件对废水处理效率的影响，结果 表明，二级气浮塔处理效果很好，是一种具有良好应用前景的新型含油废水处 理装置。 气浮技术用于除油在我国只是近一、二十年的事，对引进的设备和技术还 没有完全消化和吸收；现有设备的自动化程度不高，操作管理跟不上，影响处 理效果；气浮除油机理的研究也存在很大不足，这些都影响到气浮技术在废水 除油中的应用。 吸附法 最常见的吸附剂是活性炭，它不仅对油有很好的吸附性能，而且能同时有效 地吸附废水中的其他有机物，对油的吸附容量一般为3 0 一8 0m g g ，且成本高，再生 困难，故一般只用于含油废水的深度处理。吸附法的最新研究进展多体现在高效、 经济的吸油剂开发与应用方面，文献 2 5 1 介绍了一种由质量分数为5 0 0 - 8 0 的具 有吸油性能的无机填充剂( 如镁或铁的盐类、氧化物等) 与2 0 9 5 的交联聚 合物( 如聚乙烯、聚苯乙烯等) 组成的吸油剂。这种吸油剂对油的吸附容量可 达0 3 0 6g g ，但一般需要接触时间很长，如废水的油质量浓度为1 2 0m g l 时， 需处理5 0h 才能降至0 8m g l 。刘汉利采用改性粉煤灰处理炼油厂高、低浓度 含油废水，使之达到排放标准，获得了满意的效果【2 6 】；另外还有人采用阳离子表面 活性剂改性粘土的土柱装置进行阳离子表面活性剂对粘土截留水中油类影响的 研究，结果表明，经阳离子表面活性剂溶液改性后，粘土土柱各种状态油类的 截留能力大大增强，且土柱所截留油类不易被清水淋出。 磁分离法是吸附除油方面的最新研究成果，通过投入经过磁化的磁种吸附 8 第一章绪论 污染物，然后磁分离而使水质净化【2 7 1 。有研究利用磁铁矿良好的吸油特性，探 讨了该法处理含动植物油废水的原理和工艺条件，结果表明，当废水含油质量 浓度为1 1 2 - 1 8 5 5m g l ，c o d c ，为2 8 0 0 8 0 2 0m g l 时，用磁分离法处理可使油和 c o d c ，去除率分别达到8 5 和7 5 以上。若能解决该法成本问题，将具有广阔 的应用前景。 1 3 2 化学方法 化学絮凝法 絮凝处理是含油污水处理中常见的方法，并常与气浮法联合使用。常用的 无机絮凝剂是铝盐和铁盐，近年来出现的无机高分子凝聚剂( 如聚硫酸铁、聚 氯化铝等) 具有用量少、效率高的特点，而且使用时最佳p h 也较宽。虽然无机 絮凝剂的处理速度较快，但投药量大，污泥生成量多。最近，有机高分子凝聚 剂的研究发展很快，c l a e s 的研究表明，用阳离子型高分子絮凝剂季胺化聚丙烯 酰胺和聚乙烯亚胺等对由十二烷基磺酸钠等阴离子表面活性剂稳定的大豆油水 乳状液进行絮凝处理，去浊率达到9 9 5 以上【2 引，且污泥颗粒大而密实，但由于 其药剂成本较无机絮凝剂更贵，目前，有机高分子絮凝剂在含油废水处理方面 仍然主要是用作其他方法的辅助剂。因此研究方向是将有机与无机絮凝剂通过 多种方法进行复合，以达到提高处理效率并降低处理成本的目的。此外，未来 的含油废水处理药剂应向多功能、广谱、高效方面发展。 化学氧化法 化学氧化技术常用于废水生物处理的前处理。在催化剂作用下，用化学氧 化剂如臭氧、f e n t o n 试剂等处理有机废水以提高其可生化性，或直接氧化降解 废水中有机物使之稳定化。在化学氧化法中，超临界水氧化技术是近年来迅速 发展起来的废水氧化技术，其原理是将水体中有机污染物在超临界水中氧化分 解成为c 0 2 、h 2 0 等无害的小分子化合物。超i 临界水氧化是一种快速、高效去 除废水中有毒、有害有机化合物的方法。一些用其他方法不能有效除去的污染 物，用超临界水氧化法能够处理到环境可接受的程度。赵朝成等【2 9 】发现，超临 界水中的氧化反应能有效去除废水中的油分，反应时间、反应温度是影响油去 除率的重要因素。但高压反应器存在比较严重的腐蚀问题，这也是超临界水氧 化技术工业化需要解决的主要障碍之一。陈颖等【3 0 】用光催化氧化去除废水中油 9 第一章绪论 分取得了良好的效果，但降低处理成本是急需解决的问题。 电化学法 以金属铝或铁作阳极电解处理含油废水的方法，主要适用于机器加工工业 中冷却润滑液在化学絮凝后的二级处理。目前该方法已得到广泛应用。国内外 使用较多的是小间隙( 1m m ) 高流速旋转电极装置，对其存在的阳极钝化问题 虽研究较多，但仍未根本解决。朱锡恩【3 l 】设计了其他形状的电解装置，该装置 可减小阳极钝化并提高絮凝效果。利用定时交换电极极性的方法，也能有效地 除去电极上的钝化物。 电絮凝法具有处理效果好、占地面积小、操作简单、浮渣量相对较少等优 点，但是它存在阳极金属消耗量大、需要大量盐类作辅助药剂、耗电量高、运 行费用较高等缺点。值得注意的是，采用不锈钢等作筐形电极【3 2 1 ，在筐内填充 由金属加工中产生的铁屑等废料作为溶解性阳极，可节省优质金属材料。缺点 是，金属屑之间的电接触被破坏和金属屑孔被水解产物堵塞，将导致电阻增加。 目前，研究改进的效果并不理想，较难用于实际。 1 3 3 生物方法 与前两类方法相比，生物技术治理污染具有安全、经济、高效、无二次污 染、不需大型设备、操作简单等优点，是实现石油类污染治理的有效手段，也 是今后研究的主要方向。 海洋是最主要的微生物库。海洋中属于石油类污染物降解细菌的主要有： 无色杆菌属、不动杆菌属、产碱杆菌属、节杆菌属、芽孢杆菌属、黄杆菌属、 棒杆菌属、微杆菌属、微球菌属、假单胞菌属以及放线菌属、诺卡氏菌属。在 大多海洋环境中，上述这些细菌是主要降解菌。在真菌中，金色担子菌属、假 丝酵母属、红酵母属和掷孢酵母属是最普遍的海洋石油烃降解菌。一些丝状真 菌如曲霉属、毛霉属、镰刀霉属和青霉属也应被归入海洋降解菌中。土壤中主 要的降解菌除了上面提到的细菌种类外，还包括分枝杆菌属以及大量丝状真菌。 曲霉属和青霉属的某些种在海洋和土壤两种环境中都有分布。木霉属和被孢霉 属的某些种也是土壤降解菌。 生物修复技术包括植物修复技术和微生物修复技术两大类，本文只讨论后 者。石油类污染物的微生物修复作用，本质上是开发利用微生物的新陈代谢能 l o 第一章绪论 力及基因的多样性，把石油类污染物转化为无污染的终产物，重新进入生物地 球化学循环。微生物降解有机污染物的过程是一个受控或自发进行的过程。由 于微生物修复技术本身的独特优点，备受国内外科学工作者的青睐，近年来得 到了长足的发展。综合起来，目前国内外就微生物技术降解石油类污染物主要 开展了两个方面的研究：一是基于遗传控制的微生物降解石油类基础性研究， 涉及了遗传学和分子生态学；二是围绕石油污染物降解开展的工程应用型研究， 包括工程菌的获得，生物制剂的开发，工程处理技术的改进等。并且这两大类 研究往往是相互交叉、促进和关联的。 1 ) 基于遗传控制的微生物降解石油类基础性研究 基因工程的发展为人类快速获取一些高效菌种提供了新的方法。所谓基因 工程，是指用人为的方法将所需要的某一供体生物的遗传物质珈n a 大分子提取 出来，在离体条件下用适当的工具酶进行切割后，把它与作为载体的d n a 分子 连接起来，然后与载体一起导入某一更易生长、繁殖的受体细胞中，以让外源 遗传物质在其中“安家落户”，进行正常的复制和表达，从而获得新物种的一种 崭新技术。微生物学家发现微生物对污染物的降解性与其所带的质粒有关。质 粒是细菌体内一种独立于染色体外，与细菌细胞共生，能独立复制和稳定地延 续遗传的遗传单位。在特殊环境下，质粒的存在与否对细菌生死存亡和生长繁 殖有重大意义。利用石油类污染降解性质粒的相容性，把能够降解不同石油类 污染的质粒组合到一个菌种中，组建一个多质粒的新菌种，这样就使1 种微生 物降解多种石油类污染物或完成降解过程的多个环节成为可能，或使不带降解 性的菌带上特定质粒从而获得降解性。还可以采用质粒分子育种，即在选择压 力的条件下，在恒化器内混合培养，使微生物发生质粒相互作用和传递，缩短 了自然进化所需要的时间，以达到加速培养新菌种的目的。 7 0 年代以来，发现了许多具有特殊降解能力的细菌，其降解化合物所需要 的酶不是染色体编码，而是由染色体之外的遗传物质来编码的。这类基因物质 称为降解质粒。降解性质粒d n a 的体外重组，则是在体外对生物大分子d n a 进 行剪切加工，将不同亲本的d n a 重新连接，转移到受体细胞中，通过复制表达 使细胞获得新的遗传性状【3 3 1 ，即获得本来不曾拥有的降解能力。自1 9 7 2 年美国 生物学家c h a k r a b a r t y 发现降解水杨酸盐的s a l 的降解质粒以来，在7 0 年代初 就先后在假单胞菌属中发现了具备生物降解烃类的降解质粒八种。后来又陆续 从野生菌株中发现许多天然降解质粒。目前，在石油污染物降解中，研究较多 第一章绪论 的是假单胞菌属的石油降解质粒，能编码降解石油及其衍生物，如樟脑( c a m ) 、 辛烷( o c t ) 等物质的酶类。事实上，这些降解质粒都具有较宽的宿主范围，如 辛烷降解质粒( o c t ) 能编码微生物降解c 6 一c 。的烷烃的酶类。另外，除质粒外， 控制石油污染物生物降解的基因还可以存在于染色体上。如不动杆菌能以c 1 2 - c 。 烷烃作为碳源和能源很好生长。经检测，控制这些烃类降解的基因都位于染色 体上。近年来，随着遗传工程技术的发展，有关石油污染物微生物降解菌株细 胞染色体和质粒基因的核酸序列分析，基因克隆以及遗传工程菌的构建等研究 工作得以大量开展。b i r g e r a 【3 4 】的研究表明，降解链烃的单加氧酶，萘双加 氧酶，以及邻苯二酚一2 ，3 双加氧酶的编码基因都位于质粒的5 6 k b 中，降解能力 的差异可能与细菌种间和种内的基因转移有关。在对质粒进行深入研究的基础 上，c h a k r a b a r t y 率先利用基因工程技术接合手段，把标记有能降解芳烃、萜烃、 多环芳烃的质粒转移到能降解酯烃的假单胞菌体内，可以获得同时降解四种烃 类的功能菌，即超级细菌。新的细菌具有降解链烃、芳烃和多环芳烃的多种功 能，能在几小时内降解海上浮油的2 3 。该项研究己获美国专利，是遗传工程菌 组建研究上的一个里程碑。除降解基因的克隆表达外，对于编码特定生长能力 的非降解基因也进行了较多的研究。k a p l e y 3 5 从土壤中分离到的四株假单胞菌 能分别降解不同的石油污染物成分，为了使这些菌株在海洋和港湾等高渗环境 中生长并提高降解能力，利用基因工程将e c o l i 的u 操纵子导入载体中，并 转移到上述从土壤中分离得到的细菌中，结果表明，u 操纵子能够在被转移细胞 中进行表达，人工构建的细胞能在超高盐度条件下生长了。 2 ) 微生物降解石油类污染物应用型研究 环境生物制剂及其添加技术的研发 环境生物制剂( e n v i r o n m e n tb i o l o g i c a lp r e p a r a t i o n ) 是指以生物学、环境学、 生态学、化学等多学科理论为基础，以监测、改善环境状况和强化处理系统稳 定、高效为目标，通过菌群构建等科学方法得到的具有特殊功能的生物制品。 所使用的菌种可以是从自然界或处理系统中筛选出的高效菌株，也可以是经过 处理的变异菌种或经遗传工程构建的菌株。所谓生物制剂添加技术，又称为生 物增强技术，是指将特殊的菌种配方按一定计划添加到生物处理体系中，以提 高该系统的生物处理效率的方法。也可以说，生物制剂添加技术是指向污染体 系中添加从自然界筛选出的高效菌株或通过生物工程手段获得的工程菌，以提 高处理系统去除某一种或某一类有毒有害、难降解有机物的效率。其原理是通 1 2 第一章绪论 过增加高效菌( 工程菌) 的数量，加速污染环境的治理或提高系统运行的稳定 性。所使用的菌种可以从自然界中筛选并加以驯化，也可以是经过处理的变异 菌种或经过遗传工程构建的菌株，通过大规模培养并