（环境工程专业论文）石油烃优良降解菌的筛选分离及其降解性能的研究.pdf

西安建筑科技_ 人学硕士学位论文 石油烃优良降解菌的筛选分离及其降解性能的研究 专业：环境工程 硕士生：冯晋阳 指导教师：聂麦茜 摘要 随着石油开采及石油工业的发展，石油污染也目趋严重。石油污染不仅污染环境，而且危 害人类的健康。因此，世界各地越来越关注石油污染问题。为了消除石油污染，科学工作者进 行了广泛的研究，以寻求安全、经济、可靠的治理方法。 本文对石油的组成、石油污染的来源、石油污染物在环境中的迁移、石油污染物在环境中 的分布与变化规律、石油污染的危害、石油污染治理的方法、石油污染物生物降解的研究现状 等进行了较全面的综述。其中对石油污染治理方法中的生物法进行了详细的论述，认为生物法 是迄今为止处理石油污染比较好的种方法。提出了从石油污染现场中分离降解石油的优良菌 种，并对优良菌种的降解性能进行研究，为石油污染的现场修复提供优良的菌各种。 本研究是以长期被石油污染的土壤为菌源，以原油为唯碳源进行驯化后，反复筛选、分 离得到石油烃降解的优势菌，并对其进行了初步鉴定：对影响其降解性能的营养条件和环境因 素进行试验研究，以确定各菌株的最适生长条件及其最佳的营养条件；以紫外分光光度法测定 降解体系的含油量、用光密度法和平板计数法测定菌株在降解体系中的生长繁殖量，研究菌株 对原油的降解眭能；初步的研究了无机离子和初级共代谢基质对优良菌降解原油的影响：对所 筛选出的6 株菌进行混合菌的实验。 本研究分离出的6 株菌，初步鉴定结果为：s y l 为微杆菌属、s y 2 为诺卡氏菌属、s y 3 和s y 5 为假单胞菌属、s y 4 和s y 6 为芽孢杆菌属；实验结果表明，6 菌株的最佳彝源为氯化铵( m c l ) ， 最佳磷源为磷酸氢二钾和磷酸二氢钾的混合物，最适生长条件为：温度为3 0 。c ，初始p h 值为 7 8 ，摇床转速为1 8 0 咖曲，盐( n a c l ) 浓度为1 ；通过降解实验得出6 株菌对原油都有较强的 降解自力，单一菌株在5 天后的原油降解率都高于6 0 7 ，6 株菌对原油的生物降解反应符合一 级反应动力学特征。各菌株在反应时，都会产生一定的乳化作用，对菌株降解原油起到促进作 用；初级共代谢基质葡萄糖和乙醇加入可促进各菌株对原油的降解程度；混合菌的降解效果没 有单一菌的除油效果好。各菌株对石油的降解机理还需进一步深入研究，使其能更好的应用于 实际工程中。 关继词：优势菌，石油，生物降解 西安建筑科技大学硕士学位论文 t h ei s o l a t i o na n dt h e s t u d y o f t h e d e g r a g a f i o n c h a r a c t e ro f p e t r o l e u mp r e d o m i n a n ts t r a i n s s p e c i a l i t y ：e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g n a m e ： f e n gj i n y a n g 五瞳舢c t o r ：n i e m a i q i a n w i t ht h e d e v e l o p m e n to f p e t r o l e u mi n d u s t r y ，t h ep o h m i o n c a u s e db yt h ep e t r o l e u mb e c o m e sl l l o r e a n dm o r es e r i o u s t h i sp o u u t i o np r o b l e m e n d a n g e r st h eh e a l t ho f m a n k i n d i h e r e f o r e , t h ep e o p l ep a y m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n st ot h i sp r o b l e m i no r d e rt og e tr i do f t h e p e l r o l e u m f r o mt h ee n v i r o n m e n t , t h e s c i e n t i s t sc a r r yo u tal o to fs c i e n t i f i cr e s e a r c h e s n o w t h e ya r e 妯l o o k i n g f o rt h es a f e , e c o n o 商ca n d r e l i a b l et e c h n i q u e st os o l v et h i sp r o b l e m t n s p a p e r h a ss h o w n u p t h er e a d e ri nc h a p t e ro n et h e f o l l o w i n g s u l m n e d u p i n f o r m a t i o n s ：( ：) a b o u t t h ec o n s t i t u t i o n s , t h es 0 1 d 鼠t h ep a t t e r n so f m i g r a t i o n , t h et r a n s f o m a a t i o na n dd i s t r i b u t i o na n dt h e d a n g e r so f t h eo i li nt h ee n v i r o n m e m ；( 2 ) a l m o s ta l lo ft h et r e a 衄m e t h o d sf o ro i li ne n v i r o r a n e n t , e s p e c i a l l y , t h e r ei sa m o r ed e t a i l e di n f o r m a t i o na b o u tt h eb i o d e g r a d a t i o nm e t h o d s o f o i l c o m p a r t a g t h e s e v 商o u s t r e a t i n gm e t h 豳i t i se v e n d e n tt h a tb i o - m e t h o dh a sm o r e a d v a n t a g e s s i xp r e d o m i n a n ts t r a i n sf o r d e g r a d a f i n g o nh a v eb e e ni s o l a t e da n d d i f f e r e n t i a t e d e x p e d i n e n t sh a v e b e e nc a r r i e do u tt ot e s tt h e d e g r a d i n g a b i l i t i e so f t h es i xs t r a i n s t h er e s u l t so f t h ed i f f e r e n t i a t i o nf o rt h es t r a i n si st h a t ：s y ib e l o n g st om i c r o b a c t e r i u r 耽s y 2b e l o n g s t on o c a r d 虹s y 3a n ds y 5 b e l o n g t op s e u d o m o n a s ，s y 4a n ds y 6 b e l o n g t ob a c i l l u s t h er e s u l t so f t h e e x p e r h n e n t a l t e s t ss h o wt h a tn h 4 c 1a n dk z h p 0 4 ，k h 2 p 0 4a r et h em o s ta v a i l a b l en u m e n t st oo u ri s o l a t e s w h e nt h e ya r ed e g r a d i n go i l s t h em o s tm f i t a b l ee x p e r i n m e n tc o n d i t i o ni s ：t e m p e r a t u r eb e i n g3 0 i n i t i a lp h b e i n g7 - 8 ，t h es h a k i n g r o t eo ft h ec u l t u r ef l a s k si s1 8 0 蛐t h ec o n c e n w a f i o no f n a c li s1 t h eb i o d e g r a d z f i o nr e s u l t sh a v es h o w nt h a to u r6i s o l a t e sh a v el h ee f f e c t i v ed e g r a d a t i o nc a p a b i l i t yt o c r u d eo i l ；w i t h i n6d a y st h et r a n s f o f i n gr a t eo fo nb ye a c hs i n g l es t r a i ni sm o r et h a n6 0 a n dt h e b i o d e g r a d a t i o nr e a c t i o no fo i lb yo l l ri s o l a t e sp r o c e e d sa c c o r d i n gt o f i r s tk i n e t i c s i nt h ed e g r a d a t i o n s y s t e m , e m u l s i f i c a t i o no f t e ne n m e r g e sa u t o m a t i c a l l y ，s ot h eb i o - s t f a c t a n tm u s tb ep r o d u c e da n dt h e d e g r a d a t i o no fc r u d eo i lm u s tb ee n h a n c e d t h ei n o r g a n i ci o n sa n dc o - s u b s t r a t e sc a ni n f l u e n c et h e u 话安建筑科技大学硕士学位论文 b i o d e g r a d a t i o no f c r u d eo i l g e n e m u y ，t h er e s u l t sa l s os h o wt h a to u r6s i n g l es t r a i n sa r em o r ee f f e c t i v e t h a nt h em i x t u r eo ft h e m t h eb i o d e g r a d a l i o nm e c h a n i s mo f p e t r o l e u ms t i l ln e e df u r t h e rt or e s e a r c h d e e p l yi no r d e r t h a tt h es t r a i n sc a nb e a p p l i e d i np r a c t i c a le n v i r o n m e n t a l e n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：p r e d o m i n a n ts t r a i n s , p e t r o l e u m ，b i o d e g r a d a t i o n , 声明 x 6 1 6 6 9 7 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：) 墉阳 关于论文使用授权的说明 日期：妒驴r 、易 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：；勇阳导师签名：基嚷茹 日期：柳驮奠g 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 石油烃污染物的简介 1 1 1 石油烃的组成 1 绪论 石油属于可燃矿物质，是地球在其形成的不同历史时期，由植物或动物等有机物的残骸生 成。由于生成条件不同，其物理化学性质存在很大差异。石油中含有数百种化合物，主要由烷 烃、环烷烃及芳香烃组成，约占石油含量的5 0 8 0 ，简称为石油烃，其余为非烃类含氮、硫 及氧等元素的有机化台物。石油烃类相对分子质量变化范围很大，从甲烷( c 地) 到相对分子质 量为1 5 0 0 2 0 0 0 的烃类，例如曾发现相对分子质量为1 7 3 4 的c 。州“，的化合物“1 。 烷烃是组成石油的主要成分，随相对分子量的增加，烷烃分别以气、液、固三种状态存在 于石油中。在常温下，从甲烷到丁烷是气态，是天然气和油制气的主要成分。常温下c s 的 烷烃为液态。其中，含5 1 2 个碳原子懈为汽油，其沸点在1 0 0 。c 1 8 0 。c ；而9 2 2 个碳 原子的烷烃为煤油、柴油和机油，其中煤油沸点在2 3 5 2 8 5 。c ，柴油沸点在2 7 0 2 8 0 ， 机油沸点在4 1 0 。c 4 8 0 。c 。c 。以上的烷烃为固态，一般多以溶解态存在于石油中，当温度刚氐 时，就有结晶体析出，工业e 称越种固体烃类为蜡。机油、重燃油润滑齐忏嘞习滑脂含碳原子在 2 9 3 6 之间。含蜡量对石油凝点影响很大，我国大庆原油含蜡量为1 7 9 9 6 ，胜利原油含蜡量为 1 7 1 ，石油中正构烷烃中碳数一般达到4 0 ，除主要含直链烷烃外，还含有支链( 异构) 烷烃。 支链烷烃中最重要的是异戊二烯类化合物，它以姥鲛烷和植烷为代表。支链烷烃无毒，可被多 数微生物生物降解，但分支越多越难于生物降解“。 石油中环烷烃一般含5 6 个碳原子，环状排列，占石油含量的3 0 - 6 0 ，除环戊烷和环 已烷外，还有二环和多环烷烃。很重要的少量组分为甾烷、萜烷类。环烷烃含量高时，油品黏 度大。环烷烃是润滑油的主要成分，微生物很难降解环烷烃“1 。 芳香烃占石油含量的2 9 6 4 ，有单环芳烃( 如苯、甲苯、二甲苯) ，还含有双环芳烃( 主 要是萘) 、三环芳烃( 如蒽和菲) 和三环以上的多环芳烃( 如苯并芘、苯并葸多核芳烃) 。芳香 烃对生物的毒性最大，特别是多环芳烃，难以生物降解“。 1 1 2 石油的元素组成 石油元素组成变化范围不大。在大部分石油中，碳含量为8 3 8 7 ，氢含量为1 1 1 4 ， 硫、氮、氧等元素般在1 4 。除上述5 种元素外，石油中还含有钒( v ) 、镍( n i ) 、铜( c u ) 、 铁( f e ) 、铅( p b ) 、钙( c a ) 、钛( t i ) 、镁( ) 、钠( n a ) 、钴( c o ) 、锌( z n ) 等金属元素和 氧( c 1 ) 、硅( s i ) 、磷( p ) 、砷( a s ) 等非金属元素，它们的含量都很少。石油不同程度的气 塑耋至壑型茎盔兰至圭兰堡丝圣 味主要来源于少量的硫化物。石油中胶质物质属于含氧化物( 脂肪酸类) ，它们含量少，但对石 油加工过程影响很大。表1 1 列出了世界各地若干原油的相对密度如和元素组成“1 。 表ii 世界各地原油的相对密度如和元素组成 j 油产地d u ( c ) u ( h ) u ( s ) u ( n ) u ( 0 ) 苏拉罕09 7 38 5 3 1 4 10 0 3 05 7 巴拉罕( 轻质油) 0 8 8 48 6 31 3 6 巴拉罕( 重质油)0 9 3 08 7 0 1 2104 0 0 5 0 匠索夫0 9 5 0 8 4 99 3 04 2 0 1 1 0 格罗兹内 o 8 5 08 5 91 3 o o 1 4o9 7o 8 0 罗马尼亚( 布希金纳) 0 8 3 98 6 0 1 3 20 1 50 3 10 2 9 日本0 8 8 l8 4 5 1 3 10 8 30 2 70 7 7 美国( 宾夕法尼亚) 0 8 7 48 4 91 3 70 ，5 0 9 0 墨西哥 0 9 2 6鼬2 1 1 43 6 0 8 0 印度尼西亚( 沙拉巴克) 0 8 9 9 8 6 51 2 3o 3 50 1 3 0 6 8 伊朗 0 8 3 78 5 4 01 2 8 01 0 6 0 7 4 大庆( 混合原油) 0 8 6 28 5 7 41 3 3 l 0 1 l0 1 5 大港( 混合原油) 0 8 9 08 5 6 71 3 4 0 o 1 20 2 3 胜利( 混合原油) 0 9 1 48 6 ，2 6 1 2 2 00 8 00 4 1 克拉马依( 原油) 0 8 6 98 6 1 0 1 3 3 00 。0 4 o 2 5o 2 8 胜利孤岛( 原油) 0 9 5 7 8 4 2 41 1 7 42 2 0 0 4 7 其中u 为元素的质量分数。 1 2 石油污染的现状 1 21 石油污染的来源 石油对环境的污染主要是对水体和土壤的污染。 水体石油烃的污染主要来自工业、农业、运输业及生活污水排放和油泄露，逸入大气中的 石油烃的沉降及海底自然溢油等。 工业含油污水和废水种类很多，主要包括炼油厂污水、石油勘探开发采油废水、油港原油 压舱水等。工业含油废水量最大，例如炼油厂含油废水，国外烯：油厂每加工1 吨原油，产生0 5 吨1 吨含油废水嘲，而我国炼油厂由于炼制重质油多，炼制工艺复杂，每加工1 吨原油，产生 0 7 吨3 5 吨含油废水，据最新统计。3 ，我国炼油生产能力e 哒到每年2 4 亿吨，实际加工量 为每年1 6 亿盹左右，按此计算产出含油废水每年高达1 1 2 亿施5 6 亿吨。 西安建筑科技大学硕士学位论文 海洋水体油污染是目前一种世界性的严重的海洋污染，主要集中在河1 3 、港湾近海水域、 海上运油航线和海上油田周围。进入海洋水体的油类主要来自：经河流或直接向海洋注入各种 含油废水；海洋石油勘探开发中的泄露和采油废水的排放；船舶压舱水、机舱水和洗舱水。其 中油船玉) 仓水占载重量的2 0 4 0 ，含油量约为0 3 o 4 ，洗舱水约占载重量的1 0 2 0 ， 含油量约为3 。万吨级船舶的机舱水约为l o t d ，含油量约为0 揣5 ，小型机动渔船和内河 机动船的机舱水约为l 2 t d ，含油量约为0 1 o 批“。船舶航行中因事故造成海上溢油， 特别是油轮溢油事故可造成特别严重的污染；逸放大气中的石油烃的沉降及海底油自然溢油等 都可造成不同程度的油污染。目前经各种途径进入海洋的石油烃每年约6 0 0 万 屯 1 0 0 0 万吨， 排入中国沿海的石油烃每年约1 0 万吨。据统计日本沿岸海域油污染事故占海洋污染事件 总数的8 3 ；美国沿岸海域每年发生的1 万起污染事故中，约3 4 是石油污染“1 ，可见油类是当 今海洋水体中最重要的污染物。表1 2 列出了全球各类污染源石油烃入海估算量。 表1 2 全球各类污染源石油烃 海估算量( m t a ) “8 1 ” 污染源石洫弪 海量范围入海量最适宜估算值 近海石油开采 0 0 4 o 0 6n0 5 海洋运输 0 6 3 2 培1 0 5 、沿岸炼油厂 o 0 6 o 6 00 1 0 沿岸城市污水 0 4 0 1 7 00 7 0 沿岸炼油工业污水 0 1 0 o 3 00 2 0 城市径流 0 o l ，o 2 00 1 2 河流 o 0 l o 5 0o 0 4 大气沉降 o 0 5 由5 00 3 0 天然渗漏 o 0 2 5 2 5 0o 2 5 油船事故 o 3 0 o 4 00 4 0 1 # 油船事故 o 0 2 o 0 40 0 2 大洋倾倒o 0 0 5 o 0 2 o 0 2 总计 1 6 5 8 8 03 2 5 在石油勘探与开采、储运、炼制等过程中，由于操作不当或事故泄漏及检修等原因，都会 使一些石油洒落到地面上，造成土壤的污染。例如，油田开发过程中的井喷事故、输油管线和 贮油罐的泄漏事故、油槽车和油轮的泄漏事故、油井清蜡和油田地面设备检修、炼油和石油化 工生产装置检修等都会造成石油污染。石油烃类大量溢出，应当尽可能予以回收，但有的情况 下回收很困难，即使尽力回收，仍会残留部分，对环境( 土壤、地面和地下水) 造成污染“。 西安建筑科技大学硕士学位论文 油田周i 稠大面积土壤一般都会受到严重的石油污染，甚至引起地下水的污染。石油运输中的偶 然事件、不合理的储油罐、地下油罐渗漏产生的油污染也是一个重大的石油污染土壤问题。 u s e p a 报导，9 0 年代初己被确认有1 0 万个地下油罐有不同程度的渗漏，并预测几年后，这个 数字可能增至3 倍“”。用石油污染水灌溉、油页岩矿渣的堆放和施用、垃圾施用、大气污染等 也会造成土壤中的石油污染。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5 m 5 m 范围为最污染区，地 面呈黑色，5 0 m x3 0 m 范围为严重污染区，有原油、油泥散落，地面溢油再加上遗留井场的钻 井泥浆池和作业泥浆池，一般井场周围污染范围在1 0 0 0 2 0 0 0 m 2 之间，经雨水冲刷还会导致 污染范围不断扩大，地面溢油一方面下渗污染土壤及地下水，一方面被雨水携带污染地表水体， 对环境影响严重”4 。 1 22 石油污染物在环境中的迁移 石油污染物厕挂入环境的迁移与般的污染物质有类似的转移途径，从污染源开始，污染 物质通过不同的途径进入到大气环境、水环境( 包括地表水和地下水) 和土壤环境，然后再从 大气环境、水环境和土壤环境转移到植物，动物和人体，或者再通过食物链传递，最终对八的 健康造成危害。进 大气环境的石油污染物主要是通过蒸发，进入地表水环境则面蘑过径流和 渗漏等途径，进入地下水环境则主要是通过渗漏。当石油污染物直接污染土壤时，土壤中的污 染物则是经过蒸发、渗漏、径流等后残留在土壤环境中的。图1 1e 瞰形象地描述这一转移过 程。 测随 1 ) i 径流农作物& 弱嘲献簖；鳓 污染物j ：。- 。：屿、毒i 芒! 日v 地 蒯研1 渗滤分布场 城市水厂 图i 1 石油污染物在环境中的转移途径 1 2 3 石油污染物在环境中的分布与变化规律 a 水体中石油存在的形式与分布：石油进 水体后，以5 种形式存在：1 ) 悬浮油：在水体 4 西安建筑科技火学硕士学位论文 中，油珠颗粒较大，一般大于1 5 u m ，以连续相的油膜漂浮于水面；2 ) 分散油：粒径大于 lu m 的微小油珠悬浮分散于水相中，不稳定；3 ) 乳化油：由于表面活 生剂的存在，油在水中 呈乳状液，形成o w 型乳化微粒，粒径小于1 1 1 1 ，表面常常覆盖一层带负电荷的双电层。体系 较稳定，不易上浮于水面；4 ) 溶解油：油在水中的溶解度很小，一小部分油以分子状态或化学 方式分散于水体中形成油水均相体系，非常稳定，一般低于5 1 5 i t l g 几；5 ) 油固体物：水 体中的油吸附在水中的固体悬浮颗粒物的表面上形成沽一固体物( i g 被称为附着油) 。油膜是石 油输入海洋的初始状态，然后一边蒸发一边扩散和溶解，分散油、乳化油和溶解油分散在水体 中，剩下的油一固体物根据其密度大小可以浮于水体或沉于水底沉积物中“8 “。水体中油类物 质的数量、化学组成、物理| 生质及化学性质都随着时间不断地发生变化。水体环境中的风、浪、 流、光照、气温和生物活动等因素均对海上溢油的物化性质产生影响，水体中石油的分布与归 宿取决于油类的挥发、扩散、分解、溶解、光解、乳化、吸附、沉降及微生物降解等复杂的物 理、化学、生化、地质等过程“”1 。 b 大气中石油存在的形式与分布：大气中的石油污染物主要是来自石油及石油产品的挥发 和燃烧。石油及石油产品中可挥发的物质可直接挥发进入大气。石油及石油产品燃烧后会产生 以s q 为主的含硫化合物，以n 0 和n 晚为主的含氢化合物，碳氧化合物和石油及石油产品燃烧 后产生的挥发 生有机物。这些污染物是以气态形式存在于大气中的。这些气态污染物的分布也 取决于油类的挥发、扩散、分解、光解、微生物降解等复杂的物理、化学、生化等过程“”。 c 土壤中石油存在的形式与分布：石油进入土壤后，与土壤中的土粒粘结在起，影响土 壤的通透眭。石油的成份、粘度等性质决定了土壤中石油污染物的形式和分布“。 1 2 4 石油污染物的危害 a 石油对生物的毒陛及危害“”：石油对生物的毒 生可分为两类，一类是大量石油造成的急 性中毒；另类是长期低浓度石油的毒性效应。一般轻质油炼制油品毒性比原油大，石油及石 油产品的毒性与其中含有的可溶性芳烃衍生物( 如苯、萘、菲等) 的含量呈正比关系，石油在 水体中的毒性效应大多来自水溶性大的低相对分子量的正烷烃和单环芳烃。 油类在水体中以浮油、溶解油、乳化油、附着油等形式存在。氧化i m g 石油需消耗3 4 i i 培 氧气。水面油膜厚度大于1um 时，就可隔绝空气与水体间的气体交换，导致水体溶解氧下降， 产生恶臭，水体恶化。沉积于水底的油类烃厌氧分解产生硫化氢等毒物，会倒亩晒生物死亡。 油类中芳香烃类毒物可使水生生物致畸和致癌。 石油污染物对生物的危害主要是影响其正常的生长，对其成长、发育造成一定的危害，甚 致导致生物的死亡或灭绝。例如，石油污染物通过鱼鳃进入鱼体内，影响其呼吸功能，并影响 鱼卵、幼鱼及鱼类生存的生态系统，鸟类体表上黏上溢油，使其丧失飞行功能，摄入体内可使 肝、肺、肾等器官发生损害并减少白细胞数目，造成鸟类死亡。石油对浮游植物的光合成速度 阳安建筑科技人学硕士学位论文 有明显的影响，一般妨害藻类的生长。据报道，近5 0 年来因石油污染已有1 0 0 0 多种海生生物 灭绝，海洋生物己减少了4 0 9 6 。 b 石油对人体的危害“1 ：暴露在环境中的石油，其低沸点组分很快挥发进入大气，污染空 气。人类直接摄取各种石油蒸馏物可发生各种中毒症状，受到影响的器官有秭、胃肠、肾、中 枢神经系统和造血系统。中枢神经系统症状有：衰弱、嗜眠、眩晕、痉挛、昏迷。苯是极少数 能致癌的烃类之一。苯的急性中毒是从呼吸道吸入产生，在与低至4 4 i t | g l 的浓度慢| 生接触时， 即可得白血病和破坏免度系统。已发现，清净油船人员长期与石油蒸气接触，骨髓细胞发生染 色体畸变。人类还食用被石油污染的鱼、海产品、水产品( 包括动物和植物产品) ，使有毒物质 进入人体，使肠胃、肝、肾等组织发生病变，危害人体健康、甚至导致死亡。 不论原油还是其炼制产品中的可能致癌物质都与多环芳烃有关，全球水环境中每年多环芳 烃的总输入量为2 3 万吨，其中苯并芘的年输入量为6 9 7 0 吨。人类生活中从许多来源接触多环 芳烃，但人类从海产品中摄入的苯并芘，按每天消耗1 0 海产品计算，每年仅摄入3 6 5ug 1 8 2 2ug 苯并芘。多环芳烃在人体中的代谢情况资料不多，但可认为，这些化含物大部分在人 体内快速吸收和排出，没有在体内蓄积的趋势。表i 3 列举了人类对各种石油烃类的吸入限度。 表1 3 类对各种石油烃类的吸入限度叫 烃类浓度( r a g l )烃类 ；限度( m l ) 1 0 脱臭煤油 1 4 混合二甲苯1 1 0踟号稀释剂i 0 0 橡胶溶剂 4 3 0 4 0 号稀释剂 2 5 涂料用石脑油 4 3 0 高芳烃溶剂 2 6 甲苯浓缩油 鸽0 高环烷烃溶剂 3 8 0 6 0 号溶剂 9 0 c 石油对环境的危害：陆地石油污染物侵入无污染水域或地_ 1 冰，影响饮用水资源和地下 水资源，并危害水产资源。石油污染物具有挥旋眭，在各种自然因素作用下，石油污染物的一 部分组分和分解产物可挥发进 大气，污染和毒化大气环境。同时，因扩散和风力的作用可使 污染范围扩大。油类物质可黏附在农作物的根茎部，因此用含油水灌溉农田，不仅会使土壤油 质化，而且影响农作物对养分的吸收，造成农作物减产或死亡。石油进 土壤后，会破坏土壤 结构，分散土粒，使土壤的透水性降低，其富含的反应基能与无胡禽、磷结合并限制硝化作用 和脱磷酸作用，从而使土壤有效磷、氮的含量减少。特别是其中的多环芳烃，因有致癌、致变、 致畸等活性和能通过食物链在动植物体内逐级富集，再由食物链进入人体，从而危害人体健康。 油类污染物还会聚集在沿岸、码头、风景区，破坏自然景观“1 。 综e 所述，石油污染物对水环境、生物环境、大气环境造成污染和破坏，危害人体健康和 6 话安建筑科技大学硕士学位论文 生存环境。因此，石油污染治理是当今急需解决的问题，对人类生存和社会持续发展有着重要 意义。 1 3 石油污染的治理现状 1 3 1 石油污染治理的方法 石油污染的治理方法主要有物理方法、化学方法和生物方法。即利用物理、化学和生物方 法去除环境中的石油污染物。 a 石油污染治理的物理化学方法 ( 1 ) 水处理中含油废水处理的物理化学方法 利用物理化学法处理石油污染物可以得到较好的处理效果，但因造价高、二次污染等问题 使其应用受到了限制。 含油废水处理的物理法主要有：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它气体以产生细小气泡，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e 浮到水面形成浮渣，从而完成固一液分离 的种净水法。气浮技术用于除油在我国有近一、二十年的历史，对引进的设备和技术还没完 全消化和吸收例；现有设备自动化程度不高，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，这些都影响至忾浮技术在废水除油中的应用。 膜分离法：膜分离法 是s s o u r i r a j a n 开拓踟的，并在近2 0 多年迅速发展起来的分离技术。膜法处理含乳化油废水， 般可不经过破乳过程，直接实现油水分离。膜分离除油的关键在于膜的选择，膜分离理论认 为膜分离是处理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。 目前用于油水分离的膜通常是反渗透膜、超滤膜和微滤膜，它们的作用是截留乳化油和溶解油。 膜分离法处理含油污水方法简单，分离效率高，能耗f 氐，特另b 香台于高浓度乳化油废水的处理。 但在膜处理前，需对废水进行严格的预处理，且膜的清洗也较麻烦。吸附法：吸附法是利用 吸附剂的吸附肚能除去水中的油。最常见的吸附剂是活性炭，它不仅对油有很好的吸附作用， 且能同时有效地吸附废水中的其他有机物，对油的吸附容量般为3 0 8 0 f 1 1 9 屈，但是吸附剂( 活 性炭) 的成本高，再生困难，故般只用于含油废水的深度处理。 含油废水处理的化学法主要有：化学絮凝法：絮凝是处理含油废水中常见的方法， 是在水中投加絮凝剂，使之与水体中的油形成絮体以达到除油的效果，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，且使用的最佳p h 也较宽。虽然无机絮凝剂的处理速度较| 夹，但投 药量大，污泥生成量多。最近发展了有机高分子絮凝剂，油去除率高，但由于其药剂成本较无 机絮凝剂高，目前有机高分子絮凝荆在含油废水处理方面主要是作其它方法的辅助剂。( 善化 西安建筑科技大学硕士学位论文 学氧化法：化学氧化技术常用于生物处理的前处理。一般是在催化剂作用下，用化学氧化剂如 臭氧、f e n t o n 试剂等处理含油废水以提高其可生化性，或直接氧化降解废水中的有机物，使 之稳定。近年来，超临界水氧化技术是化学氧化法中迅速发展起来的一门废水高级氧化技术。 其原理是将水体中有机污染物在超临界水中氧化分解成0 0 2 和h 如等无害的小分子化合物。已有 的研究发现，超临界水中的氧化反应能有效地去除废水中的油分，并且反应时间、反应温度是 影响去除率的重要因素。超临界水氧化法的处理成本高，反应器存在严重的腐蚀问题，是需解 决的问题叫3 。电化学法：电化学法是用金属铝或铁作阳极处理含油废水，常用于废水的二级 处理。州j 二学法( 主要是絮凝) 具有处理效果好，占地面积小，操作简单，浮渣相对较少的优 点，但是客观存在阳极金属消辛毛量大，需大量盐类作辅助药剂，耗电量高，运行费用较高等缺 点。 ( 2 ) 含油土壤的物理化学处理方法 含油土壤的物理、化学处理方法主要有：热处理法和化学浸出法。热处理法通过焚烧或煅 烧破坏大部分污染物，但因造价过高而难以实施。化学浸出和土洗也称为洗涤法，洗涤法可以 获得较好的除油效果，但所采用的化学溶剂的二次污染的问题限制了它的应用“。 b 生物处理方法 生物处理方法是近年来发展起来的，在许多国家得到了应用，根据目前已有的研究结果和 应用实践表明生物法具有处理效果好，费用低，环境影响小，无二次污染及应用范匿i 广等优点， 是迄今为止处理石油污染比较好的一种方法1 。 ( 1 ) 石油烃的可生物降解l 生 石油烃是天然的有机物，因此微生物可以利用石油作为碳源是不足为奇的。如膏t 所述，石 油是种成分极其复杂的混合物，并且来源不同，石油成分也可以有很大的差别，而成分的差 别也直接影响着石油烃的可生物降解率。石油中所含的各种烃类，只要条件合适，均可被微生 物代谢降解，只是难易程度不同。许多学者通过大量的研究4 。，认为不同烃类的微生物可降解 性的次序如下：小于c 。的直链烷烃 c 。巳或更长的直链烷烃 小于c 。的支链脱弪 c o 巳 或更长的支链烷烃 单环芳烃 多环芳烃 杂环芳烃。 根据烃类的化学构造特点，烃类的降解途径主要分两部分：链烃的降解途径和芳香烃的降 解途径。 烷烃的降解途径：一般的直链烷烃物质，依下列生物降解途径进行： r 删 心一r c 心c 瞰】h r c h h o r c h 0 0 h b 氧化 烷烃类物质的8 氧化在某些环境中会受到阻碍，特别是一些带支链的烷烃类物质，这时就 可能发生u 氧化，即在8 氧化受阻的时候，微生物在烃链的另一端的未端将甲基氧化。当然， u 氧化在偶尔的情况下也会与b 氧化同时发生，即在烷烃链的两端被同时氧化。 烷烃在微生物的作用下，可以被氧化为烷基氢过氧化物，烷基氢过氧化物叉陂转化成脂肪 西安建筑科技大学硕十学位论文 酸，再经0 氧化而被降解。如下所示： r - c ：_ c h ；一 r 弋h h 瓤煳一r c h ：c o o h 一1 3 氧化 上述几种降解途径都是在有氧的环境中进行的，通过微生物的代谢活动，使质被氧 化。然而，在缺氧的环境中，烷烃类物质也可被降解，在脱氢酶的作用下形成婚烃，再在双键 处形成伯醇，而后形成进步代谢。这时如果脂肪酸继续处于缺氧环境，则发生还原脱羧作用， 如果进入有氧环境则发生b 氧化。如下所示： 眦h ：c h 。一r 七1 1 = c h 2 一r c 心删册i 呻r c 眦0 。 一b 氧化( 旺) 或还原脱羧作用( 缺氧) 芳香烃的降解途径：芳香烃化合物的降自 在有氧代谢时必须要有氧的参与，同时需加氧 酶的催化。其降解途径为：芳香烃在有氧参与和加氧酶的催化作用下通过烃基化形成二醇，一 般真菌类微生物将芳香烃降解成反式二醇( 具有毒性，是潜在的致癌物质) ，而细菌则将芳香烃 物质降解蒯l 颐式二醇( 无毒性) 。二醇再转化形成邻苯二酚，邻苯二酚尹抛过邻位或问位途径使 环断开，形成三羧酸循环的中间产物。如图1 2 所示： 硅 球 晨 睽 图1 2 芳香化合物被真核、原核生物降解的f 嘲 途径 芳香烃物质在厌军喊缺氧的环境下可发生厌氧刚挥，其代谢途径大致为，芳香烃化合物在 厌氧的条件下将苯环还原，然后水解开环生成羧酸，再通过未端氧化、b 氧化等使之矿化为甲 9 蹴骣罴斟illllllil 西安建筑科技大学硕士学位论文 烷和二氧化碳。 ( 2 ) 降解石油烃类化合物的微生物种类 自然界中能够降解石油烃类化合物的微生物种类有数百种，7 0 多个属，主要是细菌、真菌 和藻类等三大类型的生物，多存在于土壤环境中和水体环境中。细菌在海洋生态系统中占主导 地位，而真菌则是淡水和陆地生态系统中更重要的因子”，表1 4 列出了降解石油烃化合物的 微生物属名。 水环境中能较好地降解石油烃的细菌有假单孢菌属、无色杆菌属、节杆菌属、微球菌属、 诺卡氏菌属、不动杆菌属、短杆菌属、棒杆菌属、黄杆菌属。真菌有假丝酵母菌属、红酵母菌 属、掷孢酵母菌属等。在受污染的水体中除细菌和酵母菌外，还有许多丝状菌。在土壤中，真 菌的种属比细菌多，土壤中主要降解石油烃的降解菌除e 述水体中的菌外，还有分枝杆菌属。 藻类也是降解石油烃污染物的微生物种群之一，如颤藻属( o s d l l a t o r i a ) 等“1 。这些藻类能对多 种石油烃进行降解，包括苯、酚和萘等。 自然环境中的微生物极其丰富，但没有受石油污染前，其自然群落结构或微生物种群并不 适合石油污染。当其生存环境被污染后，微生物群落结构会发生变化，能适应石油污染的种群 继续发展或可以更好地发展种群，但是一些不能适应石油污染的种群可能会受到抑制，或被完 全淘汰。降解石油烃类化合物的能力依赖于微生物群落和种属组成。s o n g 等人【4 ( 1 9 8 6 ) 研究 1 0 曲安建筑科技大学硕士学位论文 发现在长期受到苯污染的土壤中，加入的苯有8 0 被细菌降解，2 0 被真菌降解。大量研究表 明，当菌群处于石油污染环境中时，利用烃类化合物的微生物数量急剧增长。a t l a s ( 1 9 8 1 ) 报道在正常环境下降解菌般只占微生物群落的l 。而当环境受到石油污染时，降解菌比 例则提高到1 0 。s o n g 等( 1 9 9 0 ) ”3 发现石油污染使降解菌所占比例超过了9 0 。 ( 3 ) 影响石油烃类化合物的微生物降解的环境因素 在自然环境中，石油烃类降解与否以及降解速度都是与其所处环境密切相关。 石油烃类化合物在环境中的状态对其在环境中的降解有重要的影响，在环境中呈水溶状态 的石油烃类化合物更容易被降解，如果不是呈水溶液状态，微生物则很难直接与石洫陉类化合 物的分子接触，如固体的芳香烃化合物。没有溶入水中的石油烃类化合物，只有在油与水的界 面处的化合物分子才能与微生物细胞接触，再加上不同表面的表面张力的影响等，可被降解的 几率就小了很多“。如果某种石油烃类化合物在很低的温度下仍呈水溶状态，则这种化合物的 降解将是比较容易的。但石油烃类化合物在很多情况下是不可能成为水溶性物质的，即总是以 油珠或油滴的形式存在于环境水体中，在水中会形成油水界面，而微生物只能生长在水溶性的 环境中，降解石油烃类化合物的微生物正是在这一油水界面上降解石油烃类化合物的“。降解 速率与油水界面的面积密切相关，油在水中形成油滴的大小与石油烃类物质自身的理化特征有 关，也与其多少有关，形成油滴的大小，决定了单位物质的表面积，如果表面积越大则油水界 面越大，受微生物作用的可能洼也越大，就越容易被降解。分散油滴就可增大油滴的表面积， 机械力就可以使油滴破碎而变小，但不稳定，分散的效果也不太好，将油滴乳化，可以使油形 成很微小的油颗粒，且能形成稳定的分散状态，这种分散的油颗粒可以在水中运动，更容易与 水中的氧气和微生物细胞接触，虽然仍然是呈油颗粒状态，但这时已经取得极大的表面积。能 产生生物乳化剂的微生物正是利用乳化剂增大油水界面的面积而 足进微生物对烃类的降解，也 可将乳化剂使用到石油烃类化合物的生物降解处理中“8 。 石油烃类物质在环境中的物理状态主要受温度的影响，也就是说温度通过影响石油烃类化 合物的状态，间接地影响烃类物质的生物降解。然而，温度的影响还不只限于此，温度对石油 烃类化合物的降解还有更直接的作用，如对微生物活性的影响，对微生物种类的影响。有研究 表明“”，在环境温度为2 5 。c 时，石油烃类化合物的降解速率是5 c 时的降解速率的1 0 倍左右， 温度变化显著地影响微生物对烃类化合物的降解速率。例如汽油在2 0 。c 1 付碱得快速氧化，而 当温度下降至5 c 时，汽油就几乎不能被分解。石油烃类的微生物降解可在很大的温度范围内 发生，既有嗜冷微生物，又有嗜热微生物，而主要的则是中温微生物，在0 。c 7 0 。c 的环境中 均发现有降解石油烃类的微生物，大多数微生物在常温下较易降解石油烃类，甚至在更低的温 度条件下，都有嗜冷菌可以降解石油烃类化合物，只是降解速率很低，这些微生物各自的温度 适应范围是不可以改变的，如嗜冷微生物不能在高温条件下降解石油烃的，反之亦然。适应不 同温度范围的微生物总是分布在合适的地区或者分布带。温度的季节性变化对微生物的降解也 西安建筑科技人学硕士学位论文 有重要的影响，温度的季节变化会使微生物的种群结构发生变化，在某一环境中，降解石油烃 类化合物的微生物种群的大小会随温度的季节变化而变化，另一方面，优势种群也会发生变化， 或者至少是不同优势种群