（环境工程专业论文）采油废水高效处理菌株的选育及其降解能力研究.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 根据盐度抑制的动力学原理，设计了进水盐度的对数值与驯化时间成正比的配水 方法，并用于驯化生活污水处理厂的活性污泥。在处理c o d 为3 5 0 6 4 0 m g l ，石油类 为1 0 5 2 1 4 m gl 1 ，总盐度为2 7 4 3 1 8 9 l _ l 的高盐度采油废水时，当h r t 为4 8 h 时， 新方法驯化的污泥对c o d 和石油类去除率分别为8 2 3 和6 9 2 ，高于传统方法驯化的 污泥的7 2 4 和6 7 8 。新方法驯化的污泥中，9 8 6 的好氧菌和8 2 4 兼性菌能够适 应废水环境，而传统方法驯化的污泥中好氧菌和兼性菌的废水适应率分别为9 0 7 和 7 3 2 。 以采油废水中的有机物为唯一碳源，从驯化过的污泥和土著细菌中筛选出兼性耐 盐除油菌株a 1 9 、a 2 8 、a 3 1 、a 3 2 、a 5 2 、a 5 4 、1 6 # 、t s 6 、t s l 0 、t s l 2 、b 4 、b 7 、b 1 0 和b l l ；筛选出好氧耐盐除油菌株0 2 、0 4 、0 6 、0 7 、0 1 3 、0 2 2 、d 2 、d 3 、d 1 0 和m 3 。 当反应时间为4 8 h 时，兼性菌的石油类去除率为2 1 6 4 7 4 3 ，c o d 去除率为3 5 6 7 9 6 2 ；好氧菌的石油类去除率为6 5 4 1 3 1 2 ，c o d 去除率为1 1 3 3 2 1 7 3 。 筛选得到的菌株经过诱变后处理采油废水，当反应时间为4 8 h 时，兼性细菌的石 油类去除率为5 2 1 4 7 3 7 ，c o d 去除率为1 2 2 7 8 1 1 2 ，其中，a 2 8 的处理效果 最好，石油类和c o d 去除率分别为3 7 7 1 和6 3 3 1 ；好氧细菌的石油类去除率为 3 6 5 2 8 1 2 ，c o d 去除率为4 5 5 3 5 3 9 ，其中，d 3 的处理效果最好，石油类和 c o d 去除率分别为2 5 7 2 和3 1 0 4 。综合诱变效果，选择兼性除油菌a 2 8 、a 3 2 、a 5 2 、 1 6 # 、t s 6 和好氧除油菌0 1 3 、0 2 2 、d 2 、d 3 的诱变子代为高效除油菌株。经鉴定，它 们分别属于盐厌氧杆菌属( 肋j d a 册凹d 6 a c 芒p ，妇矽彻d 施忽- 9 蚴、邻单胞菌属( 用p s j 蝴s 胁夙鲫d 5 动曲盯t 刚、链球菌属( 5 缸印芒d c d c c 搬) 和芽孢杆菌属( 助c f j u s 幻概j 占刀) 。 高效除油菌处理采油废水的试验显示，处理时间为1 4 4 h 时，去除率最大。此时， 兼性菌的石油类去除率为2 5 0 7 5 2 0 9 ，c o d 去除率为3 2 4 0 9 6 8 7 4 4 ；好氧菌的 石油类去除率为1 3 1 l 2 4 2 8 ，c o d 去除率为2 0 1 7 3 1 0 4 。将兼性菌株a 2 8 、 a 3 2 、a 5 2 、1 6 # 、t s 6 等量混合得到混合兼性菌，其石油类和c o d 去除分别为9 4 3 4 和9 2 3 4 ；将各好氧菌株0 1 3 、0 2 2 、d 2 、d 3 等量混合得到混合好氧菌，其石油类和 c o d 去除分别为3 1 8 3 和3 7 0 6 。 好氧菌a 2 8 联合兼性菌d 3 处理采油废水时，先兼性再好氧的方法对废水中石油 类和c o d 的去除率分别为5 8 4 4 和8 5 9 6 ，先好氧再兼性的方法对废水中石油类和 c o d 的去除率分别为9 2 8 5 和9 4 4 1 。混合好氧菌联合混合兼性菌处理采油废水时， 先兼性再好氧的方法对废水中石油类和c o d 的去除率分别为6 2 0 7 和8 4 9 3 ，先好氧 再兼性的方法对废水中石油类和c o d 的去除率分别为9 3 4 4 和9 3 5 2 。 混合高效菌株处理模拟废水的试验表明，污水中石油类物质的浓度会影响微生物 对石油类的去除率。污水中石油类含量分别为1 4 6 3 m g 几、2 0 1 4 m g 几、2 6 8 4 m g l 、 4 2 9 6 m g l 和5 7 3 9 m g l 时，混合兼性菌对石油类的去除率分别为7 2 2 5 、8 9 8 2 、 9 6 6 5 、8 1 3 4 和7 8 7 1 。污水中石油类含量分别为2 2 5 0 m g l 、3 0 0 1 m g l 、 4 3 3 2 m g l 、6 1 2 0 m g l 和7 3 0 3 m g l 时，混合好氧菌对石油类的去除率分别为2 6 8 4 、 2 5 4 7 、3 0 8 1 、5 5 9 5 和4 6 0 8 。 关键词：高盐度采油废水生物处理高效耐盐细菌筛选 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ed y n a m i 镐0 fs a l i n i t yi i l l i i b i t i o n ，an e wm e t h o do fs l u d g ea c d i m a t i o ni n w h j c ht h es m i n j t yw 弱i l l c f c 雒e di n1 9 9 撕t h l n i cm o d cw 鹬p f o p o s c d ac t 豫s tc x p e f i m 髓t s w 硒m a d et 0a c c 王i m a t es l u d g ew i t hh i g hs a l i n i t yw a s t e w a t e r t 1 l cq u a l i t yo ft h em w w 硒t e w a t c ri s 勰f o l l o w ：s a l tc 0 n t e n tw 懿啪g c d 五r o m2 7 4t 03 1 - 8g kt h ev a l u eo fc o d 姗g c d 缸臌3 5 0 t 06 加，t h ep e t r o l e u mh y d r o c a r b o nw a sl o 5 m g l w i t ha 瑚玎o f4 8 h ，t h e s l u d g cd o m e s t i c a t e di i lt h en e w m e t h o dh 弱ac o dm m o v a lr a t eo f8 2 3 ，锄dap e t r o l e u m h y d r 0 翻d 帕nr c m o v a lm t eo f6 9 2 ，w h i l et h es l u d g ed o m e s t i c a t e di nt h et m d i t i o n a lm e t h o d h 勰ac o dr e m o v a lr a t eo f7 2 4 觚dap e t r o l e u mh y d r o l c a l r _ b o n 他m o v a lr a t eo f6 7 8 c o m p a l i n gw i t ht r a d i t i o n mm e t h o d ，9 8 6 o ft h e r o b i cb a c t e r i u m 觚d8 2 4 o ft h e 觚a e r o b i cb a c t e r i u mi nt h es l u d g cw r h i c ha c c l i n l a t e db yt h en e wm e t h o dc a na d o p t et 0t h eh i g h s a l i n i t yw 猫t e w a t e r w b i l et h i sn u m b e r o ft h es l u d g ea c c l i m a t e db yt h et r a d i t i o n a lm e t h o da r c 9 0 7 柚d7 3 2 o i lr e m o v a lb a c t e r i aw e r es c r e e no u tf 硒mt h ea c c l i m a t e ds l u d g eu s i n gp e t r o l c u m h y d m c a r b o n 弱t h es o l ec a r b o ns o u r c e t h ea n a e r o b i co i lr e m o v a lb a c t e r i u ma r ea sf o l l o w ： a 1 9 ，a 2 8 ，a 3 1 ，a 3 2 ，a 5 2 ，a 5 4 ，1 6 以t s 6 ，t s l 0 ，t s l 2 ，b 4 ，b 7 ，b 1 0 ，b 1 1 t l l l e r o b i co i lr c m o v a l b a c t e r i u ma r ca sf o l l o w ：0 2 ，0 4 ，0 6 ，0 7 ，0 1 3 ，0 2 2 ，d 2 ，d 3 a n a e f o b i co i lr c m o v a l b a c t e r i u mh 弱ap e t r o l e u mh y d r o r b o nr e m o v a lr a t er 柚g c d 劬m2 1 6 t 04 7 4 3 ，加da c o dr e m o v a lr a t er 觚g e d 舶m3 5 6 t o7 9 6 2 a e r o b i co i lr e m o v a lb a c t e r i u mh 嬲a p e t r o l e u mh y d r o c 幽nr 锄0 v a lm t cm g e d 劬m 6 5 4 t 01 3 1 2 ，锄dac o dr c m o v a lr a t e m n g c d 加m1 1 3 3 t 02 1 7 3 a f t e ra nu l t r 吖i o l e tm u t a t i o np r o c e s s ，b a c t e r i aw e r cu s e dt 0t 豫a t h i g hs a l i l l i t y w 弱t c w a t e lw 袖孤h r to f4 8 h ，觚a e r o b i cb a 锄嘶岫h 髓ap e t r o l 叫mh y d r 0 r b o nr e m o v a l r a t er 锄g e d 蠡r o m4 7 3 7 t 05 2 1 ，觚dac o dr c m o v a lr a t em n g c d 蕾m m1 2 2 7 t 08 1 1 2 ， 觚da 2 8h 弱t h eb e s tp e t r o l e u mh y d r o c a f b o nr c m o v a lm t eo f3 7 7 1 ，锄dac o dr e m o v a lr a t e o f6 3 3 1 a e r o b i cb a c t e r i u mh 嬲ap e t r o l 朋mh y d r 0 c a r b o nr e m o v a lr a t e 啪g e df 如m3 6 5 t o2 8 1 2 ，a n dac o dr 锄o v a lr a t er a j l g e d 加m 4 5 5 t o3 5 3 9 d 3h a st h eb e s tp e t r o l e u m h y d r o c 曲o nr c m o v a lr a t eo f2 5 7 2 ，卸dac o dr e m o v a lm t eo f3 1 0 4 b a c t e r i u ma 2 8 ， a 3 2 ，a 5 2 ，1 6 拖，t s 6 ，0 1 3 ，0 2 2 ，d 2 锄dd 3w e r cc h o s e n 鹤t h eh i g l le 笳c i e n t l yb a c t e r i u m o fo i lr c m o v a l t h er e s u l t0 ft h ei d e n t i f i c a t i o no ft h e s eb a c t e r i u ms h o w e dt h a tt h e yb e l o n g st o 4g e n e m 弱f o l l o wr p e c t i v e l y ：胁如口万口e ，d 6 口c 五盯( 胁j 加e r d 6 昂ct 盯妇y 册d 施忽- 够切， p l e s 硒m d 托口s ( 、融e s i 嘶0 n a s 融b s8 n ds c a u b e r t i 9 6 窃。b 口c t h 伍c e n e ( 8 8 c i i i u sc o 妇1 8 z 幻观d 桂林工学院硕士学位论文 跚e p t o c o c c i 岱 n e s eh i g l ic 衔c i e n t l yb a c t e r i u mw 弱u s c dt 0 仃e a th 讪s a l i l l i t 穸w 砸t c w a t e r 舶mo i l f i e l d i i l 1 4 他，锄北r o b i cb a c t e r i u mh 勰ap 咖l 即mh y d r o c a r b o nr e m o v a lr a t cr 觚g c df 幻m 2 5 0 7 5 2 0 9 ，锄dac o d 舢0 v a lr a t er 觚g c d 劬m3 2 4 0 8 7 4 4 ，a e r o b i cb a c t e r i u m h 觞ap e t m l 即mh y d r o c a f b o n 他m o v a lr a t er a n g c d 舶m1 3 1 1 2 4 2 8 ，a n dac o d r e l n o v a lm t e 珊g c d 舶m 2 0 1 7 3 1 0 4 w h 蚰m i ) 【e dt o g c t h e r ，a n a e r o b i ch i g l le f f i c i e n t l y b a c t 嘶u mh 嬲ah i g h e rp e t m l 即mh y d r o c a r b 恤他m o v a lr a t eo f9 4 3 4 ，锄dac o dr c m o v a l m t eo f9 2 3 4 ac o m b i i l e dt r e a t m e n tp r 0 c c s si n c l u d i n g 觚a e r 曲i cl l i g l le f ! f i c i e n t l yb a c t e r i u ma 2 8 觚d r o b i ch i g l ie f ! 丘c i e n t l yb a c t e r i u md 3w e 陀u s e dt 0t r e a tl l i g h s a l i i l i t yw 弱t e w a t c r a n 她觚r o b i cb e f o r ea e r o b i cp r o c c s sh 弱ap e t i o l e u mh y d r o c 甜b o nr e m o v a lr a t eo f5 8 z m ，锄da c o dr e m o v a lr a t c0 f8 5 9 6 ，、l l i l c 觚r o b i cb e f b 聆锄a e r o b i cp r o c e s sh 弱ap e t r o l e u m h y d r o 铋r b o n 托m o v a lr a t eo f9 2 8 5 ，甜l dac o d 他m o v a lr a t eo f9 4 4 1 ac o m b i n e d t r c a t m e n tp r o c c s si n d u d i n g 觚a e r o b i ch i g he 笳c i e n t l yb a c t e r i u mm i x t u r ea n da e r o b i ch i 曲 e 笳c i e n t l yb a c t e r i u mm i x t u r cw 舔u s e dt 0t r e a th i g hs a l i n i t yw 弱t e w a t e la n a n a e r o b i cb e f o r c a e r o b i cp r o c e s sh 硒ap e t r o l e u mh y d r o c a r b o nr e m o v a lr a t eo f6 2 0 7 ，锄dac o dr e m o v a l r a t eo f8 4 9 3 ，w h i l e 柚a e r o b i cb e f o r c 觚r o b i cp r o c e s sh 弱ap e t r o l e 呦h y d r o r b o n r e m o v a lr a t eo f9 3 4 4 ，柚dac o dr c m o v a lr a t eo f9 3 5 2 t 1 l er e s u l to fat r e a t m e n tp m c c s so fa n i f i d a lw 舔t e w a t e rs h o wt h a ta n r o b i ch i g h e f l f i c i e n t l yb a 戗e r i u mm i x t u 陀h a st h ep e t m l e u mh y d r o c a 加nr e m o v a lr a t ea t7 2 2 5 ，8 9 8 2 ， 9 6 6 5 ，8 1 3 4 如d7 8 7 l w h i l et h ec 0 n c e n t r a t i o no fp e t r o l e u mh y d r o c a f b o ni s1 4 6 3 m g 几 2 0 1 4 m g 几2 6 8 4 m g 儿4 2 9 6 m g l 如d5 7 3 9 m 啦t h e r o b i ch i g l le f ! f i c i 饥t l yb a c t e r i u m m i x t u r eh 硒t h ep e t r 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延长，尤其是到了油田开发的中后期，采出原油的含水量将越来越高，分离后产生大 量的采出水将大大超过注水量的需求，剩余的采油废水必须排入环境，若不进行有效 的处理将会造成污染。 1 1 2 高盐度采油废水的主要特征与危害 当石油工业的含油废水中残油的浓度大于1 0 0 p p m 时，可以很有效地采用重力分 离器从污水中回收口一1 。但是，当石油的浓度小于这一浓度时，这些不能回收的石油 就需要进一步处理。残存的石油主要由烷烃、芳烃和多环芳烃组成，这些成份可长期 存在于环境中，属于难降解有机物。 另外，采油废水成分复杂还具有高盐度的特性。通常情况下，在油藏原生水中含 有盐，有的油田原生水矿化度也很高。另外，一些海上油田直接抽取海水作为注入水， 在采油过程中，为了减少体积，采出水往往被浓缩，从而使得废水中盐度较高。 由于石油中的有机化合物不易被微生物降解，排放到水体等自然环境中后不易通 过天然生态系统降解而逐渐减少其含量。因此，它们会在水体、土壤等自然介质中不 断积累，然后通过食物链进入生物体并逐渐富集，最后进入人体。由于其对生命体具 有毒害以及致畸变作用，必然长久的危害人体健康。石油烃类物质对人体健康的危害 有以下不同的类型： ( 1 ) 急性中毒：与污染物接触后，很短时间即能产生明显的致毒作用。 ( 2 ) 慢性中毒：或称蓄积中毒，是指生物体与此类有机物反复接触，使体内此 类有机物的浓度蓄积到某一阈值，显示出毒性。如氯仿、四氯化碳、多环芳烃等进入 人体后，会对肝细胞引起化学损伤，从而使肝脏组织出现变性坏死。 ( 3 ) 潜在毒性：某些石油类有机物可能导致长远的遗传影响，对生物体细胞产 生不可逆的改变。常可诱发癌症、畸形、突变等效应，对人类产生严重的危害。 经过油水分离器分离得到的废水中，残存着作为石油组分的多环芳烃( p a i d ) 类物 桂林工学院硕士学位论文 质，它们具有强烈的“三致 作用。随着苯环数量增加，其脂溶性增强，水溶性降低， 在环境中残留时间延长，遗传毒性增高，其致癌性随着苯环数的增加而增强，能通过 食物链在动植物体内逐级富集，最终影响到人类的安全。美国环保局在2 0 世纪8 0 年 代初把1 6 种未带分支的多环芳烃确定为环境中的优先污染物，我国也把多环芳烃列 入环境污染的黑名单中h 1 。因此，寻找有效的方法对高盐度采油废水进行处理是十分 必要的。 1 2 高盐度采油废水的处理概述 高盐度采油废水的处理方法主要分为物理法、化学法和生物法三类。 1 2 1 采油废水的物理化学处理 物理化学法通常用于采油废水的处理或预处理。它既可降低有机物的浓度，又可 改善其生物降解性，为后续的生物处理创造条件。部分采油废水也同时含有很高盐量 或具有很强的酸碱性，这类废水通常通过物化技术实施处理陌1 。 ( 1 ) 吹脱：即在常温常压或减压，或升温减压等条件下，通过吹脱去除有机物。 一般来说，低沸点、高挥发性的有机物易被吹脱，但应注意不能造成对周围大气的污 染或引起爆炸，应利用冷凝法回收吹脱的污染物。在采用活性污泥法处理废水时，有 机物也可能因为曝气而被吹脱去除。 ( 2 ) 化学氧化：即在强氧化剂，如臭氧、过氧化氢等的作用下使有机物氧化分 解，有时需要投入催化剂以加速其氧化分解过程。这类净化方法一般需要较大的运行 费用。 ( 3 ) 吸附：即通过某些介质的表面对有机物的吸附作用将污染物从水中除去。 一般可在恒温条件下测定单位质量活性炭对有机物的吸附量，以判断该有机物的可吸 附性。 ( 4 ) 萃取：溶剂萃取法是湿式冶金中的成熟技术，是利用溶质在两种互不相溶 的液相间分配性质的差异实现液、液间的传质过程。 针对石油工业的采油废水中残存的以烷烃、芳烃和多环芳烃为主的难降解有机 物，以上方法往往成本高昂难以在实际中运用。 1 2 2 采油废水的生物处理 含油废水中的石油具有水不溶性以及抗快速微生物降解的特性，但也并非不可克 服。微生物降解石油烃的研究在国外常有报道，微生物可降解所有石油组分，其难易 2 桂林工学院硕士学位论文 程度为：直链烷烃 支链烷烃 单环芳烃 多环芳烃 杂环芳烃。已知降解石油烃的微生 物共有7 0 属2 0 0 余种阳1 。生物处理技术由于生产费用低且不产生二次污染而受到关注 【7 8 】 o 1 2 2 1 采油废水的生物处理机理 在微生物降解采油废水的机理方面前人作了很多研究。最早的研究可以追溯到 1 9 世纪，到2 0 世纪初，人们已经认识到微生物对石油中不同烃类化合物的代谢途径 和机理是不同的。饱和烃包括正构烷烃、支链烷烃和环烷烃。正构烷烃首先被氧化成 醇，随后在醇类脱氢酶的作用下被氧化为相应的醛，醛则通过醛类脱氢酶的作用氧化 成脂肪酸进而被微生物利用呻1 。 相对正构烷烃而言，支链烷烃较难为微生物所降解，支链的存在增强了烷烃的抗 蚀能力，并且支链越多越大，被微生物降解的难度越大。支链烷烃的氧化还会受到正 构烷烃氧化作用的抑制。脂环烃类的生物降解是环烷烃被氧化为一元醇，并在大多数 。研究的细菌中环烷醇和环烷酮通过内脂中间体的断裂而代谢n 0 1 。 2 0 世纪中期，多环芳烃具有的强烈的致毒、致癌、致畸变作用逐渐得到人们的 认识，因而多环芳烃的生物降解机理受到人们的关注。微生物降解多环芳烃的研究很 多，对其分解的生物反应机理研究得也已经比较深入。多环芳烃的分解分为有氧和无 氧两种方式。有氧分解中，多环芳烃降解的第一步是苯环的裂解，把两个氧原子加到 底物中形成双氧乙烷，进一步氧化成顺式双氢乙醇，双氢乙醇可继续氧化为儿茶酸和 龙胆酸等中间代谢物，接着苯环断开，产生琥珀酸、延胡索酸、乙酸、丙酮酸和乙醛， 并最终完全降解。而在反硝化的条件下，多环芳烃可以发生无氧降解，以硝酸盐或硫 酸盐作为电子受体口1 。 1 2 2 2 采油废水的生物处理技术进展 一般情况下，微生物在利用有机物作为碳源和能源的过程中，可以有效的将有机 物分解稳定。而很多石油类有机物仅在地壳深处，地表生物圈内的微生物并不具备相 关的酶系统可以利用这些有机物。但采用生物方法处理石油类有机物的可能性是确实 存在的。首先，某些石油类有机物具有与天然有机物相类似的化学结构，使微生物能 够对其发生作用；其次，虽然对于每一种反应都有专一性的酶，而酶的专一性却不是 绝对的，它可以作用于一定范围的基质。因此，由于其可变异性和可适应性，微生物 具有强大的有机物降解能力n 。 3 桂林工学院硕士学位论文 ( 1 ) 采用兼性预处理改善有机物生物降解性能 石油类有机物经过兼性酸化预处理可以改变其化学结构，使生物降解性能提高， 为后续的好氧生物降解创造良好的条件。近年来有关兼性微生物代谢的研究表明n 2 1 3 1 ， 兼性微生物具有某些脱毒和利用石油类有机物的性能，而且还可进行某些在好氧条件 下较难发生的生物化学反应，如多氯芳烃的还原脱氯，芳香烃及杂环化合物的开环裂 解等。而对于杂环化合物及多环芳烃，在好氧条件下环的裂解是整个生化反应的限速 步骤。因此，上述研究成果无疑给杂环化合物及多环芳烃的降解提供了可能性。已有 许多研究证明了兼性酸化好氧工艺在处理采油废水方面的有效性，通过利用兼性微 生物和好氧微生物之间的互补作用，达到去除石油类有机物的目的。 ( 2 ) 固定化生物催化剂技术 固定化微生物技术用于废水处理是近年来发展起来的废水处理新技术。具有可在 反应器内保持高生物浓度，反应启动快，处理效率高，操作稳定，产泥量少，固液分 离简单等一系列优点。固定化技术用于难降解有机污染物的治理，还具有其独特的性 能，即固定化细胞对有毒物质的承受能力和降解能力都明显增强。因而，该技术在石 油类有机污染物治理中越来越受到关注。尽管固定化方法多种多样，但没有一种是理 想的、普遍适用的方法。化学固定法( 包括化学交联法和共价结合法) 涉及细胞的化 学修饰，化学试剂的毒性对细胞会有损害，所以不适用于制备固定化活细胞。但由于 细胞与细胞或细胞与载体间的结合力强，所以操作稳定性高。交联法和聚电解质复合 包埋法的突出优点是可以获得很高的细胞密度，但由于缺乏良好的机械强度，而不能 得到广泛应用。载体结合法( 除共价结合法外) 的固定操作简单，条件温和，且载体 可再生，但细胞与载体之间的结合力较弱，所以操作稳定性不好。微液囊法的条件温 和，且具有可逆性，但微液囊较脆，因而难以在实际中获得应用( 可用于医疗诊断和 化学分析) 。半透膜法( 包括膜包埋和膜分隔) 集反应和分离子一体，膜表面较大， 又具有选择性，因而具有很大潜力。但膜的性质、膜反应器的设计与操作运行等方面 还存在许多问题。包埋法有较好的综合性能，催化活性保留和存活率都较高，且包埋 体在反应工程( 包括反应器的设计、操作稳定性等) 中应用灵活。因此，包埋法成为 整个固定化生物催化剂技术中应用最为广泛的固定化方法。但是，包埋载体的扩散阻 力较大，使细胞的催化活性受到限制，且不适用于涉及大分子物质的反应n 4 阍。 ( 3 ) 采用共基质条件改善石油类有机物去除效果 微生物共基质条件下的共代谢机理的概念最早由b e t t c r 于1 9 5 9 年提出，研究中 他发现甲烷生长菌em e t h 蛆i 能将乙烷氧化成乙醇、乙醛，而不能利用乙烷作为生 长基质的现象，作者将这一过程称之为共氧化( c c 帕x i d a t i o n ) n 帕，即在生长基质的存 在下对非生长基质的氧化。后来j 如s o n 将其概念进行了扩展，称之为共代谢 4 桂林工学院硕士学位论文 ( c 0 m e t a b o l i s m ) ，它包括了氧化过程和还原过程( 如微生物的脱氯过程) ，不仅指生 长基质存在时繁殖细胞对非生长基质的利用，而且还指生长基质不存在时休眠细胞对 非生长基质的转化。根据微生物共代谢理论，许多单独存在时难于被微生物降解的有 机物，在与易降解有机物共存时，通过微，物的共代谢作用，是可以被降解的。因此， 可以在含有较多采油废水中加入一些易降解有机物，形成共基质条件，从而提高生物 处理过程对石油类有机物的去除效果n 7 j 钔。 有研究表明，在c 元素充分的含油废水中，n 、p 等营养元素的缺乏是限制石油 烃降解速率的重要因素。维持营养元素的均衡对加快降解速率、提高去除率具有正面 效应。美国一家公司开发出能够与石油和可降解石油的土著微生物结合的微生物促进 剂，吸附原油的同时，补充微生物缺乏的营养元素，加速细菌对石油的分解，并且不 会因为喷洒高效菌而造成生态平衡的破坏n 引。也有报道称，n 、p 等营养元素能促进高 盐度下微生物对石油烃的降解率。在盐度高于海水4 倍的泥土中，微生物对石油污染 物的矿化速率受到抑制；如果适当的补充n 、p 等营养盐则可加速高盐度环境下细菌 降解石油速率的效果啪，。 ( 4 ) 利用筛选、驯化得到的细菌处理采油废水取得了良好效果 由于油田废水具有成分复杂、水温高、矿化度高、可生化性差等特点，使微生物 法处理油田废水具有一定的难度，因而需要筛选耐高温耐高盐的高效分解石油的菌 种。有研究针对胜利油田采油废水的特点，从石油污染的土壤和水体中筛选出降解石 油的高效菌株，并应用试验室模拟试验研究了所筛选降石油菌株处理采油废水的效 果。试验证明，经过筛选可得到具有较好的耐温、耐盐性且能够快速生长的菌株，并 且证明了菌株之间存在协同效应，取得了近6 5 的除油效果乜。利用嗜盐菌降解含盐 有机废水，可以避免将盐度稀释或利用反渗透离子交换或电渗析等方法消除盐所需的 昂贵费用。 通过对微生物驯化，可以提高微生物对高盐度的抗性，进而培养出具有抗高赫度 特性的石油降解菌，将这些耐盐菌用于工业污水的处理，取得了近8 0 的c o d 去除盔 髓羽。目前，有关石油及其产品的微生物降解方面的研究广泛开展，并已经分离筛选出 多种能够降解原油的菌种。土壤和海洋中的微生物对烷烃类的分解途径主要是通过生 物氧化反应。主要有单末端氧化、双末端氧化和次末端氧化几种。石油烃中正构烷烃 最易被微生物分解，氧化后生成脂肪酸类有机酸，造成污水的p h 值小幅下降盈引。有 的研究采用柴油为反应底物，通过气相色谱仪观察海洋微生物对石油烃的降解，同洋 发现正构烷烃是最容易被微生物分解的，但要达到较高的分解率，则需要逾2 0 天i ：勺 时间嘲】。 桂林工学院硕士学位论文 1 2 2 3 高盐度采油废水生物处理效果的影响因素 ( 1 ) 生物体的因素 影响细菌对石油的分解效率的因素很多，其中最主要的是分解生物本身。主要影 响因素是微生物的种类、数量以及微生物是否具备分解该种有机物的酶系统。由于石 油类有机物的降解过程较长，其中会有中间产物的生成。因此，系统中还必须有具备 分解各种中间产物的酶系统的微生物，即要求有各种微生物共存的微生物群体。自然 界固有的微生物往往不能降解人工合成的复杂的有机物，但通过进行适当的驯化培 养，使微生物进化出适宜的酶系统以降解特殊的污染物，并筛选优势菌种进而获得分 解该污染物的高效菌株。这已经逐渐成为一个被广泛接受的做法，而且有很多成功的 先例并运用于工程。另外，分子量大、结构复杂的合成有机物往往需要多种微生物的 协同、多步代谢才能获得最佳的降解效果，这样的微生物群体配比也需要精心调节。 单位体积内的微生物数量也对有机物的分解效果起着重要作用。 ( 2 ) 基质的因素 除分解生物本身的效能外，还有许多因素会影响到生物降解石油类有机物的速度 和效果。关系比较密切的有待降解物质的性质，物理状态和不同污染物之间的浓度比 例等等。 作为基质的有机物化学组成与分子结构，对生物降解性能有着决定性的影响。与 生命物质的分子结构越是类似的有机物，越容易被微生物降解。己有的经验表明，脂 肪族化合物一般较芳香化合物易被生物降解，分子量大的聚合物一般具有抗生物降解 的特性，不饱和脂肪族化合物一般易被生物降解，但主要分子链上如有碳原子以外的 其它原子，其生物降解性可能降低。分子的排列、官能团的性质和数量等都会影响其 生物降解性能，叠伯醇、仲醇易被生物降解，而叔醇却抵抗生物降解。化合物上有羟 基或胺基取代后，其生物降解性会有改善，而卤代作用能使生物降解性能降低。有机 物降解菌主要生长在油一水界面上。在污水中有机物能否散开成为薄膜，微生物利用 的表面积能否无限增大，都关系到降勰效果。有机物的浓度与其对微生物的毒性密切 相关，浓度高时会抑制微生物的活性，甚至造成中毒，从而影响降解率。但如果污染 物浓度过低，则可能由于缺乏底物诱导作用啪1 ，使降解反应速率慢、效果差。对于石 油含量在1 0 0 pp i n 以下的采油废水这一影响因素值得注意啪】。 ( 3 ) 与环境有关的因素 污染物所处的无机环境如温度、p i 值、溶解氧、营养元素、有毒物质等所有影 响微生物生命活动的环境因素，对有机韧生物降艇性都会产生影响。 一些研究者；旨出，缺乏无机营养物氨、磷是影响水环境中生物酶樨速率的重要因 素。微生物生长代谢需要一定数量和比铡的营养元素，这些元素必须保持一定亡，j 数量、 6 桂林工学院硕士学位论文 形式和比例才能维持分解菌的正常快速生长。这些元素包括n 、p 、k 、n a 、s 、c a 、m g 、 m n 、z n 和c u 等。在含油污水中通常有机碳含量较高，而n ，p 相对缺乏。因此，n 和 p 是常见的石油生物降解的限制因素。添加适量n 和p 可以促进生物降解。有研究表 明，添加n 、p 等营养盐可以提高石油分解菌的耐油性及对石油烃的降解作用，还具 有解除多环芳烃对烷烃降解酶的抑制作用的功能口7 1 。 采油废水往往具有高盐度、高矿化度的特征。盐度或矿化度越高，水的活性随之 降低，一些金属离子例如n a + 或c a 2 + 等将对微生物的生理活动造成干扰，严重的会造成 微生物质体的脱水、细胞中毒乃至死亡汹1 ，不利于微生物对石油的分解过程。许多研 究表明，石油烃的生物降解和盐度之间存在相反的关系嘶3 。盐度的抑制对高盐度含油 工业废水的生物处理造成了一定的难度。目前，处理高盐度废水的主要方法是对微生 物进行耐盐驯化，得到耐盐菌株啪1 。 环境温度可影响微生物的生理活动，从而影响石油的降解速率。在一定温度范围 内，生化反应遵循的一个总原则就是反应速度随温度升高而升高。微生物的分解活动 需要酶的参与，酶活性的发挥都有一个适宜的温度范围。对于普通的细菌来说，最适 温度一般在1 5 3 0 之间汹】。然而，采油污水由于其特殊的工艺背景，温度高于这一 范围。一旦超过了生物酶的失活温度上限，反应将无法进行。另外，温度还直接影响 油的物理状态和化学组成。随着温度升高，烃的膜毒性增大，而低温下油膜粘度升高， 微生物活动受到抑制，生物降缓慢。此外，生物处理系统采用的生物体平均停留时间 ( 污泥龄) 也很重要，必须采用足够长的污泥龄，才有可能使所有需要的微生物保留 在系统之中。 总之，在海洋石油资源大规模开发，并且海洋环境保护日益受到重视的今天，高 盐度采油废水的生物处理技术备受关注，是科学研究的一个热点，并取得了许多成果。 但是，目前的研究大多着眼于生物修复被原油污染的土壤和海洋，主要研究手段是筛 选可降解石油烃及其相应化合物的微生物，从海水或土壤直接分离出可以降解石油的 细菌。大量利用生物技术育种的研究并不多见，微生物的除油潜力尚未得到深入的挖 掘。 本研究的目的是选育用于生物处理采油废水的高效耐盐除油细菌。试验中将采用 采油废水分别驯化活性污泥和一些野生耐盐细菌，筛选得到耐盐除油细菌后，对优势 菌群进行育种试验，以获得高效耐盐除油细菌。随后将这些高效细菌用于处理采油废 水的试验，还将对这些细菌的除油和除c o d 能力进行测试。 7 桂林工学院硕士学位论文 第2 章试验研究的目的、内容和方法 2 1 本试验研究的来源目的和意义 2 1 1 试验研究的意义 地球上海洋总面积为3 6 2 亿平方公里，占地球星表总面积的7 1 。海洋具有极 其重要的生态作用：海洋中的绿藻是大气层氧气的主要生产者之一，同时也是温室气 体二氧化碳的主要消耗者之一。海洋拥有许多陆地上没有的动、植物，且种类比陆地 更多，是地球上物种最丰富的生态系统，是一旦破坏就无法再生的生态资源。随着人 口的增加和工业的发展，人均耕地面积正在逐渐缩小，全世界都在关心地球如何养活 人类的问题。海洋中蕴藏着丰富的生物资源，不仅可以建立海上农牧场进行海水养殖， 而且还有许多有待于我们去开发的用途。海洋每年可向人类提供3 0 亿吨水产品，以 2 0 0 0 年时全球人口达到6 3 亿计算，每人每年平均可得4 7 6 千克，每月3 9 千克。单从 蛋白质产量看，海洋每年能生产蛋白质约4 亿吨，约为目前人类对蛋白质需要量的7 倍。上世纪末，海洋水产品产量已达7 3 0 多万吨，成为重要的人类食物来源之一h3 刳。 随着石油的紧缺，海洋石油的开采规模不断扩大，上世纪末，海洋石油年产量达 3 0 亿吨，占世界石油总产量的5 0 。海洋石油开采排放的大量采油废水正严重威胁着 海洋的生态安全以及人类的食品安全，严重制约人类的可持续发展。因此，研究以采 油废水为代表的高盐度采油废水处理方法，不仅有理论意义，而且有实际应用价值。 2 1 2 试验研究的目的 涠洲岛终端处理厂占地3 0 万m 2 ，主要集原油脱水稳定、轻烃回收、天然气污 水脱硫、污水污泥处理、产品存储装船、天然气发电、集中供热等功能于一体。该工 程处理能力为原油2 3 0 万吨年，天然气4 3 万立方米日，予1 9 9 9 年1 0 月1 5 同正式 投产。涠洲岛终端处理厂污水处理设施采用a b r s b r 工艺，每天处理采油产生的废水 2 0 0 多吨，处理效果达到国家标准。 为进一步解决高盐度采油废水的实际处理中遇到的污泥驯化耗时长、菌种容易褪 化和石油粪污染物质难以彻底降解的问题，同时优化驯化效果、提高处理效率，本研 究拟对高盐度环境对活性污泥驯化的影响规律进行研究，并通过驯化活性污泥和野生 耐盐细菌，利用生物技术方法筛选能够耐受高盐度环境的高效除油细菌。 2 1 3 项目来源 8 桂林工学院硕士学位论文 本项目由广西自然科学基金资助项目( 桂科青0 5 4 2 0 0 7 ) 和广西教育厅科研项 目( 桂教科研 2 0 0 4 2 0 ) 联合资助。 2 2 试验研究的内容 试验的主要内容有： ( 1 ) 菌源的选取与采集：选取生活污水处理厂的活性污泥以及受到石油污染的 海滩、土壤作为菌种来源，根据这些菌株对高盐度以及石油毒害的耐性，分别驯化。 ( 2 ) 菌种的原水适应性驯化：使用从炼油厂采集得到的高盐度采油废水作为培 养基质，通