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固定化混合菌处理高盐含油废水 * 李艳红1， 2李英利1解庆林3游少鸿1赵楠婕1曾鸿鹄1 1. 桂林理工大学环境科学与工程学院， 广西 桂林 541004;2. 广西环境工程与保护评价 重点实验室， 广西 桂林 541004;3. 贺州学院， 广西 贺州 542800 摘要 对固定化微生物的除油性能进行研究， 结果表明 以甘蔗渣和海绵为载体的固定化微生物的除油效果比游离状 态的微生物除油效果好。甘蔗渣的最佳投加量为 20 g/L 干重 ， 最佳固定化条件为 固定化时间为 36 h、 pH 为 6、 温 度为40 ℃ ， 在最佳固定化条件下菌种接入废水 24 h 后， 除油率达 62 ; 海绵的最佳投加量为 5 g/L 干重 ， 最佳固定 化条件为 固定化时间 48 h、 pH 为 7、 温度为35 ℃ ， 在最佳固定化条件下菌种接入废水 24 h 后， 除油率达 75. 8 ; 以甘 蔗渣为载体的固定化微生物在处理时间为 108 h 时， 除油率达最高为 84. 5 ， 以海绵为载体的固定化微生物在处理时 间为 96h 时， 除油率达 82. 4 。 关键词 采油废水; 吸附固定化; 固定化微生物 TREATMENT OF HIGH SALINITY OIL WASTEWATER BY IMMOBILIZED MICROORGANISM TECHNIQUE Li Yanhong1， 2Li Yingli1Xie Qinglin3You Shaohong1Zhao Nanjie1Zeng Honghu1 1. College of Environmental Science and Engineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China; 2. Key Laboratory of Engineering and Environmental Protection Assessment，Guilin 541004，China; 3. Hezhou University，Hezhou 542800，China AbstractThe oil degradation characteristics of the immobilized microorganism have been studied． It was shown that the oil removal rates of immobilized microorganism with bagasse and sponge were better than that of free microorganism． The optimal immobilization conditions of the microorganism immobilized on bagasse weretime was 36h，pH was 6. 0 and the temperature was 40 ℃ and the optimal dose of bagasse was 5 g/L;under the optimal immobilization conditions，the oil removal rate was about 62 after 24 h． The highest oil removal rate was 84. 5 when treating time was 108 h． The optimal immobilization conditions of the microorganism immobilized on sponge weretime was 48 h，pH was 7. 0 and the temperature was 35 ℃ ; under the optimal immobilization conditions，the oil removal rate was 75. 8 after 24 h． The highest oil removal rate was 82. 4 when treating time was 96 h． Keywordsoil wastewater;immobilized adsorption;immobilized microorganism * 国家水体污染控制与治理科技重大专项 2008ZX07317- 02 － 03E ; 采 油废水处理系统中活性污泥的微生物生态研究 51168012 。 0引言 利用传统的生物处理技术对高盐含油废水进行 处理时， 由于废水成分复杂， 水质变化大， 处理效果受 到限制。因此， 改进的生物处理方法 固定化生物 技术成为人们关注的焦点。 固定化生物技术是 20 世纪 60 年代由生物化工 中的固定化酶技术发展起来的生物技术［1］。它是通 过采用物理或化学的手段将游离细胞或酶限定于一 定的空间区域内， 使其保持活性并可反复利用的一种 方法。与其他技术相比， 固定化生物技术又具有以下 优点 有利于提高生物反应器内微生物的浓度和纯 度， 能保持高效菌种， 稳定性强， 反应易于控制， 污 泥产生量少， 利于反应器的固液分离等［2］。因此， 近几十年来固定化生物技术得到了迅速发展和广 泛应用。 本试验从某废水处理构筑物中筛选优势菌株， 以 农业废物甘蔗渣和廉价的海绵为载体进行固定化试 验研究。 81 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 1材料与方法 1. 1优势菌株 本试验采用从活性污泥中筛选分离菌株的方法 来获得优势菌株。活性污泥取自涠洲岛废水处理站。 将本实验室筛选出的 2 株优势菌株 JZ3 和 JZ4 按 4∶ 1混合 总量为 2 mL ， 对此混合菌进行固定， 研 究其除油性能。 1. 2培养基 无机盐营养液 FeCl310 g、 KH2PO450 g、 K2HPO4 50 g、 MgSO420 g、 CaCl210 g、 MnSO40. 1 g、 NH4NO3 10 g， 搅拌待其溶解后定容至1 000 mL， 保存备用。 富集培养基 牛肉浸膏 3 g、 蛋白胨 10 g、 无机盐 营养液 1 mL、 采油废水1 000 mL， 加热溶解后， 121 ℃ 下灭菌， 备用。 1. 3吸附载体 选用两组载体来进行吸附固定化试验， 第一组载 体为丝瓜瓤、 甘蔗渣; 第二组载体为海绵、 LEVAPOR 外购载体 。 1. 4固定化微生物的制备 采用吸附固定化的方法来制备固定化微生物。 载体的预处理 第一组载体的处理方法是 将一定量的丝瓜瓤晒 干后去皮， 剪成 1 cm 1 cm 0. 2 mm 的小块 将甘 蔗渣剪成 1 cm 0. 3 cm 0. 2 cm 左右的长条状 ， 在 开水中浸 泡 30 min， 充 分 清 洗 后 在 蒸 馏 水 中 浸 泡 24 h， 期间换水若干次， 之后将丝瓜瓤小块和甘蔗渣 小块于75 ℃ 下烘干， 放入干燥器中储存备用［3］。 图 1固定化微生物的制备过程 第二组载体的处理方法是 将大块的海绵， 剪成 10 ～ 15mm 10 ～ 15mm 5 ～ 7mm 的小块 LEVAPOR 载体的规格为 14 mm 14 mm 7 mm 。 充分清洗后在蒸馏水中浸泡 24 h， 期间换水若干次， 之后将海绵、 LEVAPOR 小块于50 ℃ 下烘干， 放入干 燥器中储存备用。 取一定量的载体， 放入 50 mL 富集培养基中， 接 种定 量 的 微 生 物 菌 液，在 温 度 为 40 ℃ 、转 速 为 130 r/min的条件下， 振荡培养 24 h 后， 过滤分离， 用 生理盐水冲洗 2 次， 即得到固定化微生物 1 份， 备用。 制备过程见图 1。 1. 5固定化微生物的除油试验 1. 5. 1固定化微生物和游离微生物除油效果的对比 在 5 个装有 50 mL 实际废水的三角瓶中， 其中 1 个只接入混合微生物 混合菌的菌液总量为 2 mL， JZ3∶ JZ4 4∶ 1， 两株菌液的 OD600均为 0. 140 ， 另外 4 个分别接 入 由 1g 的 载 体 丝 瓜 瓤、 甘 蔗 渣、 海 绵、 LEVAPOR 和混合菌所制备的固定化微生物 1 份， 在 40 ℃ 摇床， 转速 130 r/min的条件下， 振荡培养 24 h， 测残液中油含量， 计算除油率。选择较好的固定化载 体， 进行下一步的研究。 1. 5. 2载体最佳投加量试验 根据已确定的吸附载体， 分别称取载体 0. 25， 0. 50， 0. 75， 1. 00， 1. 25， 1. 50， 1. 75， 2. 00 g 干重 投加到 装有 50 mL 富集培养基的三角瓶中， 接种定量的菌液， 固定 24 h 后， 把得到的固定化微生物接入 50 mL 实际 废水中， 40 ℃摇床、 转速为 130 r/min的条件下振荡培 养 24 h， 测其除油率， 确定载体的最佳投加量。 1. 5. 3固定化条件对固定化微生物除油效果的影响 采用正交试验确定固定化微生物制备过程中温 度、 pH 值、 固定化时间对固定化微生物除油效果的 影响。 温度的 3 个水平为 30， 35， 40 ℃ ; pH 值的 3 个水 平为 6、 7、 8; 固定化时间的 3 个水平为 24， 36， 48 h。 根据正交表中的试验号来确定固定化微生物制备的 条件， 将制备好的固定化微生物接入 50 mL 实际废水 中， 40 ℃ 摇床， 转速 130 r/min， 振荡培养 24 h， 测其除 油率， 从而确定固定化微生物的制备条件。 1. 5. 4处理时间对固定化微生物除油效果的影响 按确定的固定化载体、 载体的最佳投加量、 最佳 固定化条件制备固定化微生物 11 份， 将制备好的固 定化微生物接入 50 mL 实际废水中， 40 ℃ 摇床， 转速 130 r/min， 振荡培养 8， 16， 24， 36， 48， 60， 72， 84， 96， 108， 120 h 后， 测其残液中油的含量， 计算除油率， 研 究处理时间对固定化微生物除油效果的影响。 2结果与讨论 2. 1固定化微生物和游离微生物除油效果的对比 根据固定化微生物和游离状态微生物除油效果 的对照试验结果见图 2。 由图 2 可 看 出 游 离 状 态 微 生 物 的 除 油 率 为 44. 1 ， 固定在海绵、 丝瓜瓤、 甘蔗渣、 LEVAPOR 上的 固定化微生物的除油率分别为 51. 8 、 30 、 58. 8 和 46. 7 。除丝瓜瓤之外， 不论选用哪种载体， 固定 91 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 图 2固定化微生物和游离微生物除油效果的对照 化微生物的除油率都高于单独投加游离状态微生物 的除油率。这说明， 在单纯用石油降解菌降解油类污 染物方法的基础上， 加入固定化技术， 可以得到更好 的除油效果。 以甘蔗渣和海绵为载体制备的固定化微生物的 除油率均较高， 因此选择甘蔗渣和海绵作为载体制备 固定化微生物。 2. 2所选载体的最佳投加量 2. 2. 1甘蔗渣的最佳投加量 参考文献［ 4］ 可知， 甘蔗渣载体的最佳用量为 10 g/L， 本 试 验 进 一 步 加 大 载 体 用 量， 将 0. 25， 0. 50， 0. 75， 1. 00， 1. 25， 1. 50， 1. 75， 2. 00 g 干重 相当于 5， 10， 15， 20， 25， 30， 35， 40 g/L 的甘蔗渣投加到装有 50 mL 富集培养基的三角瓶中， 接种定量的菌液， 于 40 ℃ ， 摇床转速为 130 r/min的条件下固定 24 h 后， 把得到的固定化 微 生 物 接 入 50 mL 实 际 废 水 中， 40 ℃ 摇床， 转速 130 r/min， 处理 24 h， 测其除油率。 除油率随甘蔗渣投加量的变化趋势见图 3。 图 3甘蔗渣的最佳投加量 从图 3 可以看出 甘蔗渣的最佳投加量范围为 15 ～ 30 g/L 干重 ， 其中当投加量为 20 g/L 干重 时除油率最大， 达 58. 8 。 2. 2. 2海绵的最佳投加量 由于海绵的密度较小， 本试验根据载体的特性， 将 0. 10， 0. 25， 0. 50， 0. 75， 1. 00 g 干重 的海绵投加 到装有 50 mL 富集培养基的三角瓶中 相当于 2， 5， 10， 15， 20 g/L ， 接种定量的菌液， 固定 24 h 后， 把得 到的固定化微生物接入 50 mL 实际废水中， 40 ℃ 摇 床， 转速 130 r/min， 处理 24 h， 测其除油率。试验结 果见图 4。 图 4海绵的最佳投加量 从图 4 可看出 海绵的最佳投加量范围为 5 ～ 15 g/L 干重 ， 其中当投加量为 5 g/mL 干重 时原油 去除率最大， 达 60. 1 。 2. 3固定化条件对固定化微生物除油效果的影响 本试验选择固定化微生物制备过程中的温度、 pH 值和固定化时间作为本次试验的 3 个因素， 选用 L9 34 正交表， 设计 3 因素 3 水平试验［5］。按试验方 案中所列培养条件， 制备固定化微生物。接入废水 24 h 后进行含油量测定， 并记录结果， 计算除油率。 以甘蔗渣和海绵为载体的固定化微生物的正交 试验方案及结果见表 1 和表 2。 表 1以甘蔗渣为载体的固定化微生物的正交试验方案及结果 试验号 A 温度 / ℃ B pH 值 C 固定化 时间 /h 除油率 / 13062441. 6 23073642. 9 33084847. 1 43563659. 9 53574840. 1 63582431. 5 74064852. 1 84072436. 7 94083656. 6 K1 131. 6153. 6109. 8 T K1 K2 K3 408. 5 K2131. 5119. 7159. 4 K3145. 4135. 2139. 3 K143. 951. 236. 6 K243. 839. 953. 1 K348. 545. 146. 4 R4. 711. 316. 5 估计各因素影响的重要程度， 为直观起见， 用因 素水平作横坐标， 降解油量的平均值作纵坐标， 得到 因素与降解油量的关系趋势见图 5、 图 6。 由图 5 可知 上述结果表明， 固定化时间因素对 两种固定化微生物除油效果的影响最大。试验因素 对甘蔗渣固定化微生物的影响程度为 固定化时间 ＞ pH 值 ＞ 温度。试验最佳固定化条件为 固定化时间 36 h、 pH 值为 6、 温度40 ℃ ; 在此条件下除油率达 02 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 表 2以海绵为载体的固定化微生物的正交试验方案及结果 试验号 A 温度 / ℃ B pH 值 C 固定化 时间 /h 除油率 / 13062429. 1 23073635. 9 33084869. 8 43563628. 8 53574875. 8 63582445. 9 74064873. 7 84072450. 2 94083633. 6 K1134. 8131. 6125. 2T K1 K2 K3 442. 8 K2150. 5161. 998. 3 K3157. 5149. 3219. 3 K144. 943. 941. 7 K250. 254. 032. 8 K352. 549. 873. 1 R7. 610. 140. 3 图 5甘蔗渣固定化微生物固定化条件因素与 除油率平均值的关系 图 6海绵固定化微生物固定化条件因素与除油率平均值的关系 62 。由图 6 可知 试验因素对海绵固定化微生物的 影响程度为 固定化时间 ＞ pH 值 ＞ 温度。试验最佳 固定化条件为 固定化时间 48 h、 pH 值为 7、 温度 35 ℃ ; 在此条件下除油率达 75. 8 。 2. 4处理时间对固定化微生物除油效果的影响 固定化微生物的除油率随处理时间的变化见图 7、 图 8。 图 7以甘蔗渣为载体的固定化微生物在不同处理时间的除油率 图 8以海绵为载体的固定化微生物在不同处理时间的除油率 由图 7、 图 8 可知 以甘蔗渣为载体的固定化微 生物在接入废水 108 h 后， 除油率稳定在 84. 5 ， 以 海绵为载体的固定化微生物在接入废水 96 h 后， 除 油率稳定在 82. 4 。 3结论 1 以甘蔗渣、 丝瓜瓤和海绵、 LEVAPOR 为两组 不同的材料载体， 通过吸附生长， 实现了除油菌的固 定化。除丝瓜瓤外， 其他载体的固定化微生物的除油 率高于单独投加菌液的除油率。 2 通过正交试验确定以甘蔗渣和海绵为载体的 固定化微生物制备的最佳条件。甘蔗渣的最佳投加 量为 20 g/L 干重 ， 最佳固定化条件为 固定化时间 36 h、 pH 为 6、 温度为40 ℃ ， 在最佳固定化条件下除 油率达到 62 ; 海绵的最佳投加量为 5 g/L 干重 ， 最佳固定化条件为 固定化时间 48 h、 pH 为 7、 温度 为35 ℃ ， 在最佳固定化条件下除油率达 75. 8 ; 3 以甘蔗渣为载体的固定化微生物处理实际废 水， 处理时间为 108 h 时除油率达最高为 84. 5 ， 以 海绵为载体的固定化微生物在处理时间为 96 h 时， 除油率达最高为 82. 4 。 参考文献 ［1］吴军见， 朱延美． 固定化细胞技术在废水治理中的应用及降解 动力学研究进展［J］． 辽宁化工， 2002， 31 1 20- 25． ［2］陈铭， 周晓云． 固定化细胞技术在有机废水处理中的应用与前 景［J］． 水处理技术， 1997， 23 2 98- 100． ［3］Iqbal M，Edyvean R G． Biosorption of lead，copper and zinc ions on loofa sponge immobilized biomass of Phanerochaete chryso- sporium［J］． Minerals Engineering，2004，17 2 217- 223． ［4］邵娟． 固定化微生物降解原油的研究［D］． 广州 暨南大学， 2006． ［5］庄楚强， 吴亚森． 应用数理统计基础［M］． 2 版． 广州 华南理工 大学出版社， 2005 570． 作者通信处李艳红541004广西桂林理工大学环境科学与工程 学院 E- mailliyanhong glite． edu． cn 2011 － 05 － 06 收稿 12 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期