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固定化微生物技术处理石油石化废水研究进展 * 杨玖坡1， 2陈梅梅2张海涛3吴百春2 1. 中国石油大学， 北京 102249; 2. 中国石油集团安全环保技术研究院， 北京 102206; 3. 中国水利水电科学研究院， 北京 100038 摘要 固定化微生物技术作为一种新兴的生物处理技术， 具有生物活性较高、 固液易于分离、 处理效率高等优点， 已经 在各种有机废水领域得到广泛应用， 近年来其在处理石油石化废水的研究也不断深入。综述了不同载体材料的特点、 结构与固定化性能， 载体材料固定细菌的作用机制， 固定化微生物技术处理石油石化废水进展及去除石油污染物的微 观机制， 并对其在实际应用中存在问题和今后研究方向进行了探讨， 为固定化微生物技术的工业化应用提供指导。 关键词 固定化微生物; 载体; 石油污染; 废水;作用机理 DOI 10. 7617/j. issn. 1000 －8942. 2013. 05. 007 ＲESEAＲCH PＲOGＲESS IN TＲEATMENT OF PETＲOLEUM AND PETＲOCHEMICAL WASTEWATEＲ WITH IMMOBILIZED MICＲOOＲGANISM TECHNOLOGY Yang Jiupo1， 2Chen Meimei2Zhang Haitao3Wu Baichun2 1. China University of Petroleum，Beijing 102249，China; 2. CNPC Ｒesearch Institute of Safety and Environmental Technology，Beijing 102206;China; 3． China Institute of Water Ｒesources and Hydropower Ｒesearch，Beijing 100038，China AbstractAs a new biological treatment technology，immobilized microorganism technology has several advantages such as high biological activity，easy solid- liquid separation and high treatment efficiency． Immobilized microorganism technology has been widely applied to the treatment of various industrial wastewaters，and it had a continuous development in the treatment of oily wastewater in recent years． This paper reviewed the characteristics and immobilization perances of different carrier materials，the interaction mechanisms of carriers with microorganisms，and the removal mechanisms of pollutants with immobilized microorganisms， also summarized the research progress in the treatment of petroleum and petrochemical wastewater with immobilized microorganism technology，and discussed the problems in practical application and further research direction of this technology，which will provide the technological supports for industrial applications of immobilized microorganism technology． Keywordsimmobilized microorganisms;carrier;oil contaminant;wastewater;mechanisms * 中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目 2011D- 4604- 0103 。 0引言 随着石油生产规模的扩大， 在石油开采、 运输、 炼 油及石油化工等多个过程中， 废水产生量不断增加， 其中采油废水中污染物组成比较简单， 以盐和石油类 为主， 而炼油企业污水产生量大， 成分复杂、 COD 浓 度高 ［1 ］。世界上每年约有 170 ～880 万 t 石油以污水 排放 ［2 ］、 溢油泄漏等不同方式进入水体中， 不仅对水 生态系统造成破坏， 而且石油中的芳香族组分不易降 解、 毒性较大、 具有“三致” 性， 对环境和人类健康造 成潜在的危害 ［3- 4 ］。 在石油石化废水的处理方法中， 微生物法因成本 低、 无二次污染等具有良好前景， 然而在传统的处理 工艺中， 微生物通常以悬浮态生长， 系统内降解菌的 有效浓度低、 菌体易流失、 抗污染能力差 ［5 ］。有研究 表明， 微生物法处理废水成功的关键在于菌种投放后 其活性的保持时间 ［6 ］。针对上述问题， 近年来研究 人员采用固定化微生物技术以提高微生物菌种的处 理能力和对苛刻环境的适应性。固定化微生物技术 是一种用物理或化学方法将游离微生物限制或定位 在某一特定的空间范围内 ［7 ］， 保持微生物密度和活 52 环境工程 2013 年 10 月第 31 卷第 5 期 性的现代工程技术。与游离微生物相比， 固定化微生 物具有以下优势 生物负载量高、 细胞不容易流 失 ［8 ］、 对不利环境耐受能力强［9 ］、 生物稳定性高［10 ］、 保存和使用方便等。 本文根据近几年国内外的研究成果， 主要综述了 固定化载体种类、 特点及固定化性能， 载体固定细菌 的作用机理及固定化微生物技术处理石油石化废水 的应用等， 并对其未来的发展趋势进行了展望， 为促 进固定化微生物技术在石油石化废水处理的进一步 应用提供支持。 1固定化载体 载体的种类和结构是影响微生物固定化效果的 重要因素。理想的载体应该对微生物无毒无害、 传质 性能好、 具有一定的机械强度、 价格低廉且容易获得。 通常来说， 载体为微生物提供了保护性的生态龛， 不 仅从物理结构上为细胞生长提供保护性的表面和孔 道空间 ［11 ］， 而且从营养角度上也为微生物的生长繁 殖提供了特殊的底物［6 ］。 1. 1载体种类 固定化载体可以分为无机载体、 天然有机载体、 合成高分子载体和复合载体四类。 1 无机载体 包括活性炭、 泥炭、 硅藻土、 蛭石、 多孔玻璃、 石英砂、 陶粒、 膨润土等。 无机载体通常具有以下优点 表面积较大， 可以 吸附培养液中的氮、 磷等营养物质 ［12 ］以维持细菌生 长; 通透性好， 能促进气体扩散， 增加氧气浓度; 材料 成本低、 使用寿命长。但与微生物细胞的结合力 不强。 2 天然有机载体 包括海藻酸盐、 琼脂、 角叉莱 胶、 甲壳素、 壳聚糖、 植物纤维等。天然有机载体一般 成本低、 无毒性、 传质性能好、 易被微生物分解， 无二 次污染; 但机械强度低、 使用寿命短。 目前， 海藻酸钠是常用的天然有机载体， 其制备 的固定化菌剂强度较低， 易被生物分解， 而且易被 Mg2 、 K 等阳离子或高浓度的磷酸盐溶液侵蚀， 破坏 固定化细胞的三维结构， 不利于重复利用 ［13 ］。 甲壳素和壳聚糖是近年来受到较多关注的新型 载体材料， 具有生物相容性好、 天然无毒、 无二次污 染、 生物可降解等优点， 但机械强度和比表面积 不大 ［14 ］。 3 合成高分子载体 包括聚乙烯醇、 海绵、 聚氨 酯泡沫、 聚丙烯纤维、 聚丙烯酰胺等。合成高分子载 体对废水中有机物有较强的吸附作用和去除效果， 机 械强度也较好， 不易被微生物分解， 但传质性能较差， 降低固定化细胞的活性。 聚乙烯醇是目前国内外研究比较广泛的一种载 体， 具有机械强度高、 化学稳定性好、 生物毒性小、 价 格低廉等优点， 能较好地分散于油水界面， 有利于微 生物对有机和无机营养的摄取 ［15 ］; 但聚乙烯醇具有 高黏性和较大的水溶胀性， 在制备载体时易出现附聚 问题， 操作较复杂。 4 复合载体 通常将有机载体和无机载体进行 组合以优化材料性能。常采用高分子凝胶 如聚乙 烯醇和海藻酸钠 为包埋材料， 在固定化过程中加入 无机吸附剂， 如活性炭 ［16- 17 ］、 硅藻土［18 ］、 累托石［19 ］ 等， 制备复合载体材料， 不仅有助于微球成型， 增加其 机械强度， 还改善了通透性和传质性能， 达到吸附和 包埋双重效果 ［20 ］。有学者用硅藻土真空强化吸附壳 聚糖颗粒 ［14 ］， 克服壳聚糖颗粒机械强度不高和比表 面积不大的缺点; 也有学者将泥炭、 膨润土和藻酸盐 制成复合载体， 其较高的比表面积能够促进对污染物 的吸附和对细胞的固定［21 ］。 载体材料种类不同， 其固定化效果也各有特点 见表 1 。因此， 在选择固定化载体材料时， 需要结 合实际应用条件， 不仅要保证机械强度和传质性能， 降低成本、 延长使用寿命， 还要保持细胞的高稳定性 和高活度， 这是固定化微生物技术在石油石化污水处 理中能否被广泛应用的关键。 表 1不同载体材料对微生物的固定化效果 Table 1Microorganisms immobilization effects of different carrier materials 载体种类无机载体 天然有机 载体 合成高分子 载体 复合载体 机械强度好较差较好较好 传质性能好好较差较好 固定化操作难易较难易较易较难 重复利用性较好较差较好较好 与细胞结合力弱较弱强较弱 1. 2载体结构 载体的结构对微生物的固定效果及其生存能力 非常重要， 能影响微生物的活性与稳定性。 无机载体通常为多孔结构， 其孔道面积决定了营 养物和气体的扩散速率 ［11 ］。多孔载体内部孔隙大， 为微生物细胞聚集提供了空间， 而且多重孔道结构有 利于氧气、 底物和代谢物扩散 ［22 ］， 为微生物的生长与 62 环境工程 2013 年 10 月第 31 卷第 5 期 繁殖提供了有利条件。 其他载体结构不同， 对微生物的固定效果也各有 特点。聚丙烯载体呈纤维化结构， 使微生物细胞能够 粘附在其表面形成一层生物膜， 阻碍微生物与有毒物 质的接触 ［23 ］， 提高微生物的抗毒能力; 壳聚糖、 火山 浮石 ［24 ］等载体材料表面粗糙、 有裂缝， 有利于微生物 细胞的粘附及菌落的形成 ［25 ］; 甲壳素载体的晶体结 构为微生物提供保护性的生存环境［6 ］， 使微生物保 持长时间的活性。 1. 3载体对微生物的固定机理 载体主要通过以下作用方式对微生物进行固定 1 吸附作用 通过物理吸附或静电引力作用 ［23 ］ 固定微生物细胞， 或将载体材料经过物理 － 化学改性 如疏水化 处理后， 利用载体对细胞的亲和性将细 胞直接吸附在载体上。研究表明， 微生物细胞在亲油 载体 如聚氨酯泡沫 上的粘附与细胞表面的疏水性 有直接的关系 ［11， 15 ］。 2 包埋作用 利用载体材料 如高分子凝胶 的 特殊性能， 将微生物细胞固定在载体微小格子或微胶 囊等有限的空间内。 3 共价作用 通过化学试剂 如戊二醛、 氰胺等 的作用在微生物细胞与载体之间形成化学键， 将微生 物细胞进行固定， 但这种作用方式会影响微生物细胞 的活性 ［9 ］。 4 结合作用 一些细菌能利用菌杆、 菌毛、 或者 其他小纤维等结构使其固定在载体上 ［23 ］。Quek 等 ［11 ］发现某些微生物细胞外的特殊结构 如胞外多 糖纤维 是载体表面形成稳定单细胞层的原因; 也有 学者研究发现， 某些微生物能分泌多糖， 使细胞之间 粘附或将细胞粘附在载体材料上［23 ］。在适宜环境条 件下， 微生物在载体上增殖并分泌聚合物， 将细胞包 裹形成一层生物膜 ［9 ］， 将微生物紧密固定在载体材 料上。 2固定化微生物技术处理石油石化废水进展 2. 1油田含油废水 Zhao 等 ［26 ］将菌 B350M 固定到自制的高分子载 体 FPUFS 上， 对油田废水进行预处理， 固定化 B350M 菌在曝气生物过滤反应器中运行142 d 后， 对 TOC 和 原油的去除率分别达到 78 和 94; 郭静仪 ［27 ］等用 木屑吸附固定的微生物处理含油废水， 原油去除率高 于单纯投加菌液或菌液和木屑的混合物; 李艳红 等 ［28 ］使用甘蔗渣为载体制备固定化微生物， 108 h 除 油率高达 84. 5， 以海绵为载体的固定化微生物96 h 除油率达 82. 4， 处理效率远远高于游离菌; 刘媚媚 等 ［29 ］以活性炭纤维为载体， 在盐度为 0 ～ 3. 5、 pH 为 7、 最佳载体用量下， 固定化菌对原油的去除率 比游离菌提高 30 左右; 邵娟等 ［30 ］在稻草秸秆上固 定微生物， 对原油的去除率达到了 73. 88。 2. 2炼化废水 有研究表明每加工 1 体积原油会产生 0. 4 ～1. 6 体积的废水， 目前全世界每天约产生 3360 万桶炼化 废水 ［31 ］。废水产生量大， 污染类型多， 成分复杂， 是 制约炼化业务可持续发展的因素之一。目前， 有研究 人员探索固定化微生物技术对炼化废水的处理可 行性。 Godjevargova 等 ［32 ］用经 NaOH 改性后的多孔聚 酰胺颗粒和聚丙烯腈纤维为载体固定菌 T． cutaneum Ｒ57， 其对苯酚厂废水的处理结果表明， 固定化菌对 毒性较大的组分降解能力比游离菌强; 湛美等 ［33 ］将 分离出的 4 株菌分别制成固定化菌剂， 以 10 接种 量、 曝气处理 64 h 后， 4 种固定化菌剂对沥青厂二级 气浮废水中 COD 的去除率均达到了 60 以上; 黎兵 等 ［34 ］用海藻酸钙包埋固定石油降解菌处理焦化废 水， 废 水 中 的 氨 氮、 苯 酚 和 COD 去 除 率 分 别 为 65. 2、 97. 22 和 96. 15; Zhao 等 ［24 ］以火山浮石 和人工棉为载体固定基因工程混合菌， 用二级厌氧 － 好氧工艺处理炼油废水， 当进口处废水中 COD 和氨 氮浓度分别为 370 ～910 mg/L 和 10 ～70 mg/L 时， 流 出水中相应的浓度平均为 80 mg/L 和 8 mg/L。 2. 3成品油废水 有学者在固定化微生物技术处理成品油废水方 面开展了一些研究。Lee 等 ［21 ］将泥炭、 膨润土和藻酸 盐按照质量比为 80∶ 19∶ 1的比例混合制成复合载体， 固定混合细菌去除水中的柴油， 30 d 后对柴油的去除 率达到了 99. 9， 其中生物降解的比例为 24. 3; Quek 等 ［11 ］将红球菌 Ｒhodococcus sp． F92 固定在聚氨 酯泡沫上， 研究其对柴油的降解性能， 通过测定残油 中正构烷烃的比例， 柴油去除率达到 80。 2. 4原油组分 原油中的饱和烃和芳香烃组分能被微生物利用， 而胶质和沥青质很难被生物降解。 饱和烃的降解难易程度取决于其分子量和分子 结构， 分子量大或结构复杂 如含有支链 的组分不 易降解。何丽媛等 ［35 ］采用表面吸附方法将石油降解 72 环境工程 2013 年 10 月第 31 卷第 5 期 菌固定在稻草秸秆、 玉米秸秆和蒙脱石上， 结果发现 以稻草秸秆为载体的固定化菌剂对原油直链烷烃去 除率达 81. 65。 芳香族化合物降解难度通常随着苯环数量的增 加而增大。Lin 等 ［36 ］以释氧材料为载体固定微生物， 在苯系物初始浓度为 120 mg/L， 水力学停留时间为 0. 872 d 时， 苯的去除率为 67， 甲苯、 乙苯和二甲苯 的去除率为 80 ～90; Kermanshahi pour 等 ［37 ］将微 生物固定在聚酯纤维材料上， 二甲苯和萘 初始浓度 均为 15 mg/L 经连续处理后， 其去除率分别为 99 和 96。 许振文等 ［38 ］将降解菌用海藻酸钙包埋固定后， 其对蒽的降解能力明显提高， 30 ℃、 pH 7 条件下， 蒽初始浓度为 100 mg/L 时， 12 d 后降解率达到 86; Djefal- Kerrar 等 ［39 ］将聚乙烯吡咯烷酮水凝胶用 伽马射线处理后， 固定菌 Ｒhodococcus erythropolis B4， 在底物初始浓度均为 1 g/L 时， 5 d 后对萘的降解率 达到 99， 11 d 后对蒽的降解率达到 69; Kuyukina 等 ［40 ］以锯末为载体固定红球菌， 在流态化生物反应 器中处理含有脂肪族和多环芳烃的废水， 2 ～ 3 周后 2 ～3 环的多环芳烃去除率为 66 ～70。 3固定化微生物去除石油污染物的机理 3. 1载体材料对石油污染物的作用机理 不同载体材料对原油的吸附作用机理不同。密 度较轻的天然有机载体材料对原油主要起分散作用， 分散后的原油吸附在载体表面， 形成了油/水界 面 ［35 ］， 或在培养基中以悬浮液的形式存在， 破坏油封 现象， 有利于溶解氧的传递和原油的降解［41 ］; 表面极 性基团较多的载体对石油污染物吸附能力差， 研究表 明， 极性基团的存在使载体对石油污染物的吸附能力 降低 ［42 ］， 如纤维素的多羟基结构可以为氢键提供活 性位， 导致其对亲水组分的吸附增强［43 ］， 而限制了载 体吸附位点对疏水组分 如苯系物 的吸附 ［44 ］。 此外， 有些载体材料具有其他特性， 提高废水中 石油污染物的去除效果。水性凝胶 如聚乙烯吡咯 烷酮 具有溶胀特性， 促进了固定化微生物与石油污 染物的最大程度接触［39 ］; 一些带有正电荷的载体 如 壳聚糖 通过凝聚和吸附机理将带负电的原油从废 水中快速去除 ［25 ］。 3. 2固定化菌剂对石油污染物的降解机理 以多孔材料为载体的固定化菌剂的孔道是微生 物降解污染物的主要场所。多孔载体的孔隙按孔径 大小可分为大孔＞50 nm 、 中孔 2 ～50 nm 和微孔 ＜2 nm ， 大孔为氧气、 废水和载体的充分混合提供 了场所， 增大了三相间物质传递的推动力 ［26 ］。在液 相吸附过程， 石油污染物通过大孔进入中孔和微孔， 其中大分子污染物主要附着在中孔， 小分子污染物附 着在微孔。集中于大孔中的固定化微生物将载体表 面和大孔中吸附的石油污染物降解， 使得载体表面的 污染物浓度降低， 从而产生一个由内而外逐渐减小的 浓度差， 促使水中的污染物向载体表面扩散［45 ］; 同 时， 微生物细胞分泌的酶和辅酶能渗入中孔和微孔， 将其中的石油污染物从吸附位上解脱 ［41 ， 45 ］， 使之成 为细菌利用的能源物质。 非多孔结构固定化菌剂降解石油污染物机理的 相关研究较少， 其降解机理尚不清楚。 4结论与展望 近十年来， 固定化微生物技术处理石油石化废水 发展快速， 具有广阔的应用前景。目前对固定化微生 物的研究多侧重于载体材料、 固定化条件、 及其在实 验室规模上的应用效果， 然而载体材料种类较多， 与 微生物细胞和污染物之间的相互作用也各有特点， 而 且关于固定化微生物去除污染物作用机理及固定化 微生物的制备装置等方面研究较少。因此， 固定化微 生物技术应用于石油石化废水有以下问题亟待解决 1 微生物对原油组分利用有一定的选择性。针 对不同类型的石油污染， 选择对特定组分降解能力 高、 耐受性好的微生物， 构建复合菌群以提高降解 效果。 2 开发新型的低成本、 环境友好型载体， 或对现 有载体进行改性处理， 获得综合性能 成本、 强度、 传 质效率等 优良的固定化载体。 3 对固定化菌剂制备的影响因素以及固定化微 生物降解石油污染物的作用机理还需深入研究。 4 开发固定化微生物的制备装置及处理技术工 艺， 以实现固定化微生物技术的工程应用。 参考文献 ［1］李志东， 张勇， 张令戈， 等． IMBＲ- A/O 工艺处理高浓度炼油废 水［ J］ ． 西南石油大学学报． 自然科学版， 2009， 31 2 117- 120. ［2］MegharajM， ＲamakrishnanB， VenkateswarluK， etal． 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