高效微生物菌群降解含机油废水研究.pdf

高效微生物菌群降解含机油废水研究 ＊ 张士萍 郑广宏 王 磊 同济大学环境科学与工程学院, 污染控制与资源化研究国家重点实验室, 上海 200092 摘要 从受石油污染土壤中筛选及驯化得到以机油为唯一碳源进行生长代谢的混合菌种。 该混合菌种对高浓度含机 油废水具有较强的降解能力, 初始含油约2 g L的人工废水, 接种量为0. 1, 经过7 d的降解, 可降至420 mg L, 其去除率 达到 80。 与甘油共基质的降解实验结果表明, 经过7 d的降解, 当甘油浓度高于100 mg L时, 混合菌种的除油率则受 到抑制。 在高盐度实验条件下, 当海藻晶盐浓度高于1. 0 g L时, 对混合菌种的生长产生抑制作用。 关键词 混合菌种 含油废水 生物降解 ＊上海市科委重大科技攻关项目 06DZ12302 资助; 科技部科技重大 支撑项目 2006BAC01A13 -4 资助。 0 引言 近年来,石油工业的迅猛发展在给人类带来重大 利益的同时 ,对环境造成了严重的污染 , 这已经逐渐 受到人们的重视 [ 1] 。含油废水则是众多废水中常见、 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 [ 2 -3] 。 总体而言, 对于石油类污染物质的治理 , 主要就是物 理、 化学和生物 3 种方法以及它们的组合应用 。但是 物理和化学方法具有处理成本高、易造成环境二次污 染等缺点,而生物方法则具有安全、经济、高效 、 无二 次污染、 不需要大型设备 、 操作简单等优点,是实现石 油类污染治理的有效手段, 也是目前研究的主要 方向 。 石油污水的成分比较复杂 , 除了含有烃类物质 外,还有一些有毒的物质 ,如, 苯及其同系物、苯酚 、 高 分子聚合物等有机物都是生物难以降解的,甚至有许 多是致癌物质, 严重危害人类健康 [ 4] 一般的微生物或 生物处理方法难以达到除油效果。但是利用降解石 油的微生物来处理石油污水会取得较好的效果。目 前已经分离得到的一些高效机油降解菌种 。这些微 生物在土壤和水体中 ,尤其是在受石油污染的环境中 广泛分布 。分离筛选对石油具有较强降解能力的菌 株,是研究细菌降解石油的机理及对污染水域或土壤 进行生物修复的基础 。该实验采集炼油厂附近被石 油污染的土壤, 经过分离得到混合菌种 , 以机油作为 唯一碳源进行驯化, 并对其除油效果进行了初步的 研究 。 1 材料和方法 1. 1 实验材料 1. 1. 1 土壤 取自贮油罐和石油加工厂附近受污染土壤, 2 cm 以下的表层土壤样品共 15 份, 按比例混合后磨碎 备用 。 1. 1. 2 培养基 富集培养基 牛肉膏5 g L , 蛋白胨10 g L , NaCl 5 g L , 蒸馏水配置 ,NaOH 调 pH 7. 0。固体培养基加 2琼脂 。 选择培养基 含机油2 g L的人工机油废水, 固体 培养基加 2 琼脂。 1. 1. 3 人工废水 机油主要是作为机械设备运行过程中的润滑剂, 故多数含机油废水所含有其他杂质的浓度较低,以蒸 馏水辅以少量无机盐即可以比较准确的模拟实际废 水状 况 。人 工 废 水组 分 NaNO30. 1 g L , KH2PO4 0. 5 g L, CaCl20. 03 g L , NH4Cl 1 g L, MgSO40. 1 g L, NH4 2Fe SO426H2O 痕量 ,pH 为 7. 0,机油2 g L 。 1. 1. 4 机油 实验用混合机油性状如表 1 所示 。 表 1 实验用机油相关特性参数 运动粘度 mm2s- 1 密度 gmL- 1 凝点 ℃ 闪点 ℃ 机械杂 质 含水 率 17～ 240 . 821≤-15≥170≤0. 005≤0 . 001 1. 2 实验 1. 2. 1 机油作唯一碳源生长的混合菌种筛选与纯化 将实验用土壤 10 g 与100 mL无菌水充分混合后 静置沉淀30 min, 待土壤残渣沉淀完全后, 取上层混 58 环 境 工 程 2008年 4 月第26 卷第2 期 合液于富集平板表面进行涂布分离 ,32 ℃恒温培养 24 h后, 经反复分离 ,挑选菌落边缘清晰的优势菌落, 划线纯化 2 次,经过筛分比较,得到单菌 72株 。 将得到的 72株单菌分别在液体的富集培养基中 培养24 h , 后将所有单菌等量混合, 用离心机离心 4 000 r min,4 ℃低温离心15 min , 收集湿菌体转接 入含机油 1、1. 5、2. 0 g L的人工废水中 , 摇床32 ℃, 190 r min恒温驯化, 期间每隔 1 周取样 , 测定驯化菌 对机油的降解能力, 当驯化菌对机油的降解速率基本 恒定时 ,认为驯化完成, 总共历时35 d。菌液低温离 心后收集湿菌体进行下一步降解实验。 1. 2. 2 高浓度机油废水的生物降解实验 将驯化得到的混合菌低温离心得到湿菌体,称取 0. 1 g湿菌体接种于400 mL人工废水中 ,摇床中32 ℃, 190 r min恒温培养, 每日定时取样分析细胞生长情况 和机油降解效率 。 2 结果与讨论 2. 1 高效菌种对含机油人工废水的降解 由于机油与水不相溶 ,一定浓度的油水乳浊液很 难精确配置 。降解实验过程中 , 为提高配水精度, 机 油均为 天平称量滴加。 本混合菌种的接种量为 0. 1 菌体湿质量g 培养液体积 L 时, 经过24 h摇床 恒温培养 32 ℃,190 r min ,可将2 g L左右的含机油 废水全部乳化, 保证所取样品的准确性和代表性。在 混合菌种对机油的降解过程中 ,伴随着培养液 pH 值 以及细胞密度的变化 。废水中机油浓度及去除率随 时间的变化见图 1。 图 1 人工废水机油浓度以及去除率随时间变化 从混合菌种对含机油废水的降解曲线来看,初始 浓度为2 100 mg L的含油废水 , 经过菌种7 d的降解, 机油浓度降低到420 mg L, 去除率为 80。在最初 2 d内, 机油浓度的递减速度基本保持衡定, 2 d后, 随 着时间的延长 , 机油浓度递减速度逐渐变慢 , 到 第7 天时降解接近停滞。 在实验过程中 ,机油浓度递减速度不断变慢, 最 后3 d接近停滞。原因可能是在实验过程中未对人工 废水 pH 值做在线调整 , 在最初3 d时间里, 机油降解 的中间产物有机酸的大量产生导致 pH 值急剧降低, 而微生物生长代谢的适宜 pH 范围在 6. 0～ 8. 0,但是 人工废水的 pH 值在24 h内就已经降低到 4. 63, 从而 抑制了降解菌种的生长和代谢 。此外,在微生物降解 机油的过程中, 还可能存在某些有毒代谢产物的积 累,从而导致机油浓度随时间递减速度逐渐变慢的 趋势 。 图2 为人工废水 pH 值及吸光度 OD600 值的变 化趋势。 图2 人工废水OD600及pH随时间变化 从图 2 可见 ,在 7 d 的降解过程中, 人工废水 pH 值呈先大幅度降低, 后缓慢回升的趋势。这是由于机 油的成分主要为饱和直链和支链烷烃,降解初期在微 生物酶的作用下被转化为有机酸, 导致培养液 pH 值 大幅度降低 ; 降解后期由于降解基质的减少 ,积累的 有机酸被微生物进一步降解为 H2O 和CO2,新生的有 机酸产生缓慢 , 所以 pH 值有所回升 。从初期 pH 值 的快速降低还可看出 ,机油被转化为有机酸速度要远 远大于有机酸被彻底降解为 H2O 和 CO2的速度, 这 可能是由于混合菌种中产酸菌所占比例较大 。 由于在实验过程中 ,未对人工废水的 pH 值做任 何调整,在 pH 值降到 5. 5以下以后,整个系统酸化程 度严重 ,已不适合混合菌的生长和对机油的降解, 导 致有机酸分解较缓慢, 因此后期 pH 回升也较缓慢。 反映细胞生长量的 OD600值在整个降解周期中6 d内 呈上升趋势 ,上升幅度逐渐减小,最后 1天有所降低。 这反映出在降解初期 ,废水水质较适宜混合菌生长, 细胞增长迅速, 随着有机酸的积累, 环境条件逐渐恶 化,混合菌的生长受到抑制,增殖速度变慢,部分细胞 开始死亡, 到第 7 天时 ,细胞增值速度小于死亡速度, OD600值开始下降。 59 环 境 工 程 2008年 4 月第26 卷第2 期 2. 2 甘油共代谢条件下的机油降解实验 该阶段实验中, 在机油浓度约为2 000 mg L, pH 为7. 0 的人工废水中, 分别加入 0、100、 300 mg L的甘 油作为共代谢基质 , 摇床32 ℃, 190 r min恒温培养, 考察混合菌种对机油去除率及生长规律的影响。结 果见图3 。 图 3 甘油浓度对机油去除率的影响 由图 3 中可见, 在甘油与机油共基质体系下, 经 过7 d的降解 , 100 mg L的甘油对机油去除率影响很 小,而300 mg L的甘油则不同程度地对具有的去除产 生了抑制 ,且抑制程度随着甘油浓度的升高而增大。 在300 mg L甘油与2 000 mg L机油组成的共基质体系 中,经过7 d的降解,机油去除率为 38。 图4 为 3 个共基质体系恒温培养7 d的各自的细 胞密度 。由图 4中可见 ,在降解2 d后 ,细胞密度随甘 油浓度的增加而逐渐增大, 可见, 初期菌种是优先利 用甘油作为碳源代谢 。而在7 d后, 各个体系中的细 胞密度比较接近, 可见 , 到降解后期 , 甘油浓度为 300 mg L的体系中 , 菌种可利用碳源已经基本用完, 细胞开始死亡。 图 4 甘油浓度对细胞生长量的影响 由图 3 和图 4 可见 ,由于甘油的易降解性以及机 油与水的不溶性 ,菌种在降解过程中先利用甘油作为 碳源进行生长繁殖, 之后才会对机油进行降解 。添加 少量的甘油对菌种降解机油有一定的帮助,但是随着 甘油加入量的加大 ,菌种对机油的利用率反而下降。 这可能是由于混合菌种在较长时间利用甘油为碳源 的情况下, 菌种内部发生了一些变化, 这些变化可能 引起了菌种本身的变化, 而在短时间内 , 菌种无法恢 复对机油的降解能力 。当加入少量甘油时,在降解初 期能够使菌种在短时间内增殖, 有利于机油的乳化, 又不会较大程度的改变菌种的内部生态系统 ,从而能 够加速菌种对机油的降解 , 但一定时间后, 残余机油 浓度基本相同, 说明甘油不产生诱导或促进菌种产生 更强的机油降解酶系或降解能力。 2. 3 高盐度条件下的机油降解实验 在2 000 mg L的人工废水中加入不同浓度的海藻 晶 3. 5 g L的海藻晶相当于海水浓度 , 浓度分别为 0、 1. 0、 2. 0、 3. 5 g L ,微生物接种量为 0. 1,每天定时 取样测定细胞密度 ,确定高盐度对混合菌种的影响, 结果见图 5。 图 5 盐度对细胞生长量的影响 由图 5 可见 ,微生物生长最快的阶段基本出现在 72 h,之后微生物的生长量有了小幅下降。当海藻晶 浓度不高于1. 0 g L时,对微生物的生长并没有太大影 响,而当海藻晶浓度 1. 0 g L时, 微生物的细胞密度 随着海藻晶浓度的升高明显下降,且机油乳化效果较 差。原因可能是高浓度海藻晶改变了混合菌种的内 部生态结构 ,抑制了某些生物表面活性剂的分泌; 另 一方面,高盐度有破乳的作用 ,使得机油较难被乳化。 由此可见, 生物表面活性剂的分泌对机油降解及微生 物的生长起着关键的作用 ,它是机油降解及微生物生 长的第一步 。 当盐度达到海水浓度时, 微生物的生长量有了明 显的下降, 而在第 3天 ,混合菌种有了一定生长 ,说明 该菌种还是可以通过驯化培养 ,筛选出可以适应海水 条件的混合菌种 ,再利用该混合菌种对海水污染进行 控制与治理 。 3 结论 1机油浓度为2 100 mg L的人工废水, 经过混 合菌种7 d的降解, 机油浓度降低到420 mg L, 去除率 为80。 60 环 境 工 程 2008年 4 月第26 卷第2 期 2与甘油共基质的降解实验结果表明 , 经过 7 d的降解 , 不超过100 mg L的甘油与2 000 mg L机油 组成的共基质体系中 ,机油去除基本不受甘油加入的 影响, 而甘油浓度高于100 mg L时 , 则会对混合菌种 的除油率产生抑制, 抑制程度随着甘油浓度的提高而 加大 。 3人工废水中不超过1. 0 g L的海藻晶对混合 菌种除油没有明显影响, 但海藻晶浓度高于1. 0 g L 时,则对混合菌种活性产生抑制, 抑制程度随海藻晶 浓度提高而加大 。但通过驯化可以改善 。 参考文献 [ 1] Scholz W,Fuchs W.Treatment of contaminated wastewater in a membrane bioreactor. Waste Research, 2003, 34 14 3621 -3629 [ 2] 林建, 朱跃姿, 蔡俊青, 等. 海上溢油的回收及处理. 福建能源开 发与节约, 2001 1 6 -8 [ 3] 侯士兵, 玄雪梅, 贾金平, 等. 含油废水处理技术的研究与应用 现状. 环境保护, 2003 9 11 -14 [ 4] 吕华, 马振民, 邱鲁军. 地下水油类污染系统形成机制研究. 煤 田地质与勘探, 2005, 33 6 38-41 作者通信处 王磊 200092 上海市 同济大学环境科学与工程 学院 电话 021 65981831 E -mail celwang yahoo . com 2007- 07-06 收稿 废茶枝叶对黏土中六价铬的吸附作用 ＊ 谭 晓 于永鲜 大连理工大学化工学院, 辽宁 大连 116085 杨 庆 张金利 陆海军 大连理工大学土木水利学院, 辽宁 大连 116085 摘要 研究废茶枝叶中茶多酚对 Cr Ⅵ 在黏土介质中的吸附作用。 探讨 pH、反应时间、废茶枝叶投加量、反应温度等 因素对反应的影响, 确定最佳反应条件。 简述了茶多酚、CrⅥ 和黏土之间相互作用的机理。 结果表明 在含 CrⅥ 的黏土中投加废茶枝叶时, 黏土对 Cr Ⅵ 吸附能力明显增强, 作用机理主要是在中性条件下茶多酚将 CrⅥ 还原为 Cr Ⅲ , 并与 CrⅢ 形成配合物, 该络合物与黏土颗粒有较强的结合能力, 增强了黏土对铬的固定作用。 关键词 茶多酚 六价铬 黏土 配合作用 吸附 ＊国家自然科学基金资助项目 50679015 。 0 引言 土壤是人类生存环境的重要组成部分,也是人类 周围环境中污染物的最大承担者 [ 1] 。在土壤的重金 属污染物中 ,六价铬 Cr Ⅵ 毒性大 、 可使人体致癌 致畸。目前 ,治理土壤中 Cr Ⅵ 污染的途径主要是 利用化学添加剂来改变 Cr Ⅵ 在土壤中的存在状 态,使其固定,降低其在环境中的迁移能力和生物可 利用性。而这些添加剂本身就能带来新的环境问题; 造成土壤二次污染。 本研究通过一系列室内模拟试验, 探讨废茶枝叶 对污染土壤中 Cr Ⅵ 吸附行为的影响因素及作用机 理,给出了利用废茶枝叶控制黏土中 Cr Ⅵ 含量的 最佳条件 。 1 实验部分 1. 1 实验仪器与试剂 1 实验仪器 磁力搅拌器; pH 酸度计 ; 高速离心 机; 721可见光分光光度计; 分析天平。 2 实验试剂 废弃绿茶枝叶 ,粉碎, 过 100 目筛; 重铬酸钾 优级纯 。实验用黏土取自大连毛茔子 ,过 筛后粒径范围为 0. 5～ 0. 75 mm ,在105 ℃下烘干3 h 。 1. 2 实验方法 1 以不加废茶枝叶时 Cr Ⅵ 在黏土中的吸附 实验作参比 , 进行加入废茶枝叶后黏土对 Cr Ⅵ 的 吸附实验, 以探讨废茶枝叶对 Cr Ⅵ 在黏土中的吸 附能力的影响因素。 2 Cr Ⅵ 的测定采用国家环保总局规定的二苯 碳酰二肼分光光度法测定 [ 2] 。 1. 3 实验步骤 采用系列搅拌实验 ,在250 mL锥形瓶中, 加入重 61 环 境 工 程 2008年 4 月第26 卷第2 期 is 80℃ with a settling time of 3 h the regeneration effect is best. Under these regeneration conditions, the used oil basically reached the fresh oil standard. Keywords waste lubricating oil, flocculant, activated clay and regeneration A NEW OF ENERGY TRANSATION IN SUPERCRITICAL WATER INTERNAL- COMBUSTIONYi Baokui Ma Chunyuan Lu Shenqing et al 50 Abstract Supercritical water thermal decomposition technology is a new type of energy -efficient treatment of organic wastes. It s a new type of waste disposal and recycling of energy.It is introduced the application of this technology in the field of energy use.It is also discussed the thermal decomposition of biomass andwaste tires in supercritical water. Keywords supercrilical water, organic waste and thermal decomposition ENERGY -SAVING OPTIMUM DESIGN AND APPLICATION OF WASTEWATER CYCLONE SEPARATIONSYSTEM IN FGDWang Fangqun Yin Mingyang DuYungui et al 53 Abstract The wastewater cyclone separation system in FGD has been optimally designed.Two optimization schemes were provided according to whether the static pressure produced by the elevation difference betweeen the overflow of gypsum slurry cyclone separator and inlet of wastewater cyclone separator meets the needof the sum of inlet pressure of wastewater cyclone separator and head lossin pipelines. The beneficial effect of the optimum design is simplifying design, decreasing equipment costs and operating costs.The optimum design has been successfully applied to more than 10 FGD projects. Keywords FGD, wastewater cyclone separation system, energy -saving, optimum design and application THE TREATING COST ANALYSIS OF SEWAGE TREATMENT PLANTYuan Peisheng 55 Abstract This paper analyzed and discussed the concept and composition of sewage treating cost. It has confirmed composition of running cost, surveyed running cost and treating cost of a sewage treatment plant 30 000 t d. The measures for reducing treating cost were posed. Keywords town, sewage treatment, treating cost and running cost RESEARCH ON DEGRADATION OF OILY WASTEWATER BY HIGH EFFICIENT MICROFLORA Zhang Shiping Zheng Guanghong Wang Lei 58 Abstract The bacteria that could use crude oil as carbon source have been screened from the oil-contaminated soil. They could degrade high concentration oilwastewater effectively. When preliminary concentration is 2 g L, and 10 bacteria are inoculated in the wastewater, the concentration is only 420 mg L after 7d.The efficiency of degradation could be 80.If glycerin is entered in the oil wastewater and the concentration is more than 100 mg L, the efficiency of degradation is retrained. In the condition of high-salinity, if the concentration of seaweed mix salt is more than 1. 0 g L, the growth of bacteria are restrained. Keywords bacteria, oil wastewater and biodegradation ADSORPTION OF HEXAVALENT CHROMIUM IN CLAY BY TP Tan Xiao Yu Yongxian Yang Qing et al 61 Abstract Influence of TP on adsorption of hexavalent chromium in the clay was investigated.Effects of reaction time, pH, concentrations of TP and adding amount were studied. The reduction of Cr Ⅵ was examinedwhile the optimum reaction conditionswere determined. TP could enhance the adsorption of Cr Ⅵ because of the complexion reaction between TP and CrⅥ .The reaction mechanisms of TP with chromium and clay surfaces were certified. Keywords TP, hexavalent chromium, clay, complexion and adsorption POSSIBILITY OF COKING SEWAGE TREATMENTBYUSING COAL -WATER SLURRY TECHNOLOGYGuo Jiping Fang Huibin Liu Shuping 64 Abstract The properties of coking sewage and the domestic treatment process for coking sewage were introduced, the possibility of the coking sewage treatment by using coal-water slurry technology was expounded from water quality、water volume and coal -water slurry . Keywords coal-water slurry, coking sewage and treatment process ANALYSIS THE RESISTIVITY CHARACTERISTICS OF CONTAMINATED SOIL Bai Lan Zhou Zhonghua Zhang Huyuan et al 66 Abstract This paper analyses all the possible factors that could influence electrical resistivity.In the series of experiments, contaminated loess was made by mixing loess separately with NaCl, gasoline and leachate. And finally substantiate thatwe could distinguish contaminated loess and normal loess from their different electrical resistivity. Whichwill also offer significant reference for the future uation and reusing of those contaminated sites. Keywords contaminated soil, loess, electrical resistivity and influence factors 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 2,Apr. ,2008