包埋固定化法處理石油污染水體應(yīng)用研究進(jìn)展

郭大立，張 戈，關(guān)曉燕

（1.赤峰學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；2.遼寧師范大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院；3.遼寧省海洋科學(xué)研究院）

近年來(lái)，伴隨著我國(guó)石油工業(yè)的快速發(fā)展和石油產(chǎn)品的廣泛使用，以及海上石油開采和海上漏油事故的頻繁發(fā)生，大量的石油進(jìn)入水環(huán)境形成污染，給生態(tài)系統(tǒng)造成極大危害.

石油污染水體的生物處理法是利用微生物的生命活動(dòng)過(guò)程對(duì)水中油類進(jìn)行轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化，在體內(nèi)酶的作用下利用石油作為碳源將其分解為甘油和脂肪酸，并最終降解為水和CO2等代謝產(chǎn)物.傳統(tǒng)的微生物修復(fù)技術(shù)如活性污泥法（SBR）、生物膜法、氧化溝法等，處理油污染水體時(shí)存在著諸多缺陷，如單位體積內(nèi)優(yōu)勢(shì)菌濃度較低，反應(yīng)啟動(dòng)慢，菌體易流失，環(huán)境耐性差等[1].

固定化微生物技術(shù)是利用物理或化學(xué)方法將游離微生物限定于某一特定空間范圍內(nèi)，使其保持生物活性并能加以重復(fù)利用的現(xiàn)代生物工程技術(shù).該技術(shù)始于20世紀(jì)60年代，到20世紀(jì)70年代后逐步從固定化酶技術(shù)發(fā)展而來(lái)，具有微生物活性強(qiáng)、細(xì)胞濃度高、反應(yīng)速度快、處理效果穩(wěn)定、產(chǎn)物易分離等特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中的處理效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的懸浮微生物處理工藝[2].

根據(jù)固定載體和作用方式的不同，固定化微生物的制備方法大致可以分為吸附法、包埋法、交聯(lián)法、共價(jià)結(jié)合法和無(wú)載體固定化法等.

吸附法是利用多孔載體的吸附作用或靜電引力，使微生物細(xì)胞固定的方法.是較為傳統(tǒng)的固定化方法，操作簡(jiǎn)單，反應(yīng)條件溫和，載體能夠重復(fù)使用，但是細(xì)胞與載體結(jié)合不牢固，所固定的細(xì)胞數(shù)量受載體種類及表面積的限制.包埋法是將微生物細(xì)胞或酶截留在凝膠聚合物空隙所形成的網(wǎng)格中加以固定的方法，操作簡(jiǎn)單，對(duì)微生物細(xì)胞活性小.

共價(jià)結(jié)合法是基于微生物細(xì)胞表面功能團(tuán)與固支持物表面基團(tuán)之間形成共價(jià)鍵相連來(lái)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞固定，因此結(jié)合牢固，穩(wěn)定性好，但是基團(tuán)結(jié)合時(shí)反應(yīng)激烈，操作復(fù)雜、難控制.

無(wú)載體固定化方法是利用某些微生物具有自絮凝形成顆粒的特性，使微生物產(chǎn)生自固定，成為無(wú)載體固定化技術(shù).這種固定化方法是一種全新的概念[3]：在自絮凝顆粒形成過(guò)程中，同時(shí)形成了微生物的適宜生態(tài)環(huán)境，使之有利于微生物代謝之間的協(xié)調(diào).這種方法相比于以往的一些固定方法具有顯著的優(yōu)勢(shì)，將在環(huán)境工程中的污水處理領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[4].

在眾多的固定化方法中，包埋法微生物固化程度較高且制備的微生物小球強(qiáng)度好，具有優(yōu)異的綜合性能，目前的應(yīng)用亦最為廣泛.雖然目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)包埋固定化微生物法應(yīng)用于環(huán)境污染治理尤其是污水處理方面的研究文獻(xiàn)很多，但是針對(duì)石油污染水體處理的應(yīng)用報(bào)道卻很少.本文對(duì)包埋固定化微生物技術(shù)在油污染水體處理中的實(shí)際應(yīng)用做了研究比較，并探討了該技術(shù)今后的應(yīng)用前景和存在的問(wèn)題.

1 包埋法固定化微生物技術(shù)的理論基礎(chǔ)

包埋法需要將微生物細(xì)胞包埋于多孔性載體內(nèi)或高聚物形成的凝膠小格中，其技術(shù)關(guān)鍵是如何選擇適當(dāng)?shù)妮d體材料以及行之有效的固定化工藝.

由于該法使用的包埋載體材料會(huì)在一定程度上阻礙底物和氧的擴(kuò)散，影響作用效果，因而理想的微生物固化載體應(yīng)兼?zhèn)湟韵聴l件：機(jī)械強(qiáng)度高，壽命長(zhǎng)，具備一定的容量，價(jià)格低廉；性質(zhì)穩(wěn)定，不易被微生物降解；固定化過(guò)程簡(jiǎn)單，常溫下易于成形，固定化過(guò)程及固定化后對(duì)微生物無(wú)毒；生化及熱力學(xué)穩(wěn)定性好；基質(zhì)通透性好，沉淀分離性好；具有惰性，不能干擾生物分子的功能[5].常用的包埋固定化材料有：聚乙烯醇（PVA）、丙烯酰胺（ACAM）、聚乙烯乙二醇（PEG）、瓊脂、海藻酸鈉（SA）、卡拉膠、光硬化樹脂等，其中聚乙烯醇、海藻酸鈉是目前應(yīng)用最為廣泛的包埋固定化材料.常用的包埋固定化載體性能見表1[6,7].許多無(wú)機(jī)載體如活性炭、多孔玻璃、陶珠等由于機(jī)械強(qiáng)度較大且不易被分解，常與包埋載體結(jié)合組成復(fù)合載體材料，用以改進(jìn)性能，提高包埋體的強(qiáng)度同時(shí)延長(zhǎng)包埋體的使用壽命.包埋法亦經(jīng)常與吸附、交聯(lián)等其他固定化方法聯(lián)合應(yīng)用.

表1 幾種固定化細(xì)胞載體的性能

2 包埋固定化制備工藝優(yōu)化研究

一種好的固定化細(xì)胞制備方法應(yīng)具備以下特點(diǎn)：固定化方法簡(jiǎn)單、溫和、使用、成本低，固定化材料價(jià)廉易得、無(wú)毒、不損害細(xì)胞；制備的固定化細(xì)胞具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，在一定的PH和溫度下可以在生物反應(yīng)器內(nèi)長(zhǎng)期使用、不被破壞；能夠人為地控制固定化細(xì)胞的大小、形狀、孔隙度、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使底物、產(chǎn)物及其他代謝產(chǎn)物能自由擴(kuò)散，從而不影響酶促反應(yīng)和活細(xì)胞的新陳代謝；單位體積的固定化細(xì)胞內(nèi)應(yīng)有盡可能多的細(xì)胞，以提高固定化效率[8].

對(duì)于包埋法而言，改善包埋顆粒的成型可控性，提高顆粒強(qiáng)度，改進(jìn)顆粒的傳質(zhì)性能，減少微生物細(xì)胞在固定化過(guò)程中的活性損失等諸多因素都是其在實(shí)際應(yīng)用中亟待改進(jìn)的.可以向包埋固定化載體溶液中添加一些相對(duì)密度不同的無(wú)機(jī)顆粒粉如無(wú)煙煤、活性炭、石榴石等，以調(diào)節(jié)固定化微生物顆粒的粒徑和密度；向固定化載體溶液添加改性淀粉、不飽和聚酯樹脂或利用有機(jī)高分子絮凝劑預(yù)先將微生物菌體絮凝成球粒，以減少固定化過(guò)程中微生物的活性損失[9]；向固定化載體溶液中添加適量的多孔性物質(zhì)或可溶出物質(zhì)如聚酯短纖維、碳酸鈣、天然多糖等，可以顯著改善固定化微生物顆粒的傳質(zhì)特性；此外，加入少量的微生物生長(zhǎng)因子有助于維持微生物活性.

1.請(qǐng)家長(zhǎng)來(lái)學(xué)校了解教學(xué)情況和學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。針對(duì)不同層次的學(xué)生使用不同的方式請(qǐng)家長(zhǎng)參觀學(xué)校，對(duì)成績(jī)良好但思想不太優(yōu)秀的學(xué)生說(shuō)：“你的學(xué)習(xí)成績(jī)是優(yōu)秀的，老師想讓你更優(yōu)秀，老師需要和你的父母討論一些其他方面的問(wèn)題?！睂?duì)有一技之長(zhǎng)的后進(jìn)生說(shuō)：“你擅長(zhǎng)體育（音樂(lè)、繪畫等），如果你深入學(xué)習(xí)，然后去上一個(gè)更高層次的學(xué)校，你將有一個(gè)強(qiáng)有力的立足于社會(huì)的技能?！焙?jiǎn)單的教育方式蘊(yùn)涵著一個(gè)樸素的教育理念——相信學(xué)生，教育學(xué)生的全部秘密在于相信學(xué)生和解放學(xué)生。相信學(xué)生、解放學(xué)生，首先要賞識(shí)學(xué)生。

Ogbonna[10]等的研究表明，可以通過(guò)減小凝膠小球的粒徑來(lái)提高其傳質(zhì)效率.

Zhang等[11]通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)比較 PVA-H3BO3、PVA-NaNO3、PVA-Na3PO4三種方法，然后通過(guò)比較微生物的耗氧速率（OUR）值得出使用PVA-Na3PO4對(duì)微生物的活性影響最小，處理效果最佳.

陳敏等[12]在制備聚乙烯醇包埋液過(guò)程中添加了少量的活性炭，實(shí)現(xiàn)了凝膠微球通透性的改善，從而更有利于傳質(zhì)的進(jìn)行.

侯紅萍等[13]以PVA和SA為包埋材料，分別以硅藻土、活性炭、Al2O3為吸附劑，結(jié)果表明顆粒更易成型，而且通透性、孔隙度、機(jī)械強(qiáng)度等性能都有提升.

楊慧[14]分別向固定化小球中添加吸附劑粉末活性炭和凹凸棒土來(lái)增強(qiáng)其性能，并以空白凝膠作為空白實(shí)驗(yàn)對(duì)比，通過(guò)比較凝膠小球的好氧速率（SOUR）值確定包埋凹凸棒土凝膠小球比包埋活性炭凝膠小球的活性高，傳質(zhì)性能好，對(duì)石油的降解率更高.

李花子等[15]采用延時(shí)包埋法和添加丙烯酰胺法分別對(duì)PVA—H3BO3固定法進(jìn)行了改進(jìn)，結(jié)果表明兩種方法制得的PVA固定化顆粒強(qiáng)度高不易破碎，水溶膨脹性明顯改善.經(jīng)過(guò)電鏡觀察后發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的聚乙烯醇凝膠網(wǎng)絡(luò)密實(shí)均勻、相互聯(lián)結(jié)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于未經(jīng)過(guò)改進(jìn)時(shí)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)顆粒彈性也有了改善.

聶榮等[16]針對(duì)藻酸鹽載體耐久性差的缺點(diǎn)，分別選用了補(bǔ)充Ca、添加Ba和減少包埋量3種不同的方法來(lái)提高藻酸鹽固定化顆粒的耐久性.結(jié)果表明，Ca2+的流失是引起藻酸鹽凝膠強(qiáng)度下降的主要因素.減少包埋生物量?jī)H能短期提高藻酸鹽載體的耐久性，而補(bǔ)充Ca2+、添加Ba2+不但能使固定化顆粒長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定，且加固后的固定化顆粒具有良好的生化性能.

3 包埋固定化法處理油污染水體的應(yīng)用

目前普遍采用的包埋法固定化工藝多以PVA、SA的水溶液作為包埋劑溶液，影響石油降解程度的主要因素有石油的成分及濃度、固定化微生物的種類及數(shù)量，外界環(huán)境因素有溫度、PH值、水體物理化學(xué)條件、曝氣強(qiáng)度、外源物等.

朱文芳[17]等利用固定化除油菌處理含油廢水，結(jié)果表明，在不同的油濃度下，固定化微生物反應(yīng)器比并行的非固定化反應(yīng)器的除油效率提高約20%.

徐新陽(yáng)等[18]利用PVA、SA和活性炭分別按照四種不同的濃度配比制作凝膠劑，以 H3BO3、CaCl2、FeCl3·6H2O在不同濃度組合以及PH條件下制作交聯(lián)劑，共7種凝膠—交聯(lián)顆粒對(duì)油污染地表水進(jìn)行包埋固定化處理，降解效率明顯優(yōu)于游離菌.

呂榮湖等[19]用篩選菌液、PVA溶液、SA溶液交聯(lián)固化成球，經(jīng)過(guò)表面硬化、解毒制備為包埋固定化微生物小球（IMB），在30℃，固液比為1:10，除油處理時(shí)間6小時(shí)的情況下，對(duì)水體中乳化油的去除率達(dá)到85%以上.

陶虎春等[20]利用PVA將高效除油菌群包埋固定于核桃殼粒上研究其除油性能.油初始濃度為56.99mg/L，運(yùn)行12小時(shí)的除油率僅為26.67%，但是隨著處理時(shí)間的增加除油率顯著提高，運(yùn)行60小時(shí)除油率達(dá)90.03%.相對(duì)于直接吸附法，PVA包埋法更有利于菌群活性的保持，同時(shí)更能承受水質(zhì)變化的沖擊.

張輝等[1]從遼河油田油污染河床底泥中篩選芽孢桿菌、黃桿菌各一株，用光電比濁法測(cè)定菌液OD500繪制細(xì)菌生長(zhǎng)曲線，選取處于對(duì)數(shù)期的種子液為固定化對(duì)象以確保微生物的活性，采用10.5%PVA、0.5%SA及少量活性炭在不同PH值下兩次交聯(lián)來(lái)制備包埋球形顆粒.處理效果顯示固定化菌對(duì)石油的降解率明顯高于游離菌，混合菌的處理效果優(yōu)于單株菌，在實(shí)驗(yàn)室模擬修復(fù)油污染地表水體狀態(tài)120小時(shí)，混合菌接種量為5%時(shí)，石油的降解率達(dá)到94.5%，同時(shí)去除水體中94.5%的COD.

張秀霞等[21]將PVA、SA作為主要材料制備PVA—H3BO3微球，以石油污染土壤中篩選的芽孢桿菌Y—13為固定化對(duì)象，反應(yīng)底物選取勝利油田石油.研究結(jié)果表明，在PH=7.5，接種量1:10，活化時(shí)間21小時(shí)的條件下處理效果最佳，對(duì)石油的降解率達(dá)到79.04%.

4 結(jié)語(yǔ)

包埋固定化技術(shù)通過(guò)對(duì)降解性能優(yōu)異的菌株進(jìn)行篩選分離純化，再經(jīng)合理的制備工藝固定于載體上構(gòu)建為包埋固定化微生物，已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中獲得了良好的效果，在石油污染水體修復(fù)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，且前景廣闊，日臻成熟.其未來(lái)的發(fā)展主要集中在如下的幾個(gè)方面：

（1）尋找開發(fā)耐用、廉價(jià)、機(jī)械強(qiáng)度與傳質(zhì)性能相統(tǒng)一的新型固定化載體及包埋材料，對(duì)包埋固定化技術(shù)的發(fā)展非常重要；

（2）石油污染水體是一個(gè)成分復(fù)雜的混合體系，應(yīng)更深入研究混合菌包埋的處理性能，以尋求最好的降解方法；

（3）利用包埋法與其他固定化方法相結(jié)合組成的復(fù)合固定化法可以充分發(fā)揮各種方法的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)彌補(bǔ)各自的缺陷，正在成為固定化研究的新熱點(diǎn)；

（4）繼續(xù)研發(fā)對(duì)微生物活性影響更小的包埋制備工藝.

〔1〕張輝,李培軍,王桂燕，等.固定化混合均修復(fù)油污染地表水的研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2008(12）.

〔2〕閆志明,普紅平,陽(yáng)立平.生物固定化技術(shù)研究及應(yīng)用評(píng)述[J].四川化工,2004,7(1)：12～14.

〔3〕白鳳武.無(wú)載體固定化細(xì)胞的研究進(jìn)展[J].生物工程進(jìn)展,2000,20(2)：32～36.

〔4〕胡勇有,高健.微生物絮凝劑的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)進(jìn)展,1999,7(4)：24～29.

〔5〕徐雪琴,李小明,楊麟.固定化微生物技術(shù)及其在重金屬?gòu)U水處理中的應(yīng)用[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2006,7(7)：99~104.

〔6〕劉宏斌,劉轉(zhuǎn)年,金奇庭.固定化微生物在廢水處理中的應(yīng)用[J]．環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2002,3(5)：61～65.

〔7〕黃霞,俞毓馨,王蕾.固定化細(xì)胞技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué),1991,10(10)：41~48.

〔8〕朱啟忠．生物固定化技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京;化學(xué)工業(yè)出版社,2009．137.

〔9〕秦麗姣.固定化石油降解菌的制備及其性能表征[D].青島：中國(guó)石油大學(xué)(華東),2011.

〔10〕Ogbonna J.C.,Matsumura M.,Kataoka H..Effective oxygenation of immobilized cells through reduction in bead diameters review[J].Process Biochemistr y,1991,26(2):109~121.

〔11〕Zhang Lisheng,Wu Weizhong,Wang Jianlong.Immobilization of activated sludge using improved polyvinyl alcohol (PVA)gel [J].Journal of Environmental Sciences,2007,19;1293-1297.

〔12〕陳敏,羅啟芳.聚乙烯醇包埋活性炭與微生物的固定化技術(shù)及其對(duì)水胺硫磷降解的研究[J]．環(huán)境科學(xué),1994,15(3)：11~14.

〔13〕侯紅萍,閆躍文.吸附—包埋結(jié)合法共固定化糖化酶和酵母菌的研究[J].食品科學(xué),2009,30(5)：201~204.

〔14〕楊慧.添加吸附劑對(duì)包埋固定化微生物凝膠小球的性能影響研究[D].蘭州;蘭州交通大學(xué),2007.

〔15〕李花子,王建龍,文湘華.聚乙烯醇—硼酸固定化方法的改進(jìn)[J].環(huán)境科學(xué)研究,2002,15(5)：25-27.

〔16〕聶榮,翟建平.藻酸鹽固定化顆粒耐久性研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2008(01).

〔17〕朱文芳,李偉光.微生物固定化技術(shù)處理含油廢水的研究[J].工業(yè)水處理,2007,27(10)：44-46.

〔18〕徐新陽(yáng),谷妮娜.含油廢水處理微生物的化學(xué)包埋法固定化工藝[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào),2007,28(9)：1329-1332.

〔19〕呂榮湖,郭召海,孫陽(yáng)昭，等.包埋固定化微生物法處理含油廢水研究[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2006,7(1)：89-93.

〔20〕陶虎春,賈德利,陸洪宇，等.聚乙烯醇核桃殼復(fù)合固定菌群的除油效能研究 [J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,36(4)：455-458.

〔21〕張秀霞,秦麗姣,吳偉林等.固定化原油降解菌的制備及其性能研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2010,4(3)：659~664.