微生物法處理陜北采油污水

高小朋,王 平,薛小龍,賀曉龍,任桂梅

(延安大學生命科學學院, 陜西延安 716000)

陜北是我國重要的新興能源化工基地,石油產業在開采、儲運、加工等過程中,經常會發生泄漏,陜北油井中10%的井場位于水源一級、二級保護區[1],泄漏的原油對水體、土壤造成了嚴重的污染,使陜北地區的環境污染與生態破壞有加劇趨勢[2-3]。石油污染的修復技術研究是目前環境科學技術領域的研究熱點[4]。理化方法處理石油污染物因其造價高,二次污染嚴重等問題而使其應用受到限制[5],而生物處理法是迄今為止處理石油烴污染比較好的一種方法,因處理效果好、費用低、無二次污染等優點而受到人們的廣泛關注[6]。筆者利用已有的高效石油降解菌,對從陜北油區靖邊天賜灣注水井、子長余家坪選油站和青化砭選油站采集采油污水進行了凈化實驗,為陜北地區的采油廢水的微生物凈化提供一定的技術探索、為建設環境友好型社會提供一定的科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

a.實驗材料：實驗菌株CT-6 由延安大學生命科學學院微生物實驗室提供;實驗所用采油污水和石油分別采自靖邊天賜灣注水井、子長余家坪選油站、青化砭選油站(編號分別為油樣A、油樣B、油樣C;水樣A、水樣B、水樣C)。

b.試劑：濃硫酸(95%～98%,分析純,西安三浦精細化工廠生產)、石油醚(沸程90 ～120 ℃,分析純,天津市科密歐化學試劑有限公司生產)、無水硫酸鈉(分析純,天津市北方天醫化學試劑廠生產)。

c.儀器：隔水式電熱恒溫培養箱(PYX-DHS-40*50-BS,上海躍進醫療器械廠生產)、紫外分光光度計(UVmini-1240,日本島津生產)、pH 計(pHS-25C,上海康儀儀器有限公司生產)、立式壓力蒸汽滅菌鍋(LS-B50L,江陰濱江醫療儀器廠生產)。

1.2 方 法

a.實驗菌株的活化與擴大培養：將實驗菌株CT-6 接種于LB 液體培養基中,實驗條件為37 ℃、180 r/min、24 h 后將菌液按5%的接種量接種于LB培養基中,實驗條件為37 ℃、180 r/min、培養13 h,如此重復3 次。

b.污水中石油類物質質量濃度的檢測。 ①石油波長的選擇[7]：不同產地的石油及其產品在紫外區不同波長處都有特征吸收峰,不同產地的石油敏感波長不同[8],將不同來源的石油樣品進行全波長掃描,確定各種樣品的敏感吸收峰。 ②不同樣品標準曲線的繪制[9]：將原油樣品用石油醚稀釋至10 mg/mL作為儲備液待用,分別取儲備液1.0 mL、2.0 mL、3.0 mL、4.0 mL、5.0 mL 于10 mL 容量瓶中,用石油醚定容, 得到質量濃度分別為1.0 mg/mL、2.0 mg/mL、3.0 mg/mL、4.0 mg/mL、5.0 mg/mL 的石油-石油醚標準質量溶液。以石油醚為參比,測定其在特征波長下的光密度(OD)值,以質量濃度為橫坐標、相應OD 值為縱坐標繪制標準曲線。由于不同產地原油組分不同,需分別繪制不同產地原油的標準曲線。 ③石油類物質質量濃度的測定。用紫外分光廣度法[10]測定各樣品中的石油類物質質量濃度。

c.實驗菌株對污水中石油的降解實驗：根據已有研究結果[11-12],菌株CT-6 能夠在質量濃度分別為葡萄糖5.7 g/L、氯化銨3.8 g/L 的培養基中迅速生長,且在接種量8%、39.6 ℃、198 r/min 實驗條件下對石油有較高的降解率,故該實驗在前敘條件下進行。在每種污水中按ρ=5.7 g/L、ρ=3.8 g/L 的質量濃度分別加入葡萄糖和氯化銨為實驗Ⅰ組,不加任何營養物質的污水為實驗Ⅱ組,兩組實驗各做3個重復,每組同時以不加菌的污水作為對照組,從實驗開始,2 d、4 d、6 d、8 d 后分別測定各污水水樣中的殘油量。

2 結果與分析

2.1 全波長掃描結果

對采集3 個地點的原油樣品進行全波長掃描,結果見圖1。圖1 中的1,2,3,4, …分別代表掃描曲線在此處峰值的數量。

圖1 3 個地點的油樣波長分析

由圖1(a)可知,靖邊縣天賜灣原油樣品有最大吸收峰在波長225.20 nm 處,故確定該樣品的特定波長為225.20 nm。

由圖1(b)可知,子長余家坪選油站原油樣品的最大吸收峰在波長226.20 nm 處,故確定該樣品的特定波長為226.20 nm。

由圖1(c)可知,青化砭選油站原油樣品的最大吸收峰在波長226.10 nm 處,故確定該樣品的特定波長為226.10 nm。

2.2 實驗菌株對污水中原油的降解結果

a.經分光光度法測定污水中的石油類物質質量濃度,水樣A 在不同處理條件下的石油類物質質量濃度見圖2。

圖2 水樣A 實驗

由圖2(a)、(b)可知,實驗菌株對采自靖邊縣天賜灣含油污水中的原油降解效果非常明顯,但兩組實驗之間的處理結果沒有明顯差異,2 d 后實驗菌株對實驗Ⅰ組、實驗Ⅱ組水樣中原油的降解率分別達到了83.40%、85.18%, 質量濃度分別為9.42 mg/L、7.86 mg/L,都達到了國家石油類物質排放二級標準(≤10 mg/L)。隨著培養時間的增加,降解效果增加不明顯,8 d 時實驗Ⅰ組的質量濃度降至5.49 mg/L,實驗Ⅱ組水樣的質量濃度為4.21 mg/L,實驗Ⅱ組達到了國家石油類物質排放一級標準(≤5 mg/L)。其原因可能是：實驗Ⅰ組加入營養物質,為菌株提供碳、氮源, 和石油物質產生共代謝, 加速了石油降解[13],當營養物質利用完后,降解率也不再增加;實驗Ⅱ組沒有添加營養物質,在較低的原油質量濃度下,實驗菌株可以將原油作為碳源,有效地將原油分解利用。

b.經分光光度法測定污水中的石油類物質質量濃度,水樣B 在不同處理條件下的石油類物質質量濃度見圖3。

圖3 水樣B 實驗

由圖3(a)、(b)可知,實驗菌株對采自子長余家坪選油站含油污水中的石油降解效果較為明顯。2 d 時實驗Ⅰ組和Ⅱ組水樣中的石油類物質質量濃度分別為：51.42 mg/L、182.34 mg/L,隨著降解時間的增加,水樣中的石油類物質質量濃度逐漸降低,到第8 天時,實驗Ⅰ組、實驗Ⅱ組水樣中的石油類物質質量濃度分別為32.56 mg/L、19.52 mg/L,降解率分別達到49.56%、85.49%,實驗Ⅱ組達到了石油類物質國家排放三級標準(≤20 mg/L)。在實驗2 ～6 d時,實驗Ⅰ組的處理效果要優于實驗Ⅱ組,其原因可能是,實驗Ⅰ組因為加入營養物質和石油物質產生共代謝,加速了石油的降解[13]。而當營養物質消耗完畢,降解率便不再增加。而實驗Ⅱ組從實驗菌株進入污水中開始,就開始適應環境,隨著對環境的適應性增強,降解能力也在不斷增加。

c.經分光光度法測定污水中的石油類物質質量濃度,水樣C 在不同處理條件下的石油類物質質量濃度見圖4。

圖4 水樣C 實驗

從圖4(a)、(b)可知,實驗菌株對采自青化砭選油站的含油污水中的原油降解效果并不明顯,經過8 d 的降解,實驗Ⅰ組的和實驗Ⅱ組的石油類物質質量濃度分別為678.35 mg/L、802.13 mg/L,實驗菌株對原油的降解率分別為6.8%和2.4%。這可能是由于原油質量濃度過高,處理效果比較差,其原因可能是：①經事后了解,在采樣之前,水樣C 進行了酸化處理,過高的酸度可能導致了實驗菌株的死亡,所以,處理效果比較差;②可能與水樣C 中的原油本身的理化性質有關,因為在不同地區所產石油的組分和理化性質有一定差異,這對微生物的降解也存在影響。有研究報道[14],用同一種微生物降解不同地區產的石油,有不同的降解效果,這說明石油本身的性質對微生物的降解有一定的影響。

3 結 論

a.利用陜北石油高效降解菌分別對采自靖邊天賜灣注水井、子長余家坪選油站、青化砭選油站的含油污水進行了凈化處理,結果為：靖邊天賜灣注水井水樣在處理2 d 后,達到國家石油類物質排放二級標準,8 d 后達到一級排放標準;子長余家坪選油站水樣處理8 d 后,達到國家石油類物質排放三級標準;青化砭選油站水樣處理效果并不明顯。

b.3 個水樣的初始石油類物質質量濃度排序是水樣A ＜水樣B ＜水樣C,從整體處理效果來看,水樣A 優于水樣B、水樣B 優于水樣C。其原因可能是和各水樣中的初始石油類物質質量濃度有關,初始石油類物質質量濃度越大,處理效果越差。這是因為石油類物質濃度對降解有很大影響,油量越大,覆蓋于水樣表面的油膜越厚、面積越大,使得氧氣難以進入,從而影響實驗菌株對氧的利用,抑制其生長[15],在石油類物質濃度過高時,也會對實驗菌株利用其他的營養鹽產生一定的阻礙,這一結果也和Arco 等[16]提出的“隨石油濃度的升高,最終降解率逐漸降低,降解率與石油濃度成負相關關系”觀點相吻合。

c.從每一水樣的兩組實驗來看,結果并不完全相同,水樣A 和水樣B 的處理結果說明,實驗Ⅱ組比實驗Ⅰ組處理效果好,由于實驗Ⅱ組不用加營養物質,因此,對這兩個水樣,采用直接給水樣中投加菌體的方法較好一些。

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