包埋固定化法處理石油污染水體應用研究進展

郭大立，張 戈，關曉燕

（1.赤峰學院 資源與環境科學學院，內蒙古 赤峰 024000；2.遼寧師范大學 城市與環境學院；3.遼寧省海洋科學研究院）

近年來，伴隨著我國石油工業的快速發展和石油產品的廣泛使用，以及海上石油開采和海上漏油事故的頻繁發生，大量的石油進入水環境形成污染，給生態系統造成極大危害.

石油污染水體的生物處理法是利用微生物的生命活動過程對水中油類進行轉移和轉化，在體內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等代謝產物.傳統的微生物修復技術如活性污泥法（SBR）、生物膜法、氧化溝法等，處理油污染水體時存在著諸多缺陷，如單位體積內優勢菌濃度較低，反應啟動慢，菌體易流失，環境耐性差等[1].

固定化微生物技術是利用物理或化學方法將游離微生物限定于某一特定空間范圍內，使其保持生物活性并能加以重復利用的現代生物工程技術.該技術始于20世紀60年代，到20世紀70年代后逐步從固定化酶技術發展而來，具有微生物活性強、細胞濃度高、反應速度快、處理效果穩定、產物易分離等特點，在實際應用中的處理效果明顯優于傳統的懸浮微生物處理工藝[2].

根據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、交聯法、共價結合法和無載體固定化法等.

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

共價結合法是基于微生物細胞表面功能團與固支持物表面基團之間形成共價鍵相連來實現細胞固定，因此結合牢固，穩定性好，但是基團結合時反應激烈，操作復雜、難控制.

無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，使微生物產生自固定，成為無載體固定化技術.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程中，同時形成了微生物的適宜生態環境，使之有利于微生物代謝之間的協調.這種方法相比于以往的一些固定方法具有顯著的優勢，將在環境工程中的污水處理領域得到廣泛的應用[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度好，具有優異的綜合性能，目前的應用亦最為廣泛.雖然目前國內外針對包埋固定化微生物法應用于環境污染治理尤其是污水處理方面的研究文獻很多，但是針對石油污染水體處理的應用報道卻很少.本文對包埋固定化微生物技術在油污染水體處理中的實際應用做了研究比較，并探討了該技術今后的應用前景和存在的問題.

1 包埋法固定化微生物技術的理論基礎

包埋法需要將微生物細胞包埋于多孔性載體內或高聚物形成的凝膠小格中，其技術關鍵是如何選擇適當的載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在一定程度上阻礙底物和氧的擴散，影響作用效果，因而理想的微生物固化載體應兼備以下條件：機械強度高，壽命長，具備一定的容量，價格低廉；性質穩定，不易被微生物降解；固定化過程簡單，常溫下易于成形，固定化過程及固定化后對微生物無毒；生化及熱力學穩定性好；基質通透性好，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].許多無機載體如活性炭、多孔玻璃、陶珠等由于機械強度較大且不易被分解，常與包埋載體結合組成復合載體材料，用以改進性能，提高包埋體的強度同時延長包埋體的使用壽命.包埋法亦經常與吸附、交聯等其他固定化方法聯合應用.

表1 幾種固定化細胞載體的性能

2 包埋固定化制備工藝優化研究

一種好的固定化細胞制備方法應具備以下特點：固定化方法簡單、溫和、使用、成本低，固定化材料價廉易得、無毒、不損害細胞；制備的固定化細胞具有良好的機械強度和化學穩定性，在一定的PH和溫度下可以在生物反應器內長期使用、不被破壞；能夠人為地控制固定化細胞的大小、形狀、孔隙度、網狀結構，使底物、產物及其他代謝產物能自由擴散，從而不影響酶促反應和活細胞的新陳代謝；單位體積的固定化細胞內應有盡可能多的細胞，以提高固定化效率[8].

對于包埋法而言，改善包埋顆粒的成型可控性，提高顆粒強度，改進顆粒的傳質性能，減少微生物細胞在固定化過程中的活性損失等諸多因素都是其在實際應用中亟待改進的.可以向包埋固定化載體溶液中添加一些相對密度不同的無機顆粒粉如無煙煤、活性炭、石榴石等，以調節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高分子絮凝劑預先將微生物菌體絮凝成球粒，以減少固定化過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或可溶出物質如聚酯短纖維、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特性；此外，加入少量的微生物生長因子有助于維持微生物活性.

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Ogbonna[10]等的研究表明，可以通過減小凝膠小球的粒徑來提高其傳質效率.

Zhang等[11]通過對比試驗比較 PVA-H3BO3、PVA-NaNO3、PVA-Na3PO4三種方法，然后通過比較微生物的耗氧速率（OUR）值得出使用PVA-Na3PO4對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程中添加了少量的活性炭，實現了凝膠微球通透性的改善，從而更有利于傳質的進行.

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，結果表明顆粒更易成型，而且通透性、孔隙度、機械強度等性能都有提升.

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增強其性能，并以空白凝膠作為空白實驗對比，通過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，傳質性能好，對石油的降解率更高.

李花子等[15]采用延時包埋法和添加丙烯酰胺法分別對PVA—H3BO3固定法進行了改進，結果表明兩種方法制得的PVA固定化顆粒強度高不易破碎，水溶膨脹性明顯改善.經過電鏡觀察后發現改進后的聚乙烯醇凝膠網絡密實均勻、相互聯結，網狀結構明顯優于未經過改進時的結構，同時顆粒彈性也有了改善.

聶榮等[16]針對藻酸鹽載體耐久性差的缺點，分別選用了補充Ca、添加Ba和減少包埋量3種不同的方法來提高藻酸鹽固定化顆粒的耐久性.結果表明，Ca2+的流失是引起藻酸鹽凝膠強度下降的主要因素.減少包埋生物量僅能短期提高藻酸鹽載體的耐久性，而補充Ca2+、添加Ba2+不但能使固定化顆粒長時間保持穩定，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量，外界環境因素有溫度、PH值、水體物理化學條件、曝氣強度、外源物等.

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

徐新陽等[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條件下制作交聯劑，共7種凝膠—交聯顆粒對油污染地表水進行包埋固定化處理，降解效率明顯優于游離菌.

呂榮湖等[19]用篩選菌液、PVA溶液、SA溶液交聯固化成球，經過表面硬化、解毒制備為包埋固定化微生物小球（IMB），在30℃，固液比為1:10，除油處理時間6小時的情況下，對水體中乳化油的去除率達到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，運行12小時的除油率僅為26.67%，但是隨著處理時間的增加除油率顯著提高，運行60小時除油率達90.03%.相對于直接吸附法，PVA包埋法更有利于菌群活性的保持，同時更能承受水質變化的沖擊.

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，用光電比濁法測定菌液OD500繪制細菌生長曲線，選取處于對數期的種子液為固定化對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值下兩次交聯來制備包埋球形顆粒.處理效果顯示固定化菌對石油的降解率明顯高于游離菌，混合菌的處理效果優于單株菌，在實驗室模擬修復油污染地表水體狀態120小時，混合菌接種量為5%時，石油的降解率達到94.5%，同時去除水體中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為固定化對象，反應底物選取勝利油田石油.研究結果表明，在PH=7.5，接種量1:10，活化時間21小時的條件下處理效果最佳，對石油的降解率達到79.04%.

4 結語

包埋固定化技術通過對降解性能優異的菌株進行篩選分離純化，再經合理的制備工藝固定于載體上構建為包埋固定化微生物，已經在實際應用中獲得了良好的效果，在石油污染水體修復領域發揮著重要作用，且前景廣闊，日臻成熟.其未來的發展主要集中在如下的幾個方面：

（1）尋找開發耐用、廉價、機械強度與傳質性能相統一的新型固定化載體及包埋材料，對包埋固定化技術的發展非常重要；

（2）石油污染水體是一個成分復雜的混合體系，應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合組成的復合固定化法可以充分發揮各種方法的優勢，同時彌補各自的缺陷，正在成為固定化研究的新熱點；

（4）繼續研發對微生物活性影響更小的包埋制備工藝.

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