石油原油在水中的微生物降解

張雙翼

(上海城市水資源開發利用國家工程研究中心有限公司， 上海 200082)

石油原油的意外泄漏危害著水體水質，給水生態系統帶來嚴重的不良影響[1-2]。對于下游地區的水源地，探索有效去除原油污染物的方法至關重要。化學分散劑被廣泛應用于清理機械處理無法觸及的漏油區域[3]，可將原油分散成細小的油滴懸浮在水體中，促進原油在水中的去除[4-5]。相較于物理分散(例如機械攪拌)，化學分散(添加分散劑)能更有效地提高原油油滴分散在水體中的穩定性，防止其重新結合后上浮到水體表面，降低微生物降解速度[6]。除了化學分散劑，補充營養劑也能有效促進微生物的活動，提高微生物降解原油的速度[7]。筆者通過微生態實驗，比較了在有氧的狀況下物理分散和化學分散對微生物降解水中石油原油的影響，同時評估了營養劑對微生物降解效果的促進作用。

1 試驗材料與方法

1.1 原油與水的混合液

向底部設有采樣口的2個瓶子中分別加入4 L水樣，在采用磁力攪拌機攪拌的過程中，分別緩慢加入20 mL石油原油。提高攪拌速度至水流漩渦觸及瓶子底部，使氣泡回蕩在水樣中，以保證水樣與原油之間充分攪拌。對于化學分散組，將2 mL分散劑緩緩加入處于攪拌狀態的水油混合液中；物理分散組則保持水油混合液的攪拌，不加入任何化學分散劑。將2組水油混合液持續攪拌16 h后，靜置30 min，采集水樣并檢測。

1.2 微生態試驗

有氧生物降解原油過程中的主要指標，包括原油去除率、氧氣消耗量和CO2產生量，都通過密封的呼吸循環微生態系統測得。用NaOH溶液吸收系統中微生物降解原油所產生的CO2，并通過用硫酸滴定至pH值為8.3計算總量。微生態系統的側邊連接1個帶有刻度的氧氣針管，當系統因為氧氣消耗而發生氣壓變化時，針管可以補充氧氣，并可從刻度上讀取消耗的氧氣量。

每個實驗條件下，都進行3個平行樣本并取平均值。共設置了54個微生態實驗系統，包括24個化學分散組(12組加營養劑+12組不加營養劑)，24個物理分散組(12組加營養劑+12組不加營養劑)，以及3個化學分散控制組和3個物理分散控制組(見表1)。每個微生態系統中加入100 mL相應的水油混合液。營養劑投加量為100 mg NO3-N/L以及10 mg PO4-P/L。控制組加入0.5%的疊氮化鈉(NaN3)，滅活水樣中的微生物，與其他組別進行對比。所有的微生態系統被置于15±0.5 ℃的培養箱中，在搖床上以140 r/min的轉速搖擺，在穩定的微生物降解溫度下，確保原油與水樣的混合。

表1 微生態系統的設置Tab.1 Setup of the microcosms

1.3 原油濃度的測定

每種組別的3個平行密封樣品分別在培養0，14，28和42 d后打開，并測定水樣中的原油濃度。通過液液萃取，用二氯甲烷(DCM)在分液漏斗中將原油從水樣分離到1個24 mL的玻璃樣品瓶中，并對收集到的油樣進行稱重。

2 結果與討論

2.1 微生態系統中原油濃度的變化

物理分散的有營養組原油初始濃度(第0 d)為0.020±0.003 g/L，無營養組的初始濃度為0.017±0.001 g/L。化學分散組的原油初始濃度比物理分散組高10倍左右：有營養組為0.304±0.095 g/L，無營養組為0.298±0.042 g/L。總體上，物理分散組的原油初始濃度無論是投加營養與否均低于化學分散組。這說明，化學分散劑能更穩定地將原油分散成細小的油滴并懸浮在水樣中，而不是結合成大顆粒上浮回到水樣的表面，削弱微生物的降解作用。

從圖1中看出，無論是否投加營養劑，物理分散組的原油濃度在整個培養過程中基本沒有變化，最終的原油濃度與物理控制組基本一致。說明在物理分散組中由于原油分散不理想，未發生微生物降解。

另一方面，培養14 d后，添加營養劑的化學分散組對原油的去除率為24%，未加營養劑的去除率在14%左右。此后一直到42 d，無論投加營養劑與否，化學分散組都未發現更多的微生物降解。營養劑的投加促進了微生物的生長，使原油的微生物降解效果進一步提高，將原油去除率提高了近2倍。

圖1 各個組別中原油濃度的變化Fig.1 Variation of oil concentration in each group

第42 d后打開的化學控制組中，原油濃度與初始濃度相同，沒有變化，經過滅活的微生態系統未發生任何微生物降解。這也說明在其他化學分散組中，微生物降解是去除水樣中原油的可行方法，直接使原油濃度降低。

2.2 氧氣的消耗量

微生物對原油的降解與其呼吸循環有密切的關系，因此監測微生態系統中的氧氣消耗量也可以從另一方面反映微生物降解原油的程度。從圖2可以看出，與原油去除率的趨勢相同，投加營養液后的化學分散組消耗了最多的氧氣，明顯高出其它組別。2個物理分散組經過42 d培養后，氧氣消耗量小于15 mg。對于化學分散組，投加營養劑的試驗組氧氣消耗量累計為42.24 mg，而不投加營養劑的組別則只有11.71 mg。較高的氧氣消耗量支持了微生物的生長，也促進了原油的去除。

圖2 微生態系統中氧氣的消耗量Fig.2 Consumption of oxygen in the microcosms

2.3 二氧化碳的產生量

試驗中發現，二氧化碳產生量的變化趨勢和氧氣消耗量一致，如圖3所示。物理分散組中產生的CO2很少，培養42 d后只有0.44 mg。在投加了營養劑的化學分散組中，CO2產生量在前14 d快速增長到3.7 mg，并在42 d時上升到16.34 mg。在未投加營養劑的化學分散組中，42 d時的CO2產生量為0.74 mg。與其他組別比較，投加了營養劑的化學分散組持續、大量地消耗了氧氣并產生二氧化碳，有效地去除了水樣中24%的原油。

圖3 微生態系統中二氧化碳產生量Fig.3 Production of carbon dioxide in the microcosms

3 結語

① 化學分散劑能將水中泄漏的原油分散成小的油滴并穩定懸浮在水樣中，提高了油滴的穩定性，促進微生物對原油的有效降解。

② 在化學分散后投加營養劑有助于微生物的生長，進一步促進其對原油的降解效果，將原油的去除率從未投加營養劑時的14%提升至24%。

③ 化學分散和營養劑投加，促進了水樣中微生物的呼吸循環，第42 d的氧氣消耗量為42.24 mg，是其他組別的4倍，二氧化碳產生量大約是其他組的20倍。

④ 在化學分散劑與原油體積比為1 ∶10并聯合投加營養劑的情況下，采用微生物降解能有效去除水中泄漏原油。