魏 婷 何敬愉 何彩云

1(中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 深圳 518055)

2(廣州中國(guó)科學(xué)院先進(jìn)技術(shù)研究所 廣州 511458)

1 引 言

海洋石油污染主要來(lái)自海上溢油、漏油事故和船舶油污水的排放。其中，船舶油污水主要由船舶壓艙水、含油洗艙水和機(jī)艙水構(gòu)成。海上船舶油污水通常由油污接駁船與油輪、油氣船直接接洽收集，轉(zhuǎn)移至陸地后集中進(jìn)行原油回收和油污處理。雖然部分原油被回收，但船舶油污水中殘留的石油烴濃度依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，這些殘留在高鹽度船舶油污水中的石油烴，正是各船舶石油污水處理企業(yè)亟待解決的難題[1]。與物理或化學(xué)的原位處理相比，采用微生物菌劑處理海洋石油污水，具有多個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)[2]：(1)石油污染物降解徹底，且不會(huì)造成二次污染；(2)無(wú)可燃性，使用安全、方便，操作簡(jiǎn)單；(3)成本低廉、無(wú)腐蝕性；(4)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可適用于不同的溫度條件，并可耐受高鹽環(huán)境；(5)適用范圍廣。微生物處理石油污水，其核心在于石油烴微生物降解菌劑，開發(fā)高效、穩(wěn)定的降解菌劑是海洋石油污水處理的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

目前，分離鑒定的石油烴降解微生物已有 100 余屬 200 多種以上。其中，細(xì)菌主要包括假單胞菌屬(Pseudomonas)、節(jié)桿菌屬(Arthrobacter)、不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter)、產(chǎn)堿桿菌屬(Alcaligennes)、微球菌屬(Microcoecus)、棒狀桿菌屬(Corynebacterium)、黃桿菌屬(Flavobacterium)、紅球菌屬(Rhodococcus)、無(wú)色桿菌屬(Achromobacter)和芽孢桿菌屬(Bacillus)等[3,4]。這些細(xì)菌能夠以石油烴為碳源進(jìn)行生長(zhǎng)代謝，有些還可以產(chǎn)生生物表面活性劑，將疏水性油污成分分散開來(lái)，促進(jìn)其降解[4,5]。國(guó)內(nèi)對(duì)海洋石油污水處理及高鹽環(huán)境下石油烴降解微生物的篩選已做了一定的工作。鄭洲等[6]從 385 株南極海洋細(xì)菌中篩選出 1 株假交替單胞菌和 1 株科爾韋爾氏菌，二者在 15℃ 時(shí)對(duì)柴油的降解率分別達(dá) 43.95%、62.47%。林學(xué)政等[7]從中國(guó)第二次北極科考采集的海洋沉積物中分離篩選了26 株石油降解菌，結(jié)果表明其中 3 株對(duì)原油的降解率可達(dá) 30%～50%，分離到的石油烴降解菌以假交替單胞菌屬為優(yōu)勢(shì)菌群，占 42%。然而，這些研究都只停留在菌種篩選的實(shí)驗(yàn)室研究階段，離技術(shù)產(chǎn)業(yè)化尚有不小的距離。

石油烴成分非常復(fù)雜，尚沒(méi)有任何一種已知微生物能降解石油中的所有組分。國(guó)際上有研究表明，與單菌株降解相比，復(fù)合菌群能降解更寬范圍的石油烴。Deppe 等[8]研究了北極海域中分離的 9 株細(xì)菌的共生體對(duì)原油的降解潛力，結(jié)果表明細(xì)菌共生體可以降解不同的烷烴，包括直鏈烷烴、支鏈烷烴和芳烴，原油總降解率達(dá) 77%。Sathishkumar 等[9]從加油站附近被石油產(chǎn)品污染的環(huán)境中分離出 57 株石油烴降解菌，并比較了復(fù)合菌群和單菌株對(duì)原油的降解效果發(fā)現(xiàn)，復(fù)合菌群的降解率可達(dá) 77%，而單菌株最高的僅達(dá) 69%。因此，復(fù)合菌群是石油烴污染物處理的理想工具。國(guó)際上，對(duì)于海洋石油污水處理復(fù)合菌劑的研發(fā)已取得了巨大突破，Bio-Green、Microlife 等公司成功研發(fā)出了石油降解菌劑產(chǎn)品，并在石油污水及海洋石油污水處理中得以應(yīng)用。國(guó)外的產(chǎn)品不僅價(jià)格高昂，而且菌劑產(chǎn)品在本地使用存在適應(yīng)性問(wèn)題，與本地含油污水中土著微生物菌種之間很有可能會(huì)發(fā)生拮抗。由此可見，在中國(guó)巨大的石油污水處理市場(chǎng)上，亟待在高效處理菌劑的設(shè)計(jì)與構(gòu)建技術(shù)方面尋求突破。目前報(bào)道過(guò)的研究大部分局限在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，且多采用陸地來(lái)源的菌種或僅使用原油中的某些組分化合物進(jìn)行降解實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)際的大規(guī)模海洋石油污水處理指導(dǎo)意義有限。本文通過(guò)利用海洋石油烴降解細(xì)菌構(gòu)建人工菌群用于生物強(qiáng)化，在中試規(guī)模下對(duì)來(lái)源于污水處理企業(yè)的原油污染壓艙水進(jìn)行處理，以期獲得更加接近實(shí)際工廠處理的效果。

2 材料與方法

2.1 材料

2.1.1 菌株

應(yīng)用于本文的石油烴降解菌株(如表 1 所示)均來(lái)自中國(guó)沿海及太平洋海域被石油污染的海水和深海泥樣，經(jīng)篩選及鑒定后，保存于國(guó)家海洋局第三海洋研究所及中國(guó)海洋微生物菌種保藏中心(MCCC)。這些菌種來(lái)源于受石油污染的海洋污水環(huán)境，能夠以石油烴為碳源進(jìn)行生長(zhǎng)和代謝。前期研究已表明，這些菌種具有較好的石油烴降解能力或生產(chǎn)生物表面活性劑的能力，且具有一定的嗜鹽性，能夠耐受濃度為 0.5%～3.0% 的鹽度變化[10-18]，因此被應(yīng)用于本文中高鹽、高石油烴含量的污水處理。

2.1.2 培養(yǎng)基與培養(yǎng)條件

(1)M2 培養(yǎng)基(用于培養(yǎng)菌株 HD1、HD5、HD9)：5.0 g 醋酸鈉(CH3COONa)，0.5 g 胰蛋白胨，0.5 g 酵母提取物，0.5 g 葡萄糖，0.5 g 蔗糖，0.05 g 檸檬酸鈉，0.05 g 蘋果酸，1.0 g 硝酸銨(NH4NO3)，0.2 g 氯化銨(NH4Cl)，0.5 g 磷酸二氫鉀(KH2PO4)，pH 為 7.8。人工海水配制如下：24 g 氯化鈉(NaCl)，11 g 六水合氯化鎂(MgCl2·6H2O)，4 g 硫酸鈉(Na2SO4)，2 g 二水合氯化鈣(CaCl2·2H2O)，0.7 g 氯化鉀(KCl)，0.1 g溴化鉀(KBr)，0.03 g 硼酸(H3BO3)，5.0 mg 偏硅酸鈉九水合物(Na2SiO3·9H2O)，0.04 g 六水合氯化鍶(SrCl2·6H2O)，3.0 mg 氟化鈉(NaF)，2.0 mg NH4NO3，1.0 mg 二水合磷酸鐵(FePO4·2H2O)，1 000 mL 去離子水，pH 為 7.8。

表1 本文中用于石油污水處理的菌株Table 1 The bacterial strains applied to oil sewage treatment in this study

(2)2216L 培養(yǎng)基(用于培養(yǎng)菌株 HD2、HD7)：1.0 g CH3COONa，10 g 胰蛋白胨，2 g酵母提取物，0.5 g 檸檬酸鈉，0.2 g NH4NO3，0.5 g KH2PO4，1 000 mL 人工海水，pH 調(diào)整為7.4～7.6。

(3)HLB 培養(yǎng)基(用于培養(yǎng)菌株 HD6)：5.0 g酵母提取物，10 g 胰蛋白胨，30 g NaCl，1 000 mL去離子水，pH 為 7.8。

(4)LB 培養(yǎng)基(用于培養(yǎng)菌株 HD3、HD4、HD8)：5.0 g 酵母提取物，10 g 胰蛋白胨，10 g NaCl，1 000 mL 去離子水，pH 為 7.8。

石油烴降解菌株在上述培養(yǎng)基中于 30℃ 過(guò)夜培養(yǎng)至穩(wěn)定期后用于污水處理實(shí)驗(yàn)。2.1.3 高鹽含油污水

本文所采用的高鹽船舶油污水來(lái)自廣東省深圳市從事海洋船舶油污水回收的企業(yè)——龍善環(huán)保實(shí)業(yè)科技有限公司。相關(guān)污染物含量測(cè)定參照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(GB8978-1996)進(jìn)行。

2.2 方法

2.2.1 含油污水處理實(shí)驗(yàn)

選取農(nóng)戶1.2畝路邊田為試驗(yàn)示范地，使用滴灌二銨、大量元素水溶肥，此報(bào)告定為示范田；示范田周圍田地使用磷酸一銨55%、羅布泊鉀肥52%面積共1.2畝，選取樹齡相同的半畝作為對(duì)照田，此報(bào)告定為對(duì)照田。均根據(jù)農(nóng)戶常年種植習(xí)慣與用肥習(xí)慣進(jìn)行相同施肥與管理。

預(yù)實(shí)驗(yàn)采用體積為 500 L 的簡(jiǎn)易金屬桶進(jìn)行。首先，將來(lái)自龍善環(huán)保公司污水池中的活性污泥(5 L)接種到金屬桶中，同時(shí)加入 30 L 海水，并進(jìn)行連續(xù)曝氣一周。在此期間，每 2 天加入營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，包括 100 g NH4NO3，10 g KH2PO4，0.4 g 氯化亞鐵(FeCl2)和 100 g 小麥面粉，以改善污泥活性。然后，將上述 9 種石油烴降解菌接種至曝氣桶中，持續(xù)馴化 1 個(gè)月以保證菌群充分生長(zhǎng)之后加入高鹽船舶油污水，將體系擴(kuò)大至 200 L 再次馴化。在此期間，連續(xù)曝氣，并每2 天加入上述同樣的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，馴化約 1 周。最后，相同體積的 9 種細(xì)菌過(guò)夜培養(yǎng)物被再次接種至曝氣桶中，并繼續(xù)添加高鹽船舶油污水至總體積達(dá) 500 L，重復(fù)馴化過(guò)程且每 2 天加入上述同樣的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，持續(xù) 1 周。馴化基本完成后開始正式處理，高鹽船舶油污水被連續(xù)泵入系統(tǒng)中進(jìn)行處理，在處理系統(tǒng)中的保留時(shí)間不低于 6 天。在馴化和處理過(guò)程中，適時(shí)取樣約 1.5 L 并檢測(cè)水質(zhì)情況。

為了獲得更好的處理效果，在上述 500 L 金屬桶處理結(jié)果的基礎(chǔ)上，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)總體積為 600 L 的連續(xù)流石油污水處理反應(yīng)器。該反應(yīng)器由曝氣沉砂池、間隙式曝氣池、沉淀池 3 個(gè)主要部分組成，分別用于氣浮沉沙、石油污染降解和污泥沉降。首先，石油污水被持續(xù)泵入后，相繼流過(guò)曝氣沉砂池、好氧曝氣池和污泥沉淀池。在曝氣沉沙池中，從池底持續(xù)通入空氣，污水中的部分細(xì)小油滴持續(xù)被氣泡帶到隔油沉沙池表面后，通過(guò)機(jī)械刮取收集并進(jìn)行回收。與此同時(shí)，污水中的沙粒與其他固體污染物沉淀至沉砂池底部，并通過(guò)底部的閥門定期排出。然后，石油污水進(jìn)入好氧曝氣池中，進(jìn)行間歇性曝氣，實(shí)現(xiàn)好氧和厭氧的交替處理，石油污染物的生物降解主要在該部分進(jìn)行。最后，污水同活性污泥一起流入污泥沉淀池中，經(jīng)過(guò)一定的停留時(shí)間，活性污泥在沉淀池中沉降，上層處理水則流出反應(yīng)器。該反應(yīng)器由不銹鋼框架、耐腐蝕的有機(jī)板材、管道和閥門組成。反應(yīng)器安裝完畢后，首先取 50 L來(lái)自污水處理公司的活性污泥，接種到含 200 L高鹽船舶油污水中，同時(shí)加入 2.2.1 節(jié)預(yù)實(shí)驗(yàn)中提及的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(100 g NH4NO3、10 g KH2PO4、0.4 g FeCl2和 100 g 小麥面粉)，并連續(xù)進(jìn)行曝氣。1 周后，加入等體積的 9 種石油烴降解菌過(guò)夜培養(yǎng)物，每株菌 2 L。2 天后，將約 250 L 的高鹽船舶油污水加入處理系統(tǒng)中，將系統(tǒng)放大至 600 L，并將污水流入速度調(diào)至 15～18 L/h，污水在系統(tǒng)中的保留時(shí)間約 6 天。在菌種接種后的前 2 周馴化期間，每 2 天加入上述提及的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并連續(xù)曝氣確保菌群充分生長(zhǎng)，此后為正式處理。在馴化期和處理期內(nèi)，對(duì)間歇式曝氣池和沉淀池中的水進(jìn)行取樣分析，并對(duì)進(jìn)出水取樣進(jìn)行水質(zhì)分析。

2.2.2 脫氧核糖核酸提取與 16S rRNA 擴(kuò)增

首先，采用 PowerSoil 脫氧核糖核酸(DNA)提取試劑盒(MOBIO，美國(guó))對(duì)污泥樣品的基因組 DNA 進(jìn)行提取，并以此為模板，對(duì)細(xì)菌 16S rRNA(核糖核酸)基因 V3 區(qū)進(jìn)行擴(kuò)增。引物為 338F(5′-CCT ACG GGA GGC AGC AG-3′)和518R(5′-ATT ACC GCG GCT GCT GG-3′)，帶有一段 GC 鏈(GC338F，5′-CGC CCG GGG CGC GCC CCG GGG CGG GGC GGG GGC GCG GGG GG CCT ACG GGA GGC AGC AG-3′)。然后，采用瓊脂糖凝膠檢測(cè)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(Polymerase Chain Reaction，PCR)產(chǎn)物，并用變性梯度凝膠電泳(Denaturing Gradient Gel Electrophoresis，DGGE)分析 PCR 克隆產(chǎn)物，制膠流程參照廠家說(shuō)明書。其中，電泳溫度為 60℃，起始電壓為30 V，30 min 后，調(diào)整為 100 V，電泳過(guò)夜。最后，采用溴乙啶染色后，紫外成像分析電泳結(jié)果。

2.2.3 菌群結(jié)構(gòu)分析

將收集的污水樣品采用 0.22 μm 的微孔濾膜過(guò)濾，采用干冰冷凍處理過(guò)濾截留的樣品，并迅速研磨樣品。加入 10% 十二烷基硫酸鈉(SDS)-STE(SDS-STE)緩沖液后沸水浴處理。經(jīng)過(guò)乙酸鈉、乙醇沉淀及酚氯仿洗滌離心處理后，獲取 DNA 沉淀。由華大基因采用 Illumina 測(cè)序儀(HiSeq 2000，Illumina)進(jìn)行高通量基因測(cè)序；使用軟件 MOTHUR v.1.33.3 進(jìn)行生物信息學(xué)分析。進(jìn)行序列比對(duì)時(shí)，將匹配度差的序列，即 99%以上的堿基無(wú)法進(jìn)行匹配的序列進(jìn)行了排除，再將余留序列中存在嵌合的序列進(jìn)行排除后，將相似性在 97% 以上的序列聚集為一個(gè)分類單元。每一個(gè)分類單元通過(guò)比對(duì)已有的 16S rRNA 數(shù)據(jù)庫(kù) SILVA v.102，以相似性≥80% 為基準(zhǔn)分入特定分類項(xiàng)。此后，一些在二代次序中經(jīng)常出現(xiàn)的被認(rèn)為是污染物的分類單元也被去除。通過(guò)使用MOTHUR 程序內(nèi)置的“summary”或“single”命令分析基于每個(gè)樣本的均勻度指數(shù)、多樣性以及豐度等指數(shù)。其中，均勻度指數(shù)通過(guò)使用辛普森(Simpson)勻度指數(shù)方法來(lái)計(jì)算；多樣性由逆辛普森指數(shù)及香農(nóng)(Shannon)指數(shù)計(jì)算得出；豐度值由 Chao 豐度指數(shù)計(jì)算方法求得。本文中所得到的 Illumina 序列已提交到美國(guó)國(guó)立生物技術(shù)信息中心(NCBI)高通量測(cè)序數(shù)據(jù)庫(kù)中保存，登記號(hào)為 SRP093444。

2.2.4 反應(yīng)器中污水樣品水質(zhì)分析方法

水樣品中的化學(xué)需氧量(Chemical Oxygen Demand，COD)和總石油烴(Total Petroleum Hydrocarbons，TPH)的分析參照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB8978-1996)執(zhí)行。其中，COD 的分析采用碘化鉀/堿性高錳酸鉀法測(cè)定，該方法可以避免污水中大量氯離子的干擾。將樣品在高錳酸鉀溶液中沸水浴處理 30 min，殘留的高錳酸根則用等體積的碘化鉀還原，未反應(yīng)的碘離子則用硫代硫酸鈉溶液平衡滴定。總石油烴的濃度則采用紅外分光光度法分析，測(cè)定波長(zhǎng)分別為：2 930 cm－1(－CH2－基團(tuán)中的 C－H 鍵)、2 960 cm－1(－CH3基團(tuán)中的 C－H 鍵)和 3 030 cm－1(芳香環(huán)中的C－H 鍵)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 石油污水生物處理預(yù)實(shí)驗(yàn)

預(yù)處理污水流程圖如圖 1(a)所示。馴化完成后，取樣分析了水樣中的 COD 和 TPH 含量。結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)處理后，石油污水中的總石油烴含量從 480.4 mg/L 降至 147.3 mg/L，石油烴降解率約 70%，與此前提供該污水樣品的企業(yè)的處理效率(40%)相比有了顯著提高。另外，對(duì)上層浮油和中層處理水樣品中的細(xì)菌基因組進(jìn)行了提取，并對(duì)基因組 16S rRNA 序列 V3 區(qū)進(jìn)行擴(kuò)增和變性梯度凝膠電泳分析，結(jié)果如圖 1(b)、(c)所示。其中，中層水和上層浮油中的菌群結(jié)構(gòu)如圖1(b)中泳道 5 和 6 所示。陽(yáng)性對(duì)照(來(lái)自所接種菌種的純培養(yǎng)物)分別在泳道 1～4 和 7～11 中。代表細(xì)菌Pseudomonas pachastrellae(HD6)、Marinobacter hydrocarbonoclasticus(HD9)、Acinetobacter venetianus(HD7)和Alcanivorax dieselolei(HD1)的 4 個(gè)陽(yáng)性對(duì)照條帶 3、7、8、9，相應(yīng)的 PCR 產(chǎn)物條帶也能在泳道 5 和 6 中比對(duì)得到。在馴化完成后的 2 周內(nèi)，我們對(duì)中層水樣品的菌群結(jié)構(gòu)做了持續(xù)分析，結(jié)果顯示在持續(xù)分析的 2 周內(nèi)，中層水樣中菌群結(jié)構(gòu)基本維持不變。

3.2 連續(xù)流生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)及其石油污水生物處理效果

基于過(guò)去對(duì)連續(xù)流生物反應(yīng)器的相關(guān)研究成果，我們?cè)O(shè)計(jì)了一臺(tái)連續(xù)流生物反應(yīng)器，試圖利用已有的石油烴降解菌進(jìn)行高鹽石油烴污水的處理。該反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)及處理流程如圖 2(a)所示。馴化持續(xù) 2 周后，隨機(jī)取樣反應(yīng)器流入水和排出水，并連續(xù)監(jiān)測(cè) 3 個(gè)月。圖 2(b)顯示，進(jìn)水中的 COD 含量在 1 800～3 000 mg/L 波動(dòng)，而出水中的 COD 含量則降低至 508～112 mg/L。此外，COD 含量在菌群定植 2 個(gè)月后，降低了 95% 左右。由圖 2(c)可以看出，進(jìn)水中的 TPH 含量為58.39～9.52 mg/L，經(jīng)處理后，TPH 含量顯著降低，出水中的 TPH 含量均低于 2.0 mg/L，低于廣東省地方排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)石油烴含量的規(guī)定 (8.0 mg/L)。該反應(yīng)器對(duì)石油烴的降解率超過(guò) 90%。

圖1 500 L 槽中污水處理實(shí)驗(yàn)水質(zhì)及微生物菌群分析Fig. 1 Analysis of the wastewater and the microbial consortium during wastewater bioaugmentation in a 500 L tank

圖2 600 L 連續(xù)流生物反應(yīng)器生物強(qiáng)化處理污水示意圖及其進(jìn)出水質(zhì)分析Fig. 2 Analysis of the eff l uent during wastewater bioaugmentation in the 600 L continuous-f l ow bioreactor

3.3 菌群結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)高通量測(cè)序，對(duì)正式處理實(shí)驗(yàn)中，馴化后第 1、5、8、16、89 和 123 天反應(yīng)器中的菌群結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)果如圖 3 所示。反應(yīng)器中的細(xì)菌菌群多樣性隨著時(shí)間的推移逐漸降低。能夠檢測(cè)到的分類單元數(shù)量從第 1 天的 682 降低至第 16 天的 286，并在隨后幾個(gè)月內(nèi)降低至186。該結(jié)果表明，在初始的幾周內(nèi)，反應(yīng)器中的菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生著顯著的重構(gòu)，且隨著時(shí)間的推移，后續(xù)人工添加的菌種所在的屬逐漸替代了反應(yīng)器中的其他細(xì)菌屬，在菌群中占據(jù)主導(dǎo)地位。

3.4 人工菌群的定植分析

將高通量測(cè)序分析所得的序列(Read)與人工添加的石油烴降解細(xì)菌 16S rRNA 基因全長(zhǎng)序列進(jìn)行了比對(duì)，匹配的序列比例如圖 4 所示。在 4 個(gè)月的實(shí)驗(yàn)中，Alcanivorax venustensis、Alcanivorax jadensis、Marinobacter hydrocarbonoclasticus、Acinetobacter venetianus、Alcanivorax Dieselolei及Alcanivorax Borkumensis始終存在于反應(yīng)器中且比例逐漸升高，表明這些添加的菌種能夠適應(yīng)反應(yīng)器中的生存環(huán)境并穩(wěn)定定植。其中，在整個(gè)菌群中，與Marinobacter hydrocarbonoclasticus和Alcanivorax dieselolei的16S rRNA 基因匹配度達(dá) 100% 的 Read 比例最終分別為 19.8%、12.8%，表明這兩種細(xì)菌在整個(gè)菌群中占主導(dǎo)地位。

圖3 600 L 連續(xù)流生物反應(yīng)器生物強(qiáng)化處理污水過(guò)程中菌群結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化Fig. 3 Dynamic microbial community during wastewater augmentation in the 600 L continuous-f l ow bioreactor

圖4 600 L 連續(xù)流生物反應(yīng)器生物強(qiáng)化處理污水過(guò)程中高通量測(cè)序與人工添加石油烴降解菌序列相關(guān)度分析Fig. 4 Abundance of high-throughput sequencing reads closely related to the artif i cially supplied hydrocarbon-degrading bacterial strains during wastewater augmentation in the 600 L continuous-f l ow bioreactor

4 討論

在預(yù)實(shí)驗(yàn)中，石油烴降解率約為 70%，與無(wú)菌種添加時(shí)相比有大幅提升。但此前已有研究對(duì)石化廢水的連續(xù)流反應(yīng)器活性污泥處理效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，該活性污泥法能夠?qū)崿F(xiàn)最大 89% 的COD 清除率和最大 80% 的 TPH 清除率[19]。而在預(yù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他團(tuán)隊(duì)已有的研究設(shè)計(jì)的連續(xù)流生物反應(yīng)器，在處理過(guò)程中，壓縮空氣被連續(xù)泵入隔油沉沙池中，污水中細(xì)小的油滴持續(xù)被氣泡帶到隔油沉沙池表面，后通過(guò)機(jī)械刮取收集去除。與此同時(shí)，污水中的沙粒和其他固體污染物沉淀至沉砂池底部，并通過(guò)底部的閥門定期排出。之后，石油污水進(jìn)入好氧曝氣池中，進(jìn)行間歇性曝氣，實(shí)現(xiàn)好氧和厭氧的交替處理。最后，污水同活性污泥一起流入污泥沉淀池中，活性污泥在沉淀池中沉降，而上層處理水則流出反應(yīng)器。該設(shè)計(jì)促進(jìn)了污水中石油組分的更進(jìn)一步回收利用，同時(shí)將污染物去除率提高到 90% 以上，COD 去除率達(dá) 95% 左右。該反應(yīng)器的處理效果優(yōu)于采用傳統(tǒng)活性污泥處理配合固定化生物過(guò)濾池的方法(COD 去除率 76%)[20]，利用生物過(guò)濾池配合氣升式好氧處理的方法(油污去除率71.1%、COD 去除率 75%)[21]，前述的利用連續(xù)流生物反應(yīng)器[19]處理陸地油田中產(chǎn)生油污水的研究及基于填料支撐的菌群生物降解處理海洋石油污水的研究(油污去除率 53.3%)[22]。由于本文中使用的菌種來(lái)源于中國(guó)沿海及附近太平洋海域，能夠耐受海洋石油污水的高鹽度和復(fù)雜成分，更加適用于我國(guó)沿海地區(qū)海洋石油污水的處理。相較于本文中的預(yù)實(shí)驗(yàn)，在新設(shè)計(jì)的反應(yīng)器中，由于添加了隔油沉沙步驟，將相當(dāng)一部分石油污染物清除掉，既減輕了后續(xù)生物處理的壓力，也減弱了后續(xù)步驟中石油烴對(duì)微生物的毒害。此外，新的生物反應(yīng)器中良好的處理效果也得益于更具適應(yīng)性和降解能力的細(xì)菌群體的構(gòu)成，因而具有更高的 TPH 降解效率。

菌群結(jié)構(gòu)分析表明，本文中構(gòu)建的石油烴降解菌群經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的馴化和重組后具有較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。結(jié)合人工菌種定植分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)預(yù)實(shí)驗(yàn)與正式處理實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，最終的菌群都以Marinobacter hydrocarbonoclasticus、Alcanivorax dieselolei和Acinetobacter venetianus為優(yōu)勢(shì)種，表明在今后的海洋石油污水處理菌劑設(shè)計(jì)開發(fā)中，可以這幾種菌株為主要組成成分。本文為高鹽船舶油污水的生物強(qiáng)化處理提供了良好的理論基礎(chǔ)。此外，本文的實(shí)際處理效果顯著，也為此類菌群的構(gòu)建與未來(lái)市場(chǎng)應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

5 結(jié) 論

本文旨在利用來(lái)源于我國(guó)沿海及附近太平洋海域石油烴降解菌，構(gòu)建適用于高鹽船舶油污水處理的人工菌群。通過(guò)采用金屬桶預(yù)實(shí)驗(yàn)和自行設(shè)計(jì)的連續(xù)流生物反應(yīng)器，對(duì)污水處理企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)提供的原油污染船舶壓艙水進(jìn)行處理，得到了良好的效果。其中，在采用自行設(shè)計(jì)的生物反應(yīng)器時(shí)，總石油烴(TPH)去除率最高可達(dá) 90%，COD去除率可達(dá) 95%。本文對(duì)于今后油污水處理實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步放大具有指導(dǎo)意義，以Marinobacter hydrocarbonoclasticus、Alcanivorax dieselolei和Acinetobacter venetianus為優(yōu)勢(shì)種的菌群結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，將有望開發(fā)針對(duì)我國(guó)沿海地區(qū)海洋油污水處理的高效石油烴降解菌劑。