微生物-活性炭復合材料對石化廢氣中丙烷的去除

馬馳，于澤權，于思慧，周暢，謝鯤鵬*

（1.遼寧師范大學生命科學學院，遼寧 大連 116081；2.遼寧華孚環境工程股份有限公司，遼寧 盤錦 124013）

隨著社會的發展，人類對能源與材料的需求正在不斷提高，石油因此被大量開采使用。石油化工生產過程產生會產生大量的氣體污染物[1]，其中，乙烷、丙烷等短鏈烷烴占據著重要的一部分[2]。此類污染物，會隨著大氣流動，增加污染范圍，其對大氣、土壤、水和人類健康均會產生極大影響。

對含短鏈烷烴的廢氣處理方法，一般有物理法、化學法與生物法三大類[3]。物理法包括吸附法、冷凝回收法、膜分離法等；化學法包括酸堿洗滌法、焚燒法、光催化氧化法、電暈法等[4]；生物法包括生物洗滌法、生物過濾法和生物滴濾法等[5]?；钚蕴孔鳛橐环N吸附材料，對短鏈烷烴具有良好的吸附性能[6]?；钚蕴糠ㄊ抢没钚蕴慷嗫捉Y構的吸附作用，將污染物截留在其內部的方法，此方法因其耗能低、技術成熟、操作簡單、可脫附再生、運行成本低等優點被廣泛應用，是目前處理VOCs的最常見的方法[7]。生物法，實質上是一種利用微生物進行氧化分解的方法[8]，即利用微生物降解有機污染物，其特點是，不產生二次污染物，運行費用低，處理效率高。由于生物法對環境友好且經濟，使其正在取代傳統理化方法而發展為一種主流的廢氣處理方法[9]，此方法在處理低濃度、大氣量、可生物降解的氣體污染物時更具優勢[10]。1967年，Parkhus等[11]首次證明了微生物在活性炭上生長的優勢，之后的研究也已證明微生物可固著在活性炭孔隙結構中，其巨大的表面積與孔隙極易附著生物膜[12]，活性炭的比表面積、孔容積越大，微生物吸附量越大[13]。由于化工廢氣中非甲烷總烴排放標準的提高，使用傳統處理技術難以達到[14]，因此，新方法的應用成為科研熱點。

本研究將生物法與活性炭法相結合，把經過篩選馴化的微生物固定在活性炭表面與孔隙中，此方法也被稱為微生物改性[15]。將活性炭的吸附能力與微生物對特定污染物的去除能力相結合，提高活性炭吸附性能，延長活性炭使用壽命，減少資源消耗，有效降低成本。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

液化丙烷（河南星島氣體科技有限公司99.96%）、活性炭（江蘇康宏炭業有限公司）、高壓蒸汽滅菌鍋（日本TOMY KOGYO公司，SX-500）、超凈工作臺（北京東聯哈爾儀器制造有限公司，HD-1360）、恒溫培養箱（上海新苗醫療器械制造有限公司，GZX-300BS-Ⅲ）、空氣浴振蕩器（東聯電子技術開發有限公司，HZQ-C）、分析天平（德國賽多利斯公司，BS224S）、氣相色譜儀（濟南蘭光機電技術有限公司，GC-7800）、光學顯微鏡（德國徠卡公司，DM500）。

1.2 培養基

無機鹽（MM）液體培養基（g·L-1）：NH4NO31.0，KH2PO40.5，Na2HPO41.5，NaCl 1.0，MgSO4·7H2O 0.2，用磷酸鹽緩沖液調pH為7，121 ℃，20 min濕熱滅菌。

LB液體培養基（g·L-1）：蛋白胨10，酵母膏5，NaCl 10，用磷酸鹽緩沖液調pH為7，121℃，20 min濕熱滅菌。

LB固體培養基即為LB液體培養基中添加1.6%瓊脂。

1.3 菌種富集培養和分離鑒定

1.3.1 菌種富集培養

取遼河油田某采油廠附近石油污染土壤樣品10 g，在200 mL MM液體培養基中分3階段培養，每階段通入丙烷濃度分別為1%、2%、3%，培養溫度為28 ℃，每階段培養72 h，轉移量為10 mL。經過三次富集培養，獲得可以丙烷為唯一碳源生長的微生物培養液。

1.3.2 菌種分離鑒定

采用稀釋涂布法對有效菌種進行分離，平板上長出菌落后用接種環分別挑取不同形態單菌落，于LB固體培養基平板劃線3次，進行純化。對篩選得到的菌株進行編號，并進行生理生化鑒定。將純化后的菌落接種于LB斜面培養基4 ℃保存備用。

用接種環挑取上述的純化菌落，接種于LB液體培養基中，每個菌株100 mL培養基，28 ℃，150 r·min-1恒溫振蕩培養72 h，得到有效菌種的液體純培養，4 ℃保存備用。

1.4 菌種富集培養和分離鑒定

1.4.1 活性炭種類對微生物耦合效率的影響

分別將實驗用煤質柱狀活性炭、木屑柱狀活性炭、椰殼顆?；钚蕴坑谜麴s水洗凈后烘干，每種活性炭分別取10.0 g放入標記后的錐形瓶，瓶中加入LB液體培養基100 mL，滅菌。每種活性炭選取一瓶作為空白對照，不接菌，其余瓶中分別接入3種液體菌種各2 mL，28 ℃，30 r·min-1[16]震蕩培養10 d，對照組震蕩48 h后取出，實驗組每48 h取一瓶實驗樣品，濾出活性炭烘干稱重，記錄實驗組與對照組之差即為微生物干重。

1.4.2 pH對微生物耦合效率的影響

將木屑柱狀活性炭采用上節方法準備，分別用HCl和NaOH溶液調整pH為5、6、7、8、9，每個pH梯度5瓶，滅菌。接種、培養與取樣稱重方法同上。

1.4.3 pH對微生物耦合效率的影響

將木屑柱狀活性炭采用上節方法準備，分別以20 ℃、24 ℃、28 ℃、32 ℃、36 ℃，30 r·min-1振蕩培養。取樣稱重方法同上。

1.4.4 微生物-活性炭復合材料的制備

利用上述實驗所得結果，選用最優方法，制得微生物-活性炭復合材料，濾掉多余培養基后密封放入4 ℃冰箱備用。

1.5 微生物-活性炭復合材料的掃描電鏡觀察

取少量上述復合材料，用研缽研磨后，取部分粉末加入至1.5 mL離心管中，使用4%戊二醛浸泡過夜，用1% PBS緩沖液沖洗2次后，使用2%戊二醛浸泡1 h，分別使用10%、20%、50%、80%、100%濃度乙醇進行梯度脫水，每次脫水30 min，用叔丁醇置換乙醇，吸取液體滴于蓋玻片表面，待液體揮發后粘貼于載物臺，真空鍍金后進行掃描電鏡觀察。

1.6 微生物-活性炭復合材料對目標污染物的降解

1.6.1 不同濃度下丙烷去除率

將上述復合材料裝于滴濾塔中，結構如圖1所示, 其內徑70 mm，高800 mm，復合材料高度約550 mm，設置5組反應器，從下方進氣口分別通入不同丙烷濃度的實驗氣體，丙烷質量濃度分別為200 mg·m-3、400 mg·m-3、800 mg·m-3、1 600 mg·m-3、3 200 mg·m-3，通氣速度為10 L·min-1，將無機鹽液體培養基通過上方噴淋口對內部復合材料進行噴淋，噴淋量為20 L·h-1，每天更換新配置噴淋液，每天從出氣口采集氣體，共12天。使用氣相色譜對其進行成分分析，并計算丙烷去除率。

1.6.2 不同通氣速度下丙烷去除率

設置5組實驗，從下方進氣口通入丙烷質量濃度為800 mg·m-3實驗氣體，通氣速度分別為5 L·min-1、10 L·min-1、15 L·min-1、20 L·min-1、25 L·min-1，將無機鹽液體培養基通過上方噴淋口對內部復合材料進行噴淋，噴淋量為20 L·h-1，噴淋液更換時間與采樣分析方法同上。

1.6.3 不同噴淋速度下丙烷去除率

設置5組實驗，通入丙烷濃度為800 mg·m-3實驗氣體，通氣速度為10 L·min-1，將無機鹽液體培養基通過上方噴淋口對內部復合材料進行噴淋，噴淋量分別為5 L·h-1、10 L·h-1、15 L·h-1、20 L·h-1、25 L·h-1，噴淋液更換時間與采樣分析方法同上。

1.6.4 與普通活性炭的對比實驗

設置2組實驗，對照組使用未耦合微生物的同種活性炭。從下方進氣口通入實驗氣體，通氣速度為10 L·min-1，實驗氣體根據寧夏石化公司提供的廢氣分析數據制得，其丙烷質量濃度約1 002 mg·m-3，將無機鹽液體培養基通過上方噴淋口對內部活性炭進行噴淋，噴淋量為20 L·h-1，噴淋液更換時間與采樣分析方法同上。

2 結果與討論

2.1 菌種分離鑒定

經過富集培養和分離純化，從石油污染土壤中得到3株能以丙烷為唯一碳源生長的菌株，分別命名為wt-01，wt-02和wt-03，菌落形態特征及生理生化鑒定結果如表1、表2所示。簡單染色光學顯微照片如圖2所示。根據《常見細菌系統鑒定手冊》[17]，初步鑒定wt-01為不動桿菌屬（Acinetobactersp.），wt-02、wt-03為假單胞菌屬（Pseudomonassp.）。

表1 菌落形態特征

表2 生理生化鑒定

2.2 活性炭與菌種耦合

2.2.1 活性炭種類對微生物耦合效率的影響

根據干重增加量可知，微生物在椰殼活性炭上附著速度更快，可能由于椰殼活性炭的比表面積更大，使微生物在初期容易被活性炭吸附。在第6天就已達到1.2 mg，但最終附著總量略低于木屑活性炭，煤質活性炭在微生物附著速度上和附著總量上均低于其他兩種。經過10天的耦合，木屑柱狀活性炭上微生物附著總量達到1.7 mg，為三種活性炭中總吸附量最高的一組，產生此結果的原因可能是木屑柱狀活性炭具有更多更適合微生物生存的孔道。Messing等[18]對微生物載體孔徑大小對微生物固著的影響進行了研究，結果表明，孔徑尺寸為微生物1～5倍是最佳積累孔徑，Bautista-Toledo等[19]利用活性炭吸附固定大腸桿菌，他們發現，大孔容積對大腸桿菌的吸附影響較大，較高的大孔容積可增強活性炭對大腸桿菌的固定能力。煤質活性炭的微生物總固著量最低，僅為1.0 mg，可能由于其小孔比例更高，而利于吸附微生物的大孔較少。實驗結果如圖3-a所示。

圖3 不同條件對微生物耦合效率的影響

2.2.2 pH對微生物耦合效率的影響

根據干重增加量可知，微生物與活性炭耦合最佳pH為7，第10天生物固著量為1.8 mg，顯著高于其他四組。研究表明，微生物與固著物在吸附初期，主要由于其間的非特異性吸附，包括庫侖力，范德華力等，吸附后期，微生物表面物質或其分泌物與固著物間形成共價鍵，形成特異性永久吸附，非特異性吸附被認為是特異性吸附的前提條件[20]。環境pH會影響微生物表面電荷性質，從而影響非特異性吸附的過程[21]，pH過低或過高均會對耦合效率造成影響，且不適宜的環境pH也會導致微生物的生長速度降低，從而降低生物量增加速度。實驗結果如圖3-b所示。

2.2.3 溫度對微生物耦合效率的影響

根據干重增加量可知，溫度為28～32 ℃時，微生物固著量最高，第10天分別為1.7 mg和1.6 mg，且在第8天就已達到最高。20 ℃時則最低，為0.8 mg。由于吸附溫度會影響微生物在固著物上的吸附速度，溫度越高，非特異性吸附過程越迅速，但是過高的溫度會抑制微生物的酶活性，從而降低微生物生長速度，且會阻礙特異性吸附過程的進行，而溫度過低，也會導致微生物生長速度降低，且酶活性降低，所以20 ℃實驗組的最終微生物固著量僅為0.8 mg。實驗結果如圖3-c所示。

2.2.4 微生物-活性炭復合材料的制備

根據上述實驗結果，選取活性炭種類為木屑柱狀活性炭，pH為7，培養溫度為28 ℃，培養時間為8～10天。

2.3 微生物-活性炭復合材料的掃描電鏡觀察

經掃描電鏡觀察，可見菌體附著于活性炭表面，且并未堵塞活性炭的微孔結構。由于電鏡樣品制備過程較為復雜，沖洗次數較多，拍攝到的活性炭上附著的微生物量可能不及實際情況。電鏡照片如圖4所示。

圖4 掃描電鏡照片

2.4 微生物-活性炭復合材料對目標污染物的降解

2.4.1 不同濃度下丙烷去除率

當實驗氣體丙烷濃度在800 mg·m-3及以下時，從第5天開始，丙烷去除率均達到67%以上，最高可達82%，當丙烷質量濃度為200 mg·m-3時，去除率在12天的實驗過程中持續升高，證明微生物對活性炭的再生效率在低氣體濃度下可持續升高，當丙烷質量濃度為1 600 mg·m-3時，其去除率從第3天開始也可達到60%以上，而當丙烷質量濃度為3 200 mg·m-3時，由于氣體中丙烷濃度過高，導致活性炭很快達到吸附飽和，且微生物對丙烷的利用量低于進氣量，使得丙烷去除率最高僅為49%。每組實驗在前3天，丙烷去除率均有明顯升高，可能由于在此期間微生物的產酶量逐漸升高，第四天開始接近飽和。不同濃度下丙烷去除率實驗結果如圖5-a所示。

2.4.2 不同通氣速度下丙烷去除率

當通氣速度為5 L·min-1時，實驗氣體中的丙烷去除率可持續維持在70%以上，而通氣速度為10 L·min-1時，從第3天開始，丙烷去除率也可維持在68%以上。當通氣速度為15 L·min-1時，丙烷去除率僅能維持在50%左右，標志著此通氣速度已超過微生物對丙烷的降解極限。當通氣速度過高時，由于活性炭過早吸附飽和，丙烷去除率會在實驗前3天快速下降，最終達到穩定，最低去除率不足3%。不同通氣速度下丙烷去除率實驗結果如圖5-b所示。

2.4.3 不同噴淋速度下丙烷去除率

噴淋液的作用是保持活性炭濕潤，維持微生物活性，同時為微生物提供其生長所需的營養。根據實驗結果，當噴淋量大于20 L·h-1時，其結果相近，從第4天開始均能使丙烷去除率維持在68%以上，而隨著噴淋量的降低，微生物不能得到足夠的氮磷補充，其生長速度會下降，活性下降，產酶量也會隨之降低，導致丙烷去除率下降當噴淋量為5 L·h-1時，實驗后期丙烷去除率僅能維持在40%左右。不同噴淋速度下丙烷去除率實驗結果如圖5-c所示。

2.4.4 微生物-活性炭復合材料的制備

結果顯示，實驗組微生物-活性炭復合材料從第5天開始維持極高的丙烷去除率，而對照組雖然在前3天丙烷去除率高于實驗組，但由于普通活性炭達到吸附飽和無法自動脫附再生，在運行第5天開始吸附能力下降，從第8天開始，對照組丙烷去除率均低于6%。反應器運行初期，實驗組丙烷去除率低于實驗組，可能是由于耦合在活性炭上的微生物占據了部分孔隙，使活性炭的吸附能力下降，而當反應器運行4天后，由于生物量的增加，產酶量也同時增加，對丙烷的降解能力也隨之加強，丙烷被降解后，活性炭的孔隙被釋放，其吸附性能也可被穩定在一定水平，從而實現了活性炭的自動脫附再生。人工模擬廢氣丙烷去除率實驗結果如圖5-d所示。

3 結 論

1）本實驗使用丙烷為唯一碳源，從受石油污染土壤中篩選分離出的三種微生物，與木屑柱狀活性炭耦合，其最適耦合溫度為28 ℃，pH 7，制得生物活性炭，其微生物附著量最高可達干重0.18 mg·g-1。

2） 經實驗驗證，此種微生物-活性炭復合材料在丙烷質量濃度為800 mg·m-3及以下，通氣速度小于10 L·min-1，噴淋量大于20 L·h-1時，具有良好的丙烷去除效果，最高可達82%。

3） 經實驗驗證，此種微生物-活性炭復合材料對于模擬廢氣中的丙烷有良好的去除率，相比于普通活性炭，本實驗制得復合材料由于結合在其上的微生物的降解作用，使得其可自動脫附再生，具有更優秀的吸附效果及更長的使用壽命，可用于解決短鏈烷烴污染問題。