響應(yīng)曲面法優(yōu)化混合菌HJ8-1降解水中原油污染物

吳文華，張?jiān)撇ǎ瑒⒋核w東風(fēng)，劉其友

(中國石油大學(xué)(華東)化學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266555)

目前，油田開采、運(yùn)輸事故、油輪泄漏、航道油污水排放等[1，2]對水體(河流、湖泊、海洋)造成的油污染環(huán)境問題日益凸顯。由于泄漏原油在水面產(chǎn)生油膜，阻止空氣中的氧向水中擴(kuò)散，使水生生物因缺氧而死亡，嚴(yán)重破壞水體生態(tài)[3～5]。油類中的芳香烴等有毒物質(zhì)可使水生生物致畸、致癌，從而危害水產(chǎn)資源。當(dāng)海水中含油量達(dá)到0.01 mg·L-1時，魚在24 h內(nèi)就會產(chǎn)生油臭味；污染嚴(yán)重的海域，還會導(dǎo)致某些抗性弱的物種死亡，其生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)需要10年以上的時間，進(jìn)而危及人類的健康。為此，尋找高效的原油污染水體修復(fù)技術(shù)一直是環(huán)境領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[6，7]。

目前，原油污染水體修復(fù)技術(shù)有物化法和生物法。其中，生物法具有費(fèi)用低、效果好、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[8，9]。生物修復(fù)是一個復(fù)雜的過程，涉及到微生物、原油濃度、營養(yǎng)鹽[10]和表面活性劑[11]等因素。當(dāng)發(fā)生漏油事故時，氮磷營養(yǎng)鹽[12]和表面活性劑的投加往往會促進(jìn)原油的降解。因此，生物修復(fù)條件的優(yōu)化，尤其是營養(yǎng)鹽和環(huán)境條件的優(yōu)化對原油污染水體修復(fù)非常重要。統(tǒng)計(jì)分析方法能夠快速有效地篩選優(yōu)化復(fù)雜體系的關(guān)鍵影響因子[13，14]，然而，關(guān)于原油污染水體生物修復(fù)的Box-Behnken 法設(shè)計(jì)分析尚未見報(bào)道。

基于此，作者采用響應(yīng)曲面法優(yōu)化混合菌HJ8-1修復(fù)原油污染水體的條件，研究原油濃度、氮濃度、磷濃度和表面活性劑(SDBS)濃度及其交互作用對原油降解效果的影響，以期為原油污染水體修復(fù)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 菌株與培養(yǎng)基

混合菌HJ8-1，由Bacilluslicheniformis、Bacillussubtilis、Acinetobacter、Pseudomonasaeruginosa和Rhodococcuserythropolis組成。

無機(jī)鹽培養(yǎng)基：Na2HPO40.6 g，KH2PO40.2 g，NaNO34.0 g，CaCl20.01 g，F(xiàn)eSO40.01 g，MgSO40.3 g，ZnCl20.1 g，酵母膏0.5 g，蒸餾水1000 mL，pH值7.2。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用Box-Behnken (BB)設(shè)計(jì)法考察原油濃度、氮濃度、磷濃度和表面活性劑濃度4個因素對混合菌HJ8-1處理含油廢水效果的影響，響應(yīng)面中心組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的因素與水平見表1。

表1 響應(yīng)面中心組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的因素與水平

實(shí)驗(yàn)結(jié)果用二次多項(xiàng)式回歸擬合，用微分計(jì)算預(yù)測最佳值。由統(tǒng)計(jì)軟件SASS對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，并對擬合方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)及方差分析。

1.3 分析方法

水中油含量的測定采用萃取-紅外分光光度法(GB/T16488-1996)[15]。

2 結(jié)果與討論

2.1 響應(yīng)面中心組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表2)

表2 響應(yīng)面中心組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，經(jīng)過7 d的搖床培養(yǎng)，各實(shí)驗(yàn)組的油含量均有所降低，降解率為41.79%～63.54%。在原油濃度為2 g·L-1(1#)、11 g·L-1(15#)和20 g·L-1(16#)時，降解率分別為63.54%、60.35%、53.21%，說明原油濃度對廢水處理效果影響較大，低濃度油有利于混合菌HJ8-1對廢水中原油的降解。表面活性劑濃度對混合菌HJ8-1處理含油廢水的效果影響不大，這可能與混合菌HJ8-1中含有表面活性劑產(chǎn)生菌Bacillussubtilis有關(guān)。混合菌HJ8-1降解原油的最適氮濃度為1.1 g·L-1、磷濃度為0.6 g·L-1。

2.2 預(yù)測模型的建立

以原油降解率為響應(yīng)值，對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得回歸模型：

Y=60.72-6.60A+0.19B-0.39C-1.71D+0.034AB-0.95AC-1.45AD+2.18BC+0.80BD-1.24CD-4.16A2-4.71B2-6.83C2+0.089D2

式中：Y為預(yù)測原油降解率；A、B、C、D分別代表原油濃度、氮濃度、磷濃度和表面活性劑濃度。

對該模型的回歸分析見表3。

表3 響應(yīng)曲面二次多項(xiàng)式預(yù)測模型方差分析

由表3可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與二次多項(xiàng)式回歸方程預(yù)測模型非常符合，R2=0.9991。此外，A、B、C、D及其交互因素AC、AD、BC、BD、CD 對混合菌修復(fù)效果影響顯著。

影響混合菌HJ8-1處理含油廢水效果的各因素及其相互作用的響應(yīng)曲面圖如圖1所示。

圖1 各因素及其交互作用的響應(yīng)曲面圖

由圖1可以看出，當(dāng)?shù)獫舛葹?.10 g·L-1、磷濃度為0.60 g·L-1時，原油濃度越小，混合菌HJ8-1降解效果越好，而表面活性劑濃度對降解效果影響不明顯。在氮濃度為1.10 g·L-1時，原油濃度越小，混合菌HJ8-1對原油的降解效果越好(圖1a)，這是因?yàn)楦邼舛鹊脑蛯ξ⑸镉卸竞ψ饔茫蜐舛仍叫。瑢ξ⑸锏亩竞ψ饔迷叫。⑸锏慕涤托Ч胶茫辉诹诐舛葹?.60 g·L-1時，原油濃度越小，混合菌HJ8-1活性越大，對原油的降解效果越好(圖1b)；表面活性劑濃度增大時，原油降解率幾乎沒有變化，降解率只是隨著原油濃度的減小而升高(圖1c)；當(dāng)?shù)⒘诐舛确謩e為1.10 g·L-1、0.60 g·L-1時，混合菌HJ8-1對含油廢水的處理效果最好，原油的降解率最高(圖1d)。

2.3 預(yù)測模型的驗(yàn)證

不同原油濃度下，對預(yù)測模型優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果見表4。

表4 不同原油濃度下模型優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

由表4可以看出，在最優(yōu)條件下，當(dāng)原油濃度分別為2 g·L-1、11 g·L-1和20 g·L-1時，混合菌HJ8-1對含油廢水的降解率分別為63.55%、61.52% 和53.00%，與預(yù)測值十分接近，標(biāo)準(zhǔn)方差均小于5%，說明實(shí)測值與預(yù)測值吻合得很好，可以用該預(yù)測模型來預(yù)測混合菌HJ8-1對含油廢水的處理結(jié)果。同時也可看出，當(dāng)原油濃度達(dá)到20 g·L-1時，降解率由原來的63.55%下降到53.00%，說明高濃度原油會抑制混合菌HJ8-1的生長，導(dǎo)致降油活性的降低。因此，在處理高濃度的含油廢水時，可以先采用物化法預(yù)處理，再用生物法處理。

3 結(jié)論

(1)運(yùn)用Box-Behnken設(shè)計(jì)法研究了原油濃度、氮濃度、磷濃度和表面活性劑(SDBS)濃度4個自變量對因變量原油降解率的影響，確定原油濃度、氮濃度、磷濃度和表面活性劑濃度是影響混合菌HJ8-1處理含油廢水效果的關(guān)鍵因素，其最佳的處理?xiàng)l件為氮濃度1.1 g·L-1、磷濃度0.6 g·L-1。

(2)以原油降解率為響應(yīng)值，對響應(yīng)面中心組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到二次多項(xiàng)式預(yù)測模型：Y=60.72-6.60A+0.19B-0.39C-1.71D+0.034AB-0.95AC-1.45AD+2.18BC+0.80BD-1.24CD-4.16A2-4.71B2-6.83C2+0.089D2。以模擬得到的二次多項(xiàng)式回歸方程為基礎(chǔ)，對原油濃度為2 g·L-1、11 g·L-1和20 g·L-1的廢水降解條件進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化條件下的原油降解率分別為63.55%、61.52% 和 53.00%，實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測值十分接近，說明可用該模型來預(yù)測混合菌HJ8-1對含油廢水的處理結(jié)果。響應(yīng)曲面法是一種優(yōu)化生物處理含油廢水行之有效的方法，為混合菌HJ8-1處理含油廢水提供了基礎(chǔ)參數(shù)。

[1] Machin-Ramirez C，Okoh A I，Morales D，et al.Slurry-phase biodegradation of weathered oily sludgewaste[J].Chemosphere，2008，70(4)：737-744.

[2] Al-Futaisi A，Jamrah A，Yaghi B，et al.Assessment of alternative management techniques of tank bottom petroleum sludge in Oman[J].Journal of Hazardous Materials，2007，141(3)：557-564.

[3] 沈齊英.含油廢水處理概況[J].北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，14(3)：34-38.

[4] Poulopoulos S G，Voutsas E C，Grigoropoulou H P，et al.Stripping as a pretreatment process of industrial oily wastewater[J].Journal of Hazardous Materials，2005，117(2-3)：135-139.

[5] 張翼，于婷，畢永慧，等.含油廢水處理方法研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2008，27(8)：1155-1161.

[6] 靳銀燕，陳玉琴.含油廢水生物處理方法研究進(jìn)展[J].干旱環(huán)境監(jiān)測，2010，24(2)：112-116.

[7] 楊軼珣，蔣翼，王媛媛，等.含油廢水處理技術(shù)的研究進(jìn)展[J].化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)，2007，28(5)：29-32.

[8] 陳進(jìn)富.油田采出水處理技術(shù)與進(jìn)展[J].環(huán)境工程，2000，18(1)：18-20.

[9] 霍丹群，秦力，肖靈鈴，等.生物法處理含油鉆井廢水的影響因素研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2007，1(6)：56-59.

[10] Walworth J，Braddock J，Woolard C，et al.Nutrient and temperature interactions in bioremediation of cryic soils[J].Cold Regions Science and Technology，2001，32(2-3)：85-91.

[11] 李偉光，朱文芳，呂炳南.混合菌培養(yǎng)降解含油廢水的研究[J].給水排水，2003，29(11)：42-44.

[12] 何良菊，李培杰，魏德洲，等.石油烴微生物降解的營養(yǎng)平衡及降解機(jī)理[J].環(huán)境科學(xué)，2004，25(1)：91-94.

[13] Huang L，Ma T，Li D，et al.Optimization of nutrient component for diesel oil degradation byRhodococcuserythropolis[J].Marine Pollution Bulletin，2008，56(10)：1714-1718.

[14] Pala D M，de Carvalho D D，Pinto J C，et al.A suitable model to describe bioremediation of a petroleum-contaminated soil[J].Internation Biodeterioration & Biodegradation，2006，58(3-4)：254-260.

[15] GB/T16488-1996，水質(zhì)石油類和動植物油類的測定-紅外光度法[S].