微生物-活性炭復(fù)合材料對(duì)石化廢氣中丙烷的去除

馬馳，于澤權(quán)，于思慧，周暢，謝鯤鵬*

（1.遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116081；2.遼寧華孚環(huán)境工程股份有限公司，遼寧 盤(pán)錦 124013）

隨著社會(huì)的發(fā)展，人類對(duì)能源與材料的需求正在不斷提高，石油因此被大量開(kāi)采使用。石油化工生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生會(huì)產(chǎn)生大量的氣體污染物[1]，其中，乙烷、丙烷等短鏈烷烴占據(jù)著重要的一部分[2]。此類污染物，會(huì)隨著大氣流動(dòng)，增加污染范圍，其對(duì)大氣、土壤、水和人類健康均會(huì)產(chǎn)生極大影響。

對(duì)含短鏈烷烴的廢氣處理方法，一般有物理法、化學(xué)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(xué)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(guò)濾法和生物滴濾法等[5]。活性炭作為一種吸附材料，對(duì)短鏈烷烴具有良好的吸附性能[6]。活性炭法是利用活性炭多孔結(jié)構(gòu)的吸附作用，將污染物截留在其內(nèi)部的方法，此方法因其耗能低、技術(shù)成熟、操作簡(jiǎn)單、可脫附再生、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，是目前處理VOCs的最常見(jiàn)的方法[7]。生物法，實(shí)質(zhì)上是一種利用微生物進(jìn)行氧化分解的方法[8]，即利用微生物降解有機(jī)污染物，其特點(diǎn)是，不產(chǎn)生二次污染物，運(yùn)行費(fèi)用低，處理效率高。由于生物法對(duì)環(huán)境友好且經(jīng)濟(jì)，使其正在取代傳統(tǒng)理化方法而發(fā)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(shí)更具優(yōu)勢(shì)[10]。1967年，Parkhus等[11]首次證明了微生物在活性炭上生長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，之后的研究也已證明微生物可固著在活性炭孔隙結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)的提高，使用傳統(tǒng)處理技術(shù)難以達(dá)到[14]，因此，新方法的應(yīng)用成為科研熱點(diǎn)。

本研究將生物法與活性炭法相結(jié)合，把經(jīng)過(guò)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(duì)特定污染物的去除能力相結(jié)合，提高活性炭吸附性能，延長(zhǎng)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(yè)有限公司）、高壓蒸汽滅菌鍋（日本TOMY KOGYO公司，SX-500）、超凈工作臺(tái)（北京東聯(lián)哈爾儀器制造有限公司，HD-1360）、恒溫培養(yǎng)箱（上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司，GZX-300BS-Ⅲ）、空氣浴振蕩器（東聯(lián)電子技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，HZQ-C）、分析天平（德國(guó)賽多利斯公司，BS224S）、氣相色譜儀（濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司，GC-7800）、光學(xué)顯微鏡（德國(guó)徠卡公司，DM500）。

1.2 培養(yǎng)基

無(wú)機(jī)鹽（MM）液體培養(yǎng)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(diào)pH為7，121 ℃，20 min濕熱滅菌。

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

LB固體培養(yǎng)基即為L(zhǎng)B液體培養(yǎng)基中添加1.6%瓊脂。

1.3 菌種富集培養(yǎng)和分離鑒定

1.3.1 菌種富集培養(yǎng)

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(yǎng)基中分3階段培養(yǎng)，每階段通入丙烷濃度分別為1%、2%、3%，培養(yǎng)溫度為28 ℃，每階段培養(yǎng)72 h，轉(zhuǎn)移量為10 mL。經(jīng)過(guò)三次富集培養(yǎng)，獲得可以丙烷為唯一碳源生長(zhǎng)的微生物培養(yǎng)液。

1.3.2 菌種分離鑒定

采用稀釋涂布法對(duì)有效菌種進(jìn)行分離，平板上長(zhǎng)出菌落后用接種環(huán)分別挑取不同形態(tài)單菌落，于LB固體培養(yǎng)基平板劃線3次，進(jìn)行純化。對(duì)篩選得到的菌株進(jìn)行編號(hào)，并進(jìn)行生理生化鑒定。將純化后的菌落接種于LB斜面培養(yǎng)基4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

用接種環(huán)挑取上述的純化菌落，接種于LB液體培養(yǎng)基中，每個(gè)菌株100 mL培養(yǎng)基，28 ℃，150 r·min-1恒溫振蕩培養(yǎng)72 h，得到有效菌種的液體純培養(yǎng)，4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.4 菌種富集培養(yǎng)和分離鑒定

1.4.1 活性炭種類對(duì)微生物耦合效率的影響

分別將實(shí)驗(yàn)用煤質(zhì)柱狀活性炭、木屑柱狀活性炭、椰殼顆粒活性炭用蒸餾水洗凈后烘干，每種活性炭分別取10.0 g放入標(biāo)記后的錐形瓶，瓶中加入LB液體培養(yǎng)基100 mL，滅菌。每種活性炭選取一瓶作為空白對(duì)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(yǎng)10 d，對(duì)照組震蕩48 h后取出，實(shí)驗(yàn)組每48 h取一瓶實(shí)驗(yàn)樣品，濾出活性炭烘干稱重，記錄實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組之差即為微生物干重。

1.4.2 pH對(duì)微生物耦合效率的影響

將木屑柱狀活性炭采用上節(jié)方法準(zhǔn)備，分別用HCl和NaOH溶液調(diào)整pH為5、6、7、8、9，每個(gè)pH梯度5瓶，滅菌。接種、培養(yǎng)與取樣稱重方法同上。

1.4.3 pH對(duì)微生物耦合效率的影響

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

1.4.4 微生物-活性炭復(fù)合材料的制備

利用上述實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果，選用最優(yōu)方法，制得微生物-活性炭復(fù)合材料，濾掉多余培養(yǎng)基后密封放入4 ℃冰箱備用。

1.5 微生物-活性炭復(fù)合材料的掃描電鏡觀察

取少量上述復(fù)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(guò)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(jìn)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(fā)后粘貼于載物臺(tái)，真空鍍金后進(jìn)行掃描電鏡觀察。

1.6 微生物-活性炭復(fù)合材料對(duì)目標(biāo)污染物的降解

1.6.1 不同濃度下丙烷去除率

將上述復(fù)合材料裝于滴濾塔中，結(jié)構(gòu)如圖1所示, 其內(nèi)徑70 mm，高800 mm，復(fù)合材料高度約550 mm，設(shè)置5組反應(yīng)器，從下方進(jìn)氣口分別通入不同丙烷濃度的實(shí)驗(yàn)氣體，丙烷質(zhì)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(wú)機(jī)鹽液體培養(yǎng)基通過(guò)上方噴淋口對(duì)內(nèi)部復(fù)合材料進(jìn)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(duì)其進(jìn)行成分分析，并計(jì)算丙烷去除率。

1.6.2 不同通氣速度下丙烷去除率

設(shè)置5組實(shí)驗(yàn)，從下方進(jìn)氣口通入丙烷質(zhì)量濃度為800 mg·m-3實(shí)驗(yàn)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(wú)機(jī)鹽液體培養(yǎng)基通過(guò)上方噴淋口對(duì)內(nèi)部復(fù)合材料進(jìn)行噴淋，噴淋量為20 L·h-1，噴淋液更換時(shí)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(shè)置5組實(shí)驗(yàn)，通入丙烷濃度為800 mg·m-3實(shí)驗(yàn)氣體，通氣速度為10 L·min-1，將無(wú)機(jī)鹽液體培養(yǎng)基通過(guò)上方噴淋口對(duì)內(nèi)部復(fù)合材料進(jìn)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(shí)間與采樣分析方法同上。

1.6.4 與普通活性炭的對(duì)比實(shí)驗(yàn)

設(shè)置2組實(shí)驗(yàn)，對(duì)照組使用未耦合微生物的同種活性炭。從下方進(jìn)氣口通入實(shí)驗(yàn)氣體，通氣速度為10 L·min-1，實(shí)驗(yàn)氣體根據(jù)寧夏石化公司提供的廢氣分析數(shù)據(jù)制得，其丙烷質(zhì)量濃度約1 002 mg·m-3，將無(wú)機(jī)鹽液體培養(yǎng)基通過(guò)上方噴淋口對(duì)內(nèi)部活性炭進(jìn)行噴淋，噴淋量為20 L·h-1，噴淋液更換時(shí)間與采樣分析方法同上。

2 結(jié)果與討論

2.1 菌種分離鑒定

經(jīng)過(guò)富集培養(yǎng)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(zhǎng)的菌株，分別命名為wt-01，wt-02和wt-03，菌落形態(tài)特征及生理生化鑒定結(jié)果如表1、表2所示。簡(jiǎn)單染色光學(xué)顯微照片如圖2所示。根據(jù)《常見(jiàn)細(xì)菌系統(tǒng)鑒定手冊(cè)》[17]，初步鑒定wt-01為不動(dòng)桿菌屬（Acinetobactersp.），wt-02、wt-03為假單胞菌屬（Pseudomonassp.）。

表1 菌落形態(tài)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(duì)微生物耦合效率的影響

根據(jù)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(dá)到1.2 mg，但最終附著總量略低于木屑活性炭，煤質(zhì)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(jīng)過(guò)10天的耦合，木屑柱狀活性炭上微生物附著總量達(dá)到1.7 mg，為三種活性炭中總吸附量最高的一組，產(chǎn)生此結(jié)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(duì)微生物載體孔徑大小對(duì)微生物固著的影響進(jìn)行了研究，結(jié)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(fā)現(xiàn)，大孔容積對(duì)大腸桿菌的吸附影響較大，較高的大孔容積可增強(qiáng)活性炭對(duì)大腸桿菌的固定能力。煤質(zhì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3-a所示。

圖3 不同條件對(duì)微生物耦合效率的影響

2.2.2 pH對(duì)微生物耦合效率的影響

根據(jù)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(kù)侖力，范德華力等，吸附后期，微生物表面物質(zhì)或其分泌物與固著物間形成共價(jià)鍵，形成特異性永久吸附，非特異性吸附被認(rèn)為是特異性吸附的前提條件[20]。環(huán)境pH會(huì)影響微生物表面電荷性質(zhì)，從而影響非特異性吸附的過(guò)程[21]，pH過(guò)低或過(guò)高均會(huì)對(duì)耦合效率造成影響，且不適宜的環(huán)境pH也會(huì)導(dǎo)致微生物的生長(zhǎng)速度降低，從而降低生物量增加速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3-b所示。

2.2.3 溫度對(duì)微生物耦合效率的影響

根據(jù)干重增加量可知，溫度為28～32 ℃時(shí)，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(dá)到最高。20 ℃時(shí)則最低，為0.8 mg。由于吸附溫度會(huì)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(guò)程越迅速，但是過(guò)高的溫度會(huì)抑制微生物的酶活性，從而降低微生物生長(zhǎng)速度，且會(huì)阻礙特異性吸附過(guò)程的進(jìn)行，而溫度過(guò)低，也會(huì)導(dǎo)致微生物生長(zhǎng)速度降低，且酶活性降低，所以20 ℃實(shí)驗(yàn)組的最終微生物固著量?jī)H為0.8 mg。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3-c所示。

2.2.4 微生物-活性炭復(fù)合材料的制備

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取活性炭種類為木屑柱狀活性炭，pH為7，培養(yǎng)溫度為28 ℃，培養(yǎng)時(shí)間為8～10天。

2.3 微生物-活性炭復(fù)合材料的掃描電鏡觀察

經(jīng)掃描電鏡觀察，可見(jiàn)菌體附著于活性炭表面，且并未堵塞活性炭的微孔結(jié)構(gòu)。由于電鏡樣品制備過(guò)程較為復(fù)雜，沖洗次數(shù)較多，拍攝到的活性炭上附著的微生物量可能不及實(shí)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(fù)合材料對(duì)目標(biāo)污染物的降解

2.4.1 不同濃度下丙烷去除率

當(dāng)實(shí)驗(yàn)氣體丙烷濃度在800 mg·m-3及以下時(shí)，從第5天開(kāi)始，丙烷去除率均達(dá)到67%以上，最高可達(dá)82%，當(dāng)丙烷質(zhì)量濃度為200 mg·m-3時(shí)，去除率在12天的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中持續(xù)升高，證明微生物對(duì)活性炭的再生效率在低氣體濃度下可持續(xù)升高，當(dāng)丙烷質(zhì)量濃度為1 600 mg·m-3時(shí)，其去除率從第3天開(kāi)始也可達(dá)到60%以上，而當(dāng)丙烷質(zhì)量濃度為3 200 mg·m-3時(shí)，由于氣體中丙烷濃度過(guò)高，導(dǎo)致活性炭很快達(dá)到吸附飽和，且微生物對(duì)丙烷的利用量低于進(jìn)氣量，使得丙烷去除率最高僅為49%。每組實(shí)驗(yàn)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(chǎn)酶量逐漸升高，第四天開(kāi)始接近飽和。不同濃度下丙烷去除率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5-a所示。

2.4.2 不同通氣速度下丙烷去除率

當(dāng)通氣速度為5 L·min-1時(shí)，實(shí)驗(yàn)氣體中的丙烷去除率可持續(xù)維持在70%以上，而通氣速度為10 L·min-1時(shí)，從第3天開(kāi)始，丙烷去除率也可維持在68%以上。當(dāng)通氣速度為15 L·min-1時(shí)，丙烷去除率僅能維持在50%左右，標(biāo)志著此通氣速度已超過(guò)微生物對(duì)丙烷的降解極限。當(dāng)通氣速度過(guò)高時(shí)，由于活性炭過(guò)早吸附飽和，丙烷去除率會(huì)在實(shí)驗(yàn)前3天快速下降，最終達(dá)到穩(wěn)定，最低去除率不足3%。不同通氣速度下丙烷去除率實(shí)驗(yàn)結(jié)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(rùn)，維持微生物活性，同時(shí)為微生物提供其生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)噴淋量大于20 L·h-1時(shí)，其結(jié)果相近，從第4天開(kāi)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(bǔ)充，其生長(zhǎng)速度會(huì)下降，活性下降，產(chǎn)酶量也會(huì)隨之降低，導(dǎo)致丙烷去除率下降當(dāng)噴淋量為5 L·h-1時(shí)，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5-c所示。

2.4.4 微生物-活性炭復(fù)合材料的制備

結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)組微生物-活性炭復(fù)合材料從第5天開(kāi)始維持極高的丙烷去除率，而對(duì)照組雖然在前3天丙烷去除率高于實(shí)驗(yàn)組，但由于普通活性炭達(dá)到吸附飽和無(wú)法自動(dòng)脫附再生，在運(yùn)行第5天開(kāi)始吸附能力下降，從第8天開(kāi)始，對(duì)照組丙烷去除率均低于6%。反應(yīng)器運(yùn)行初期，實(shí)驗(yàn)組丙烷去除率低于實(shí)驗(yàn)組，可能是由于耦合在活性炭上的微生物占據(jù)了部分孔隙，使活性炭的吸附能力下降，而當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行4天后，由于生物量的增加，產(chǎn)酶量也同時(shí)增加，對(duì)丙烷的降解能力也隨之加強(qiáng)，丙烷被降解后，活性炭的孔隙被釋放，其吸附性能也可被穩(wěn)定在一定水平，從而實(shí)現(xiàn)了活性炭的自動(dòng)脫附再生。人工模擬廢氣丙烷去除率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5-d所示。

3 結(jié) 論

1）本實(shí)驗(yàn)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(dá)干重0.18 mg·g-1。

2） 經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此種微生物-活性炭復(fù)合材料在丙烷質(zhì)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(shí)，具有良好的丙烷去除效果，最高可達(dá)82%。

3） 經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此種微生物-活性炭復(fù)合材料對(duì)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(shí)驗(yàn)制得復(fù)合材料由于結(jié)合在其上的微生物的降解作用，使得其可自動(dòng)脫附再生，具有更優(yōu)秀的吸附效果及更長(zhǎng)的使用壽命，可用于解決短鏈烷烴污染問(wèn)題。