微生物-活性炭复合材料对石化废气中丙烷的去除

2024-02-22马驰于泽权于思慧周畅谢鲲鹏

辽宁化工 2024年1期

马驰，于泽权，于思慧，周畅，谢鲲鹏*

（1.辽宁师范大学生命科学学院，辽宁大连 116081；2.辽宁华孚环境工程股份有限公司，辽宁盘锦 124013）

随着社会的发展，人类对能源与材料的需求正在不断提高，石油因此被大量开采使用。石油化工生产过程产生会产生大量的气体污染物[1]，其中，乙烷、丙烷等短链烷烃占据着重要的一部分[2]。此类污染物，会随着大气流动，增加污染范围，其对大气、土壤、水和人类健康均会产生极大影响。

对含短链烷烃的废气处理方法，一般有物理法、化学法与生物法三大类[3]。物理法包括吸附法、冷凝回收法、膜分离法等；化学法包括酸碱洗涤法、焚烧法、光催化氧化法、电晕法等[4]；生物法包括生物洗涤法、生物过滤法和生物滴滤法等[5]。活性炭作为一种吸附材料，对短链烷烃具有良好的吸附性能[6]。活性炭法是利用活性炭多孔结构的吸附作用，将污染物截留在其内部的方法，此方法因其耗能低、技术成熟、操作简单、可脱附再生、运行成本低等优点被广泛应用，是目前处理VOCs的最常见的方法[7]。生物法，实质上是一种利用微生物进行氧化分解的方法[8]，即利用微生物降解有机污染物，其特点是，不产生二次污染物，运行费用低，处理效率高。由于生物法对环境友好且经济，使其正在取代传统理化方法而发展为一种主流的废气处理方法[9]，此方法在处理低浓度、大气量、可生物降解的气体污染物时更具优势[10]。1967年，Parkhus等[11]首次证明了微生物在活性炭上生长的优势，之后的研究也已证明微生物可固着在活性炭孔隙结构中，其巨大的表面积与孔隙极易附着生物膜[12]，活性炭的比表面积、孔容积越大，微生物吸附量越大[13]。由于化工废气中非甲烷总烃排放标准的提高，使用传统处理技术难以达到[14]，因此，新方法的应用成为科研热点。

本研究将生物法与活性炭法相结合，把经过筛选驯化的微生物固定在活性炭表面与孔隙中，此方法也被称为微生物改性[15]。将活性炭的吸附能力与微生物对特定污染物的去除能力相结合，提高活性炭吸附性能，延长活性炭使用寿命，减少资源消耗，有效降低成本。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

液化丙烷（河南星岛气体科技有限公司99.96%）、活性炭（江苏康宏炭业有限公司）、高压蒸汽灭菌锅（日本TOMY KOGYO公司，SX-500）、超净工作台（北京东联哈尔仪器制造有限公司，HD-1360）、恒温培养箱（上海新苗医疗器械制造有限公司，GZX-300BS-Ⅲ）、空气浴振荡器（东联电子技术开发有限公司，HZQ-C）、分析天平（德国赛多利斯公司，BS224S）、气相色谱仪（济南兰光机电技术有限公司，GC-7800）、光学显微镜（德国徕卡公司，DM500）。

1.2 培养基

无机盐（MM）液体培养基（g·L-1）：NH4NO31.0，KH2PO40.5，Na2HPO41.5，NaCl 1.0，MgSO4·7H2O 0.2，用磷酸盐缓冲液调pH为7，121 ℃，20 min湿热灭菌。

LB液体培养基（g·L-1）：蛋白胨10，酵母膏5，NaCl 10，用磷酸盐缓冲液调pH为7，121℃，20 min湿热灭菌。

LB固体培养基即为LB液体培养基中添加1.6%琼脂。

1.3 菌种富集培养和分离鉴定

1.3.1 菌种富集培养

取辽河油田某采油厂附近石油污染土壤样品10 g，在200 mL MM液体培养基中分3阶段培养，每阶段通入丙烷浓度分别为1%、2%、3%，培养温度为28 ℃，每阶段培养72 h，转移量为10 mL。经过三次富集培养，获得可以丙烷为唯一碳源生长的微生物培养液。

1.3.2 菌种分离鉴定

采用稀释涂布法对有效菌种进行分离，平板上长出菌落后用接种环分别挑取不同形态单菌落，于LB固体培养基平板划线3次，进行纯化。对筛选得到的菌株进行编号，并进行生理生化鉴定。将纯化后的菌落接种于LB斜面培养基4 ℃保存备用。

用接种环挑取上述的纯化菌落，接种于LB液体培养基中，每个菌株100 mL培养基，28 ℃，150 r·min-1恒温振荡培养72 h，得到有效菌种的液体纯培养，4 ℃保存备用。

1.4 菌种富集培养和分离鉴定

1.4.1 活性炭种类对微生物耦合效率的影响

分别将实验用煤质柱状活性炭、木屑柱状活性炭、椰壳颗粒活性炭用蒸馏水洗净后烘干，每种活性炭分别取10.0 g放入标记后的锥形瓶，瓶中加入LB液体培养基100 mL，灭菌。每种活性炭选取一瓶作为空白对照，不接菌，其余瓶中分别接入3种液体菌种各2 mL，28 ℃，30 r·min-1[16]震荡培养10 d，对照组震荡48 h后取出，实验组每48 h取一瓶实验样品，滤出活性炭烘干称重，记录实验组与对照组之差即为微生物干重。

1.4.2 pH对微生物耦合效率的影响

将木屑柱状活性炭采用上节方法准备，分别用HCl和NaOH溶液调整pH为5、6、7、8、9，每个pH梯度5瓶，灭菌。接种、培养与取样称重方法同上。

1.4.3 pH对微生物耦合效率的影响

将木屑柱状活性炭采用上节方法准备，分别以20 ℃、24 ℃、28 ℃、32 ℃、36 ℃，30 r·min-1振荡培养。取样称重方法同上。

1.4.4 微生物-活性炭复合材料的制备

利用上述实验所得结果，选用最优方法，制得微生物-活性炭复合材料，滤掉多余培养基后密封放入4 ℃冰箱备用。

1.5 微生物-活性炭复合材料的扫描电镜观察

取少量上述复合材料，用研钵研磨后，取部分粉末加入至1.5 mL离心管中，使用4%戊二醛浸泡过夜，用1% PBS缓冲液冲洗2次后，使用2%戊二醛浸泡1 h，分别使用10%、20%、50%、80%、100%浓度乙醇进行梯度脱水，每次脱水30 min，用叔丁醇置换乙醇，吸取液体滴于盖玻片表面，待液体挥发后粘贴于载物台，真空镀金后进行扫描电镜观察。

1.6 微生物-活性炭复合材料对目标污染物的降解

1.6.1 不同浓度下丙烷去除率

将上述复合材料装于滴滤塔中，结构如图1所示, 其内径70 mm，高800 mm，复合材料高度约550 mm，设置5组反应器，从下方进气口分别通入不同丙烷浓度的实验气体，丙烷质量浓度分别为200 mg·m-3、400 mg·m-3、800 mg·m-3、1 600 mg·m-3、3 200 mg·m-3，通气速度为10 L·min-1，将无机盐液体培养基通过上方喷淋口对内部复合材料进行喷淋，喷淋量为20 L·h-1，每天更换新配置喷淋液，每天从出气口采集气体，共12天。使用气相色谱对其进行成分分析，并计算丙烷去除率。

1.6.2 不同通气速度下丙烷去除率

设置5组实验，从下方进气口通入丙烷质量浓度为800 mg·m-3实验气体，通气速度分别为5 L·min-1、10 L·min-1、15 L·min-1、20 L·min-1、25 L·min-1，将无机盐液体培养基通过上方喷淋口对内部复合材料进行喷淋，喷淋量为20 L·h-1，喷淋液更换时间与采样分析方法同上。

1.6.3 不同喷淋速度下丙烷去除率

设置5组实验，通入丙烷浓度为800 mg·m-3实验气体，通气速度为10 L·min-1，将无机盐液体培养基通过上方喷淋口对内部复合材料进行喷淋，喷淋量分别为5 L·h-1、10 L·h-1、15 L·h-1、20 L·h-1、25 L·h-1，喷淋液更换时间与采样分析方法同上。

1.6.4 与普通活性炭的对比实验

设置2组实验，对照组使用未耦合微生物的同种活性炭。从下方进气口通入实验气体，通气速度为10 L·min-1，实验气体根据宁夏石化公司提供的废气分析数据制得，其丙烷质量浓度约1 002 mg·m-3，将无机盐液体培养基通过上方喷淋口对内部活性炭进行喷淋，喷淋量为20 L·h-1，喷淋液更换时间与采样分析方法同上。

2 结果与讨论

2.1 菌种分离鉴定

经过富集培养和分离纯化，从石油污染土壤中得到3株能以丙烷为唯一碳源生长的菌株，分别命名为wt-01，wt-02和wt-03，菌落形态特征及生理生化鉴定结果如表1、表2所示。简单染色光学显微照片如图2所示。根据《常见细菌系统鉴定手册》[17]，初步鉴定wt-01为不动杆菌属（Acinetobactersp.），wt-02、wt-03为假单胞菌属（Pseudomonassp.）。

表1 菌落形态特征

表2 生理生化鉴定

2.2 活性炭与菌种耦合

2.2.1 活性炭种类对微生物耦合效率的影响

根据干重增加量可知，微生物在椰壳活性炭上附着速度更快，可能由于椰壳活性炭的比表面积更大，使微生物在初期容易被活性炭吸附。在第6天就已达到1.2 mg，但最终附着总量略低于木屑活性炭，煤质活性炭在微生物附着速度上和附着总量上均低于其他两种。经过10天的耦合，木屑柱状活性炭上微生物附着总量达到1.7 mg，为三种活性炭中总吸附量最高的一组，产生此结果的原因可能是木屑柱状活性炭具有更多更适合微生物生存的孔道。Messing等[18]对微生物载体孔径大小对微生物固着的影响进行了研究，结果表明，孔径尺寸为微生物1～5倍是最佳积累孔径，Bautista-Toledo等[19]利用活性炭吸附固定大肠杆菌，他们发现，大孔容积对大肠杆菌的吸附影响较大，较高的大孔容积可增强活性炭对大肠杆菌的固定能力。煤质活性炭的微生物总固着量最低，仅为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较少。实验结果如图3-a所示。

图3 不同条件对微生物耦合效率的影响

2.2.2 pH对微生物耦合效率的影响

根据干重增加量可知，微生物与活性炭耦合最佳pH为7，第10天生物固着量为1.8 mg，显著高于其他四组。研究表明，微生物与固着物在吸附初期，主要由于其间的非特异性吸附，包括库仑力，范德华力等，吸附后期，微生物表面物质或其分泌物与固着物间形成共价键，形成特异性永久吸附，非特异性吸附被认为是特异性吸附的前提条件[20]。环境pH会影响微生物表面电荷性质，从而影响非特异性吸附的过程[21]，pH过低或过高均会对耦合效率造成影响，且不适宜的环境pH也会导致微生物的生长速度降低，从而降低生物量增加速度。实验结果如图3-b所示。

2.2.3 温度对微生物耦合效率的影响

根据干重增加量可知，温度为28～32 ℃时，微生物固着量最高，第10天分别为1.7 mg和1.6 mg，且在第8天就已达到最高。20 ℃时则最低，为0.8 mg。由于吸附温度会影响微生物在固着物上的吸附速度，温度越高，非特异性吸附过程越迅速，但是过高的温度会抑制微生物的酶活性，从而降低微生物生长速度，且会阻碍特异性吸附过程的进行，而温度过低，也会导致微生物生长速度降低，且酶活性降低，所以20 ℃实验组的最终微生物固着量仅为0.8 mg。实验结果如图3-c所示。

2.2.4 微生物-活性炭复合材料的制备

根据上述实验结果，选取活性炭种类为木屑柱状活性炭，pH为7，培养温度为28 ℃，培养时间为8～10天。

2.3 微生物-活性炭复合材料的扫描电镜观察

经扫描电镜观察，可见菌体附着于活性炭表面，且并未堵塞活性炭的微孔结构。由于电镜样品制备过程较为复杂，冲洗次数较多，拍摄到的活性炭上附着的微生物量可能不及实际情况。电镜照片如图4所示。

图4 扫描电镜照片

2.4 微生物-活性炭复合材料对目标污染物的降解

2.4.1 不同浓度下丙烷去除率

当实验气体丙烷浓度在800 mg·m-3及以下时，从第5天开始，丙烷去除率均达到67%以上，最高可达82%，当丙烷质量浓度为200 mg·m-3时，去除率在12天的实验过程中持续升高，证明微生物对活性炭的再生效率在低气体浓度下可持续升高，当丙烷质量浓度为1 600 mg·m-3时，其去除率从第3天开始也可达到60%以上，而当丙烷质量浓度为3 200 mg·m-3时，由于气体中丙烷浓度过高，导致活性炭很快达到吸附饱和，且微生物对丙烷的利用量低于进气量，使得丙烷去除率最高仅为49%。每组实验在前3天，丙烷去除率均有明显升高，可能由于在此期间微生物的产酶量逐渐升高，第四天开始接近饱和。不同浓度下丙烷去除率实验结果如图5-a所示。

2.4.2 不同通气速度下丙烷去除率

当通气速度为5 L·min-1时，实验气体中的丙烷去除率可持续维持在70%以上，而通气速度为10 L·min-1时，从第3天开始，丙烷去除率也可维持在68%以上。当通气速度为15 L·min-1时，丙烷去除率仅能维持在50%左右，标志着此通气速度已超过微生物对丙烷的降解极限。当通气速度过高时，由于活性炭过早吸附饱和，丙烷去除率会在实验前3天快速下降，最终达到稳定，最低去除率不足3%。不同通气速度下丙烷去除率实验结果如图5-b所示。

2.4.3 不同喷淋速度下丙烷去除率

喷淋液的作用是保持活性炭湿润，维持微生物活性，同时为微生物提供其生长所需的营养。根据实验结果，当喷淋量大于20 L·h-1时，其结果相近，从第4天开始均能使丙烷去除率维持在68%以上，而随着喷淋量的降低，微生物不能得到足够的氮磷补充，其生长速度会下降，活性下降，产酶量也会随之降低，导致丙烷去除率下降当喷淋量为5 L·h-1时，实验后期丙烷去除率仅能维持在40%左右。不同喷淋速度下丙烷去除率实验结果如图5-c所示。

2.4.4 微生物-活性炭复合材料的制备

结果显示，实验组微生物-活性炭复合材料从第5天开始维持极高的丙烷去除率，而对照组虽然在前3天丙烷去除率高于实验组，但由于普通活性炭达到吸附饱和无法自动脱附再生，在运行第5天开始吸附能力下降，从第8天开始，对照组丙烷去除率均低于6%。反应器运行初期，实验组丙烷去除率低于实验组，可能是由于耦合在活性炭上的微生物占据了部分孔隙，使活性炭的吸附能力下降，而当反应器运行4天后，由于生物量的增加，产酶量也同时增加，对丙烷的降解能力也随之加强，丙烷被降解后，活性炭的孔隙被释放，其吸附性能也可被稳定在一定水平，从而实现了活性炭的自动脱附再生。人工模拟废气丙烷去除率实验结果如图5-d所示。