工业废催化剂耦合固定化石油降解菌微球高效处理含油废水

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2024-0731

摘要/Abstract

摘要：

为实现含油废水高效处理与工业废催化剂有效利用，从石油污染土壤中筛选出两株石油烃高效降解菌株，并利用海藻酸钠（SA）/聚乙烯醇（PVA）将其与催化裂化（FCC）废催化剂耦合制备固定化复合微球，考察其对含油废水的去除效果。结果表明，两株石油降解菌均为巴氏窄养单胞菌（Stenotrophomonas pavanii），复合微球具有良好的机械强度和传质性能。在微球投加量20 g/L、温度37 ℃、pH=7条件下培养3 d后，FCC/微生物固定化复合微球对模拟含油废水中石油烃降解率达到最高（74.06%）。该复合微球在处理实际含油废水时，对石油烃的去除率也高达73%。相较于游离态细菌，工业废催化剂与石油降解菌耦合形成的固定化复合微球在石油烃降解效能及系统稳定性上展现出显著优势，这一提升主要归因于FCC废催化剂的独特多级孔结构，以及其表面高价金属对生物降解过程的强效促进作用。

关键词: 石油烃降解菌, 工业废催化剂, 微生物固定化, 强化生物降解

Abstract:

To achieve efficient treatment of oil-containing wastewater and effective use of industrial waste catalysts, two strains of highly efficient petroleum-degrading bacteria were screened from petroleum-contaminated soil. These bacteria were coupled with the spent catalysts from fluid catalytic cracking(FCC) to prepare immobilized composite microspheres by using sodium alginate(SA)/polyvinyl alcohol(PVA), and the removal effects on petroleum pollutants were investigated. The results showed that both strains of petroleum degrading bacteria were Stenotrophomonas pavanii, and the composite microspheres had good mechanical strength and mass transfer properties. After culturing for 3 days under the conditions of microsphere dosage of 20 g/L, temperature of 37 ℃, and pH of 7, the FCC/microbial immobilized composite microspheres achieved the highest degradation rate of petroleum hydrocarbons in simulated oily wastewater (74.06%). Furthermore, the composite microspheres also achieved a removal rate of up to 73% for petroleum hydrocarbons when treating actual oily wastewater. Compared to free bacteria, the immobilized microspheres formed by the coupling of industrial waste catalysts and petroleum degrading bacteria showed significant advantages in the degradation efficiency of petroleum hydrocarbons and the system stability, which was mainly attributed to the unique multi-stage pore structure of the FCC spent catalysts, as well as the potent facilitation effect of high-valent metals on the surface of the FCC spent catalysts to promote the biodegradation process.

Key words: petroleum hydrocarbon degrading bacteria, industrial spent catalysts, microbial immobilization, enhanced biodegradation

中图分类号:

李倩玮, 张苗, 韦标, 杨晨璐, 王雨芊. 工业废催化剂耦合固定化石油降解菌微球高效处理含油废水[J]. 工业水处理, 2025, 45(9): 87-94.

Qianwei LI, Miao ZHANG, Biao WEI, Chenlu YANG, Yuqian WANG. Efficient treatment of oily wastewater by immobilized petroleum degrading bacteria microspheres coupled with industrial waste catalysts[J]. Industrial Water Treatment, 2025, 45(9): 87-94.

https://www.iwt.cn/CN/Y2025/V45/I9/87

图/表 11

图1 O1（a）和O3（b）菌株系统发育树

Fig.1 Phylogenetic trees of O1（a） and O3（b） strains

表1 FCC废催化剂金属元素组分及含量分析结果

Table 1 Analysis results of metal components and content of FCC spent catalyst

金属元素	Fe	Ni	Al	As	Ba	Ca	Cr
质量分数/（mg·kg^-1）	8 647.0	4 212.5	29 426.5	404.5	146	1 348	40.5
金属元素	Cu	Mg	Mn	Na	Pb	Zn	Co
质量分数/（mg·kg^-1）	490.5	1 047.5	76.0	2 334.5	16.5	281.5	45.1

图2 FCC废催化剂的SEM（a）和FCC/微生物固定化复合微球的宏观形貌（b）、表面SEM（c）、剖面SEM（d）

Fig.2 SEM of FCC spent catalyst （a），and macroscopic morphology （b），surface SEM （c），and sectional SEM （d） of FCC/microbial immobilized composite microspheres

图3 不同菌液接种量下的模拟含油废水降解效果

Fig.3 Degradation effect of simulated oily wastewater under different inoculation amounts of bacterial solution

表2 石油降解实验组别

Table 2 Petroleum degradation experimental groups

组别	O1菌液/mL	O3菌液/mL	FCC/g
A	10
B		10
C	2.5	7.5
D	5.0	5.0
E	7.5	2.5
F	10		1
G		10	1
K	10		2
L		10	2
M			1
N			2

图4 游离态细菌（a），游离态细菌/FCC废催化剂（b）以及FCC/微生物固定化复合微球（c）对模拟含油废水的降解效果采用单因素分析样本之间的差异，符号*表示不同组水平之间的统计显著差异性，*代表p<0.05，**代表p<0.01，***代表p<0.001。

Fig.4 Degradation effects of free bacteria （a），free bacteria/FCC spent catalyst （b），and FCC/microbial immobilized composite microspheres （c） on simulated oily wastewater

图5 温度（a）和pH（b）对石油烃降解率的影响

Fig.5 Effect of temperature（a） and pH（b） on the degradation rate of petroleum hydrocarbon

表3 固定化微生物降解石油类污染物的研究案例

Table 3 Case studies of degradation of petroleum-based pollutants by immobilized microorganisms

固定载体	固定方法	污染物类型	石油污染物浓度	降解率/%	参考文献
生物炭	吸附法	模拟含油废水	10 g/L	74~84	〔11〕
生物炭-SA-聚丙烯醇	吸附-包埋法	模拟石油污染土壤	13 g/kg	61	〔9〕
SA-核聚糖	包埋法	模拟含油废水	0.06 g/L	70.6	〔12〕
生物炭	吸附法	模拟含油废水	3 g/L	70.51	〔13〕
生物炭	吸附法	模拟石油污染土壤	16 g/kg	51.9	〔14〕
生物炭	吸附法	模拟含油废水	1 g/L	75.87	〔15〕
堆肥污泥-SA	吸附-包埋法	模拟石油污染土壤	10 g/kg	78.39	〔16〕
生物炭	吸附法	模拟含油废水	1 g/L	62.04	〔17〕
FCC-SA-PVA	包埋法	模拟含油废水	10 g/L	74.06	本研究

表4 油田采出水水质指标

Table 4 Quality indexes of oilfield produced water

测试指标	数值	测试指标	数值
pH	7.38	Ca²⁺/（mg·L^-1）	2 913.595
COD/（mg·L^-1）	17 950	Mg²⁺/（mg·L^-1）	294.464
石油烃/（mg·L^-1）	865.43	Na⁺/（mg·L^-1）	5 983.147
悬浮物/（mg·L^-1）	42	K⁺/（mg·L^-1）	262.026

图6 不同盐度油田采出水中FCC/微生物固定化复合微球对油（a）和COD（b）的去除效果

Fig.6 Removal rate of oil （a） and COD （b） in produced water with different salinity by FCC/microbial immobilized composite microspheres

图7 FCC废催化剂强化微生物降解石油烃作用机制

Fig.7 Mechanism of enhanced microbial degradation of petroleum hydrocarbon by FCC spent catalysts

参考文献 20

[1]	ISMAIL N H， SALLEH W N W， ISMAIL A F，et al. Hydrophilic polymer-based membrane for oily wastewater treatment：A review［J］. Separation and Purification Technology，2020，233：116007. doi:10.1016/j.seppur.2019.116007
[2]	姚雪，武淑慧，杨阳，等. 含油污泥基生物炭处理含油废水［J］. 化工进展，2024，43（6）：3398-3409.
	YAO Xue， WU Shuhui， YANG Yang，et al. Treatment of oily wastewater by oily sludge-based biochar［J］. Chemical Industry and Engineering Progress，2024，43（6）：3398-3409.
[3]	PACWA-PŁOCINICZAK M， CZAPLA J， PŁOCINICZAK T，et al. The effect of bioaugmentation of petroleum-contaminated soil with Rhodococcus erythropolis strains on removal of petroleum from soil［J］. Ecotoxicology and Environmental Safety，2019，169：615-622. doi:10.1016/j.ecoenv.2018.11.081
[4]	PRINCE R C， MCFARLIN K M， BUTLER J D，et al. The primary biodegradation of dispersed crude oil in the sea［J］. Chemosphere，2013，90（2）：521-526. doi:10.1016/j.chemosphere.2012.08.020
[5]	赵光辉，冯晓斌，孙俊. 土著嗜油微生物对土壤中石油类污染物的降解性研究［J］. 环境保护科学，2005，31（5）：38-39.
	ZHAO Guanghui， FENG Xiaobin， SUN Jun. Experimental research on degradation of local aboriginal microbe on petroleum pollutants in Shen-Fu irrigation area［J］. Environmental Protection Science，2005，31（5）：38-39.
[6]	张浩轩，李龙，董浩然. 固定化微生物技术修复重金属污染土壤的研究进展［J］. 能源环境保护，2023，37（2）：147-155.
	ZHANG Haoxuan， LI Long， DONG Haoran. Research progress of immobilized microbial technology in remediation of heavy metal contaminated soil［J］. Energy Environmental Protection，2023，37（2）：147-155.
[7]	MATEO C， PALOMO J M， FERNANDEZ-LORENTE G，et al. Improvement of enzyme activity，stability and selectivity via immobilization techniques［J］. Enzyme and Microbial Technology，2007，40（6）：1451-1463. doi:10.1016/j.enzmictec.2007.01.018
[8]	LI Yafeng， HAO Ying， YAO Jingbo. Study of the nitrogen and phosphorus removal effects in SBBR by microbial immobilization technology［J］. Advanced Materials Research，2011，183/184/185：372-375.
[9]	赵晓东，杜一，于钧泷，等. 吸附-包埋固定化微生物修复盐渍化石油污染土壤［J］. 石油学报（石油加工），2024，40（4）：1137-1145.
	ZHAO Xiaodong， DU Yi， YU Junlong，et al. Remediation of salinized petroleum contaminated soil by adsorbed and embedded immobilized microorganisms［J］. Acta Petrolei Sinica（Petroleum Processing Section），2024，40（4）：1137-1145.
[10]	MULLA S I， TALWAR M P， BAGEWADI Z K，et al. Enhanced degradation of 2-nitrotoluene by immobilized cells of Micrococcus sp. strain SMN-1［J］. Chemosphere，2013，90（6）：1920-1924. doi:10.1016/j.chemosphere.2012.10.030
[11]	林婷，李海红，温家峰. 石油降解菌株的生物炭固定化及性能研究［J］. 化学工程，2024，52（5）：6-12.
	LIN Ting， LI Haihong， WEN Jiafeng. Biochar immobilization and performance of petroleum degrading strains［J］. Chemical Engineering（China），2024，52（5）：6-12.
[12]	刘志敏，赵倩倩，王傲，等. 海洋石油烃降解菌的固定化及其石油降解性能研究［J］. 环境污染与防治，2021，43（6）：691-696.
	LIU Zhimin， ZHAO Qianqian， WANG Ao，et al. Immobilization of a marine petroleum hydrocarbon degrading bacterium and its bioremediation of petroleum［J］. Environmental Pollution & Control，2021，43（6）：691-696.
[13]	沈若非，肖娴，涂保华，等. 生物炭固定化复合菌群修复石油烃污染地下水［J］. 环境化学，2022，41（10）：3435-3446.
	SHEN Ruofei， XIAO Xian， TU Baohua，et al. Remediation of petroleum hydrocarbon contaminated groundwater by biochar immobilized bacterial consortia［J］. Environmental Chemistry，2022，41（10）：3435-3446.
[14]	LI Xi， WANG Yaxuan， LUO Ting，et al. Remediation potential of immobilized bacterial strain with biochar as carrier in petroleum hydrocarbon and Ni co-contaminated soil［J］. Environmental Technology，2022，43（7）：1068-1081. doi:10.1080/09593330.2020.1815858
[15]	陈钰，曾广婷，刘梅，等. 污泥基生物炭固定化菌处理海洋溢油的研究［J］. 浙江海洋大学学报（自然科学版），2022，41（3）：233-240.
	CHEN Yu， ZENG Guangting， LIU Mei，et al. Treatment of marine oil spill by sludge-based biochar immobilized bacteria［J］. Journal of Zhejiang Ocean University（Natural Science），2022，41（3）：233-240.
[16]	张秀霞，李茹月，任立涵，等. 堆肥污泥复合载体固定化微生物修复石油污染土壤［J］. 石油学报（石油加工），2023，39（3）：544-551.
	ZHANG Xiuxia， LI Ruyue， REN Lihan，et al. Remediation of petroleum-contaminated soil by immobilized microorganisms with composite carrier of compost sludge［J］. Acta Petrolei Sinica（Petroleum Processing Section），2023，39（3）：544-551.
[17]	张博凡，徐文斐，王加华，等. 菌糠炭与微生物协同吸附-降解石油烃类污染物［J］. 石油学报（石油加工），2019，35（4）：736-743.
	ZHANG Bofan， XU Wenfei， WANG Jiahua，et al. Adsorption and degradation of petroleum hydrocarbon with biochars and microorganisms［J］. Acta Petrolei Sinica（Petroleum Processing Section），2019，35（4）：736-743.
[18]	LIU Xinmei， LI Liang， YANG Tingting，et al. Zeolite Y synthesized with FCC spent catalyst fines：Particle size effect on catalytic reactions［J］. Journal of Porous Materials，2012，19（1）：133-139. doi:10.1007/s10934-011-9534-1
[19]	GAUR V K， GUPTA S， PANDEY A. Evolution in mitigation approaches for petroleum oil-polluted environment：Recent advances and future directions［J］. Environmental Science and Pollution Research，2022，29（41）：61821-61837. doi:10.1007/s11356-021-16047-y
[20]	RODRÍGUEZ-URIBE M L， PEÑA-CABRIALES J J， DEL CARMEN RIVERA-CRUZ M，et al. Native bacteria isolated from weathered petroleum oil-contaminated soils in Tabasco，Mexico，accelerate the degradation petroleum hydrocarbons in saline soil microcosms［J］. Environmental Technology & Innovation，2021，23：101781. doi:10.1016/j.eti.2021.101781

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