中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发项目开题设计报告

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1、中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发项目开题设计报告 中国石油天然气股份有限公司 科学研究与技术开发项目 开题设计报告 项 目 名 称：安全环保关键技术研究与推广 课 题 名 称：海岸线石油污染环境生物治理及生态修复 技术开发与试验 组织编制部门：中国石油天然气集团公司科技管理部 编 制 单 位：中国石油安全环保技术研究院 中国石油大学（北京） 编 写 人：宋佳宇、蔡斌 xx 年 3 月 编 写 说 明 1 股份公司科技计划项目均应按照股份公司科技管理有关规定编写开题设计报告。 2 报告中所引用的外来语要同时用中文和原文表达，第一次出现的缩略词，应注明全称。 3 项目（课题）经理只能承

2、担一个项目（课题），主要研发人员每年参加的课题不得超过 2 项，每个课题主要研发人员原则上不多于 15 人，重大科技专项每个课题主要研发人员原则上不多于 20 人。 4 正文格式：宋体、小四、行距 1.5 倍，所用纸张规格为A4。 一、 生产需求 和 需要解决的关键技术问题 1、生产需求 我国海洋油气资源丰富，是石油工业的重要战场；近海海域又是重要的原油运输通道和石油储备基地，如青岛黄岛、大连新港、宁波镇海、舟山岙山等一期石油储备基地，以及湛江、惠州、锦州、天津等二期石油储备基地均位于海岸线附近。同时，我国的炼化企业也多位于重要水系、水域和近海沿岸，其布局导致了严重溢油环境风险。随着中国海上石

3、油业务的激增，我国发生海上溢油重大事件的概率将越来越高，海岸线石油污染事故难以完全避免，必须提升对海上溢油污染的危机感与防范意识。因此，建立及完善海洋石油污染治理技术仍是急迫且必要的。 为了填补国内技术空白，提升沿海企业应对海岸线溢油污染环境治理的技术水平，xx 年至 xx 年，集团公司开展了“海岸线石油污染环境生物治理及生态修复技术”科技攻关。在该项目的支撑下，课题组成功研发出具有突出耐盐性能、石油组分降解性能的高效石油降解菌剂、超级基因工程菌以及石油污染修复土著植物，并针对基因工程菌的生态安全性、遗传稳定性问题，开展了石油降解酶制剂的有益探索；成功构建了石油污染海岸线环境模拟与生物治理技术

4、室内和中试研发平台，最终经室内评价和中试验证，充分肯定了上述研究成果的修复潜力和应用前景，并初步形成了海岸线石油污染环境生物治理技术及生物治理-植物联合生态修复技术，与国内外同类研究相比，已跻身于领先行列。然而，由于项目周期较短，且止步于中试，部分研究规模不足或难以深入，所研发的菌剂、酶制剂等也停留于液体（发酵液型）水平，未能转化为技术应用。 而限制这些有益的研究成果向应用技术转化的主要原因，正是液体型生物修复剂对海岸线环境的耐受性问题。微生物的生长活性和降解效率具有很强的环境依赖性，一方面，菌剂在投加到海岸线环境中后，在物化条件差异、土著生态竞争等诸多生物、非生物因素的限制下，往往需要经历过

5、长的适应期，导致生物修复启动速度缓慢；另一方面，传统的液体或干粉类菌剂极易被海水冲刷而快速稀释，导致生物修复失效速度过快。二者均使得生物修复技术的诸多优势在石油污染海岸线环境中难以发挥，这也正是国内外众多有益研究成果始终未能转化为实践应用的根本原因。这一问题如不解决，则很难实现海岸线生物修复技术的有效应用。 综上可见，继续深入开展石油污染海岸线生物修复技术的研发，有针对性的解决生 物修复制剂在海岸线环境中启动速率过慢、失效速度过快的实际问题，是实现海岸线生物修复技术应用推广的关键。为此，本课题组提出“制剂固定化”的思路，在继续完善石油降解酶制剂研发的基础上，开展菌剂固定化、菌剂-酶制剂联合固定

6、化技术的研究，以克服传统生物修复菌剂在应用推广中的实际限制，最终形成能够快速响应、高效处理并能适应于广谱海岸线环境的固定化生物修复技术，促进基础研究成果向实践应用技术的转化和过渡，其生产需求十分迫切。 2、国内外技术现状分析 微生物固定化技术（Immobilized Biotechnology），是从 20 世纪 60 年代开始迅速发展起来的一项新技术，它是通过化学或物理手段将游离细胞或酶定位于限定的空间区域内，使其保持活性并可反复利用。随着环境污染日益严重，迫切需要开发出一种高效、快速、能连续处理污染物的技术，许多研究者将目光投向了这一新型技术，并已在微生物固定化技术处理废水脱氮、去除矿山废

7、水中重金属、降解石油污染物以及处理难降解有机污染物的研究中取得了重大进展。 与游离微生物相比，固定化微生物具有以下优势：生物负载量高；能在高稀释速率的连续处理过程中运行，细胞不容易流失；对有毒环境的耐受性好；在恶劣环境中竞争力强、不易被捕食、生物稳定性高；可以长时间储存而不失去降解活性，保存和使用方便等。 2.1 微生物的固定化方法 固定化微生物的制备方法多种多样，任何一种限制细胞自由流动的技术，都可以用于制备固定化微生物。从载体固定到无载体固定，微生物的固定化技术不断发展。载体固定大致可以分为吸附法、包埋法、共价结合法和交联法 4 种，这些方法各有优缺点。理想的固定化载体应具有微生物细胞无毒

8、、传质效果好、性能稳定、使用寿命长、价格低廉等特点。无载体固定法是利用某些微生物具有自絮凝形成颗粒的特性，使微生物产生自固定，这种固定化方法是一种全新的概念。 表 表 1-1 四种 固定化 方法原理和优缺点的比较 固定化方法 原理 优点 缺点 吸附法 微生物细胞通过自然附着力（物理吸附、离子结合）等方式，固定在载体表面和?部形成生物膜。 反应温和、对细胞活性影响较小、操作简单、载体可重复利用。 所?固定的细胞数量有限，细胞核载体结合不牢，易脱落。 包埋法 将微生物包埋在凝胶的微小格子或微胶囊等有限空间内，微生?被限制在该空间内不能离开，而底物和产物能自由进出这个空间。 操作简单，对微生物活性影

9、响小，制作的固定化微生物小球强度高 包埋材料会一定程度阻碍底物和氧扩散，对大分子底物不适用。 共价结合法 微生物细胞表面的官能团（如氨基、羧基、羟基等）和载体的化学基团之间形成化学共价键连接，从而形成固定化细胞。 结合紧密，稳定性好。 基团结合时反应激烈，操作复杂、难控制。 交联法 利用微生物中酶?子的氨?和羟基?交联剂的官能基团反应，交联形成共价键，使微生物菌体相互形成网状结构。 稳定性好，强度高。 反应激烈，会使细胞活性降低。 2.2 微生物固定化载体的选择 微生物固定化的立项载体应该具备以下特性： 1） 机械强度高，寿命长，具备一定的容量，价格低廉； 2） 性质稳定，不易被生物降解； 3

10、） 固定化过程简单，常温下易于成形，固定化过程及固定化后对微生物无毒； 4） 生化及热力学稳定性好； 5） 基质通透性好，沉淀分离性好； 6） 具有惰性，不能干扰生物分子的功能。 可供选择的载体多种多样，各有其优缺点。寻找合理有效的载体 是微生物固定化研究成败的关键之一。 表 表 1-2 各种固定化载体的比较 种类 名称 优点 缺点 无机载体材料 硅胶、活性炭、多孔玻璃、石英砂、纤维素、硅藻土、多孔砖、高岭土等。 强度大、传质性好、对细胞无毒害、价格便宜且制作工程简单、有较大的应用价值。 密度大、实现化的能效高、微生物吸附有限和易脱落等缺点。 天然有机载体材料 海藻酸盐、卡拉胶、琼脂、明胶、骨

11、胶原等， 对微生物无毒害作用，传质性好。 机械强度低，易被微生物分解。 合成有机载体材料 聚丙烯酰胺凝胶、聚乙烯醇凝胶、光硬化树脂、聚丙烯酸凝胶、聚乙烯乙二醇等。 强度高、化学稳定性好、抗微生物分解性强、对细胞无毒且价格低廉等。 硼酸对微生物细胞有毒害作用；聚乙烯醇交联不 _，固定化颗粒?生粘连现象。 2.3 固定化技术的评价标准及影响因素 评价固定化方法的好坏主要从以下几个方面：能控制固定化颗粒的大小、孔隙度、传质性，保证氧气、营养物质和代谢产物能够自由扩散并且菌体不易渗漏；固定化条件要温和，避免菌的生理活性受到影响，有较高的菌容量；具有良好的机械强度和化学稳定性，较强烈的外部操作条件，如机

12、械搅拌、温度改变、pH 值改变等，不破坏固定化产品等。 不同的固定化方法固定效果不同，同一种固定方法影响固定化效果的因素也很多，主要表现在菌体接种量的影响、包埋剂和交联剂浓度的影响、交联时间的影响还有外界环境的影响，如温度、pH 值等。 2.4 微生物固定化技术在含油废水处理中的应用 含油废水是一种量大面广且危害严重的污染源，对于含油废水的处理，首先应考虑尽量回收其中的油，以便重复或循环使用。然后再根据其及油污染的状态、成分，采用适当的处理方法。利用微生物固定化技术修复污染环境的研究成果，目前固定化微生物技术在处理含油废水领域也有一定的突破。 1 ）油田含油废水 随着我国石油开采量的大幅上升，

13、石油开采过程产生的含油废水也不断增加，含油废水所引起的环境污染问题日益凸出。近年来，随着固定化微生物技术的发展，固定化微生物技术以其特有的优势，在含油废水生物处理领域中受到广泛关注，处理效果良好。 Zhao 等分别将菌 B350M 和 B350 固定到自制的高分子载体 FPUFS 上，预处理油田废水，在曝气生物过滤反应器中运行 142 天后，固定化 B350M 菌对 TOC 和原油的去除率分别达到了 78%和 94%；包木太等采用海藻酸钠包埋活性炭为载体制备固定化菌剂，处理胜利油田含油废水，结果表明固定化菌对原油降解率达到 50%以上，比游离菌处理效果提高了 20%，且提高了细菌的盐度适应能力

14、和 pH 适应范围；郭静仪等用木屑为载体，以菌 QK-1 为固定化对象，吸附法制备固定化微生物对含油废水进行处理，原油去除率大大高于单纯投加菌液或菌液和木屑的混合物；李艳红等以海绵和甘蔗渣为载体固定石油降解菌处理采油废水，结果表明以甘蔗渣为载体的固定化微生物 108 h 除油率最高达 84.5%，以海绵为载体的固定化微生物 96 h 除油率达 82.4%，处理效率远远高于游离菌处理效率；Diaz 等将嗜盐菌群 MPD-M 固定在聚丙烯纤维上，研究其对不同盐度范围的原油降解效果，盐含量为 40 g/L 时，固定化菌对原油的降解率达到 65.5%；刘媚媚等以活性炭纤维为载体固定石油降解菌，在盐度为

15、 03.5%、pH 为 7、最佳载体用量下，固定化菌对原油的去除率比游离菌高 30%左右；邵娟等将嗜碱芽孢杆菌 Bacillus alcalophilus SG 固定在稻草秸秆上降解原油，去除率达到了 73.88%，并且对原油有较好的降粘能力。 2 ）炼化废水 石油炼制过程需要消耗大量的水，有研究表明每加工 1 体积原油会产生 0.41.6 体积的废水，目前全世界每天约产生 3360 万桶炼化废水。废水产生量大，污染类型多，成分复杂，是制约炼化业务可持续发展的因素之一。生物处理法因成本较低受到多数研究者的青睐，但由于处理效率不高而使其应用受到局限。目前，有研究人员探索固定化微生物技术对炼化废水的处理可行性。 Godjevargova 等用经 NaOH 改性后的多孔聚酰胺颗粒和聚丙烯腈纤维为载体固定菌T. cutaneum R57，研究其对阴离子交换法处理后的苯酚厂废水的生物降解能力。结果表明，固定化菌 24 h 后对丙酮、苯酚+二甲基苯甲醇和苯甲酸的降解率分别为 50%、40%和 45%，而且固定化菌对毒性较大组分的降解能力比游离菌强；湛美等将分离出的 4 株菌分别制成固定化菌剂，以 10%接种量、曝气处理 64 h 后，4