1 引言
隨著(zhù)石油的大規模開(kāi)采，聚合物驅作為有效的3次采油技術(shù)得到了大規模的應用，同時(shí)也產(chǎn)生了大量的含聚丙烯酰胺(HPAM)的采出水.由于含聚污水粘度大，難生物降解，所以很難達到當地的處理標準，易打破水回收系統的平衡，并且產(chǎn)生昂貴的處理費用.外排污水中的HPAM由于不能被完全降解而在環(huán)境中不斷累積，進(jìn)而造成對環(huán)境的污染，以及對人類(lèi)健康的潛在威脅.因此，對含聚污水的處理已經(jīng)成為保證油田可持續發(fā)展亟待解決的問(wèn)題.
國內外有許多關(guān)于好氧法處理含聚污水的報道.例如，報道，從活性污泥和受到石油污染的土壤中分離出2株好氧菌，它們可以利用HPAM作為唯一的碳源;研究發(fā)現，好氧顆粒污泥對聚合物驅采出水具有良好的適應性，并能有效地促進(jìn)HPAM的生物降解，但并沒(méi)有達到理想的降解效果.因此，為了尋找一個(gè)有效降解含HPAM污水的方法，本文擬對厭氧生物法處理含HPAM污水進(jìn)行研究.
作為一個(gè)特定的厭氧反應器，ABR由于具有設計簡(jiǎn)單、穩定性高、耗能低和處理效果好等特點(diǎn)而被廣泛應用于試驗中.例如，研究了ABR處理高鹽度低營(yíng)養的重油采出水的效果，探討了ABR處理大豆蛋白加工廢水的性能.除此之外，ABR還被用于處理含四價(jià)鉻的酸性廢水、含聚乙烯醇廢水、酸性礦排、威士忌酒廠(chǎng)廢水等.但關(guān)于用ABR處理高濃度含HPAM污水的報道卻很少見(jiàn).
課題組前期對HPAM的性質(zhì)及好氧生物法降解HPAM開(kāi)展了大量的研究，結果表明，好氧生物法能夠有效地降解HPAM.基于此，本文進(jìn)一步研究了厭氧生物法處理高濃度含HPAM污水的效果，并對HPAM降解菌的降解條件進(jìn)行優(yōu)化.同時(shí)，利用ABR對含HPAM污水的處理進(jìn)行擴大化實(shí)驗研究，以得到更好的降解效果，為處理含HPAM污水提供一個(gè)有效的方法.
2 材料與方法
2.1 菌種、接種污泥來(lái)源和實(shí)驗材料
選取實(shí)驗室低溫保藏的2株HPAM降解菌PAM-F1和PM-2進(jìn)行實(shí)驗.接種污泥取自青島市某廢水處理廠(chǎng)生物處理二沉淀池.污泥呈棕褐色，粒徑為1~2 mm，總懸浮物(MLSS)為21.8 g · L-1，揮發(fā)性懸浮物(MLVSS)為12.35 g · L-1，污泥沉降指數為31.19.
實(shí)驗用模擬污水：HPAM(相對分子量2.2×107，水解度23%，固含量90%)500 mg · L-1，用葡萄糖調節CODCr值至1500~1700 mg · L-1.添加氮源(NH4Cl)、磷源(磷酸二氫鉀)，使CODCr ∶ N ∶ P=300 ∶ 5 ∶ 1，用NaHCO3調節進(jìn)水pH為7.0~7.5.除此之外，配水中還添加了鎂離子、鐵離子、錳離子等微生物生長(cháng)所需的微量元素.
2.2 培養基
富集培養基(g · L-1)：蛋白胨5，牛肉膏10，NaCl 5，去離子水1000 mL.降解培養基(g · L-1)：HPAM 0.5，NH4Cl 1.0，MgSO4 · 7H2O 2.0，NaSO4 2.0，CaCl2 0.05，NaH2PO4 3.0，K2HPO4 3.0，pH值調節至7.0~7.5，去離子水1000 mL.所有的培養基均在121 ℃下滅菌20 min后使用.
2.3 菌種的馴化與鑒定
降解菌在250 mL的厭氧瓶中進(jìn)行富集培養，35 ℃下富集培養2 d后，取5 mL的富集菌液接種到裝有100 mL降解培養基的250 mL厭氧瓶中，35 ℃下培養7 d后，再取出5 mL的降解培養液接種到100 mL新鮮的降解培養基中培養7 d.30 d內不斷重復這個(gè)馴化過(guò)程，得到馴化好的降解菌，待用.所有的厭氧瓶在加入培養基后，通氮氣5 min，以去除溶解氧，保證厭氧的環(huán)境.
菌株P(guān)M-2已經(jīng)被實(shí)驗室其他研究人員鑒定為蠟樣芽孢桿菌(Bacillus sp.).所以，為了更好地了解菌株P(guān)AM-F1的特性，通過(guò)生理生化特征和16S rDNA測序分析對其進(jìn)行菌種鑒定.
2.4 實(shí)驗用ABR
實(shí)驗所用的ABR采用有機玻璃加工訂做而成，規格尺寸為650 mm×150 mm×500 mm(長(cháng)×寬×高)，有效容積約為35.5 L.反應器由5個(gè)隔室組成，前4個(gè)隔室為降解隔室，第5隔室為沉降室.前4個(gè)隔室中設有上流室和下流室，其寬度之比為4 ∶ 1，折流板底部轉角為40°.4個(gè)隔室的頂部設有集氣孔便于收集反應產(chǎn)生的氣體，并在各個(gè)隔室底部?jì)啥嗽O計倒角，既便于水流通往上流室中部，又避免“死區”出現.在隔室側面設有取污泥口和取水口，便于定期監測反應器內污泥及污水變化情況.第5個(gè)隔室設有回流孔，用于污水的回流，有利于提高反應器的工作效率.由蠕動(dòng)泵在A(yíng)BR的進(jìn)、出水端均勻進(jìn)水和出水.ABR實(shí)驗裝置示意圖如圖 1所示.
圖 1 厭氧折流板反應器示意圖
2.5 分析方法
2.5.1 HPAM降解率和CODCr去除率的測定
HPAM的濃度采用淀粉-碘化鉻法測定，CODCr采用重鉻酸鉀法測定，其中，HPAM生物降解率η1和CODCr去除率η2的計算公式為：
式中，C0和C1分別表示降解前、后的HPAM濃度(mg · L-1); Ca和Cb分別表示降解前、后的CODCr值(mg · L-1).
2.5.2 傅里葉-紅外光譜(FT-IR)分析
HPAM干粉和降解產(chǎn)物分析采用紅外光譜法，取適量樣品，KBr壓片，用德國布魯克Tensor27傅里葉-紅外光譜儀分析.
2.5.3 掃描電鏡(SEM)分析
從ABR反應器中取出反應后的顆粒污泥，進(jìn)行掃描電鏡分析.對反應前后的顆粒污泥進(jìn)行前處理，方法見(jiàn)文獻.用S3400型掃描電鏡觀(guān)察污泥的形態(tài)結構變化.
3 結果與討論
3.1 PAM-F1的菌種鑒定結果
PAM-F1菌株為短桿菌，有鞭毛，在富集培養基表面菌體呈現橘紅色菌落，菌落濕潤、中間凸起、形狀規則.在革蘭氏染色試驗、明膠試驗和葡萄糖試驗中呈陽(yáng)性，V-P試驗和甲基紅試驗呈陰性.經(jīng)測序后獲得1486 bp的PAM-F1的16S rDNA序列，將PAM-F1的基因序列上傳至GenBank(http://www.ncbi.nlm.nih.gov)，獲得GenBank登錄號為KC476501.1.并與已有的序列進(jìn)行Blast基因比對，結果見(jiàn)表 1.綜合生理生化特征和16S rDNA序列分析結果，確定PAM-F1為紅球菌(Rhodococcus sp.).
表1 PAM-F1基因比對結果
3.2 厭氧瓶實(shí)驗中菌株降解條件的優(yōu)化
3.2.1 最佳降解時(shí)間的確定
將兩株單獨菌和混合菌的培養液分別按10%的接入量接入到100 mL的降解培養基中，在35 ℃的生化培養箱中培養，間隔一定時(shí)間測定HPAM的濃度.從圖 2中可以看出，在反應前3 d，HPAM的降解效果不是很明顯.但從第4 d開(kāi)始，隨著(zhù)降解時(shí)間的延長(cháng)，HPAM的降解率迅速增加，到達第9 d以后，降解率趨于平緩.這是由于開(kāi)始階段厭氧菌生長(cháng)緩慢，對HPAM的降解效果不明顯.隨著(zhù)時(shí)間的延長(cháng)，菌種逐漸適應環(huán)境，開(kāi)始快速生長(cháng)，降解率也開(kāi)始增高.但隨著(zhù)對底物的消耗，厭氧菌的生長(cháng)受到抑制，降解率增長(cháng)緩慢，最后趨于平緩，從而得到9 d為最佳降解時(shí)間.
圖 2 降解時(shí)間對聚丙烯酰胺降解率的影響
3.2.2 最佳溫度的確定
溫度是影響微生物生命活動(dòng)的重要因素，影響著(zhù)酶的活性和酶促反應速率，而適宜的培養溫度可使微生物以最快的速率生長(cháng)繁殖.將馴化好的培養液按10%的量分別接入到100 mL的降解培養基中，分別在10、15、20、25、30、35、40、45 ℃的條件下培養，7 d后測定降解效果.由圖 3可知，10~40 ℃時(shí)，HPAM的降解率不斷增加，當溫度超過(guò)40 ℃時(shí)，降解率明顯降低.且在35~40 ℃之間，降解效果明顯，40 ℃時(shí)，HPAM降解率最高，可達37.26%.因此，35~40 ℃為最適宜降解溫度范圍.
圖 3 溫度對HPAM降解率的影響
3.2.3 最佳初始pH的確定
厭氧微生物的生命活動(dòng)、代謝過(guò)程與環(huán)境的pH值密切相關(guān).pH通過(guò)影響細菌細胞膜的通透性、膜結構的穩定性和物質(zhì)的溶解性或電離性來(lái)影響營(yíng)養物質(zhì)的吸收，從而影響細菌的生長(cháng)速率.每種微生物都有最適宜生長(cháng)的pH范圍，大多數微生物最適宜的pH范圍為6.5~7.5.將馴化好的培養液按10%的量接入到100 mL降解培養基中，分別將pH值設定為3.0、4.0、5.0、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、9.0、10.0、11.0，在35 ℃的恒溫培養箱中培養7 d后測定HPAM的濃度.由圖 4可知，pH在6.0~9.0之間時(shí)，HPAM能夠有效地降解，而最佳降解pH大約在7.0~7.8之間.當pH低于7.0或者高于7.8時(shí)，HPAM的降解率大幅度降低.當pH為7.5時(shí)，降解率達到最大值37.69%.
圖 4 初始pH值對HPAM降解率的影響
3.2.4 最佳活化次數的確定
將不同活化次數的培養液按10%的量接入到100 mL降解培養基中，在35 ℃的恒溫培養箱中培養7 d后測定HPAM的濃度.如圖 5所示，活化3次的培養基中，HPAM的降解效果最好，降解率可達35.7%.因此，確定最佳活化次數為3次.
圖 5 活化次數對HPAM降解率的影響
3.2.5 最佳條件下不同菌株HPAM降解率的測定
將活化3次的培養液按10%的量接入到100 mL的pH=7.5的降解培養基中，40 ℃下培養9 d后測定HPAM的濃度.如圖 6所示，在最佳條件下，對于500 mg · L-1的HPAM溶液，PAM-F1和PM-2對HPAM的降解率分別為36.14%和37.75%，而混合菌的降解效果更好，降解率可達40.69%.這可能是兩株菌協(xié)同作用的結果.厭氧瓶實(shí)驗表明，厭氧法能夠有效降解HPAM污水.
圖 6 最優(yōu)條件下不同菌株的降解效果
3.2.6 生物降解前后HPAM的結構分析
分別對厭氧瓶實(shí)驗中生物降解前后的HPAM進(jìn)行傅里葉-紅外光譜掃描，結果如圖 7所示.HPAM作為一種伯酰胺，在3330 cm-1和3190 cm-1處的吸收峰分別對應于—NH2鍵的反對稱(chēng)峰和對稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰，而1660 cm-1處的吸收峰對應于—CONH2中C O鍵的對稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰.對比圖 7可以看出，厭氧生物降解后，2903 cm-1左右的亞甲基反對稱(chēng)吸收峰消失，1679 cm-1處酰胺I(C O)伸縮振動(dòng)峰的吸收強度變弱，說(shuō)明微生物在生長(cháng)過(guò)程中利用了HPAM上的部分碳作為其生長(cháng)所需的碳源.而降解產(chǎn)物的譜圖中，3479 cm-1和3413 cm-1處游離—NH2特征吸收峰強度增強，3280 cm-1處締結—NH2特征吸收峰強度減弱，說(shuō)明厭氧生物降解了HPAM上的部分胺基.而且1166 cm-1和1114 cm-1處的吸收峰強度明顯減弱，這與C—N伸縮振動(dòng)有關(guān)，說(shuō)明厭氧生物降解后酰胺基的含量明顯減少，從而進(jìn)一步證明：微生物能夠降解并利用HPAM上的部分胺基和碳作為其生長(cháng)所需的氮源與碳源.也由此推斷出，HPAM的降解是發(fā)生在水解酸化階段.而通常參與水解酸化的細菌比較容易培養，其增值速率也快，這也與文中最佳降解時(shí)間僅為9 d的結果相吻合.
圖 7 生物降解前后聚丙烯酰胺的傅里葉-紅外光譜圖
3.3 ABR處理含HPAM污水試驗
3.3.1 ABR處理含HPAM污水的效果分析
為了對厭氧瓶生物降解實(shí)驗進(jìn)行擴大化研究，并加速反應器的啟動(dòng)，將最優(yōu)條件下培養的混合菌接種到裝有1/2體積污泥的ABR中，進(jìn)行ABR厭氧生物降解實(shí)驗.整個(gè)ABR實(shí)驗在室溫條件下進(jìn)行，試驗確立了ABR的水力停留時(shí)間為24 h，出水回流比為10 ∶ 1，用葡萄糖與HPAM作為共基質(zhì)來(lái)調節CODCr，從而達到所需的容積負荷.
ABR的啟動(dòng)分為兩個(gè)階段：第一階段，所配污水的CODCr控制在500 mg · L-1，容積負荷為0.50 kg · m-3 · d-1(以CODCr計)，第一階段運行25 d后，CODCr和HPAM的去除效果較為理想;隨即進(jìn)入啟動(dòng)的第二階段，增加CODCr到1700 mg · L-1，容積負荷增加到1.3 kg · m-3 · d-1.
反應器經(jīng)過(guò)啟動(dòng)階段55 d的運行，CODCr的去除率在75%以上，HPAM的去除率也在60%以上，這表明ABR反應器達到了穩定狀態(tài).此時(shí)，通入模擬污水20 d，每隔1 d測定CODCr和HPAM的濃度.圖 8和圖 9分別體現了CODCr和HPAM的變化.由圖 8可以看出，盡管進(jìn)水的CODCr不斷變化，但CODCr的去除率都能達到85%以上.尤其當進(jìn)水CODCr為1693 mg · L-1時(shí)，出水CODCr能夠降到170 mg · L-1，此時(shí)，CODCr的去除率最高，達到89.96%.而在圖 9中，第14 d時(shí)HPAM降解率最高，為75.48%，明顯高于研究的61.2%的HPAM降解率，這說(shuō)明ABR能有效地處理高濃度含HPAM污水.
圖 8 CODCr的濃度和降解率隨時(shí)間的變化
圖 9 ABR中HPAM降解率隨時(shí)間的變化
3.3.2 ABR反應前后污泥外觀(guān)形態(tài)的SEM分析
ABR啟動(dòng)完成后，取出適量的污泥進(jìn)行觀(guān)察，發(fā)現有黑色厭氧顆粒污泥形成.用蒸餾水沖洗掉絮狀污泥，挑取出厭氧顆粒污泥于培養皿中，分別對接種顆粒污泥和成熟顆粒污泥的外觀(guān)形態(tài)進(jìn)行SEM分析.從圖 10a中可以看出，接種污泥的結構不緊密，呈零碎狀態(tài)，很容易被進(jìn)入反應器的污水沖走或者被水流剪切成碎片，成為新生厭氧顆粒污泥的內核，有利于重新組裝成比較大的顆粒污泥.而與接種污泥相比，成熟后的厭氧污泥(圖 10b)結構緊密，表面呈多孔結構.緊湊的結構增加了微生物與HPAM的接觸面積，有利于提高HPAM的降解率，為增加生物量提供了可能.而多孔的結構能為微生物提供有機質(zhì)，并且也是微生物的產(chǎn)氣通道.除此之外，成熟顆粒污泥表面有大量的微生物存在，其中以短桿菌和球菌為主，這也驗證了成熟污泥有利于微生物的大量生長(cháng)和繁殖.分析結果表明，ABR內形成了成熟的顆粒污泥，它們能有效地降解HPAM，并為菌株的生長(cháng)繁殖提供有利的條件.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
圖 10 顆粒污泥的掃描電鏡圖片(a.接種污泥;b.成熟污泥)
4 結論
1)運用厭氧瓶對含500 mg · L-1 HPAM的污水進(jìn)行厭氧水解酸化生物處理，結果發(fā)現，當降解時(shí)間為9 d，連續活化次數為3次，溫度為35~40 ℃，初始pH值為7.5時(shí)，混合菌的降解效果最好，降解率可達40.69%，說(shuō)明厭氧水解酸化能夠降解HPAM.生物降解前后HPAM的傅里葉-紅外光譜圖對比顯示，細菌能夠降解并利用HPAM的部分胺基和碳作為生長(cháng)所需的氮源和碳源，并且推斷HPAM的降解過(guò)程發(fā)生在水解酸化階段.通過(guò)生理生化特征和16S rDNA分析，確定PAM-F1為紅球菌.
2)經(jīng)過(guò)ABR處理的含500 mg · L-1 HPAM的污水，CODCr去除率和HPAM降解率最高分別可達89.96%和75.48%.顆粒污泥的掃描電鏡觀(guān)察顯示，ABR內形成了成熟的顆粒污泥，它們能夠有效地促進(jìn)HPAM的生物降解，并為微生物的生長(cháng)繁殖提供有利的條件.ABR實(shí)驗進(jìn)一步證明了厭氧水解酸化過(guò)程可以有效地處理含高濃度HPAM污水.
