（应用化学专业论文）聚合物降解菌的筛选评价及在油田污水生化处理中的应用.pdf

聚合物降解菌的筛选评价及在油田污水生化处理中的应用 聚合物降解菌的筛选评价及在油田污水生化处理中的应用 摘要 为了提高原油采收率，聚合物驱油三次采油技术在我国的各大油田得到了广 泛应用。随着使用聚合物驱的三次采油新技术的推广，三采污水量正在逐年增加。 油田采出水中因为含有聚合物而粘度较高，水中的油滴及固体悬浮物的乳化稳定 性强，进而导致油、水分离和含油污水处理的难度加大。而现在外排污水中的聚 丙烯酰胺由于不能被完全降解而造成它们在环境中的累积效应，进而造成环境污 染。从长远来看，聚合物驱采出水的最终出路只有采用更好的技术使其达到用于 低渗透油层的用水标准。 论文分为五部分：第一部分是文献综述；第二部分是聚丙烯酰胺降解菌的筛 选及性能评价；第三部分是聚丙烯酰胺生物降解机理探讨；第四部分油田含聚废 水生化处理室内模拟实验；第五部分是结论。 实验中以胜坨油田含聚( 聚丙烯酰胺) 污水为研究对象，从中初步筛选到一 株聚丙烯酰胺降解菌，通过生理生化鉴定，初步鉴定为芽孢杆菌属( b a c i l l u s 印) ； 并命名为p m 1 。通过实验测定了菌株在含聚丙烯酰胺溶液中的生长状况以及菌 株降解聚合物的最佳生长条件。实验表明：所筛选到菌株p m 1 在聚丙烯酰胺溶 液中生长良好，对聚丙烯酰胺具有一定的降解能力。在以硝酸铵为氮源，温度在 3 5 ，p h 在7 5 ，矿化度在1 4 0 0 0m g l 的条件下，5 0 0m g l 的聚丙烯酰胺溶液 接种3 已活化的p m 1 ，经5 天的降解之后，降解率最高可达到3 8 4 。 对聚丙烯酰胺降解的机理进行了简单的探讨。经过微生物的作用之后，聚丙 烯酰胺的粘均分子量发生了变化，长的聚合物分子链断裂为短的分子链，粘均分 子量由起初的1 9 x 1 0 7 降为7 8 x 1 0 6 。通过红外谱图的分析，降解之后谱图中c - n 键的吸收峰消失，并且在而且出现了很多的碎片峰。此外，在代谢产物中可以检 测到有乙酸的存在。 在室内生化模拟实验研究中，首先对胜坨污水进行了化学分析，结果显示， 污水的矿化度在1 0 0 0 0m g l 以上，含油量在2 0 0m g l 左右，悬浮物含量在1 0 0 m g l 以上，而聚合物含量不稳定但也都在1 0 0m g l 以上。胜坨污水经过生化处 理之后，聚合物的去除率可以达n 7 0 左右，含油量最终可以降n 2m g l 左右， 聚合物降解菌的筛选评价及在油田污水生化处理中的应用 悬浮物的去除率可以达n 8 0 ，平均腐蚀率大大下降。应用污水生化处理技术， 污水中的有害细菌生长受到了很大的抑制，细菌含量大大减少。但是，s r b 未能 受到完全抑制，生化出水中含有一定数量的s r b 存在。通过生化处理之后，出水 水质基本上达到了油田注入水的标准。 关键词：含聚污水；聚合物降解菌：性能评价；生化处理：回注污水 i l 聚合物降解菌的筛选评价及在油田污水生化处理中的应用 s c r e e n i n ga n dv a l u i n go fp o l y m e r - d e g r a d i n gb a c t e r i a a n di t sa p p l i c a t i o nt ot h eb i o c h e m i c a lt r e a t m e n to f 。肠s t e w a t e ri no i l f i e l d a b s t r a c t i no r d e rt oe n h a n c eo i lr e c o v e r y , t h et e c h n o l o g yo fp o l y m e r ( p o l y a c r y l a m i d e ) f l o o d i n gh a sb e e ne x t e n s i v e l yu s e di nm a j o ro i l f i e l d si nc h i n a a st h en e wt e c h n o l o g y o fp o l y m e rf l o o d i n ge x t e n d e d ，t h ep r o d u c e dw a s t e w a t e rc o n t a i n i n gp o l y m e r sw h i c hi s d i f f i c u l tt ot r e a te f f e c t i v e l yu s i n gc o n v e n t i o n a lt e c h n o l o g yi si n c r e a s i n gi no i l f i e l d s n o w a d a y s ，u n t r e a t e dp o l y a c r y l a r n i d ei nt h ed i s c h a r g i n gw a s t e w a t e rh a sp o l l u t e dt h e e n v i r o n m e n ts e r i o u s l y i nt h el o n gr u n , t h ep r o d u c e dw a s t e w a t e rw i l lb et r e a t e db yt h e n e wb e t t e rt e c h n o l o g yf o rr e i n j e e t i n gi n t ol o wp e r v a s i o no i ll a y e r s t h et h e s i sc o n s i s t so ff i v ep a r t s ：t h ef i r s tp a r ti sl i t e r a t u r es u m m a r i z a t i o n ；t h e s e c o n dp a r ti ss c r e e n i n ga n dv a l u i n go fp o l y m e r - d e g r a d i n gb a c t e r i a ；t h et h i r dp a r ti s r e s e a r c h i n gt h ed e g r a d i n gm e c h a n i s mo fp o l y a c r y l a m i d e ；t h ef o u r t hp a r ti ss t u d y i n g t h eb i o c h e m i c a lt r e a t m e n to fw a s t e w a t e r ；t h ef i f t hp a r ti st h ec o n c l u s i o n s i nt h i st h e s i s ，as t r a i no fb a c t e r i u mw i l l sp r i m a r ys c r e e n e df r o ms h e n g t u o p r o d u c e dw a s t e w a t e rn a m e dp m 一1 i tw a sb a c i l l u ss p b yi d e n t i f y i n gi t sp h y s i o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s t h eg r o w t hw a sd e t e c t e da n dt h eb e s tg r o w i n gc o n d i t i o n sw e r ea l s o d e t e r m i n e d t h ec o n c l u s i o n si n d i c a t e dt h a tb a c t e r i ap m 一1c o u l dg r o ww e l li nt h e s o l u t i o no fp o l y a c r y l a m i d e ，a n di tc o u l da l s od e g r a d ep o l y a c r y l a m i d et oc e r t a i ne x t e n t u n d e rt h ec o n d i t i o no fa m m o n i u mn i t r a t ea st h en i t r o g e ns o u r c e ，t e m p e r a t u r e3 5 ， p hv a l u e7 5 ，d e g r e eo fm i n e r a l i z a t i o n14 0 0 0m g l ，t h e5 0 0m g lo fp o l y a c r y l a m i d e c o u l db ed e g r a d e d3 8 4 a tm o s ta f t e r5d a y sb yi n o c u l a t i n g3 o f b a c t e r i u mp m 一1 t h ed e g r a d i n gm e c h a n i s mo fp o l y a c r y l a m i d ew a sa l s od i s s c u s e ds i m p l y t h e a v e r a g ew e i g h to fp o l y a c r y l a r n i d ev a r i e da f t e rd e g r a d i n go fb a c t e r i u m ，f r o m1 9 x10 7 t o7 8x10 0 ，a n dt h el o n gm o l e c u l a rc h a i n sb r o k eu pt os h o r tc h a i n s i nt h ei rs p e c t r u m a f t e rb e i n gd e g r a d e d ，c - na b s o r p t i o np e a kd i s a p p e a r e d ，i na d d i t i o nf r a g m e n tp e a k s i i i 聚合物降解菌的筛选评价及在油田污水生化处理中的应用 a p p e a r e d w h a ti sm o r e ，e t h a n o i ca c i dw a sd e t e c t e di nt h ep r o d u c t s s h e n g t u op r o d u c e dw a s t e w a t e rw a sa n a l y z e di nt h es i m u l a t i n ge x p e r i m e n t t h e r e s u l ts h o w e dt h a tt h ed e g r e eo fm i n e r a l i z a t i o nw a sm o r et h a n10 0 0 0m e d l ，t h e c o n t e n to fo i lw a sa r o u n d2 0 0m # l ，t h ec o n t e n to fs o l i ds u s p e n dw a sm o r et h a n10 0 m e d l ，a n dt h ec o n t e n to fp o l y m e ri sm o r et h a nlo o m g l 雒w e l l a f t e rb i o c h e m i c a l t r e a t m e n t ，t h ed e g r a d a t i o nr a t i oo fp o l y m e ri nw a s t e w a t e rc o u l du pt o7 0 o n a v e r a g e t h ec o n t e n to fo i lc o u l dd e c r e a s et o2m g lf i n a l l y t h er e m o v a lr a t i oo f s o l i ds u s p e n dw a sa b o u t8 0 a n dt h ea v e r a g ec o r r o s i o nr a t i od e c r e a s e dm u c h t h e h a r mb a c t e r i ai nw a s t e w a t e rr e s t r a i n e db yb i o c h e m i c a lt r e a t m e n t ，a n dt h en u m b e ro f h a r mb a c t e r i ar e d u c e dt o om u c h u n f o r m r m t e l y , s r bc o u l dn o tb er e s t r a i n e d e f f e c t i v e l y i nc o n c l u s i o n ，e v e r yi n d e xc o u l dr e a c ht h er e i n j e c t i o ns t a n d a r do fl o w p e r v a s i o no i ll a y e r se x c e p ts r b a f t e rb i o c h e m i c a lt r e a t m e n t k e yw o r d s ：w a s t e w a t e rc o n t a i n i n gp o l y m e r ；p o l y m e r - d e g r a d i n gb a c t e r i a ； c h a r a c t e r i s t i cv a l u a t i o n ；b i o c h e m i c a lt r e a t m e n t ；r e i n j e c t i o n w a s t e w a t e r 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得或其他教育机构的 学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：蚕谢磁签字日期：弘，谚年多月i o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 8 舞6 迟 o 日 聚合物降解菌的筛选评价及在油田污水生化处理中的应用 0 前言 为了提高原油采收率，我国大庆油田和胜利油田在“八五”期间进行聚合物驱 的矿场试验，并获得成功。聚合物驱油三次采油技术( 在注入水中加入一定量高 分子量的聚丙烯酰胺) 得到广泛应用。从1 9 9 6 年起，聚合物驱油技术在大庆油田 陆续步入工业化生产，2 0 0 0 年聚合物驱产油量已达9 0 0 x 1 0 4 t 以上，占大庆油田当 年产油量的1 7 。预计n 2 0 l o 年，我国石油开采行业对聚丙烯酰胺的需求量为 l o x l 0 4 比1 1 x 1 0 4 t a ，占总需求量的8 0 左右【1 1 。胜利油区自1 9 9 2 年开展聚合物 驱先导试验以来，聚合物驱规模不断扩大，截至2 0 0 5 年1 0 月，实施聚合物驱单元 2 2 个，动用地质储量2 9 1 l t ，各个单元不同程度地见到了增油降水效果，累计增 油1 0 4 7 万t ，聚合物驱油技术得到了工业化应用，已成为增储稳产的主要手段之 一【2 】o 最初油田采出水主要用于处理后回注，随着油田综合含水率的提高，采油污 水量不断增加，已超过注水量要求，相当一部分采油污水必须外排。随着聚合物 驱的广泛应用，越来越多的聚丙烯酰胺及其衍生物会随采出水带出，胜利油田有 些采油厂采出水中聚丙烯酰胺的含量已经高达1 0 0 0m g l 以上，然而现有工艺无 法满足处理要求，需要对聚丙烯酰胺降解的途径和机理进行全面深入的研究，寻 找合适的处理方法。随着聚合物溶液的注入，采出水因为含有聚合物而粘度较高， 水中的油滴及固体悬浮物的乳化稳定性强，进而导致油、水分离和含油污水处理 的难度加大，采用水驱常规污水处理厂工艺处理含聚合物的污水难以达到回注原 地层的水质要求，所以需要大量的低矿化度的清水来配制聚合物驱溶液，从而使 原有的注水污水系统平衡被破坏。从长远来看，聚合物驱采出水的最终出路只 有外排或者是采用更好的技术使其达到用于低渗透油层的用水标准。随着使用聚 合物驱的三次采油新技术的推广，三采污水量正在逐年增加，而现在外排污水中 的聚丙烯酰胺由于不能被完全降解而造成它们在环境中的累积效应，进而造成环 境污染【3 】。这类污水的处理已经成了一个亟待解决的问题。 聚合物降解菌的筛选评价及在油田污水生化处理中的应用 1 文献综述 1 1 聚丙烯酰胺产品的介绍及在油田中的应用 1 1 1 聚丙烯酰胺的分类 聚丙烯酰胺是丙烯酰胺及其衍生物的均聚物和共聚物的统称，为线性水溶性 高分子的一种，亲水性高，能以各种百分比溶于水，不溶于大多数有机溶液。它 是应用最广泛的水溶性高分子化合物之一【4 ，5 1 。 p a m ( 聚丙烯酰胺) 是一种石油化工产品，有阴离子型、阳离子型和非离子 型三种产品。其中广泛用于聚合物驱的产品为水溶性阴离子聚丙烯酰胺。柔顺的 线性碳碳链是它们的高分子骨架，分子中带有极性或电性基团。 ( 1 ) 非离子型 n h 2 一般水解度小于4 均属于非水解聚丙烯酰胺。 ( 2 ) 阴离子型 n h 2 o h 一 阴离子型聚丙烯酰胺习惯上也称为h p a m ( 部分水解聚丙烯酰胺) ，它可以 由p a m 水解或丙烯酰胺与丙烯酸共聚制得。 ( 3 ) 阳离子型 n h 2n h c h 2 n r 2 h c i 阳离子型聚丙烯酰胺通常作为絮凝剂广泛应用于各种污水的处理中。 2 hilhr 一 h i c i hi h|：)ibi hi，!)ih 一 一 一 r磊 hl：)i_)i h。一lh 一 一 一 聚合物降解菌的筛选评价及在油田污水生化处理中的应用 1 1 2 聚丙烯酰胺在油田中的应用 1 1 2 1p a m 用作聚合物驱油 聚合物驱油是通过在注入水中加入一定量的高分子聚丙烯酰胺，来增加注入 水的粘度，改善油水流度比。由于油层对聚丙烯酰胺分子的吸附、捕集作用，而 降低了高、中渗透层或高、中水淹层的渗透性，增加了注入水的渗流阻力，使低 渗透层或低而未水淹层的吸水量增加，扩大了注入水在油层平面上的波及范围和 油层纵向上的水淹厚度，从而扩大水淹体积，将水驱时未动用的原油驱替出来， 达到提高原油采收率的目的。聚合物驱油提高石油采收率的概念和技术方法从提 出到初步形成经历了约1 5 年时间( 1 9 4 9 - - - 1 9 6 4 ) 。1 9 6 4 年美国开始了聚合物驱油 的现场试验和工业规模的使用试验。美国国家石油与能源研究中，l 、( n i p e r ) 认为： 最终采收率e t 决定于驱油效率e d 、波及效率e s 和经济因素e e ，e t = e d e s e e 。 聚合物的主要贡献是提高驱替工作液的粘度、降低油水流度比及调整渗透率剖 面，通过提高波及效率而提高最终采收率。p h i l l i p s 石油公司对聚合物的作用作 了进一步说明：高分子使水相粘度增高，有些聚合物流经孔隙介质后尚可降低 水相的相对渗透率；降低水油流度比，水油流度比的降低可减少指进现象； 水相粘度增高和水相的相对渗透率下降使以后注入的流体可转入未波及的条带， 从而提高波及系数【6 】。 1 1 2 2 p a m 用作钻井液添加剂 钻井液在石油开采中用作钻井泥浆性能调整剂。p a m 的作用是调节钻井液 的流变性，携带岩屑，润滑钻头，有利钻进。此外，还可大大减少卡钻事故，减 轻设备磨损，并能防止发生井漏和坍塌，使井径规则。在这方面经常使用的是部 分水解聚丙烯酰胺、聚丙烯酰胺钾盐，它由p a m 或聚丙烯腈水解而得 7 1 。 聚合物降解菌的筛选评价及在油田污水生化处理中的应用 1 1 2 3p a i d 用作堵水剂、调剖剂 在油田生产过程中，由于地层的非均质性，常产生水浸问题，需要进行堵水。 其实质是改变水在地层中的渗透状态，以达到减少油田产水，保持地层能量，提 高最终采收率的目的。p a m 类化学堵水剂对油和水的渗透能力的作用具有选择 性，对油的渗透性降低少，对水的渗透性降低多【7 1 。 1 1 2 4 p a i d 用作压裂液添加剂 压裂工艺是油田开发致密层的重要增产措施，其作用是开通岩石的通道，让 油流过。亚甲基聚丙烯酰胺交联而成的压裂液，由于具有高粘度、低摩阻、良好 的悬砂能力以及配制方便和成本低等优点而被广泛应用【| ”。 1 2 胜利油田含聚污水水质概况及主要危害 1 2 1 污水回用现状 截止到2 0 0 5 年7 月，胜利油田在运行污水站5 2 座，承担着7 0 4 x 1 0 4m 3 d 污水的处理任务，其中4 4 x 1 0 4m 3 d 的污水处理后外排，0 2 x 1 0 4m 3 d 作为蒸汽 锅炉用水外，其余污水全部回注地层，回注水量占污水总量的9 0 以上。 1 2 2 注聚区污水水质概况 胜利油田注聚区污水和清水水质差别很大。与清水相比污水的矿化度较高， 普遍在6 0 0 0m g l 以上，其中胜坨注聚驱污水的矿化度最高达1 0 0 0 0m g l 以上， 而清水的矿化度均在7 0 0m g l 左右，部分油田的污水和清水的水化学分析结果 见表1 1 。 表1 - 1 部分油田水化学分析结果 t a b l e1 1c h e m i c a la n a l y s i sr e s u l t si np a r t so fo i l f i e l d s 4 聚合物降解菌的筛选评价及在油田污水生化处理中的应用 表1 1 中数据表明，与常规回注污水相比，注聚区污水原油含量普遍较高， 携带固体悬浮物颗粒的能力普遍较强。 目前油田污水处理、输送和回注系统均处于封闭状态，因此污水中溶解氧含 量极少，二价金属离子浓度高，有机质种类繁多，组分复杂。从表1 - 2 可以看出， 采出污水的有机物组成是极其复杂的，主要由酚类、烃类( 主要为烷烃) 、酯类、 醇类、酮类和苯醌类组成。 表1 2 某联合站污水有机物分析结果 t a b l e1 2o r g a n i s m sa n a l y s i sr e s u l t so fw a s t e w a t e r 分析项目原水静置2 0 天的水样静置2 0 天的浮选水样 聚合物降解菌的筛选评价及在油田污水生化处理中的应用 1 2 3 含聚污水特有的性质 聚合物驱采油污水与水驱采油污水的最大差别是其中含有聚合物。由于聚合 物的存在，使得这种污水除具有一般采出污水的矿化度高、原油含量高、悬浮物 含量高特性外还具有一些独特的性质【引。 ( 1 ) 在聚合物采出水中聚合物的质量浓度一般小于6 0 0m g l ，相对分子质量为 2 0 0 - - 5 0 0 万。 ( 2 ) 由于采出水中含有聚合物，会使含油污水的粘度增加。4 5 时水驱采出 水的粘度一般为o 6m p a s ，而聚合物驱采出水的粘度随聚合物含量的增加而增 加，一般为o 8 1 1m p a s ；粘度的增加会增大水中胶体颗粒的稳定性，使污水 处理所需的自然沉降时间增长。 ( 3 ) 采出水的油珠变小了。粒径测试发现聚合物采出水中油珠粒径小于1 0 岬 的占9 0 以上，油珠粒径中值为3 - 5l x m ；微观测试结果表明聚合物使油水界面 水膜强度增大，界面电荷增强，导致采出水中小油珠稳定地存在于水体中。因而 增加了处理难度，使处理后的污水中油含量较高。 1 2 4 含聚污水对传统处理技术的影响 ( 1 ) 重力沉降分离( 沉降罐) ，沉降时间成倍增长( 罐容成倍增加) ，仍不能 达到分离要求。 ( 2 ) 由于阴离子型聚合物的存在，严重干扰了絮凝剂的使用效果，使絮凝作用 变差，大大增加了药剂的用量。同时，处理后的水质达不到原有水质标准，油含 量、悬浮固体含量严重超标。 ( 3 ) 由于聚合物吸附性较强，携带的泥沙量较大大大缩短了反冲洗周期，增 加了反冲洗的工作量。同时由于泥沙量增大，要求处理各工艺环节排泥设施必须 得当，必要时需增加污泥处理环节。 ( 4 ) 传统技术处理的污水水质，难以达到配注聚合物水质标准，注聚溶液粘度 损失大、药剂成本高；破坏地层、降低渗透率，影响原油采收率。 ( 5 ) 用清水配聚，污水采出、回注平衡被破坏，导致一系列环保方面问题。 6 聚合物降解菌的筛选评价及在油田污水生化处理中的应用 1 2 5 含聚污水的主要危害 表1 3 污水中主要物质及危害f 9 ，1 0 1 t a b l e1 - 3h a r mo fm a j o rm a t t e r si nw a s t e w a t e r 1 3 目前油田含聚污水的处理技术 目前油田聚合物驱采油废水的主要处理方式一般有三种【l l 】：( 1 ) 处理达到排 放标准后外排；( 2 ) 处理达到一定标准后用作注水开采的回注水或注入废地层； ( 3 ) 作为聚合物驱溶液的配置用水。但随着国家节能减排的大力提倡，外排的 水量将逐渐减少，所以含聚废水的最终出路是回注或配聚。 目前油田含聚污水处理的典型工艺流程有两种：一种是两级沉降、二次压力 过滤的处理工艺；另一种是两级沉降、一次压力过滤的处理工艺。两级沉降、一 次压力过滤的处理工艺，即是在两级沉降、二次压力过滤处理工艺的基础上减掉 二次过滤的环节。如果用此工艺来处理聚合物采出水，一方面将增加沉降时间、 降低过滤器滤速，另一方面，聚合物还会干扰絮凝剂的使用效果，使处理后的水 质达不到原有水质标准，油含量、悬浮固体含量严重超标，因此有必要针对聚合 物采出水的特点研究高效的油水分离工艺。 该污水处理工艺在一定时间内满足了油田生产的需求，随着开发的不断深 入，水质越来越复杂，占地面积大、投资大、运行费用高、易造成二次污染等缺 点逐渐暴露，污水处理工艺迫切需要改进。随着国家对油田环境保护工作越来越 重视，以前针对回注水设计的处理工艺己远远不能满足污水达标处理的要求，必 7 聚合物降解菌的筛选评价及在油田污水生化处理中的应用 须进行改进或采用新方法、新工艺。 近年来国内研究者对含聚污水处理工艺进行了研究改进。邱辉等【1 2 】的研究比 较了2 台横向流除油器并联、串联或单独使用，再加上两次压力滤罐的组合工艺 处理含聚污水的除油效果。结果表明，无论2 台横向流除油器如何组合或单独使 用，该工艺均可以使聚合物的质量浓度为2 0 0 m g l 的含聚污水达到回注水质的要 求，其中滤罐在该工艺中起着至关重要的作用。但该工艺对于聚合物浓度更大、 粘度更大的含聚污水是否有效，滤罐的处理效果是否能长期保持还需要进一步的 研究。 刘金库等【1 3 】首先采用光助f e i l _ t o n 试剂( f e s 0 4 h 2 0 2 ) 对含聚合物油田污水进 行氧化降解降粘，再利用反应后污水中的f e 3 + 和经酸浸活化的粉煤灰联合对污水 进行混凝处理。结果表明，光助f e n t o n 试剂不仅可去除污水的部分c o d 汀，而且 可显著提高污水的混凝性能，经光助f e n t o n 氧化一混凝法联合处理后，污水的 c o d 盯去除率可达9 0 左右。 任广萌等【1 4 】采用u v h 2 0 2 0 3 组合工艺，并结合精细过滤技术，对含有大量 残余聚丙烯酰胺的聚合物驱采油废水进行深度处理。结果表明，该工艺对废水中 的聚丙烯酰胺和悬浮固体颗粒有非常好的去除效果，处理后废水的水质能够达到 大庆油田含聚合物废水注水水质控制标准的要求。 1 4 聚丙烯酰胺生物降解研究 近年来随着油田含油污水生化处理的成功运行，生物处理技术逐渐受到关 注。生物处理技术是通过一定的人工措施，营造出有利于微生物生长、繁殖的环 境，使微生物大量繁殖，以提高微生物氧化分解有机物的一种技术。生物处理技 术具有效果好，成本低，易控制，效果稳定，无污染的特点，在油田污水处理中 具有重要的现实意义和广阔的市场前景。 1 4 1 聚丙烯酰胺的降解方式 在对油田含聚污水处理的过程中，最关键的就是对去除其中的聚丙烯酰胺。 目前对聚丙烯酰胺降解的研究主要可以分为以下几个方面：热降解、光降解、化 学降解、生物降解、机械降解【1 5 】。 8 聚合物降解菌的筛选评价及在油田污水生化处理中的应用 1 4 2 微生物降解的特点 1 4 2 1 微生物在生物降解中起着重要作用 微生物体积小，种类多，代谢活动旺盛，代谢类型多样，有催化污染物转化 的各种酶系。微生物无处不在，在环境的物质的转化中发挥着重要作用。 1 4 2 2 生物降解经常与微生物的生长联系在一起 生物降解的过程是有机物发生转化的过程，同时也是微生物呼吸与同化的 过程。在呼吸过程中，微生物利用有机物作为能源提供动力；在同化过程中， 微生物利用有机物中的碳和呼吸产生的能量构建细胞本身。 1 4 2 3 生物降解受各方面因素的影响大，形成的产物变化大 环境中不同的碳源、不同的营养成分、不同的氧化还原电位以及不同的生 物种群都会对生物降解过程产生影响。 9 聚合物降解菌的筛选评价及在油田污水生化处理中的应用 1 4 3 生物降解聚丙烯酰胺的影响因素 1 4 3 1 酸碱度 在合适的p h 值下微生物活性增高，生物降解趋向加快。大多数微生物强 酸强碱都会抑制其生物活性，通常p h 值在4 9 范围内微生物生长最好。一 般说，对于好氧生物处理p h 值应在6 9 之间，对于厌氧生物处理p h 值应在 6 5 7 5 的范围内。 1 4 3 2 温度 温度也是影响微生物生活的重要因素。在生化反应中，温度支配着酶反应动 力学、微生物生长速度以及化合物的溶解度等。温度对微生物的生理活动的影响 主要反映在两个方面：一是随着温度在一定范围内升高，细胞内的生物化学反应 加快，对于大多数细菌讲，适宜的温度在2 0 4 0 之间，而有些高温细菌可耐 较高的温度，它们适宜生长的温度在5 0 - 一6 0 c 之间。在废水处理中，这两类细 菌都可利用。据观察，好氧法处理废水，水温低1 0 或高至4 0 ，还可有相当 的处理效果，水温在2 0 4 0 时，则可获得较好的处理效果。有些工业废水温 度太高，在微生物处理前应设法降温。高温还会影响废水中的溶解氧含量l l 6 。 1 4 3 3 盐分 盐分比较高时可能会影响微生物的活动。有些废水中的盐分较高，抑制了微 生物的活动，造成抑制某些降解有机物的微生物种群的生长，从而抑制生物降解 过程。 1 4 3 4 有毒物质 废水中不能含有过多的有毒物质。多数重金属，如锌、铜、铅、铬等离子有 毒性。重金属被认为是使反应器失效的最普通及最主要的因素，它通过与微生物 酶中的巯基、氨基、羧基等相结合，而使酶失活或者金属氢氧化物凝聚作用使酶 沉淀。研究表明，金属离子对产甲烷菌的影响按c r c u z n c d n i 的顺序减小。 某些非金属物质，如酚、甲醛、氰化物、硫化物等也有毒性，能抑制其它物质的 1 0 聚合物降解菌的筛选评价及在油田污水生化处理中的应用 生物氧化作用，但它们本身能被某些微生物分解氧化。废水中也不应含有过多的 油类物质【16 1 。 1 4 3 5 养料 微生物的生长繁殖必须要有各种养料，其中包括碳、氮、磷、硫。微量的钾、 钙、镁、铁等和维生素。但不同的微生物对每一种营养元素数量的要求是不同的， 并且对于这些营养元素之间，要求一定的比例关系。一般认为，厌氧法中碳：氮： 磷控制为( 2 0 0 3 0 0 ) ：5 ：1 为宜，而好氧法中为1 0 0 ：5 ：1 ，比厌氧法中要少，这与 厌氧微生物对碳素养分的利用率较好氧微生物低有关。在碳、氮、磷比例中，碳 氮比例对厌氧消化的影响更为重要，合适的比例c ：p 为( 1 0 - 1 8 ) ：1 。 在厌氧处理时提供氮源，除满足合成茵体之外，还有利于提高反应器的缓冲 能力。若氮源不足，即碳氮比太高，则不仅厌氧菌增殖缓慢，而且消化液的缓冲 能力降低，p n 值容易下降。相反，若氮源过剩，即碳氮比太低，但不能充分利 用，将导致系统中的氨的过分积累，p h 值至8 0 以上，降解细菌的生长繁殖有 可能受到抑制，使消化效率降低【1 7 】。 1 4 3 6 氧 微生物降解聚丙烯酰胺的过程可以是好氧的，也可以是厌氧的或兼性的。对 于好氧微生物，溶解氧的量会使氧化还原电位发生变化，从而影响降解的速度。 一般废水生物处理溶解氧的质量浓度维持在3r a g l , - - 4m g l ；y - , - j 宜 z 7 】。 1 4 4 降解菌种的来源 1 4 4 1从环境中直接获得降解菌 从自然界相似环境中分离微生物并应用于废水处理，是解决废水污染问题的 重要手段之一。油污地区的水体和土壤中多存在一些生存适应能力较强的微生 物。例如刘俊强等【1 8 1 从长期被油田污染的水样中分离得到三株菌，三株菌对原 油有明显的降解效果。 聚合物降解菌的筛选评价及在油田污水生化处理中的应用 1 4 4 2 通过生物强化技术( b i o a u g m e n t a t i o n ) 获得降解菌 在很多情况下，直接分离得到的降解菌并不能耐受很广的盐度和温度范围， 这在污水水质波动很大时是非常不利的。因此，根据采出水的性质，采用生物强 化技术，通过污泥或细胞的驯化过程，培养筛选对有机物类物质具有良好降解性 能、盐度适应范围广的微生物1 9 1 。 1 4 5 国内外聚丙烯酰胺生物降解研究进展 1 9 9 5 年，日本的k u n i c h i k an 等 2 0 】在3 0 c 下从活性污泥和土壤中分离出能以 水溶性聚丙烯酰胺为唯一碳源和氮源的e n t e r o b a c t e ra g g l o m e r a n s 和a g o m o n a s m a c r o c y t o g e n e s 两株降解菌株。实验表明，由于细菌的降解作用，培养液中聚丙烯 酰胺的分子量降由起初的2 0 1 0 6 降低到0 5 x 1 0 6 ；培养液的p h 值由起初的6 8 降到 5 8 。核磁共振分析结果表明聚丙烯酰胺的主链发生了降解。同时研究结果表明 微生物只能利用聚丙烯酰胺中的一部分，而不能利用其中的酰胺部分，即使是低 浓度的聚丙烯酰胺也不能全部被利用。 j e a n i n el k a y s h o e m a k e 等 2 1 2 2 】的研究表明，在以聚丙烯酰胺作为土壤微生 物生长基质的过程中，微生物分泌出胞外酰胺酶。酰胺酶可以催化水解化合物骨 架中的碳氮部分，导致了氨和羧酸的产生。但同时还发现聚丙烯酰胺只能作为唯 一的氮源被微生物所利用，但是却不能作为碳源被降解，可能原因是聚丙烯酰胺 先被转化为长链聚丙烯酸酯，而后者可以被微生物作为氮源利用。 g n t l a 报道【2 3 l 说一定的单细胞菌能够利用一种类型的聚丙烯酰胺作为氮源， 并且短暂的酰胺酶的活性与那些( 植物) 的生长有关。a b d e l m a g i d 和t a b a t a b a i 报道f 2 4 1 说使用了聚丙烯酰胺的土壤中之所以会出现无机氮数量的增加，是因为聚 丙烯酰胺在酰胺酶降解的过程中释放出了氮。 s u t h e r l a n d 等【2 5 】对白腐真菌( w h i t e r o t f u n g i ) 降解聚丙烯酰胺进行研究发现： 白腐真菌只在限氮的条件下对聚丙烯酰胺有显著降解，且降解速度比在氮充足的 条件下快两倍多。这表明白腐真菌是把聚丙烯酰胺作为氮源利用，进而对其降解。 黄峰等【2 6 ，2 7 j 分别研究了腐生菌、硫酸盐还原菌对聚丙烯酰胺的降解。研究结 果表明，腐生菌连续活化5 次，在1 0 0 0 m g l 的聚丙烯酰胺溶液中恒温培养7 天， 可使溶液粘度损失率达1 1 2 ；硫酸盐还原菌不仅能以聚丙烯酰胺为碳源生长繁 1 2 聚合物降解菌的筛选评价及在油田污水生化处理中的应用 殖，而且还能使聚丙烯酰胺降解导致其溶液粘度损失，从而使驱油效率降低。 程林波等【2 8 】对实验室配制废水中聚丙烯酰胺的生物降解特性进行了研究，考 察了水解+ 好氧工艺在常规条件下和在水解槽内加入硫酸根条件下对聚丙烯酰胺 的降解效果。结果表明，硫酸盐还原菌对聚丙烯酰胺有着某种特殊的降解作用， 水解工艺可以获得3 5 , - - 一4 5 的去除效率。 李蔚等1 2 9 从油田采出水中分离到一株以聚丙烯酰胺为能源和碳源的假单胞 菌。同时对该菌的性能进行了评价，证明该菌能够在含原油、聚丙烯酰胺的水环 境中生长，并对原油和聚丙烯酰胺具有降解作用。聚丙烯酰胺经降解之后分子结 构受到破坏，相对分子量由原来的1 1 0 7 变为1 1 0 5 l x l 0 6 。 黄孢原毛平革菌对聚丙烯酰胺也具有特殊的酶催化降解的能力，韩昌福等【3 0 】 的研究表明，不同的p h 值、不同的葡萄糖加入量、不同的降解时间以及n i - 1 4 、 m n 2 + 都会影响黄孢原毛平革菌对聚丙烯酰胺的降解。作为一种稳定的高分子聚合 材料，聚丙烯酰胺有着极强的生物抗性，即使是已经被降解为小分子的聚丙烯酰 胺依然有着这一特征。 孙晓君等【3 1 】采用人工配制的模拟含聚驱采出水为介质，在以好氧颗粒污泥为 主体的实验型s b r 内研究了油田驱采出水中聚丙烯酰胺的生物降解性能。结果表 明，好氧颗粒污泥对含聚驱采出水有良好的适应性，这种适应性应该归结为颗粒 污泥丰富的微生物相和良好的微生物协同作用；在相同的水力停留时间下，聚丙 烯酰胺降解率比普通活性污泥高约4 0 倍。驯化后的颗粒形态发生明显变化，粒径 减小到o 6 1 01 1 1 1 1 。 魏利等【3 2 】应用厌氧h u i l g a t e 技术，从大庆油田常规污水回注工艺采油的采出 液中分离到具有硫酸盐还原功能的聚丙烯酰胺降解菌，扫描电镜和红外光谱分析 表明实验前后聚合物的表面结构发生了变化，分子链上的酰胺基水解成羧基，侧 链降解，部分官能团发生变化；气质联机初步分析表明聚合物发生断链生成的低 分子量化合物除含双键、环氧和羰基的聚丙烯酰胺碎片外，大多属于一般丙烯酰 胺低聚体的衍生物。 考虑到微生物群落降解的优势1 3 3 1 ，佘跃惠等【3 4 】研究了从油田产聚合物污水 和污泥中分离到的7 株聚丙烯酰胺降解菌对纯聚丙烯酰胺的降解效果。在研究中 将7 株聚丙烯酰胺降解菌混合在一起，研究其组成的群落对聚丙烯酰胺的降解情 聚合物降解菌的筛选评价及在油田污水生化处理中的应用 况和对含聚废水的处理情况。由于配制培养基所用的聚丙烯酰胺为超高分子量的 聚合物( 分子量为1 6 x 1 0 7 ) ，一般说来它们不能直接透过细胞壁被微生物利用， 所以这7 株菌中，至少有一株是能够产生胞外酶的。通过胞外酶的作用，先对聚 丙烯酰胺进行水解或者使其断链而降低分子量，从而可以被微生物进一步降解。 结果表明它们对聚丙烯酰胺的降解效果要明显优于以往报道的s r b ( 硫酸盐还原 菌) 和t g b ( 腐生菌) ，对聚丙烯酰胺粘度降幅达8 0 以上。 1 5 聚丙烯酰胺生物降解的评价方法 1 5 1 粘度法 粘度变化是聚丙烯酰胺溶液降解的一个评价参数。在p a m 的初始浓度和分 子量一定的条件下，其溶液的粘度变化就可以直接反应出p a m 的降解情况，计 算公式如下： 粘度损失= ( t i o - t i ) 1 1 0 1 0 0 ( 卜1 ) 式中：t 1 0 为降解前的粘度；1 1 为降解后的粘度。 1 5 2 浓度法 1 5 2 1 淀粉一碘化镉光度法 原理：( 1 ) 用b r 2 水将酰胺基溴化为n 溴代酰胺；( 2 ) 过量的b r 2 用甲酸钠除去； ( 3 ) 聚丙烯酰胺的溴代物水解产生次溴酸：( 4 ) 次溴酸定量地与碘化镉中r 反应生成 i 。3 ( 5 ) 1 3 与淀粉作用呈蓝色，用分光光度法测定。淀粉碘化镉方法可以准确测 量含有表面活性剂和溶有原油的带色样品中瑚，蝴的浓度，很适合岩心实验流出 液和大批量常规样品的分析。碘和胺对该方法有影响。 s c o g g i n s 等1 3 5 】首次将淀粉一碘化镉方法用于油田盐水中h p a m 浓度的分析， 其研究结果表明，将缓冲液p h 值调至3 5 可以消除样品中大量c l 。的干扰，在缓冲 液中加入过量的舢3 + 能消除f e ”和b i 3 + 等高价阳离子的干扰。 田利等【3 6 】的研究表明p h 值和各步骤反应时间是影响该方法准确度的关键因 素。另外在实验操作过程中，因为h p a m 在容量瓶壁上有粘附，所以，配制聚合 物溶液的均匀性和显色时容量瓶清洗的洁净程度均对测定成功与否有较大影响。 1 4 聚合物降解菌的筛选评价及在油田污水生化处理中的应用 同时对大庆油田田的含聚合物的污水进行了6 次平行测定，相对标准偏差为4 7 ， 符合光度法的要求。 淀粉一碘化镉方法反应步骤多，手工分析操作较繁。t a