隨著石油的大規模開采，聚合物驅作為有效的3次采油技術得到了大規模的應用，同時也產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境中不斷累積，進而造成對環境的污染，以及對人類健康的潛在威脅.因此，對含聚污水的處理已經成為保證油田可持續發展亟待解決的問題.
國內外有許多關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HPAM的生物降解，但并沒有達到理想的降解效果.因此，為了尋找一個有效降解含HPAM污水的方法，本文擬對厭氧生物法處理含HPAM污水進行研究.
作為一個特定的厭氧反應器，ABR由于具有設計簡單、穩定性高、耗能低和處理效果好等特點而被廣泛應用于試驗中.例如，研究了ABR處理高鹽度低營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鉻的酸性廢水、含聚乙烯醇廢水、酸性礦排、威士忌酒廠廢水等.但關于用ABR處理高濃度含HPAM污水的報道卻很少見.
課題組前期對HPAM的性質及好氧生物法降解HPAM開展了大量的研究，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行優化.同時，利用ABR對含HPAM污水的處理進行擴大化實驗研究，以得到更好的降解效果，為處理含HPAM污水提供一個有效的方法.
2 材料與方法
2.1 菌種、接種污泥來源和實驗材料
選取實驗室低溫保藏的2株HPAM降解菌PAM-F1和PM-2進行實驗.接種污泥取自青島市某廢水處理廠生物處理二沉淀池.污泥呈棕褐色，粒徑為1~2 mm，總懸浮物(MLSS)為21.8 g · L-1，揮發性懸浮物(MLVSS)為12.35 g · L-1，污泥沉降指數為31.19.
實驗用模擬污水：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內不斷重復這個馴化過程，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，保證厭氧的環境.
菌株PM-2已經被實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PAM-F1的特性，通過生理生化特征和16S rDNA測序分析對其進行菌種鑒定.
2.4 實驗用ABR
實驗所用的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×寬×高)，有效容積約為35.5 L.反應器由5個隔室組成，前4個隔室為降解隔室，第5隔室為沉降室.前4個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個隔室的頂部設有集氣孔便于收集反應產生的氣體，并在各個隔室底部兩端設計倒角，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.由蠕動泵在ABR的進、出水端均勻進水和出水.ABR實驗裝置示意圖如圖 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，進行掃描電鏡分析.對反應前后的顆粒污泥進行前處理，方法見文獻.用S3400型掃描電鏡觀察污泥的形態結構變化.
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性，V-P試驗和甲基紅試驗呈陰性.經測序后獲得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.并與已有的序列進行Blast基因比對，結果見表 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 厭氧瓶實驗中菌株降解條件的優化
3.2.1 最佳降解時間的確定
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開始，隨著降解時間的延長，HPAM的降解率迅速增加，到達第9 d以后，降解率趨于平緩.這是由于開始階段厭氧菌生長緩慢，對HPAM的降解效果不明顯.隨著時間的延長，菌種逐漸適應環境，開始快速生長，降解率也開始增高.但隨著對底物的消耗，厭氧菌的生長受到抑制，降解率增長緩慢，最后趨于平緩，從而得到9 d為最佳降解時間.
圖 2 降解時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的重要因素，影響著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，HPAM的降解率不斷增加，當溫度超過40 ℃時，降解率明顯降低.且在35~40 ℃之間，降解效果明顯，40 ℃時，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、代謝過程與環境的pH值密切相關.pH通過影響細菌細胞膜的通透性、膜結構的穩定性和物質的溶解性或電離性來影響營養物質的吸收，從而影響細菌的生長速率.每種微生物都有最適宜生長的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，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，HPAM的降解率大幅度降低.當pH為7.5時，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%.這可能是兩株菌協同作用的結果.厭氧瓶實驗表明，厭氧法能夠有效降解HPAM污水.
圖 6 最優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
分別對厭氧瓶實驗中生物降解前后的HPAM進行傅里葉-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鍵的反對稱峰和對稱伸縮振動峰，而1660 cm-1處的吸收峰對應于—CONH2中C O鍵的對稱伸縮振動峰.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吸收峰消失，1679 cm-1處酰胺I(C O)伸縮振動峰的吸收強度變弱，說明微生物在生長過程中利用了HPAM上的部分碳作為其生長所需的碳源.而降解產物的譜圖中，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伸縮振動有關，說明厭氧生物降解后酰胺基的含量明顯減少，從而進一步證明：微生物能夠降解并利用HPAM上的部分胺基和碳作為其生長所需的氮源與碳源.也由此推斷出，HPAM的降解是發生在水解酸化階段.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驗進行擴大化研究，并加速反應器的啟動，將最優條件下培養的混合菌接種到裝有1/2體積污泥的ABR中，進行ABR厭氧生物降解實驗.整個ABR實驗在室溫條件下進行，試驗確立了ABR的水力停留時間為24 h，出水回流比為10 ∶ 1，用葡萄糖與HPAM作為共基質來調節CODCr，從而達到所需的容積負荷.
ABR的啟動分為兩個階段：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;隨即進入啟動的第二階段，增加CODCr到1700 mg · L-1，容積負荷增加到1.3 kg · m-3 · d-1.
反應器經過啟動階段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.此時，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，盡管進水的CODCr不斷變化，但CODCr的去除率都能達到85%以上.尤其當進水CODCr為1693 mg · L-1時，出水CODCr能夠降到170 mg · L-1，此時，CODCr的去除率最高，達到89.96%.而在圖 9中，第14 d時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間的變化
圖 9 ABR中HPAM降解率隨時間的變化
3.3.2 ABR反應前后污泥外觀形態的SEM分析
ABR啟動完成后，取出適量的污泥進行觀察，發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形態進行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，很容易被進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，并且也是微生物的產氣通道.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，并為菌株的生長繁殖提供有利的條件.具體參見污水寶商城資料或http://www.dowater.com更多相關技術文檔。
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的污水進行厭氧水解酸化生物處理，結果發現，當降解時間為9 d，連續活化次數為3次，溫度為35~40 ℃，初始pH值為7.5時，混合菌的降解效果最好，降解率可達40.69%，說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所需的氮源和碳源，并且推斷HPAM的降解過程發生在水解酸化階段.通過生理生化特征和16S rDNA分析，確定PAM-F1為紅球菌.
2)經過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察顯示，ABR內形成了成熟的顆粒污泥，它們能夠有效地促進HPAM的生物降解，并為微生物的生長繁殖提供有利的條件.ABR實驗進一步證明了厭氧水解酸化過程可以有效地處理含高濃度HPAM污水.