環(huán)烷酸降解技術(shù)研究進(jìn)展

肖梓軍，張新惠，郝日詩，亓瑞倩，呂建仁

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)生物工程與技術(shù)中心，青島 266555；2.中國(guó)石油大港石化公司，天津 300280；3.英國(guó)曼徹斯特大學(xué) 物理與天文學(xué)院生物物理系，英國(guó)曼徹斯特 M13 9PL)

環(huán)烷酸是一類一元飽和羧酸，一般分子中含有一個(gè)或多個(gè)飽和環(huán)，可以用通式 CnH2n+zO2表示，n代表碳原子數(shù)，z= 2、 4、…、 12分別代表含有一個(gè)、二個(gè)、…、六個(gè)飽和環(huán)的環(huán)烷酸(圖1)。當(dāng)z=0時(shí)，環(huán)烷酸中不含有環(huán)狀結(jié)構(gòu)，但這種環(huán)烷酸并不像脂肪酸那樣是直鏈狀的，而是有很多烷基鏈分枝。環(huán)烷酸自然存在于原油和油砂中，前者中環(huán)烷酸的含量一般為10000～20000mg/kg，后者中的平均含量大約為200 mg/kg。環(huán)烷酸被認(rèn)為是煉油廠污水和油砂尾礦污水中最有毒性的成分之一[1]。而且環(huán)烷酸在工業(yè)中有多種用途，這也增加了環(huán)烷酸釋放到環(huán)境中的途徑。釋放到環(huán)境中的環(huán)烷酸是非常有害的，特別是對(duì)于水生環(huán)境中的生物。已有研究證實(shí)環(huán)烷酸對(duì)很多種動(dòng)物、植物和微生物有抑制或毒害作用。研究環(huán)烷酸降解、消除其環(huán)境危害刻不容緩。近幾年隨著我國(guó)環(huán)保要求的提高，國(guó)內(nèi)石油煉制業(yè)和剛要出現(xiàn)的油砂開采業(yè)普遍面臨著環(huán)烷酸污水處理難的問題。因此，本文就國(guó)內(nèi)外最新環(huán)烷酸降解研究的進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并展望了今后幾個(gè)值得關(guān)注的研究方向。

為了解決環(huán)烷酸類污水的治理問題，有一些學(xué)者嘗試了除降解之外的其他一些辦法，如國(guó)內(nèi)于永輝等[2]對(duì)環(huán)烷酸污水進(jìn)行了絮凝氣浮法處理小試和中試實(shí)驗(yàn)研究，以聚合硫酸鐵和陰離子聚丙烯酰胺為絮凝劑，在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下，CODCr去除率達(dá)到83.1%。但要想從根本上徹底解決環(huán)烷酸的環(huán)境危害問題，需要將含環(huán)烷酸污水完全或部分降解到無毒無害的水平才能排放到環(huán)境中。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面做了大量的工作，特別是近些年隨著油砂資源的大量開發(fā)、油砂處理污水的大量積聚，使得這一問題尤為突出并成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。其中生物降解法報(bào)道最多、研究也最為深入，而且被認(rèn)為是經(jīng)濟(jì)上最可行的。環(huán)烷酸可以在一定程度上被微生物降解，不但一方面濃度降低，而且另一方面毒性也降低[3]。這方面的研究已經(jīng)在國(guó)外成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。

圖1 一些環(huán)烷酸的分子結(jié)構(gòu)，其中R表示烷基，z表示缺氫率，m表示CH2基團(tuán)的數(shù)目Fig.1 Sample naphthenic acid structures where R is an alkyl chain，z describes the hydrogen deficiency，and m is the number of CH2units.

1生物法

至今人們對(duì)環(huán)烷酸在自然界中的產(chǎn)生和變化研究仍較少[4]。在自然界水環(huán)境中，環(huán)烷酸的降解途徑少為人知。根據(jù)過去的研究結(jié)果可知，水體中的環(huán)烷酸能抵抗微生物的降解。經(jīng)過很長(zhǎng)一段時(shí)間后，環(huán)烷酸會(huì)在水環(huán)境的沉積物中聚集。由于環(huán)烷酸組成的復(fù)雜性，至今人們沒有找到某一特定高效能降解所有環(huán)烷酸分子的微生物物種，而是試圖從不同的小環(huán)境中富集篩選一些微生物群落。對(duì)于代謝機(jī)理的研究，通常是利用色譜與質(zhì)譜聯(lián)用分析技術(shù)、同位素示蹤等手段。

1.1 不同微生物群落對(duì)環(huán)烷酸的降解

Herman等[5]從油砂尾礦池中富集得到微生物群落，能以商品化的環(huán)烷酸或從油砂尾礦池中提取到的環(huán)烷酸作為唯一碳源生長(zhǎng)。商品化的環(huán)烷酸經(jīng)微生物作用后，大約48%的有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為CO2，用Microtox檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)毒性完全消失。而源自尾礦池的環(huán)烷酸經(jīng)微生物作用后，大約有20%的有機(jī)碳被礦化，同時(shí)毒性大約降低了一半。Clemente等[6]詳細(xì)地研究了來源于油砂礦尾池中的微生物在有氧狀態(tài)下對(duì)兩種商品化環(huán)烷酸的降解情況。10d以后，環(huán)烷酸的濃度由約100mg/L降到小于10mg/L；20d以后，大約60%的環(huán)烷酸轉(zhuǎn)化為CO2。培養(yǎng)物上清液的毒性也有所降低，經(jīng)過43～45d以后毒性不再檢出。Scott等[7]也研究了有氧狀態(tài)下油砂尾礦池微生物對(duì)四種商品化環(huán)烷酸和兩種尾礦池環(huán)烷酸的降解情況，發(fā)現(xiàn)商品化環(huán)烷酸較尾礦池環(huán)烷酸具有較小的分子量。經(jīng)過14d，商品化環(huán)烷酸降解完全；但是即便經(jīng)過40～49d，只有大約25%的尾礦池環(huán)烷酸降解。

Del Rio等[8]研究了沉積物微生物群落對(duì)油砂處理水中環(huán)烷酸的降解。在加拿大阿爾伯塔省選取了11處濕地，其中包括自然狀態(tài)的濕地、受油砂采礦影響的濕地和一處尾礦池。前兩種濕地由于水質(zhì)的差別可以明顯地分成兩組。從一處正在使用的尾礦池中，以商品化的環(huán)烷酸為唯一碳源富集并篩選得到兩株細(xì)菌，經(jīng)鑒定為惡臭假單胞菌(Pseudomonas putida)和熒光假單胞菌(Psudomonas fluorescens)。氣相色譜與質(zhì)譜聯(lián)機(jī)定量分析顯示，當(dāng)這兩株細(xì)菌共同培養(yǎng)時(shí)，可以降解超過95%的商品化的環(huán)烷酸，并能部分降解油砂處理水中的環(huán)烷酸，而殘余的未降解的環(huán)烷酸的成分與年久的濕地中的環(huán)烷酸成分相類似。

Biryukova等[9]從阿爾伯塔省當(dāng)?shù)氐奈宸N植物的根部土壤中經(jīng)過4個(gè)月的富集得到一個(gè)微生物群落，它能以添加到培養(yǎng)基中的瀝青(0.5%)為唯一碳源生長(zhǎng)。在有氧條件下，這個(gè)群落對(duì)商品化的環(huán)烷酸具有很高的降解潛力。經(jīng)過10d的微生物作用后，環(huán)烷酸的濃度降低了90%，而滅菌后作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)中的環(huán)烷酸濃度卻未發(fā)生顯著變化。在第17d，由于環(huán)烷酸的分解代謝，伴隨著微生物菌體數(shù)量的上升，培養(yǎng)物中源自細(xì)胞膜的離子變得非常豐富。

從上述一些研究結(jié)果來看，微生物群落對(duì)有毒環(huán)烷酸的降解還是很有成效的，有的環(huán)烷酸組分被徹底降解異化為CO2，有的組分被菌體同化吸收或轉(zhuǎn)化為其它無毒的分子，使得水中環(huán)烷酸的濃度和毒性都得到有效降低。

1.2 環(huán)烷酸代謝規(guī)律之一：低分子量組分優(yōu)先降解

Clemente等[6]用氣相色譜與質(zhì)譜聯(lián)機(jī)分析礦尾池微生物對(duì)環(huán)烷酸降解前后的樣品，結(jié)果表明微生物改變了環(huán)烷酸的組成，具有更小分子量的環(huán)烷酸組分更有利于生物降解。Scott等[7]的研究結(jié)果也顯示，低分子量的環(huán)烷酸(碳原子數(shù)少于等于17)較高分子量的環(huán)烷酸(碳原子數(shù)多于等于18)更易生物降解。Biryukova等[9]在根際微生物群落培養(yǎng)過程中，也發(fā)現(xiàn)環(huán)烷酸中低分子量的組分優(yōu)先降解，而高分子量組分的相對(duì)含量有所上升。

1.3 環(huán)烷酸代謝規(guī)律之二：環(huán)數(shù)少的組分優(yōu)先降解

Lai等[10]用14C標(biāo)記的環(huán)烷酸替代物十氫萘甲酸實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，尾礦池微生物群落可以礦化飽和環(huán)連在一起的環(huán)烷酸。經(jīng)過8星期后，此化合物中14C標(biāo)記的碳原子有 2%～ 4%轉(zhuǎn)化為 CO2。Holowenko等[11]觀察到在一些油砂尾礦池中能產(chǎn)生甲烷，并在實(shí)驗(yàn)室中，向一些環(huán)烷酸替代物溶液中加入一些污水處理廠的污泥或者油砂尾礦渣，檢測(cè)這些化合物是否可以產(chǎn)生甲烷。利用污泥作為接種源時(shí)，環(huán)己烷戊酸的側(cè)鏈、環(huán)己烷丙酸的側(cè)鏈和飽和環(huán)都可以代謝為甲烷，然而產(chǎn)甲烷微生物不能夠利用14C標(biāo)記的十氫萘甲酸。Clemente等[6]在用氣相色譜與質(zhì)譜聯(lián)機(jī)分析礦尾池微生物對(duì)環(huán)烷酸降解前后的樣品時(shí)同時(shí)發(fā)現(xiàn)，具有更少環(huán)數(shù)的環(huán)烷酸更有利于生物降解。DelRio等[8]發(fā)現(xiàn)用14C標(biāo)記的環(huán)己烷甲酸在所有的沉積物微生物群落中14d時(shí)的降解的程度基本一致，大約都在30%左右。然而，用14C標(biāo)記的十氫萘甲酸在自然狀態(tài)的濕地和尾礦池沉積物微生物群落中的降解率都明顯偏低。

Han等[12]定量研究了環(huán)烷酸分子結(jié)構(gòu)與微生物降解難易之間的關(guān)系和有氧條件下微生物對(duì)商品化環(huán)烷酸和尾礦池中環(huán)烷酸的降解動(dòng)力學(xué)過程，發(fā)現(xiàn)商品化環(huán)烷酸中含有一部分易變的、非常容易生物降解的成分和一部分高度分枝化的、非常難降解的成分，然而尾礦池中的環(huán)烷酸主要都是難降解的，降解緩慢并遵循一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程，并且飽和環(huán)數(shù)目的增加會(huì)降低降解速率。

1.4 環(huán)烷酸代謝規(guī)律之三：烷基鏈分枝化程度低的組分優(yōu)先降解

Herman等[5]認(rèn)為，在有氧條件下含有烷基取代基的環(huán)烷酸要比不含烷基取代基的環(huán)烷酸更難降解。例如，經(jīng)過24d的培養(yǎng)，大約有50%的環(huán)己烷甲酸被尾礦池微生物群落礦化為CO2；然而對(duì)比明顯的是，只有7%的甲基-環(huán)己烷甲酸和6%的戊基-環(huán)己烷甲酸礦化為CO2。Han等[12]在實(shí)驗(yàn)室中，發(fā)現(xiàn)所有商品化環(huán)烷酸的半衰期為1～8d；而從尾礦池中得到的環(huán)烷酸的半衰期為44～240d，推測(cè)其原因可能是來自尾礦池的環(huán)烷酸具有更高的烷基鏈分枝程度。Smith等[13]合成了多種具有分枝烷基鏈的環(huán)烷酸替代物，并用沉積物微生物群落對(duì)其降解研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，烷基鏈分枝化程度越高，環(huán)烷酸替代物越難降解，而且降解的程度越低，代謝產(chǎn)物為降解不完全的環(huán)烷酸分子，推測(cè)是由 氧化過程產(chǎn)生的。

2 光解法

除了上述生物法外，光解法也是比較經(jīng)濟(jì)的一種方法。McMartin等[14]用紫外光和可見光分別照射處理含有環(huán)烷酸和環(huán)烷酸替代物的水體，研究光照對(duì)污染物濃度和毒性降低的作用。結(jié)果顯示，所試驗(yàn)的河流表層水經(jīng)光照處理后，環(huán)烷酸和環(huán)烷酸替代物的濃度都沒有顯著的降低，光照只是在一定程度上改變了污染物的結(jié)構(gòu)組成和毒性，并證實(shí)了用波長(zhǎng)為254 nm的紫外線照射對(duì)這些結(jié)構(gòu)組成和毒性的改變是最有效的。

Headley等[15]研究了藍(lán)綠藻、綠藻和硅藻對(duì)環(huán)烷酸光降解的影響，可以認(rèn)為這是一種生物法與光降解相結(jié)合的一種方法。經(jīng)過14d，約5.5 mg/L的環(huán)烷酸替代物4-甲基環(huán)己烷乙酸完全消失，推測(cè)是在硅藻 Naviculla sp.催化作用下光降解的。然而，除了綠藻 Selenastrum sp.外，其它的藻類對(duì)油砂處理水中的環(huán)烷酸沒有降解的跡象。硅藻對(duì)環(huán)烷酸光降解的差異性可能是源于對(duì)不同環(huán)烷酸組分的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制、濃度及化學(xué)結(jié)構(gòu)的差異性。

Headley等[16]最近還研究了在二氧化鈦催化作用下太陽光對(duì)環(huán)烷酸及環(huán)烷酸替代物(4-甲基環(huán)己烷乙酸)的降解作用。經(jīng)8h照射，約有75%的環(huán)烷酸降解，而4-甲基環(huán)己烷乙酸卻100%降解。在黑暗的環(huán)境中，兩者都未觀察到降解。環(huán)烷酸中各種組分降解的程度是不一樣的，分子中少于或等于三個(gè)環(huán)的環(huán)烷酸具有更高的降解效率。這種降解效率的差異可能源于不同環(huán)烷酸組分的化學(xué)結(jié)構(gòu)和分子大小的差異。當(dāng)環(huán)烷酸的環(huán)數(shù)多于三個(gè)時(shí)，空間位阻作用可能是影響光解效率的一個(gè)關(guān)鍵因素。

3 臭氧法

一般認(rèn)為，自然的生物降解是消除油砂處理水毒性的最經(jīng)濟(jì)的方法。然而，在油砂尾礦池中，即使經(jīng)過很長(zhǎng)的一段時(shí)間，環(huán)烷酸經(jīng)自然生物降解的程度仍非常低。有一些尾礦池已經(jīng)存在10多年了，其中殘余的高分子量的環(huán)烷酸似乎是很難會(huì)被自然生物降解的[17]。有間接的現(xiàn)象表明，正在使用中的尾礦池中含有少數(shù)飽和環(huán)的環(huán)烷酸能夠很快被生物降解，其余的環(huán)烷酸非常難降解，自然狀態(tài)下通常半衰期為12.8～13.6年[18]。因此嘗試一些高效的化學(xué)方法也是有益的。

臭氧氧化是一種高級(jí)化學(xué)氧化方法。Scott等[19]研究發(fā)現(xiàn)，含環(huán)烷酸初始濃度為59mg/L的油砂處理水，經(jīng)50min臭氧處理后，用Microtox檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)毒性完全消除，環(huán)烷酸的濃度也降低了大約70%。經(jīng)130min后，殘余的環(huán)烷酸降至2mg/L。在這一過程中，總有機(jī)碳含量沒有發(fā)生變化，然而化學(xué)需氧量(COD)大約降低了50%，5d生化需氧量(BOD5)從最初的2mg/L上升到15mg/L。經(jīng)氣相色譜與質(zhì)譜聯(lián)機(jī)分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)臭氧處理后，高分子量的環(huán)烷酸組分比例總體下降。

4 氣相氧化法

孔繁玲等[20]較早時(shí)就嘗試了采用氣相催化氧化法處理環(huán)烷酸污水。其過程是，空氣經(jīng)轉(zhuǎn)子流速計(jì)后與經(jīng)流速計(jì)后的廢水進(jìn)入130～170℃的氣化管，氣化后的廢水與空氣混合后進(jìn)入裝有催化劑的反應(yīng)管，在300～400℃內(nèi)選擇控制反應(yīng)溫度，然后冷凝收集處理后的廢水。處理后的污水的 COD值低于國(guó)家允許的排放標(biāo)準(zhǔn)。其優(yōu)點(diǎn)是處理效果好，工藝流程簡(jiǎn)單，投資少，不使用其他化學(xué)藥品因而不會(huì)形成新的污染。此法的缺點(diǎn)是耗能大，也是催化氧化法處理環(huán)烷酸污水的致命弱點(diǎn)，因此此法的關(guān)鍵是采取措施降低能耗。

5 結(jié)論及展望

環(huán)烷酸污染問題是伴隨著石油工業(yè)產(chǎn)生的、人們不可回避的一個(gè)比較重要的環(huán)境問題，它雖然已經(jīng)引起了社會(huì)和科學(xué)界廣泛的關(guān)注和研究，但總體而言，至今還沒有找到一種經(jīng)濟(jì)、高效的解決辦法。然而從最近幾年開始，環(huán)烷酸相關(guān)研究出現(xiàn)了面越來越廣、內(nèi)容越來越深的趨勢(shì)。其中微生物降解法尤其值得關(guān)注，根據(jù)上述總結(jié)的現(xiàn)有環(huán)烷酸代謝規(guī)律，將來需要有針對(duì)性地篩選能降解高分子量的、含多飽和環(huán)的、烷基鏈分枝化程度高的菌株或構(gòu)建具有相應(yīng)功能的工程菌株。利用通過各種途徑得到的具有較高環(huán)烷酸降解效率的微生物群落，然后通過向煉油廠污水生化處理池添加相應(yīng)菌種，或通過對(duì)現(xiàn)有環(huán)境條件的控制設(shè)計(jì)和建立環(huán)烷酸污水處理的人工濕地等方式，完全有可能最終合理妥善地解決環(huán)烷酸污染問題。

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