油田含聚丙烯酰胺污水生物轉化及能源化與資源化

趙蘭美，包木太，趙 棟

（1.山東科技大學化學與生物工程學院，山東青島 266590；2.中國海洋大學海洋化學理論與工程技術教育部重點實驗室/海洋高等研究院，山東青島 266100；3.中國石化集團勝利石油管理局，山東東營 257000）

根據石油市場報告（www.iea.org/topics/oil-marketreport）預測，2022年全球石油類能源需求量將達1.41×107t/d。隨著全球能源需求的增長，近海石油開發(fā)、運輸和沿海石油煉化規(guī)模迅速擴大，尤其是聚合物驅油技術成為渤海油田提高原油采收率的主力技術之后，石油開發(fā)更是邁上新臺階。驅油助劑水解聚丙烯酰胺（HPAM）是一種高分子質量的水溶性化合物，由丙烯酰胺單體合成。近海石油開發(fā)產生的有機污染物，包括HPAM和石油，對大氣圈、生物圈、水圈、海岸活動等造成破壞和污染，對生態(tài)環(huán)境、物種、生物群落、水產品等構成威脅〔1?6〕。近海有機污染物的處置及修復理論和技術是海洋污染環(huán)境中面臨的問題和亟需解決的難題。

2021年1月，國家發(fā)改委等部門共同印發(fā)了《關于推進污水資源化利用的指導意見》，意見中指出，應積極推動工業(yè)廢水的資源化利用，開展試點示范，探索形成可復制、可推廣的污水資源化利用模式。低成本、環(huán)境友好型的生物降解轉化技術已成為處理油田污水中典型有機污染物HPAM的主力技術〔1?2，5，7?8〕。

建立一個可持續(xù)的生態(tài)環(huán)境需要減少污染量以及減少對礦物燃料的依賴，污水生物處理可以同時實現這兩個目標。更重要的是，油田含HPAM污水在降解轉化的同時，還具有能源化和資源化的潛力〔9〕。近年來出現了一種由處理污染物到利用污染物的模式轉變，包括產甲烷厭氧消化、生物制氫和生產有利用價值的生物產品等生物處理策略〔9?11〕。將污染物生物處理與生物煉化相結合對于生態(tài)可持續(xù)和資源回收具有重要的現實意義。

1 含聚丙烯酰胺污水生物降解轉化

1.1 聚丙烯酰胺生物降解菌群

前期研究中，研究人員篩選出不同來源的功能菌，在不同條件下探究了其對不同類型、不同濃度HPAM的降解效能。如經功能菌（Bacillussp. PAM?2和Ochrobactrumsp. PAM?3）強化的好氧活性污泥處理后，HPAM（Mw=2.2×107，500 mg/L）的降解率和TOC去除率分別達到54.69%和70.14%〔2〕。功能菌蠟樣芽胞桿菌（Bacillus cereusPM?2）和紅球菌（Rho?dococcusPAM?F1）用于強化厭氧/好氧活性污泥，經厭氧/好氧污泥耦合處理后，HPAM（Mw=2.2×107，500 mg/L）和TOC去除率分別達到89.8%和32.9%，降黏率達到75.8%，相對分子質量為2.2×107的HPAM被降解為3.5×103的小分子片段〔12?13〕。采用Fenton氧化和功能菌強化的厭氧活性污泥耦合處理后，HPAM（Mw=2.2×107，500 mg/L）的 去除率達到91.06%〔14?15〕。除此之外，HPAM生物降解菌群作為含HPAM污水生物物理化學處理體系的組成部分（圖1）〔12?20〕，在含HPAM污水的深度處理上也發(fā)揮了重要作用。例如，在生物膜?活性污泥?膜分離耦合系統(tǒng)中，HPAM降解菌與HPAM去除、胞外聚合物（EPS）存在形式和膜污染緊密相關，生物降解效能占污染物總去除效能的55%〔19?20〕。

圖1 油田含聚污水生物物理化學處理體系Fig. 1 Bio-physical chemical treatment systems for oilfield HPAM-containing wastewater

筆者總結了此領域的部分代表性成果，見表1。

表1 PAM降解過程中涉及的功能菌群和去除效能Table 1 Functional microorganisms and removal efficiencies involved in HPAM biodegradation

1.2 聚丙烯酰胺生物轉化途徑

微生物對于HPAM降解具有獨特的生化反應途徑。研究人員從關鍵酶的角度提出了HPAM的代謝途 徑〔2，8，12，16，21，25〕。Mutai BAO等〔25〕、Guoliang SANG等〔12〕和Lanmei ZHAO等〔26〕分別探尋 了HPAM好 氧和厭氧降解為小分子有機物的途徑中關鍵酶的作用位點，論證了HPAM作為碳源和氮源被微生物利用的依據〔27〕。HPAM的酰胺基團被酰胺酶水解，—OH取代—NH2，釋放出—NH2，產生—COOH；在好氧環(huán)境中的單加氧酶和輔酶作用下，HPAM第一步水解產生的聚丙烯酸的碳骨架發(fā)生斷裂，被降解為鏈長介于22～27碳原子數、相對分子質量介于415～699之間的中間體〔26〕；在厭氧環(huán)境中的水解酶和輔酶作用下聚丙烯酸被轉化為鏈長介于17～31碳原子數、相 對 分子質量介 于525～761之間 的 中 間體〔26〕。此外，脫氫酶和脲酶在HPAM好氧和厭氧代謝過程中發(fā)揮了重要的作用〔2，21〕。脫氫酶作為一類氧化還原酶，具有參與電子受體與HPAM之間電子轉移的功能；脲酶作為氮循環(huán)中的胞外酶，具有促進HPAM酰胺基水解的功能。功能菌分泌的脲酶和脫氫酶，分別作用于HPAM的酰胺基和碳鏈〔21〕。脲酶和脫氫酶與HPAM的降解效能呈正相關，可以作為HPAM好氧和厭氧代謝的指示劑。

Xiaohu DAI等〔16，28〕剖析了PAM生物轉化為反丁烯二酸、丁酸、丙酸、乙酸等中間產物的路徑。氧化酶和脫氫酶將PAM第一步水解產生的聚丙烯酸降解為乙酰輔酶A和丙酮酸，轉移輔酶將丙酮酸轉化為反丁烯二酸、羥基丁二酸、丁酮二酸；丙酰輔酶A和轉移輔酶將丙酮酸進一步轉化為丙酸；磷酸轉乙酰酶和乙酸激酶將乙酰輔酶A轉化為乙酸；在乙酰輔酶A和乙酰乙酰輔酶A的相互轉化過程中，乙酰輔酶A可以轉化為丁酰輔酶A，在磷酸轉乙酰酶和丁酸激酶的協(xié)同作用下，丁酰輔酶A生物轉化為丁酸；乙酸和丁酸可以在丁酸激酶、乙酸激酶和磷酸轉乙酰酶的協(xié)同作用下相互轉化。

1.3 聚丙烯酰胺生物降解動力學與熱力學

針對HPAM生物降解速率與程度不清的問題，研究人員建立了HPAM生物降解的動力學模型與熱力 學 機 會〔1，11，29〕。Lanmei ZHAO等〔29〕建 立 了HPAM生物降解動力學模型，并確定了酶促反應的活化能，結果表明HPAM厭氧降解符合一級動力學模型，最大降解速率常數為2.46 d?1，HPAM好氧降解符合米門公式，最大降解速率常數為16.4 mg（/L·d），活化能Ea為48.99 kJ/mol，相對較小的活化能揭示了典型的生化反應現象。其還以乙酸和H2作為熱力學約束變量，繪制了HPAM生物降解熱力學機會窗口，從熱力學角度解析了HPAM降解為乙酸、H2和CO2的可行性。HPAM可以作為功能菌生長和電子轉移的能量源和電子供體，為了擴大HPAM厭氧降解產甲烷 的 機 會，Lanmei ZHAO等〔11〕進 一 步 選 取Fe3+和SO42?作為外源電子受體，繪制了產甲烷的熱力學機會窗口，闡釋了產甲烷體系的關鍵限制步驟。結果表明，Fe3+作為電子受體的熱力學機會窗口大于SO42?，乙酸發(fā)酵型產甲烷的路徑占主導地位，乙酸氧化為CO2和H2的路徑作為關鍵限制步驟受到抑制。為了排除外源電子受體對體系的影響，Congcong ZHANG等〔1〕進 一 步 探 索 了HPAM自 身 氮 轉 化 對 其生物轉化為甲烷的調控作用。熱力學約束表明，HPAM降解產生的NOx?進一步提高了甲烷的產生潛力，NO3?作為電子受體對HPAM轉化為甲烷的調控作用高于NO2?。

1.4 聚丙烯酰胺生物降解技術現場實施

油田含HPAM污水高效生物降解技術在勝利油田孤四污水站成功地進行了2.5×104m3/d的現場實施，處理效果平穩(wěn)可靠〔8〕。經過檢測，處理后污水中含油由170 mg/L下降為20 mg/L，懸浮物由36 mg/L下降到15 mg/L。該技術通過先除聚、后除油除懸的理念，直接采用生化處理技術，不使用化學混凝劑，污泥量僅為處理水量的0.002%，污泥主要成分為無機雜質，不存在化學混凝處理0.2%污泥的后處理難題。試驗中回收了污水中含有的90%原油，回收的原油進入污油池后，再打回油站一級脫水罐，對孤四污水站的原油脫水無任何不良影響。該處理技術在試驗期間的運行成本合計為0.56元/m3，與應用前的化學處理方法處理費用0.73元/m3相比，每m3水處理成本可降低0.17元。該項技術不使用混凝劑，不產生化學污泥，沒有后續(xù)的污染物轉移及無害化處理的難題。按照孤四污水站污水量為2.5×104m3/d計算，節(jié)約藥劑費155萬元/a，節(jié)約污泥處理費160萬元/a，且回注污水能夠達到油藏注水要求，有利于提高注水開發(fā)效果，具有較大的經濟效益〔8〕。

2 含聚丙烯酰胺污水能源化

2.1 聚丙烯酰胺生物轉化為氫氣的潛力

目前，基于生物煉化概念的H2被認為是替代化石燃料最具前景的能源〔30〕：（1）H2是清潔、可再生能源；（2）不會導致溫室氣體的排放；（3）具有比甲烷（25 ℃，101 325 Pa，55.7 kJ/g）更高的燃燒熱（25 ℃，101 325 Pa，142.9 kJ/g）。Lanmei ZHAO等〔9〕剖析了含HPAM污水中生物氫的產生潛力。在產氫體系進水C/N為51時，H2（0.833 L/g）和VFA（465 mg/L）產量達到最大。底物去除率隨脫氫酶和氫化酶的活性呈線性增加（R2≥0.990），H2產量隨關鍵酶的活性呈指數型上升（R2≥0.989）〔9〕。芽孢桿菌、假單胞菌屬和腸桿菌屬既是產H2又是降解HPAM的菌群，對H2產生和底物攝取具有協(xié)同作用。H2在HPAM酸化發(fā)酵階段產生〔9〕，HPAM首先在酰胺酶的作用下生物轉化為聚丙烯酸〔式（1）〕，然后通過脫氫酶生物轉化為丙酮酸和H2〔式（2）〕〔16〕，最后丙酮酸生物轉化為乙酸和H2〔式（3）～式（5）〕。丙酮酸和輔酶A先轉化為乙酰輔酶A和CO2〔式（6）〕〔11〕，乙酰輔酶A進一步在磷酸轉乙酰酶和乙酸激酶的聯(lián)合作用下生物轉化為乙酸，并且產生的能量以ATP的形式釋放〔11〕〔式（7）〕。丙酮酸和乙酰輔酶A轉化為乙酸的生物過程在熱力學上是可行的〔式（5）～式（7）〕。在理論和標準條件下（298.15 K，100 kPa），當乙酸作為最終產物時，單位聚丙烯酸最大H2產量達到0.622 mL/mg〔9〕。

2.2 聚丙烯酰胺生物轉化為甲烷的潛力

電子受體的類型是調節(jié)HPAM厭氧降解產甲烷的關鍵因素，研究人員解析了不同外源電子受體對HPAM厭氧降解產甲烷的調控作用〔11〕。在沒有外源電子受體、SO42?、Fe3+、SO42?和Fe3+作為電子受體的條件下，HPAM去除率、甲烷產量、乙酸產量、乙酸激酶活性隨外源電子受體的加入而升高〔11〕。在沒有外源電子受體的體系中存在以H2和CO2為底物產甲烷的趨勢；以SO42–和Fe3+分別為電子受體的體系中存在以乙酸為底物產甲烷的趨勢。隨外源電子受體的加入，乙酸發(fā)酵型產甲烷作用占據優(yōu)勢地位，氫營養(yǎng)型產甲烷作用受到抑制。此外，連續(xù)攪拌、堿性預發(fā)酵和水熱預處理也增強了厭氧消化中HPAM的降解和甲烷的收率〔31?33〕。在不同溶解氧體系中通過調節(jié)HPAM自身氮轉化，Congcong ZHANG等〔1〕闡釋了其生物轉化為甲烷的潛力。氧氣作為電子受體刺激了硝化細菌和HPAM降解菌的增殖，HPAM降解菌產生的脫氫酶促進了HPAM氧化和電子傳輸，硝化菌分泌的脲酶增強了硝化反應。HPAM水解和氧化產生的NOx??N反過來作為電子受體刺激了反硝化菌、產酸菌和產甲烷菌的活性，不同功能菌形成了協(xié)同效應，共同促進了反硝化和產甲烷過程。

3 含聚丙烯酰胺污水資源化

3.1 聚丙烯酰胺生物轉化為聚羥基脂肪酸酯的潛力

聚羥基脂肪酸酯（PHA）是一類可以被微生物作為碳源和能量儲存介質積聚的聚合物，與生物廢物處理相結合的新型生物塑料生產有望實現污染物的循環(huán)利用〔34?36〕。污水中的有機物可以作為合成PHA形式的生物可降解塑料的原料使用〔37〕。PHA最常見的形式包括聚羥基丁酸酯（PHB）和聚羥基戊酸酯（PHV）〔34〕。PHA具有取代傳統(tǒng)石油衍生塑料的潛力，PHA的合成過程是低能耗和低二氧化碳排放的，并能最 大限度地 減少剩余 污泥產量〔34，38?39〕。將PHA的生產與污水生物降解相結合對于治理環(huán)境污染和緩解能源危機是非常有意義的〔40〕。

研究人員剖析了含HPAM污水中PHA的產生潛力〔9〕。PHA產量與底物攝取呈正相關，在產PHA體 系 進水C/N為97、降 解 時 間為42 h時，PHA產 量（54.2% VSS）達到最大。芽孢桿菌屬、假單胞菌屬和腸桿菌屬既是產PHA又是降解HPAM的菌群，對PHA積累和底物的攝取具有協(xié)同作用。Lanmei ZHAO等〔41〕進一步探索了不同原油水平對HPAM生物轉化為PHA的影響，C/N隨原油濃度的升高而增加，而C/N的增加提高了PHA產量。脫氫酶活性變化趨勢與PHA產量變化趨勢一致；好氧體系中脫氫酶活性高于缺氧體系，與HPAM去除相符。假單胞菌和芽孢桿菌在好氧體系中的主要功能是降解HPAM，在缺氧體系中的主要功能是合成PHA〔41〕。PHA積累型細菌分泌PHA合成酶，將污水中的持久性有機物轉化為PHA〔42〕；脫氫酶提高了細胞中的NADH/NAD+比例，進一步促進了HPAM代謝產生的丁酰輔酶A和乙酰輔酶A轉化為PHA〔43〕。

3.2 凈水資源的汲取潛力

研究人員探索了含HPAM污水中凈水資源的汲取潛力〔19?20，44〕。丁萬德〔44〕對聚砜（PS）超濾膜進行了多巴胺改性，大幅度提高了膜表面的親水性能，增強了抗污能力。研究發(fā)現，改性后的PS超濾膜能夠完全截留模擬含HPAM污水中的HPAM分子，并能夠保持較高的水通量，使用高速水流清洗后，水通量恢復率提高到85%。Wande DING等〔45〕進一步制備了以SiO2薄膜為截鹽層的雜化納濾膜，實現了含HPAM模 擬 污 水 中MgSO4、Na2SO4、MgCl2和NaCl四種無機鹽離子的高效截留。在此基礎上，Lanmei ZHAO等〔19?20〕研究了生物膜?活性污泥?膜分離體系處理含HPAM實際污水過程中凈水資源的汲取潛力。HPAM、COD、TOC和TN的 去 除 率 分 別 達 到97.5%、98.5%、98.5%和96.2%。第一次和第二次清洗后，膜的滲透率分別恢復到92%和87%。松散結合的胞外聚合物（LB?EPS）中存在色氨酸類、芳香類和富里酸類蛋白，緊密結合的胞外聚合物（TB?EPS）中呈現多糖類和酪氨酸類蛋白。色氨酸類蛋白僅存在于膜表面污泥的TB?EPS中，并在膜污染中起重要作用。研究人員進一步比較了不同水樣重新配制HPAM溶液的黏度大小，順序為：生物降解后的上清液＜膜過濾后的水樣≈純水，該研究為處理油田實際含HPAM污水和提高水回用率方面提供了理論基礎和技術支持〔19〕。

4 結論和展望

（1）對于HPAM生物降解轉化，功能菌在HPAM降解轉化中發(fā)揮了舉足輕重的作用，關鍵酶誘導了HPAM的不同轉化途徑，HPAM生物降解具有不同的動力學模型和熱力學機會，生物降解技術在勝利油田孤四污水站成功地進行了2.5×104m3/d的現場實施。

（2）對于HPAM能源化，HPAM具有生物轉化為H2和CH4的潛力，HPAM酸化發(fā)酵階段包含不同的產氫途徑，H2產量與底物去除和關鍵酶活性存在不同的數學關聯(lián)，Fe3+、SO42?和NO3?等作為電子受體擴大了HPAM厭氧降解產CH4的機會。

（3）對于HPAM資源化，含HPAM污水具有轉化為PHA和凈水資源的潛力，PHA產量與HPAM降解、脫氫酶活性和菌群功能緊密相關，改性過濾膜及與活性污泥的耦合體系實現了對HPAM分子的高效截留。

在目前研究的基礎上，今后需進一步深入開展兩個方面的研究：（1）從基因工程角度調控與油田產出污水中包括HPAM和原油等復合有機污染物生物轉化、增值資源產生相關的功能基因；（2）開發(fā)復合有機污染物高效降解酶與生物資源高效合成酶，并建立混合酶體系，評估其在復合有機污染物降解和生物資源合成中的應用潛力，開發(fā)復合有機污染物有效防控和轉化策略。