不同氧环境油田含聚丙烯酰胺污水生物降解过程与机理研究

油田含聚丙烯酰胺污水是一类比较复杂、特殊的污水，不论是回注地层还是外排等，水解聚丙烯酰胺（HPAM）的存在都将对地层生态环境带来一系列问题。本项目在剖析油田含聚污水化学成分和微生物群落基础上，以模拟含聚污水为研究对象，构建稳定高效的厌氧、好氧活性污泥水解聚丙烯酰胺生物处理系统，探讨不同氧环境活性污泥系统对水解聚丙烯酰胺生物降解的影响，确定厌氧活性污泥、好氧活性污泥处理系统降解水解聚丙烯酰胺的最适条件；获得水解聚丙烯酰胺生物降解的基础信息，建立厌氧活性污泥、好氧活性污泥中水解聚丙烯酰胺降解动力学和微生物生长动力学模型，阐明厌氧和好氧条件下水解聚丙烯酰胺生物降解的途径与机理；通过人工调控方式，确保水解聚丙烯酰胺降解菌群的优势地位，解析厌氧、好氧降解水解聚丙烯酰胺过程中微生物群落结构与功能，揭示微生物、氧含量、中间代谢产物之间的相互关系，为油田含聚污水处理提供理论基础与技术支撑。

本项目从三个相关联的方面开展了不同氧环境条件下油田含聚丙烯酰胺污水的生物降解过程与机制研究。通过实验研究，得出以下主要结论：从油田含聚污水中筛选6株聚丙烯酰胺降解菌，最佳生长条件为：pH 5~9、温度30~45℃、盐度5~12.5 g•L-1、氧含量4~6 mg•L-1，混合菌对聚丙烯酰胺、原油的降解率分别可达46.1%、47.5%。用好氧序批式反应器，厌氧折流板反应器，上流式厌氧污泥床反应器及厌氧折流板反应器与好氧池联用技术处理含聚污水，聚丙烯酰胺降解率分别为54.69%、78%、60.51%和85%。TOC、GPC、SEM及HPLC检测结果显示，生物降解后总有机碳下降了40％，分子量变为原来1/5000的小分子片段，分子量为2200万的HPAM分子吸收峰几乎不存在，说明聚丙烯酰胺可作为碳源被微生物利用。FT-IR及NH3-N、NO2-N、NO3-N、TN等检测结果表明，聚丙烯酰胺可作为氮源被微生物利用。SEM结果表明，反应器内可培养适合微生物生长的活性污泥。酶活性检测结果表明，生物膜上的脲酶活性比反应器中的高，脲酶活性与聚丙烯酰胺的降解率呈正相关；厌氧环境中，聚丙烯酰胺对脱氢酶、脲酶、酸性磷酸酶有一定抑制作用。由聚丙烯酰胺厌氧及好氧生物降解动力学得出，好氧环境中，HPAM最大降解速率为16.43385mg•L-1•d-1,饱和常数为579.038mg•L-1,37℃、30℃和25℃时，降解速率常数分别为0.01903d-1、0.01429 d-1、0.00872 d-1，活化能为48.9897kJ•mol-1。厌氧环境中，有机底物最大比降解速率为2.463 d-1, 饱和常数为12132.3mg•L-1。聚丙烯酰胺的厌氧降解过程尽管缓慢，但降解程度比好氧降解过程彻底。优势菌基因测序结果显示，厌氧折流板反应器中的优势菌为芽孢杆菌属、红球菌属。PCR-DGGE分析显示，厌氧折流板反应器中外加的聚丙烯酰胺降解菌PAM-2和PAM-F1在四个隔室中始终为优势菌种。高通量测序结果显示，往上流式厌氧污泥床反应器中投加功能菌后，活性污泥中的优势菌群仍为原活性污泥本源细菌，功能菌与本源菌存在拮抗作用；序批式曝气生物膜反应器中的功能菌PAM-2和PAM-3自加入起始终为优势菌种，部分活性污泥原生菌逐渐与接种菌产生一定的协同作用。