趙蘭美，包木太，趙 棟

（1.山東科技大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，山東青島 266590；2.中國(guó)海洋大學(xué)海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/海洋高等研究院，山東青島 266100；3.中國(guó)石化集團(tuán)勝利石油管理局，山東東營(yíng) 257000）

根據(jù)石油市場(chǎng)報(bào)告（www.iea.org/topics/oil-marketreport）預(yù)測(cè)，2022年全球石油類能源需求量將達(dá)1.41×107t/d。隨著全球能源需求的增長(zhǎng)，近海石油開發(fā)、運(yùn)輸和沿海石油煉化規(guī)模迅速擴(kuò)大，尤其是聚合物驅(qū)油技術(shù)成為渤海油田提高原油采收率的主力技術(shù)之后，石油開發(fā)更是邁上新臺(tái)階。驅(qū)油助劑水解聚丙烯酰胺（HPAM）是一種高分子質(zhì)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(chǎn)生的有機(jī)污染物，包括HPAM和石油，對(duì)大氣圈、生物圈、水圈、海岸活動(dòng)等造成破壞和污染，對(duì)生態(tài)環(huán)境、物種、生物群落、水產(chǎn)品等構(gòu)成威脅〔1?6〕。近海有機(jī)污染物的處置及修復(fù)理論和技術(shù)是海洋污染環(huán)境中面臨的問(wèn)題和亟需解決的難題。

2021年1月，國(guó)家發(fā)改委等部門共同印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)污水資源化利用的指導(dǎo)意見》，意見中指出，應(yīng)積極推動(dòng)工業(yè)廢水的資源化利用，開展試點(diǎn)示范，探索形成可復(fù)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(zhuǎn)化技術(shù)已成為處理油田污水中典型有機(jī)污染物HPAM的主力技術(shù)〔1?2，5，7?8〕。

建立一個(gè)可持續(xù)的生態(tài)環(huán)境需要減少污染量以及減少對(duì)礦物燃料的依賴，污水生物處理可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)。更重要的是，油田含HPAM污水在降解轉(zhuǎn)化的同時(shí)，還具有能源化和資源化的潛力〔9〕。近年來(lái)出現(xiàn)了一種由處理污染物到利用污染物的模式轉(zhuǎn)變，包括產(chǎn)甲烷厭氧消化、生物制氫和生產(chǎn)有利用價(jià)值的生物產(chǎn)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(jié)合對(duì)于生態(tài)可持續(xù)和資源回收具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 含聚丙烯酰胺污水生物降解轉(zhuǎn)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(lái)源的功能菌，在不同條件下探究了其對(duì)不同類型、不同濃度HPAM的降解效能。如經(jīng)功能菌（Bacillussp. PAM?2和Ochrobactrumsp. PAM?3）強(qiáng)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(dá)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(qiáng)化厭氧/好氧活性污泥，經(jīng)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(dá)到89.8%和32.9%，降黏率達(dá)到75.8%，相對(duì)分子質(zhì)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(qiáng)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(dá)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(xué)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(guān)，生物降解效能占污染物總?cè)コ艿?5%〔19?20〕。

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

筆者總結(jié)了此領(lǐng)域的部分代表性成果，見表1。

表1 PAM降解過(guò)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(zhuǎn)化途徑

微生物對(duì)于HPAM降解具有獨(dú)特的生化反應(yīng)途徑。研究人員從關(guān)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(jī)物的途徑中關(guān)鍵酶的作用位點(diǎn)，論證了HPAM作為碳源和氮源被微生物利用的依據(jù)〔27〕。HPAM的酰胺基團(tuán)被酰胺酶水解，—OH取代—NH2，釋放出—NH2，產(chǎn)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(chǎn)生的聚丙烯酸的碳骨架發(fā)生斷裂，被降解為鏈長(zhǎng)介于22～27碳原子數(shù)、相對(duì)分子質(zhì)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(zhuǎn)化為鏈長(zhǎng)介于17～31碳原子數(shù)、相 對(duì) 分子質(zhì)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(guò)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(zhuǎn)移的功能；脲酶作為氮循環(huán)中的胞外酶，具有促進(jìn)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(guān)，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(zhuǎn)化為反丁烯二酸、丁酸、丙酸、乙酸等中間產(chǎn)物的路徑。氧化酶和脫氫酶將PAM第一步水解產(chǎn)生的聚丙烯酸降解為乙酰輔酶A和丙酮酸，轉(zhuǎn)移輔酶將丙酮酸轉(zhuǎn)化為反丁烯二酸、羥基丁二酸、丁酮二酸；丙酰輔酶A和轉(zhuǎn)移輔酶將丙酮酸進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為丙酸；磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶和乙酸激酶將乙酰輔酶A轉(zhuǎn)化為乙酸；在乙酰輔酶A和乙酰乙酰輔酶A的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程中，乙酰輔酶A可以轉(zhuǎn)化為丁酰輔酶A，在磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶和丁酸激酶的協(xié)同作用下，丁酰輔酶A生物轉(zhuǎn)化為丁酸；乙酸和丁酸可以在丁酸激酶、乙酸激酶和磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶的協(xié)同作用下相互轉(zhuǎn)化。

1.3 聚丙烯酰胺生物降解動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)

針對(duì)HPAM生物降解速率與程度不清的問(wèn)題，研究人員建立了HPAM生物降解的動(dòng)力學(xué)模型與熱力 學(xué) 機(jī) 會(huì)〔1，11，29〕。Lanmei ZHAO等〔29〕建 立 了HPAM生物降解動(dòng)力學(xué)模型，并確定了酶促反應(yīng)的活化能，結(jié)果表明HPAM厭氧降解符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，最大降解速率常數(shù)為2.46 d?1，HPAM好氧降解符合米門公式，最大降解速率常數(shù)為16.4 mg（/L·d），活化能Ea為48.99 kJ/mol，相對(duì)較小的活化能揭示了典型的生化反應(yīng)現(xiàn)象。其還以乙酸和H2作為熱力學(xué)約束變量，繪制了HPAM生物降解熱力學(xué)機(jī)會(huì)窗口，從熱力學(xué)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(zhǎng)和電子轉(zhuǎn)移的能量源和電子供體，為了擴(kuò)大HPAM厭氧降解產(chǎn)甲烷 的 機(jī) 會(huì)，Lanmei ZHAO等〔11〕進(jìn) 一 步 選 取Fe3+和SO42?作為外源電子受體，繪制了產(chǎn)甲烷的熱力學(xué)機(jī)會(huì)窗口，闡釋了產(chǎn)甲烷體系的關(guān)鍵限制步驟。結(jié)果表明，F(xiàn)e3+作為電子受體的熱力學(xué)機(jī)會(huì)窗口大于SO42?，乙酸發(fā)酵型產(chǎn)甲烷的路徑占主導(dǎo)地位，乙酸氧化為CO2和H2的路徑作為關(guān)鍵限制步驟受到抑制。為了排除外源電子受體對(duì)體系的影響，Congcong ZHANG等〔1〕進(jìn) 一 步 探 索 了HPAM自 身 氮 轉(zhuǎn) 化 對(duì) 其生物轉(zhuǎn)化為甲烷的調(diào)控作用。熱力學(xué)約束表明，HPAM降解產(chǎn)生的NOx?進(jìn)一步提高了甲烷的產(chǎn)生潛力，NO3?作為電子受體對(duì)HPAM轉(zhuǎn)化為甲烷的調(diào)控作用高于NO2?。

1.4 聚丙烯酰胺生物降解技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

油田含HPAM污水高效生物降解技術(shù)在勝利油田孤四污水站成功地進(jìn)行了2.5×104m3/d的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，處理效果平穩(wěn)可靠〔8〕。經(jīng)過(guò)檢測(cè)，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(shù)通過(guò)先除聚、后除油除懸的理念，直接采用生化處理技術(shù)，不使用化學(xué)混凝劑，污泥量?jī)H為處理水量的0.002%，污泥主要成分為無(wú)機(jī)雜質(zhì)，不存在化學(xué)混凝處理0.2%污泥的后處理難題。試驗(yàn)中回收了污水中含有的90%原油，回收的原油進(jìn)入污油池后，再打回油站一級(jí)脫水罐，對(duì)孤四污水站的原油脫水無(wú)任何不良影響。該處理技術(shù)在試驗(yàn)期間的運(yùn)行成本合計(jì)為0.56元/m3，與應(yīng)用前的化學(xué)處理方法處理費(fèi)用0.73元/m3相比，每m3水處理成本可降低0.17元。該項(xiàng)技術(shù)不使用混凝劑，不產(chǎn)生化學(xué)污泥，沒(méi)有后續(xù)的污染物轉(zhuǎn)移及無(wú)害化處理的難題。按照孤四污水站污水量為2.5×104m3/d計(jì)算，節(jié)約藥劑費(fèi)155萬(wàn)元/a，節(jié)約污泥處理費(fèi)160萬(wàn)元/a，且回注污水能夠達(dá)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(jīng)濟(jì)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(zhuǎn)化為氫氣的潛力

目前，基于生物煉化概念的H2被認(rèn)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(huì)導(dǎo)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(chǎn)生潛力。在產(chǎn)氫體系進(jìn)水C/N為51時(shí)，H2（0.833 L/g）和VFA（465 mg/L）產(chǎn)量達(dá)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(chǎn)量隨關(guān)鍵酶的活性呈指數(shù)型上升（R2≥0.989）〔9〕。芽孢桿菌、假單胞菌屬和腸桿菌屬既是產(chǎn)H2又是降解HPAM的菌群，對(duì)H2產(chǎn)生和底物攝取具有協(xié)同作用。H2在HPAM酸化發(fā)酵階段產(chǎn)生〔9〕，HPAM首先在酰胺酶的作用下生物轉(zhuǎn)化為聚丙烯酸〔式（1）〕，然后通過(guò)脫氫酶生物轉(zhuǎn)化為丙酮酸和H2〔式（2）〕〔16〕，最后丙酮酸生物轉(zhuǎn)化為乙酸和H2〔式（3）～式（5）〕。丙酮酸和輔酶A先轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A和CO2〔式（6）〕〔11〕，乙酰輔酶A進(jìn)一步在磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶和乙酸激酶的聯(lián)合作用下生物轉(zhuǎn)化為乙酸，并且產(chǎn)生的能量以ATP的形式釋放〔11〕〔式（7）〕。丙酮酸和乙酰輔酶A轉(zhuǎn)化為乙酸的生物過(guò)程在熱力學(xué)上是可行的〔式（5）～式（7）〕。在理論和標(biāo)準(zhǔn)條件下（298.15 K，100 kPa），當(dāng)乙酸作為最終產(chǎn)物時(shí)，單位聚丙烯酸最大H2產(chǎn)量達(dá)到0.622 mL/mg〔9〕。

2.2 聚丙烯酰胺生物轉(zhuǎn)化為甲烷的潛力

電子受體的類型是調(diào)節(jié)HPAM厭氧降解產(chǎn)甲烷的關(guān)鍵因素，研究人員解析了不同外源電子受體對(duì)HPAM厭氧降解產(chǎn)甲烷的調(diào)控作用〔11〕。在沒(méi)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(chǎn)量、乙酸產(chǎn)量、乙酸激酶活性隨外源電子受體的加入而升高〔11〕。在沒(méi)有外源電子受體的體系中存在以H2和CO2為底物產(chǎn)甲烷的趨勢(shì)；以SO42–和Fe3+分別為電子受體的體系中存在以乙酸為底物產(chǎn)甲烷的趨勢(shì)。隨外源電子受體的加入，乙酸發(fā)酵型產(chǎn)甲烷作用占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷作用受到抑制。此外，連續(xù)攪拌、堿性預(yù)發(fā)酵和水熱預(yù)處理也增強(qiáng)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(guò)調(diào)節(jié)HPAM自身氮轉(zhuǎn)化，Congcong ZHANG等〔1〕闡釋了其生物轉(zhuǎn)化為甲烷的潛力。氧氣作為電子受體刺激了硝化細(xì)菌和HPAM降解菌的增殖，HPAM降解菌產(chǎn)生的脫氫酶促進(jìn)了HPAM氧化和電子傳輸，硝化菌分泌的脲酶增強(qiáng)了硝化反應(yīng)。HPAM水解和氧化產(chǎn)生的NOx??N反過(guò)來(lái)作為電子受體刺激了反硝化菌、產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的活性，不同功能菌形成了協(xié)同效應(yīng)，共同促進(jìn)了反硝化和產(chǎn)甲烷過(guò)程。

3 含聚丙烯酰胺污水資源化

3.1 聚丙烯酰胺生物轉(zhuǎn)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?jī)?chǔ)存介質(zhì)積聚的聚合物，與生物廢物處理相結(jié)合的新型生物塑料生產(chǎn)有望實(shí)現(xiàn)污染物的循環(huán)利用〔34?36〕。污水中的有機(jī)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(guò)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(chǎn)量〔34，38?39〕。將PHA的生產(chǎn)與污水生物降解相結(jié)合對(duì)于治理環(huán)境污染和緩解能源危機(jī)是非常有意義的〔40〕。

研究人員剖析了含HPAM污水中PHA的產(chǎn)生潛力〔9〕。PHA產(chǎn)量與底物攝取呈正相關(guān)，在產(chǎn)PHA體 系 進(jìn)水C/N為97、降 解 時(shí) 間為42 h時(shí)，PHA產(chǎn) 量（54.2% VSS）達(dá)到最大。芽孢桿菌屬、假單胞菌屬和腸桿菌屬既是產(chǎn)PHA又是降解HPAM的菌群，對(duì)PHA積累和底物的攝取具有協(xié)同作用。Lanmei ZHAO等〔41〕進(jìn)一步探索了不同原油水平對(duì)HPAM生物轉(zhuǎn)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(chǎn)量。脫氫酶活性變化趨勢(shì)與PHA產(chǎn)量變化趨勢(shì)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(xì)菌分泌PHA合成酶，將污水中的持久性有機(jī)物轉(zhuǎn)化為PHA〔42〕；脫氫酶提高了細(xì)胞中的NADH/NAD+比例，進(jìn)一步促進(jìn)了HPAM代謝產(chǎn)生的丁酰輔酶A和乙酰輔酶A轉(zhuǎn)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(wàn)德〔44〕對(duì)聚砜（PS）超濾膜進(jìn)行了多巴胺改性，大幅度提高了膜表面的親水性能，增強(qiáng)了抗污能力。研究發(fā)現(xiàn)，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(fù)率提高到85%。Wande DING等〔45〕進(jìn)一步制備了以SiO2薄膜為截鹽層的雜化納濾膜，實(shí)現(xiàn)了含HPAM模 擬 污 水 中MgSO4、Na2SO4、MgCl2和NaCl四種無(wú)機(jī)鹽離子的高效截留。在此基礎(chǔ)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(shí)際污水過(guò)程中凈水資源的汲取潛力。HPAM、COD、TOC和TN的 去 除 率 分 別 達(dá) 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(fù)到92%和87%。松散結(jié)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(jié)合的胞外聚合物（TB?EPS）中呈現(xiàn)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(jìn)一步比較了不同水樣重新配制HPAM溶液的黏度大小，順序?yàn)椋荷锝到夂蟮纳锨逡海寄み^(guò)濾后的水樣≈純水，該研究為處理油田實(shí)際含HPAM污水和提高水回用率方面提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持〔19〕。

4 結(jié)論和展望

（1）對(duì)于HPAM生物降解轉(zhuǎn)化，功能菌在HPAM降解轉(zhuǎn)化中發(fā)揮了舉足輕重的作用，關(guān)鍵酶誘導(dǎo)了HPAM的不同轉(zhuǎn)化途徑，HPAM生物降解具有不同的動(dòng)力學(xué)模型和熱力學(xué)機(jī)會(huì)，生物降解技術(shù)在勝利油田孤四污水站成功地進(jìn)行了2.5×104m3/d的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。

（2）對(duì)于HPAM能源化，HPAM具有生物轉(zhuǎn)化為H2和CH4的潛力，HPAM酸化發(fā)酵階段包含不同的產(chǎn)氫途徑，H2產(chǎn)量與底物去除和關(guān)鍵酶活性存在不同的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)，F(xiàn)e3+、SO42?和NO3?等作為電子受體擴(kuò)大了HPAM厭氧降解產(chǎn)CH4的機(jī)會(huì)。

（3）對(duì)于HPAM資源化，含HPAM污水具有轉(zhuǎn)化為PHA和凈水資源的潛力，PHA產(chǎn)量與HPAM降解、脫氫酶活性和菌群功能緊密相關(guān)，改性過(guò)濾膜及與活性污泥的耦合體系實(shí)現(xiàn)了對(duì)HPAM分子的高效截留。

在目前研究的基礎(chǔ)上，今后需進(jìn)一步深入開展兩個(gè)方面的研究：（1）從基因工程角度調(diào)控與油田產(chǎn)出污水中包括HPAM和原油等復(fù)合有機(jī)污染物生物轉(zhuǎn)化、增值資源產(chǎn)生相關(guān)的功能基因；（2）開發(fā)復(fù)合有機(jī)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(píng)估其在復(fù)合有機(jī)污染物降解和生物資源合成中的應(yīng)用潛力，開發(fā)復(fù)合有機(jī)污染物有效防控和轉(zhuǎn)化策略。