聚丙烯酰胺降解菌的篩選及降解特性研究,部分水解聚丙稀酸胺(Hydrolyzedpolyacrylamide,HPAM),是一種油田采油廣泛 使用的添加劑。在三次采油的過程中,HPAM作為驅(qū)油用的聚合物在采油過程中注入油 層,使原油與水溶液之間流度比下降,降低水的粘性指數(shù),從而提高原油采收率。但污 水中含有的HPAM會改變水的理化性質(zhì),使原油乳化導(dǎo)致水中含油量增高,粘度増大 且成分復(fù)雜難以降解;同時HPAM降解后產(chǎn)生的單體丙烯酰胺也會對人和動物的周圍 神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生不可修復(fù)的損害。如何降解HPAM是油田在聚丙烯酰胺驅(qū)油中非常關(guān)注 的問題。
聚丙烯酰胺在自然條件下自發(fā)降解緩慢,聚丙烯酰胺降解菌的篩選及降解特性研究,目前認為生物降解是聚合物無害化長效處 理的新途徑。近年來有關(guān)微生物降解HPAM的機理的研究主要集中在水解酶和胞外物質(zhì) 等方面,有研究認為微生物具有產(chǎn)生水解HPAM中酰胺基的還原酶類,參與氧化反應(yīng), 同時可以使長鏈HPAM斷裂成短鏈的、可被微生物吸收的小分子有機物,從而用于合成 蛋白質(zhì)等微生物生長必需物質(zhì);其他研究還表明一部分微生物能釋放非蛋白類還原性物 質(zhì),這些非蛋白類還原物質(zhì)作用于聚合物,可以引發(fā)氧化反應(yīng)導(dǎo)致聚合物鏈斷裂;目前 關(guān)于混合微生物的降解機制研究認為,混合生長的微生物可能是由于構(gòu)成了某種微生態(tài) 系統(tǒng),各類微生物在系統(tǒng)中相互配合共同作用,而混合菌在微生物生態(tài)系統(tǒng)中具體協(xié)同 機制有待研究。
本文從由陜西長慶油田泥漿池廢液和油田廢棄泥漿池周圍土壤中分別分離篩選出 兩株對HPAM具有良好降解能力的菌株,對其進行了生理生化檢測,初步確定編號CJ419 為假單胞菌,F(xiàn)A16為枯草芽孢桿菌;以HPAM作為微生物生長的唯一碳源和氮源配置 HPAM培養(yǎng)基,對兩株菌分別降解HPAM的效果,以及同時作用于HPAM的降解效果進 行了研究,重點檢測兩種菌協(xié)同降解時的生長情況和聯(lián)合降解能力,初步探討了兩種菌 協(xié)同降解聚合物的機理;對兩株菌共同降解時的pH、溫度、接種量、活化次數(shù)等參數(shù)進 行了優(yōu)化探討;利用發(fā)酵手段制備了固體菌劑,模擬了擴大化試驗,并利用正交手段對 固體菌劑復(fù)配比例和擴大化試驗中各參數(shù)進行了研究的并確定了最優(yōu)值。
聚丙烯酰胺已成為石油開采后采出水中的主要污染物,對聚丙烯酰胺的降解研究已 成為進年來的研究熱點。本論文對聚丙烯酰胺的降解做了初步的探討,對他人研究和擴 大化處理有一定的指導(dǎo)意義。
石油是一種不可再生的資源,是經(jīng)濟賴以運轉(zhuǎn)的血液,對國家龐大的經(jīng)濟體更是重 要。隨著我國人口和國民經(jīng)濟的快速增長,對以石油為原料的能源需求增長迅猛,各國 均將石油作為戰(zhàn)略性物資進行研究、規(guī)劃和開發(fā)。1993年我國從原本每年輸出3千萬噸 的石油出口國,搖身一變成為石油進口國,而目前它是僅次于美國的第二大石油消費國, 也是僅次于美國和日本的第三大石油凈進口國。中國石油消費量達3億1千7百萬噸, 凈進口石油占1億3千6百萬噸。據(jù)中國媒體報道,2004年一項關(guān)于中國未來能源供需 的預(yù)測,到了 2020年,中國石油消費量缺口將達兩億多噸[1]。通過勘探發(fā)現(xiàn)新的油田、 新的油藏以及通過油藏的擴邊來補充石油地質(zhì)儲量是石油增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)最直接、最有效的 途徑。但由于石油是不可再生資源,隨著勘探程度的提高,新增地質(zhì)儲量的難度將越來 越大,潛力越來越小。近年來我國新增地質(zhì)儲量多是豐度低[2]、油層物性差、開發(fā)難度 很大的油藏。為了解決石油的供需矛盾,除了加強勘探,尋找新的石油儲量外,更重要 的是進一步提高原油采收率。
石油是一種埋藏于地層深部的流體礦藏,具有獨特的開采方式。與其他礦物資源相 比,石油的采收率較低?,F(xiàn)今的采油技術(shù),在對油田進行一次采油和以水驅(qū)開發(fā)為主的 二次采油后,只能采出原始地質(zhì)儲量的30W0%,還有60-70%的石油留在油層中。因原 油含水率不斷增加,對如何提高石油資源利用率的問題,部分大油田先后進入三次采油
階段。三次采油,即提高石油采收率(Enhanced Oil RecoveryEOR) 近年來作為
一個術(shù)語在概念上已趨于完善和統(tǒng)一并被普遍使用。
當今提高石油采收率技術(shù)已較為成熟,并逐漸成為許多開采殆盡的油礦所采用的主 要的采油技術(shù),三次采油因其投資成本低,就地使用,經(jīng)濟效率高等優(yōu)點,成為各國研 究的熱點。但各地區(qū)在追求利益的同時,對環(huán)境也帶來了潛在的威脅。我國各大油井都 進入了采油后期,三次采油帶來巨大利益的同時,對采油地區(qū)的水土有著不可估量的威 脅。本研究從石油采出水的處理出發(fā),探討了采油污染的生物處理方法。
1采油方法簡介
在石油界,石油開采技術(shù)可以分為如下三類:
(1)利用天然能量采油技術(shù)——即通常稱為的一次采油:它是利用油藏中的天然能量
作為驅(qū)油動力的一類原油開采方法。用于石油開采的天然能量包括溶解氣、氣頂、邊水 和底水、原油和巖石的彈性能、重力等。^
(2)補充能量采油技術(shù)一即通常所說的二次采油,通過注氣或注水,向油層中補充 能量提高油層壓力的一類原油開采方法。
(3)提高石油采收率(EOR)技術(shù)一即通常的三次采油,向油藏中注入驅(qū)油劑或調(diào) 剖劑,改善油藏及油藏流體的粘度或改變原油與地層中的其他介質(zhì)界面張力等物理化學(xué) 性質(zhì),用這種物理、化學(xué)方法來驅(qū)替油層中不連續(xù)的和難采原油的方法統(tǒng)稱為提高石油 采收率技術(shù)。
在一次采油階段,石油可以依靠來源于覆蓋于石油層的巖石對其所處的地層和地層 當中的流體所施加的壓力通過油井流到地面。當油層通過油井與地面連通后,在壓差的 作用下,上覆地層將石油從油層擠到油井中并舉升到地面,石油經(jīng)由地表和地底的壓力 差很容易的采出。隨著原油及天然氣不斷產(chǎn)出,油層巖石及地層中流體的體積逐漸擴展, 彈性能量也逐漸釋放。
在二次采油階段,人們通過向油層中注氣或注水提高油層壓力,為地層中的巖石和 流體補充彈性能量,重新建立壓力差,從而能夠采出僅靠天然能量不能采出的石油。但 是,由于地層的非均質(zhì)性,注入流體總是沿著阻力最小的途徑流向油井,處于阻力相對 較大的區(qū)域中的石油不能被驅(qū)替出來。即便是被注入流體驅(qū)替過的區(qū)域,也還有一定數(shù) 量的石油由于巖石對石油的吸附作用而無法采出,另外,有的原油在地下就像瀝青一樣 根本無法在油層這種多孔介質(zhì)中流動,因此,二次采油方法提高原油采收率的能力是有 限的。
在三次采油階段,人們通過采用各種物理、化學(xué)方法改變原油的粘度和對巖石的吸 附性,以增加原油的流動能力,改變原油的理化性質(zhì),使原油隨著添加物質(zhì)共同采出, 從而進一步提高原油采收率。其主要原理是通過注入化學(xué)物質(zhì)、添加劑、蒸氣、氣(混) 相或微生物等,從而改變驅(qū)替相•油水界面性質(zhì)或原油本身的物理化學(xué)性質(zhì)。
目前世界上己形成領(lǐng)先的三次采油技術(shù)。其中四大技術(shù)系列是當今采用工程中重點 采用的技術(shù),分別為氣驅(qū)、微生物采油、熱力驅(qū)和化學(xué)法[4]。以下對三次采油的四大技 術(shù)分別作以介紹。
凡是以氣體作為主要驅(qū)油介質(zhì)的采油方法統(tǒng)稱為氣驅(qū)(Gas flooding),根據(jù)注入氣 體與地層原有的相態(tài)特性,氣驅(qū)可分為氣體混相驅(qū)與氣體非混相驅(qū)兩大類。作為驅(qū)油劑 的氣體通常有C02、N2、輕烴、煙道氣等。
微生物采油(Microbial Enhanced Oil RecoveryMEOR)是利用微生物及其代謝
產(chǎn)物作用于油藏及油藏中的原油、改善原油的流動特性和特性[5]提高驅(qū)油劑的波及體積 和微觀驅(qū)油效率的一類采油方法。
熱力采油法(Thermal recovery) [6]主要是利用降低原油粘度來提高采收率。向油藏 內(nèi)注入熱流體或使油層中的原油就地燃燒,形成移動熱流降低原油粘度,增加原油流動 能力的采油方法。根據(jù)油藏中熱量產(chǎn)生的方式,熱力采油可分為熱流體法、化學(xué)熱法和 物理熱法三大類。
化學(xué)驅(qū)油法是目前常用的采油方法m。凡是以特定的化學(xué)劑或其復(fù)合體系作為驅(qū)油 劑,以改善地層流體的流動特性、改善驅(qū)油劑-原油-油藏空隙之間的界面特性,增加地 層水的粘度,改變原油和地層水的粘度比為基本原理的采油方法統(tǒng)稱為化學(xué)驅(qū)油 (Chemical flooding)。常見的化學(xué)驅(qū)油法有聚合物驅(qū)、表面活性劑驅(qū)、堿水驅(qū)、化學(xué)復(fù) 合驅(qū)(如面活性劑-聚合物二元復(fù)合驅(qū)、堿-表面活性劑-聚合物三元復(fù)合驅(qū))等。以酰胺 為主體的注聚合物三次采油試驗,明顯地提高了原油采收率,取得了十分可觀的經(jīng)濟效 益。
2聚丙烯酰胺在油田提高采收率的應(yīng)用及危害
聚合物驅(qū)中所使用的聚合物最典型的代表是丙烯酰胺類聚合物,其已被廣泛應(yīng)用于 石油開采及三次采油中,成為提高原油采收率的重要手段[8]?,F(xiàn)今我國的主力油田的開 發(fā)已處于開發(fā)后期,即高含水期,單純補充能量的二次采油工藝已不能滿足開采需要。 現(xiàn)今,多數(shù)油田主要采用聚合物驅(qū)油等技術(shù)提高原油采收率,在改善水驅(qū)油效果的同時, 也取得明顯的增油降水效果和一定的經(jīng)濟效益,采油后期加入聚丙烯酰胺等大分子物質(zhì) 已經(jīng)成為油田彌補產(chǎn)量遞減的重要技術(shù)手段[9]。
聚丙烯酰胺驅(qū)油研究已經(jīng)是當今采油的熱點,聚丙烯酰胺降解菌的篩選及降解特性研究,各國的三次聚合物采油技術(shù)已趨于成 熟。而聚丙烯酰胺對環(huán)境的污染問題也日益得到重視。聚合物分子量大,結(jié)構(gòu)比較緊密, 一般的物理、化學(xué)作用的方式難于降解,同時聚丙烯酰胺注入地下油層,對當?shù)厮w帶 來潛在的威脅;聚丙烯酰胺的單體對人體也有一定的毒害作用,也可能是潛在的致癌物, 所以對聚合物降解的研究迫在眉睫。
2. 1聚合物驅(qū)油
本世紀初,石油工業(yè)界已意識到通常的采油方法采收率不高,1964年P(guān)ye和
Sandif〇rd[1(M1]建議加入少量水溶性聚合物來降低水的流度。此后,在聚合物驅(qū)油方面進 行了大量的研究工作,同時也進行了許多關(guān)于聚合物驅(qū)油的計算機數(shù)值模擬的研究。美 國于1964年開始了聚合物驅(qū)油的現(xiàn)場試驗和工業(yè)規(guī)模的使用試驗,截止1981年底已完 成或正在進行的聚合物驅(qū)油試驗項目共計218個。同時蘇聯(lián)、羅馬尼亞等國也都進行了 聚合物驅(qū)油工業(yè)性試驗,在地質(zhì)條件和油礦性質(zhì)不同的多個地區(qū)展開試驗,效果顯著, —般可提高6%~8%的原油采收率[12]。
20世紀90年代初,國內(nèi)的三次采油技術(shù)也開始迅猛發(fā)展,自1992年勝利油田第一 個聚合物驅(qū)先導(dǎo)試驗在孤島油田開展以來,很多的大型油田,包括大慶、大港、河南、 遼河等油田也都進行了關(guān)于聚合物開采石油的先導(dǎo)性試驗。其中,我國的大型油田大慶 油田、勝利油田等已形成注入聚合物采油的大規(guī)模生產(chǎn)階段,原油年生產(chǎn)可以達到1200 萬噸以上。陜北地區(qū)的長慶油田、延長油田等因為其石油自身的性質(zhì),同樣采用了聚丙 烯酰胺采油技術(shù),采油效率和產(chǎn)量相比單純的二次采油明顯提高。目前,聚丙烯酰胺采 油技術(shù)已經(jīng)成為我國大型油田三次采油生產(chǎn)中主要應(yīng)用的技術(shù)[13]。
聚丙烯酰胺水溶液作驅(qū)油劑又叫稠化水驅(qū)或增粘水驅(qū)[14]。其驅(qū)替機理主要是先將聚 丙烯酰胺和新鮮的水混合注入采油井下,水-聚丙烯酰胺的混合物進入井下油層,減少 水與油的流度比,減少二次采油中水的指進作用,提高驅(qū)油劑的波及指數(shù),從而提高油 層中因二次采油采出率低而剩余原油的采收率。
聚丙烯酷胺在水中易水解,在水中成為部分水解聚丙烯酸胺。部分水解聚丙烯胺能 選擇性堵水,二次驅(qū)油時的氣、水進入出水層的難度較大,而聚丙烯酰胺的水溶液可以 直接進入出水層,其中的的-CONH2和-COOH等基團可通過氫鍵吸附在砂巖表面,在砂 巖表面形成一層HPAM膜,HPAM的大分子部分則留在外側(cè);進入油層的部分水解聚 丙烯酰胺,對油層吸附作用很小[15],并不堵塞油層,但大分子的HPAM可以引起出水 層的堵塞。在油水走通過同一孔道的情況下,也能只堵水而對油沒有堵塞作用,因為部 分水解聚丙烯酰胺上的親水基團-COOH水解成為-COO_和H",-COCT使大分子鏈帶負電 從而產(chǎn)生靜電斥力,和水中的陽離子結(jié)合,形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),對水產(chǎn)生較大的流動阻力, 起到堵水作用。而當油通過部分水解聚丙烯酰胺時,因為同性相斥的原理,它對油沒有 親和力,分子不能在油中伸展,因而對油的流動阻力很小。在堵水時,部分水解聚丙烯 酰胺通常配制成200-2000mg/L的潛液注入油井中使用。
聚丙烯酰胺溶液屬高分子溶液,由于在采油工程作業(yè)時高分子溶液流速增加,拆散 了大分子的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致粘度降低,所以聚丙烯酰胺溶液的流型不屬于牛頓流體 而是假塑性流體,在向油層注含聚丙烯酰胺的增粘水時,在井筒中流速很大,所以造成 了很大的剪切力,此時聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拆散,結(jié)構(gòu)粘度消失,減少了管內(nèi)流動阻力,使 水油混合物快速上升[16];達到地層后水油混合物流速減小,此時網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)恢復(fù),大分子 又恢復(fù)常溫常壓下的高粘度,這樣注入劑與地層油的流度比接近1,此時采油過程又變 為活塞式驅(qū)替,使注入的聚丙烯酰胺的波及系數(shù)增大,可以提高采收率。這種性質(zhì)對注 增粘水驅(qū)動地層油是非常有益的。
2. 2聚合物驅(qū)油對環(huán)境的危害
聚丙烯酰胺為油田生產(chǎn)提高了采收率,但同時我們應(yīng)該看到,采油過程后采出水對 環(huán)境帶來了巨大的潛在危害[17]。注入地層的聚丙烯酰胺-原油-水混合液,首先經(jīng)過采油 工程的污水處理設(shè)施,在污水處理設(shè)施中先對水、油混合物進行初步分離和簡單的沉降 處理。但是因為采油中添加了聚合物,大幅提高了油水混合液的粘度和乳化性質(zhì),油水 混合物在處理設(shè)施中難于降解,油水不分離,沉降難度增大,從而造成采出水的含油量 嚴重超標。在提高原油采收率的采油作業(yè)中,由于油田配制聚丙烯酰胺需要新鮮的水, 采油過程中由于低滲透地層的壓力作用,一部分聚丙烯酰胺采出水外排入地層。滲透入 地層的部分水解聚丙烯酰胺通過一定的地層結(jié)構(gòu),從地下的采油層慢慢滲透到地下水 層??梢钥吹皆诓捎瓦^程中聚丙烯酰胺同時污染了地上和地下的水體,水油混合物中的 聚丙烯酰胺含量很高,長期滯留在水體中,會對采油位置的當?shù)厮h(huán)境造成巨大的危害
[18]。雖然聚丙烯酰胺本身是安全無毒的,但是其分解產(chǎn)生的單體丙烯酰胺(AM)是一 種有毒化學(xué)物質(zhì),在動物試驗中有致突變性和致癌性可能。對于環(huán)境中的丙烯酰胺濃度 各國都有相應(yīng)的法律法規(guī):英國規(guī)定飲料中AM含量<0.25\10"^七-1[19];美國職業(yè)安全 與衛(wèi)生法(OSHA)規(guī)定職業(yè)接觸標準是空氣中丙烯酰胺的閾值-時間加權(quán)平均 (TLA-TWA)為0.3mg/mp()];日本規(guī)定向河水中排放丙烯酰胺含量<l〇Xl〇VL;但我 國目前對聚丙烯酰胺的排放和可能帶來的影響并沒有相關(guān)的數(shù)據(jù),對其危害還沒有引起 足夠的重視。
丙烯酰胺對人皮膚細胞有毒性,可引起皮膚角化過度、脫屑、濕疹、牛皮癬等[21], 可能是造成皮膚乳頭狀瘤發(fā)生率較高的原因;過分曝露于高濃度丙烯酰胺蒸汽中可能導(dǎo) 致眼睛和呼吸道感染,引起頭昏、頭痛、嗜睡、肺部損傷,重者可對其他中樞神經(jīng)系統(tǒng) 造成影響甚至死亡[22];同時AM對HaCaT細胞DNA確有一定的損傷效應(yīng)[23],提示其 對人皮膚細胞具有基因毒性。研究還發(fā)現(xiàn),丙烯酰胺對人皮膚細胞中細胞色素P450酶 系的代謝具有損傷效應(yīng)[2\同時丙烯酰胺可能是一種致癌物質(zhì),其長期的潛在威脅也是 不容小視的。
3聚合物驅(qū)油產(chǎn)出污水的處理研究進展
目前,聚丙烯酰胺的應(yīng)用范圍和規(guī)模正逐步擴大,在自然環(huán)境中逐步累積、遷移和 轉(zhuǎn)化,帶來的毒性也將逐漸的顯露出來。聚丙烯酰胺殘留將給生態(tài)環(huán)境帶來不可估量的 長期危害。因此,含聚污水的處理成為現(xiàn)今采油作業(yè)后期亟待解決的問題。
國內(nèi)外油田含油污水處理技術(shù)的發(fā)展是曲折的[2W6]。從采油初期到現(xiàn)代經(jīng)歷了排 放、自然蒸發(fā)、回灌、生化處理、綜合利用的發(fā)展歷程,并在生產(chǎn)實踐中開發(fā)出了多種 多樣污水處理技術(shù)。
現(xiàn)今對于含聚污水處理技術(shù)主要采用的是沉降-過濾組合工藝等物理、化學(xué)相結(jié)合 的方法。在沉降罐中經(jīng)自然沉降處理后,添加破乳劑、浮選剤和絮凝劑絮凝沉降[27],對 于陽離子聚丙烯酰胺等物質(zhì),物理化學(xué)結(jié)合處理方法具有良好的效果,但處理過后的絮 凝廢棄物仍無法有效處理,從而導(dǎo)致污染環(huán)境的二次污染[28]。
光化學(xué)氧化和光催化氧化降解也是近年來科學(xué)家研究的熱點。光化學(xué)氧化法和光催 化氧化法可以在常溫、常壓下進行,同時可有效去除有機污染物;同時處理過后無二次 污染,光化學(xué)氧化和光催化氧化因為其優(yōu)點突出而被用于難降解有機物處理上。但這種 處理方法尚在研究階段,條件較為苛刻,對大規(guī)模生產(chǎn)起的指導(dǎo)作用很小,同時需投入 專業(yè)的儀器設(shè)備和人力資源,處理成相對較高[29]。
生物降解近年來也是研究的熱點。研究發(fā)現(xiàn)生物降解可以在井下的極端環(huán)境發(fā)生, 降解聚合物的微生物種類也多種多樣。微生物混合降解時可以發(fā)揮更大的降解效能,微 生物可以通過相互的協(xié)調(diào)作用等方式達到快速降解聚合物的目的。
4生物降解聚丙烯酰胺的研究進展
生物降解聚丙烯酰胺是目前研究的熱點問題[3()]。用生物法降解含油污水中的聚丙烯 酰胺,主要是在微生物生長階段,以聚丙烯酰胺為營養(yǎng)物質(zhì),利用微生物自身的酶系和 分泌物等對大分子聚合物進行解鏈分解成小分子物質(zhì)的過程,有效降解聚合物的方法
[31]。生物降解分為厭氧階段和耗氧階段,厭氧階段主要由厭氧微生物進行,可以利用聚 合物進行生長繁殖從而導(dǎo)致聚合物降解成小分子物質(zhì),耗氧階段和厭氧階段的方式相 似,只是由耗氧微生物進行降解作用。兩種降解階段經(jīng)常相互配合,共同完成對聚合物
的降解作用。
國內(nèi)外關(guān)于微生物降解HPAM的文獻報道有很多。聚丙烯酰胺降解菌的篩選及降解特性研究,日本的Kunichika N等人95年[32] 在30°C下,以HPAM作為唯一的碳源和氮源,配置HPAM培養(yǎng)基,從活性污泥和土壤 中分離出兩株降解菌株;經(jīng)過27h培養(yǎng),PAM平均分子量從2X106降至0.5X106。實 驗表明,微生物并不能完全降解HPAM,只能利用很少一部分的HPAM,在濃度很低的 HPAM存在的情況下也不能完全被微生物降解。研究在土壤中分離的微生物,以HPAM 土壤作為微生物的培養(yǎng)基,降解結(jié)果發(fā)現(xiàn)微生物只能利用HPAM作為氮源而生長[33]。 但HPAM不能作為微生物生長的碳源,原因尚不清楚,可能是HPAM在土壤中經(jīng)過自 我轉(zhuǎn)化為長鏈的聚丙烯酸酯,再被微生物作為氮源利用。
黃峰等人[34]的實驗表明,經(jīng)過連續(xù)活化傳代5次,其篩選出的腐生菌(TGB)在 1000mg/L的PAM液體培養(yǎng)基中30°C搖瓶培養(yǎng)7 d,檢測溶液降解率可達11.2%。繼續(xù) 培養(yǎng)至30d,其黏度損失率仍不超過12%??梢钥闯龈鷮郾0返慕到馑俾瘦^ 低,降解效果仍有待研究。而從中原油田污水中,研究者分離篩選出一株硫酸鹽還原菌 (SRB)[35],對其降解HPAM的效能進行研究發(fā)現(xiàn),接種的菌量為3.6X104個/mL,30°C 恒溫搖床培養(yǎng)7d后,HPAM的黏度損失率可以達到19.6%,但連續(xù)降解30d,降解效率 亦沒有明顯的提高。
韓昌福等[361以黃孢原毛平革菌為研究對象,采用葡萄糖、酒石酸銨、苯甲醇、MgS04、 KH2P04、VB、微量元素液為培養(yǎng)基,35°C條件下培養(yǎng)21d,篩選出了一株黃孢原毛平 革菌,研究發(fā)現(xiàn)該菌對HPAM具有一定的酶催化降解能力。張英筠等[17]分離篩選出的 優(yōu)勢菌可對HPAM溶液有良好的降解效果,培養(yǎng)的優(yōu)勢菌種在降解HPAM的同時,也 可將脫落的丙烯酰胺單體降解成為二氧化碳、水、氨氣等無害物質(zhì),使降解過程不會對 環(huán)境造成二次污染。
隨著聚合物驅(qū)在油田的大范圍使用以及含聚污水的逐年增加,研究者對于含聚丙烯 酰胺采油污水的處理研究逐漸增多。但總體來看,大多實驗研究處于實驗室階段,聚丙 烯酰胺的生物降解研究尚處于起步中。
4.1降解聚丙烯酰胺的典型種群
近年來有許多關(guān)于降解石油中的聚丙烯酰胺的報道。最近的研究表明降解聚丙烯酰 胺的微生物種類還是很豐富的,表1-1是近年來研究者篩選出的能降解聚丙烯酰胺的微 生物種群,其中包括了細菌、放線菌、古細菌和真菌等幾乎所有大類的種群。
表1-1聚丙烯酸胺降解菌的典型種群
Tablel-1 Typical HPAM degrading bacteria population
菌種形態(tài)菌種來源
乳白、圓、形狀規(guī)則、干燥
1.0~1.7X2-5桿狀、不成鏈油田產(chǎn)出液
G+無端生
乳白、透明、圓、黏1.0-1.5油田污水
X 1.5?3.0球桿狀G-有無南陽采油一廠注聚聯(lián)合站的
含聚合物廢水和該站配制聚
丙烯酸胺溶液所清除的罐底
污泥
A9菌株為短桿菌,(0.4-1.0)w
mXl.Ou mX l.〇p m,Q有莢中原油田現(xiàn)場取樣
膜,能運動,兼性厭氧油田現(xiàn)場取樣
降解菌種群
芽孢桿菌[37]
假單胞菌t38l 節(jié)細菌[39]
硫酸鹽還原菌[4<>]
腐生菌[41]
4. 2復(fù)合菌的優(yōu)勢
研究微生物對聚合物的降解過程的時候,一般在實驗室中都采取單一菌株降解的 實驗,單菌株降解研究的條件易于控制,結(jié)果清晰,重復(fù)性好,所以研究中首先會對單 菌株降解聚合物的過程進行監(jiān)控。但單菌株的降解效果一直不理想。而隨著生產(chǎn)過程中 各種增稠劑、冷卻劑等化學(xué)添加劑的廣泛應(yīng)用,大量有毒有害難降解的物質(zhì)進入了研究 微生物生長的環(huán)境當中,菌株生長環(huán)境復(fù)雜的同時,也對菌株生長繁殖產(chǎn)生了極大危害。 單一的微生物一般難以降解利用這些化學(xué)添加劑,這些物質(zhì)還對微生物的生長繁殖有較 強的毒害作用。主要原因是單一的微生物生長環(huán)境單純,對有毒有害物質(zhì)的抵抗降解能 力較弱,聚丙烯酰胺降解菌的篩選及降解特性研究,同時降解中一種微生物酶系也較為單一,對聚合物的降解作用有限。因此在降 解HPAM的研究中我們需要利用微生物種群間的協(xié)同作用來增強降解效果和抵消環(huán)境 對微生物的毒害作用[42]。
董春娟等[43]研究認為微生物群落可以對難降解物質(zhì)進行分別降解,即首先由一種或 幾種微生物降解難降解的大分子物質(zhì)為小分子的物質(zhì),再由其他微生物共同作用,通過
共降解、協(xié)同效應(yīng)等途徑實現(xiàn)對大分子物質(zhì)的生物降解。多菌種可以通過種群間的協(xié)調(diào) 作用,利用各自擁有的酶系統(tǒng)全部或部分對有機物進行聯(lián)合降解;同時微生物群落中不 同基因有時會發(fā)生基因交換或重組,從而形成全新的降解酶系和新的降解途徑。對于難 降解物質(zhì),菌種的降解途徑也是多樣的,有些微生物群落需要在完全厭氧環(huán)境下進行降 解作用;有些群落需經(jīng)過厭氧降解,將大分子有機物降解為小分子物質(zhì),再由好氧微生 物以降解得到的小分子物質(zhì)為底物,最終降解小分子物質(zhì)為環(huán)境中的無害物質(zhì);而很多 情況下微生物種群需要一系列好氧、厭氧過程的相互轉(zhuǎn)化配合才能最終達到降解目的。 文章最后建議有必要對各種微生物生態(tài)系統(tǒng)、微生物群落及其降解微環(huán)境進行深入研 究。
佘躍惠等[44]利用7株HPAM降解菌混合降解,研究群落對實驗配置的HPAM和對 含HPAM廢水的處理情況,同時文章對生物群落的降解機理進行了初步探索。研究主 要考察了混合菌在加入其他更容易被利用的碳源(酵母膏)的HPAM培養(yǎng)基中的生長 情況,研究了微生物以HPAM為唯一氮源(加入液蠟為碳源)的生長情況,同時研究 了微生物群落以HPAM為唯一碳氮源時的生長情況。研究發(fā)現(xiàn)當存在比HPAM更容易 利用的碳源氮源時(酵母膏和液蠟),微生物的降解效能較高,說明微生物可能更容易 利用其他小分子物質(zhì)作為營養(yǎng)物質(zhì)生長繁殖;但以HPAM為唯一碳氮源時也可以引起 PAM的降解,說明生物群落可以單獨利用HPAM進行生長繁殖從而達到降解效果。研 究還發(fā)現(xiàn)微生物間存在一定的群落效應(yīng),在擁有合適底物的時候,群落中的某些微生物 會產(chǎn)生特殊的代謝產(chǎn)物或酶類,這些物質(zhì)會與HPAM接觸而相互作用,從而導(dǎo)致HPAM 的水解,而水解的小分子產(chǎn)物又被群落中的微生物所利用進行生長繁殖,從而進一步對 小分子物質(zhì)降解,最終導(dǎo)致HPAM的分解。但是文中并沒有關(guān)于此種機理的研究報道。
聚丙烯酰胺驅(qū)油的采出液中,不僅含有聚丙烯酰胺,還含有少量原油、增稠劑、乳 化劑等多種物質(zhì)。如何篩選出可以適應(yīng)石油采出廢水這樣的復(fù)雜環(huán)境,同時具有對聚丙 烯酰胺高效降解作用的菌株,減少環(huán)境污染帶來的壓力,是現(xiàn)在研究者共同關(guān)注的問題。 目前篩選出的菌種大部分可以在實驗室條件下降解聚丙烯酰胺[4547],但鮮見關(guān)于大規(guī)模 采油作業(yè)后進行聚丙烯酰胺污水降解處理的報導(dǎo),所以急需解決的問題之一便是篩選出 可以在大規(guī)模采油作業(yè)中進行聚丙烯酰胺污水降解處理的菌種菌群。
5本論文的研究內(nèi)容
已知可降解各類HPAM的微生物共計100余屬,200多種,包括細菌、放線菌、霉 菌以及酵母菌等。自然環(huán)境中存在著多種石油降解微生物,特別是在石油污染區(qū)域的水 體與土壤中,微生物經(jīng)過自然環(huán)境下的篩選馴化,逐步形成擁有適應(yīng)污染環(huán)境并有降解 污染潛力的微生物種群。
研究發(fā)現(xiàn),污染土壤、水體中的微生物,對污染物的抗性及降解速率都有顯著提高, 因此本實驗針對采油廢水中HPAM的生物降解,進行以下幾個方面的研究:
(1)從采油現(xiàn)場的水體和土壤中富集對HPAM有降解潛力的菌株,經(jīng)實驗室培養(yǎng)分離 純化得到具有降解HPAM能力的菌株,并對菌株進行生理生化檢測;
(2)分別對單一菌株和混合菌株的降解能力進行研究,聚丙烯酰胺降解菌的篩選及降解特性研究,并分析降解效果及其原因;研 究菌株細胞內(nèi)外環(huán)境中HPAM的降解作用,對聚丙烯酰胺降解機理進行初步探索;
(3)研究降解條件,在PH,溫度,接種量,活化次數(shù)等參數(shù)方面進行實驗從而優(yōu)化實 驗條件;
(4)固體菌劑的制備及模擬現(xiàn)場降解實驗,探討生產(chǎn)中的實際降解效率。
本文推薦企業(yè):山東東達聚合物有限公司(http://www.astroloca.com/),是專業(yè)的陰離子聚丙烯酰胺,陽離子聚丙烯酰胺,聚丙烯酰胺生產(chǎn)廠家,專業(yè)生產(chǎn)聚丙烯酰胺,陰離子聚丙烯酰胺,陽離子聚丙烯酰胺,非離子聚丙烯酰胺。擁有雄厚的技術(shù)力量,先進的生產(chǎn)工藝和設(shè)備。東達聚合物有限公司全體員工為海內(nèi)外用戶提供高技術(shù),高性能,高質(zhì)量的聚丙烯酰胺產(chǎn)品。專業(yè)聚丙烯酰胺生產(chǎn)廠家:山東東達聚合物有限公司熱忱歡迎國內(nèi)外廣大客戶合作共贏。