王作超,唐春曉,張慧超,李 欣,上官默涵,安眾一,*

(1.中建八局第一建設(shè)有限公司,山東濟(jì)南 250100;2.煙臺大學(xué)土木工程學(xué)院,山東煙臺 264005)

微藻生長速度快、IC去除效率高、環(huán)境適應(yīng)性好,本課題組前期研究已經(jīng)獲得高效降解PAM的生物菌劑,且降解產(chǎn)物不含丙烯酰胺單體[2]。如將藻類固碳功能與細(xì)菌的PAM降解功能結(jié)合,構(gòu)建藻菌共生體系,在降解PAM基礎(chǔ)上,降低石油驅(qū)采水潛在碳排放,具有很強(qiáng)的應(yīng)用潛力和實(shí)際價值。本文將固定化菌藻共生系統(tǒng)應(yīng)用于模擬驅(qū)采出水的處理,以達(dá)到廢水中PAM和IC的同步去除。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用水的組成為:25 mg/L NaCl,175 mg/L KH2PO4,75 mg/L MgSO4,97.5 mg/L K2HPO4,19 mg/L CaCl2,4.2 mg/L ZnCl2,1.44 mg/L MnCl2,0.71 mg/L MoO3,1.57 mg/L CuSO4,0.4 mg/L CoCl2,11.42 mg/L H3BO3,50 mg/L 乙二胺四乙酸(EDTA),31 mg/L KOH和4.98 mg/L FeSO4。使用的PAM來源于大慶油田,陰離子型,分子量為2 000萬。

1.2 試驗(yàn)裝置

旋轉(zhuǎn)式藻生物膜(RAB)反應(yīng)器有效容積為1.6 L,以帆布(15 cm×60 cm)為生物膜負(fù)載基底,有效附著面積為870 cm2,通過電機(jī)帶動生物膜旋轉(zhuǎn)進(jìn)行水氣相交換,電極轉(zhuǎn)速為10 r/min。試驗(yàn)采用序批式進(jìn)水方式,在一個試驗(yàn)周期結(jié)束后,將新配制的試驗(yàn)用水置換入反應(yīng)器中,然后進(jìn)行下一周期的試驗(yàn),如此循環(huán)。由于水分蒸發(fā),每天補(bǔ)充去離子水至1.6 L。該裝置在自然光和日光燈下,藻膜表面光照強(qiáng)度為2 000～3 000 lux,日光照時間為24 h。

1.3 菌藻來源與接種

菌藻來源于長期用于接種PAM的生物接觸氧化反應(yīng)器內(nèi)壁自然生長的生物膜。將其刮掉制成菌藻混合液作為RAB反應(yīng)器的接種劑接種到RAB反應(yīng)器中培養(yǎng)掛膜,并不斷補(bǔ)充營養(yǎng)物質(zhì),RAB反應(yīng)器上的微生物在自然條件下生長,經(jīng)20～30 d的培養(yǎng)可形成2～3 mm厚的生物膜。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 PAM濃度的影響

為考察RAB對不同PAM濃度試驗(yàn)用水的處理效果,試驗(yàn)用水中PAM質(zhì)量濃度分別為100、200、300、400、600、800 mg/L。為了促進(jìn)微生物的生長,補(bǔ)充了一定量的碳源與氮源,在試驗(yàn)用水的基礎(chǔ)上額外加入了250 mg/L的NaNO3和1 000 mg/L的NaHCO3。補(bǔ)充的不同PAM濃度試驗(yàn)用水的水力停留時間(HRT)均為6 d,每個試驗(yàn)周期定時取樣測定PAM濃度、黏度、總碳(TC)、總有機(jī)碳(TOC)、IC等相關(guān)參數(shù)。

1.4.2 試驗(yàn)用水中C/N的影響

根據(jù)之前的報道[3],加入外部氮源對RAB系統(tǒng)有特殊影響。在完成PAM濃度影響試驗(yàn)之后,研究了C/N對RAB系統(tǒng)的PAM去除和IC削減的影響。添加NaNO3調(diào)節(jié)試驗(yàn)用水中TC與TN的比例(C/N)為5∶1(1 000 mg/L NaHCO3+400 mg/L PAM)、1∶1(1 000 mg/L NaHCO3+400 mg/L PAM+1 500 mg/L NaNO3)、1∶2(1 000 mg/L NaHCO3+400 mg/L PAM+3 500 mg/L NaNO3),每個試驗(yàn)周期定時取樣檢測PAM濃度、黏度、TC、TOC、IC等相關(guān)參數(shù),水樣檢測前均通過0.45 μm濾膜。

1.5 檢測指標(biāo)及方法

本研究使用淀粉-碘化鎘法[4]測定PAM,使用總有機(jī)碳分析儀檢測TC、IC、TOC,使用上海昌吉NDJ-8S旋轉(zhuǎn)黏度計測量水體黏度,使用利華DT1334A高精度工業(yè)級照度計測定光照強(qiáng)度,對處理出水干燥后的樣品進(jìn)行掃描電鏡,觀察處理前后樣品變化。

1.6 微生物群落多樣性分析

使用諾禾致源基因公司(天津)的高通量測序描述RAB生物膜的微生物群落特征。操作分類單位(OTU)用于根據(jù)系統(tǒng)發(fā)育或種群遺傳學(xué)對密切相關(guān)的個體群體(如菌種、屬或種)進(jìn)行分類,對相似度為97%的OTU進(jìn)行生物信息統(tǒng)計分析,在每個分類級別確定樣品的群落組成,置信閾值為0.7。

2 結(jié)果與討論

2.1 微藻處理不同濃度PAM的模擬廢水

2.1.1 PAM濃度變化

不同濃度PAM試驗(yàn)用水送入反應(yīng)器運(yùn)行6 d后處理效果如圖1所示。200 mg/L效果最好,去除率達(dá)到71.4%,最差為800 mg/L,去除率僅為27.4%。高濃度PAM下處理效率較低的原因可能是廢水黏度過大,阻礙了生物膜表面菌藻的呼吸作用[5]和光合作用[6]。淀粉-碘化鎘法主要檢測PAM中的酰胺基團(tuán),Song等[7]指出,生物降解PAM使其脫氮的主要原因是脲酶催化作用。脲酶是一種生物分泌的胞外水解酶,酰胺基從PAM分子中斷開后,酰胺基團(tuán)中的氮可被分解利用[8]。

圖1 RAB反應(yīng)器對不同濃度PAM的去除效率Fig.1 Removal Efficiency of RAB Reactor under Different PAM Concentrations

2.1.2 試驗(yàn)用水黏度變化

PAM水體黏度下降標(biāo)志著PAM的降解或分子量降低[9]。運(yùn)行過程中黏度變化及去除率編號如圖2和圖3所示,總體來看,PAM的濃度越高,黏度去除率越高。第6 d,當(dāng)在600 mg/L和800 mg/L時,黏度去除率為89.4%和89.6%,而在100 mg/L時,黏度去除不足70%。但在較高質(zhì)量濃度下(600 mg/L和800 mg/L),需經(jīng)長時間處理黏度才可達(dá)到較低水平。

圖2 不同濃度PAM條件下黏度變化曲線Fig.2 Viscosity Change Curves under Different PAM Concentrations

圖3 不同濃度PAM條件下黏度去除率變化曲線Fig.3 Removal Rate Change Curves under Different PAM Concentrations

2.1.3 RAB對模擬廢水中碳的去除效果

運(yùn)行過程水中TC的去除效果如圖4所示。隨著PAM濃度增加,TC去除率維持在38%～60%,其中在200、300、400 mg/L時去除率為58.4%、57.5%、57.0%,100 mg/L時最小,去除率為38.5%。

圖4 RAB反應(yīng)器在不同濃度PAM條件下對TC的去除效率Fig.4 Removal Efficiency of TC by RAB Reactor under Different PAM Concentrations

運(yùn)行過程中TOC去除效果如圖5所示,TOC的去除一定程度上也反映了PAM去除效果。如圖5所示,除PAM質(zhì)量濃度為100 mg/L時,其他質(zhì)量濃度TOC總體去除率可達(dá)40%以上,600 mg/L時去除率最高,為48.4%。

圖5 RAB反應(yīng)器在不同濃度PAM條件下對TOC的去除效率Fig.5 Removal Efficiency of TOC by RAB Reactor under Different PAM Concentrations

運(yùn)行過程中IC去除效果如圖6所示。在PAM質(zhì)量濃度為200、300、400 mg/L時,去除率分別為77.3%、73.4%、74.2%,出水IC質(zhì)量濃度相對穩(wěn)定,為30～38 mg/L。高濃度PAM下IC去除率差可能是因?yàn)楦唣ざ炔焕谖⒃迳L[11],而有機(jī)氮源的增加促進(jìn)了細(xì)菌生長,從而使IC去除率降低,TOC去除率提高,這與本課題組之前的研究結(jié)果一致[3]。

圖6 RAB反應(yīng)器在不同濃度PAM條件下對IC的去除效率Fig.6 Removal Efficiency of IC by RAB Reactor under Different PAM Concentrations

2.2 模擬廢水中C/N對反應(yīng)器處理效能的影響

圖7 RAB反應(yīng)器在不同C/N下對PAM的去除效率Fig.7 Removal Efficiency of PAM by RAB Reactor under Different C/N

運(yùn)行過程中TC去除效果如圖8所示。在外部氮源影響下,TOC和IC的去除率變化影響了TC的去除,TC去除率在49%～57%,在C/N為1∶1時去除率最低,為49.3%,在C/N為1∶2時去除率最大,為56.7%。

圖8 RAB反應(yīng)器在不同C/N下對TC的去除效率Fig.8 TC Removal Efficiency of RAB Reactor under Different C/N

運(yùn)行過程中TOC去除效果如圖9所示。隨著C/N增加,TOC去除率不斷增加,在C/N為5∶1時去除率僅為45%,當(dāng)C/N達(dá)到1∶1時去除率上升至75%,C/N達(dá)到1∶2時去除率上升至76%。

圖9 RAB反應(yīng)器在不同C/N下對TOC的去除效率Fig.9 TOC Removal Efficiency of RAB Reactor under Different C/N

運(yùn)行過程中IC的去除效果如圖10所示。隨著外部氮源的加入,IC去除率驟降,在比例為5∶1時去除率約為75%,C/N增加至1∶1時去除率僅約為13.5%。加入更多外部氮源后,充足的氮源使形成的生物膜更厚、更堅(jiān)固,促進(jìn)了生物膜內(nèi)部厭氧層的形成,生物膜內(nèi)部的低光強(qiáng)環(huán)境不利于微藻的生長,而生物膜的增厚給功能性微生物的硝化反硝化以及PAM的轉(zhuǎn)化提供了良好的生長和代謝環(huán)境,這些功能性微生物IC的釋放可能相對減少了系統(tǒng)對IC的去除。

圖10 RAB反應(yīng)器在不同C/N下對IC的去除效率Fig.10 IC Removal Efficiency of RAB Reactor under Different C/N

2.3 掃描電鏡觀察PAM的變化

將經(jīng)過RAB處理后的出水與純PAM溶液蒸發(fā)干燥,用掃描電鏡觀察其結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖11所示。未經(jīng)處理的PAM結(jié)構(gòu)完整致密,形成光滑有序的膜結(jié)構(gòu),而經(jīng)過處理后的PAM結(jié)構(gòu)松散,表面形成小顆粒狀孔洞,無法形成完整的膜結(jié)構(gòu),推測其為PAM降解后形成的小分子物質(zhì)經(jīng)干燥后凝結(jié)形成,PAM結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化使水溶液具有的黏性大大降低。

圖11 PAM干燥后的掃描電鏡圖Fig.11 Scanning Electron Micrographs of PAM after Drying

2.4 微生物群落組成分析

為探究參與PAM和IC去除的微生物群落的關(guān)鍵微生物和特征,在試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)束后使用高通量測序分析生物膜上的原核和真核生物。樣品中相對豐度>0.5%的門和屬如圖12所示。Rhogostoma屬于絲足蟲門(Cercozoa),以真菌和藻類為食[12],生物膜上原生動物的捕食活動會促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)的流動和交換,進(jìn)一步增強(qiáng)細(xì)菌的活性[13]。Chlorophyceae屬于綠藻門(Chlorophyta),是碳減排方面研究最多的微藻類群[14],有很高的生物質(zhì)生產(chǎn)力和光合效率。Pereira等[15]在Tetraselmissp. CTP4 (Chlorophyta) 管式光生物反應(yīng)器中半連續(xù)地通入CO2,最終CO2平均減排效率達(dá)到65%以上。

圖12 微生物群落結(jié)構(gòu)分布Fig.12 Structure Distribution of Microflora

兼性厭氧菌的存在促進(jìn)了生物膜上的硝化-反硝化作用。PAM的生物降解過程中,綠藻(Chlorophyta)、藍(lán)藻(Cyanobacteria)、變形菌(Proteobacteria)等能夠通過同化作用獲得PAM酰胺基中的氮。此外,Arenimonas是一種典型的反硝化細(xì)菌[16]。

藍(lán)藻門(Cyanobacteria)的Vampirovibrio是第一大優(yōu)勢細(xì)菌屬,其缺乏獨(dú)立光合作用機(jī)制,通常被認(rèn)為是綠藻的專性病原體,一般與綠藻同時被發(fā)現(xiàn)[17]。Nodosilinea_PCC-7104是一種念珠藻,其既能通過光合作用合成有機(jī)物,還具有一定的固氮作用[18]。Hydrogenophaga、Blastocatella、Arenimonas均多次出現(xiàn)在降解PAM的報道中,是PAM的降解過程中的常見微生物[19-20]。雖然目前PAM碳主鏈斷裂的生物降解機(jī)制尚不清楚,但已發(fā)現(xiàn)多種微生物可以在PAM水體中生長并降解PAM[21]。

3 結(jié)論

(1)RAB系統(tǒng)可穩(wěn)定有效地實(shí)現(xiàn)驅(qū)采出水的碳去除,并同步實(shí)現(xiàn)PAM降解。從PAM質(zhì)量濃度試驗(yàn)來看,400 mg/L的PAM濃度下系統(tǒng)處理較為理想,在此濃度下TOC和IC去除率均較高。

(2)外部氮源對系統(tǒng)的促進(jìn)有一定限度,C/N為1∶1時,TOC的去除率顯著提高,但此時廢水中的IC去除率較低。而當(dāng)C/N為5∶1時,不需要額外外部氮源的投加,且IC的去除率明顯提高,而PAM的去除率僅略微降低。因此,C/N為5∶1時系統(tǒng)的處理效果綜合來看較為理想,但此時水體中的PAM可能未被徹底降解。

(3)通過掃描電鏡觀察PAM發(fā)現(xiàn),經(jīng)處理后的PAM結(jié)構(gòu)被破壞并失去聚合物性質(zhì)。

(4)RAB反應(yīng)器中存在多種細(xì)菌和藻類,其中Chlorophyceae是IC去除的主要微生物,Hydro-genophaga、Blastocatella、Arenimonas推測參與了PAM的降解過程。此外,生物膜上還存在一定的固氮和硝化-反硝化微生物。