酸和熱解耦合法提取剩余污泥蛋白質(zhì)的研究

邵金星，呂 斌*，王弘宇

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酸和熱解耦合法提取剩余污泥蛋白質(zhì)的研究

邵金星1，呂 斌1*，王弘宇2

（1. 武漢紡織大學(xué) 環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430073；2. 武漢大學(xué) 土建學(xué)院，湖北 武漢 430072）

從城市污水處理所產(chǎn)生的剩余污泥中提取蛋白質(zhì)是污泥資源化的方法之一。本文主要利用單一熱解、單一酸解及酸和熱解偶合法提取蛋白質(zhì)，并對(duì)其提取效果進(jìn)行探討。試驗(yàn)表明：?jiǎn)我粺峤夂退峤夥商崛〔糠质Ｓ辔勰嘀械牡鞍踪|(zhì)，但是效果不理想。而采用酸和熱解耦合，在pH=1，溫度保持在110℃，處理時(shí)間6h條件下，蛋白質(zhì)提取效率可達(dá)61.59%。

剩余污泥；蛋白質(zhì)提取；熱解；酸解；耦合

城市污水廠的剩余污泥是指處理污水所產(chǎn)生的固態(tài)、半固態(tài)及液態(tài)的廢棄物，含有大量的有機(jī)物、重金屬以及致病菌和病原菌等，不加處理任意排放，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。目前，我國(guó)剩余污泥的年產(chǎn)量在3000萬噸以上（按污泥含水率80%計(jì)算），而隨著污水處理設(shè)施的普及、處理率的提高和處理程度的深化，污水廠的污泥產(chǎn)生量將有較大的增長(zhǎng)，由此引起的二次污染問題已不容忽視[1-3]。實(shí)際工程中污泥處理總的要求是穩(wěn)定化、無害化和減量化，但也有研究表明資源化剩余污泥是較好的處置方式。

一般情況下干燥的剩余污泥中往往含有重量高達(dá)40%的微生物，這些生物中含有大量的蛋白質(zhì)，適當(dāng)處置可以從剩余污泥中提取大量蛋白質(zhì)。趙順順、李軍偉等[4-5]研究發(fā)現(xiàn)從剩余污泥中提取的蛋白質(zhì)可作為動(dòng)物飼料、混凝土粘合劑等使用。

目前剩余污泥中提取蛋白質(zhì)仍處在研究階段，常用的處置方法主要有化學(xué)法(酸、堿處理、臭氧法)、物理法(熱處理、機(jī)械處理法)、生物法(酶處理法)。本研究采用酸解與熱處理耦合的方法，提取剩余污泥中的蛋白質(zhì)，探討其工藝參數(shù)，嘗試提出一種較為節(jié)能、高效的剩余污泥資源化方法。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)器材

主要儀器設(shè)備：TDL-80-2B臺(tái)式離心機(jī)，DGX-9423BC-1干燥箱，壓力蒸汽滅菌器，BS323S電子天平，PHS-25型酸度計(jì)，SP-1920光譜分析儀，半微量凱氏定氮蒸餾裝置（見圖1）。

1-電爐 2-沸石 3-凱氏燒瓶 4-溫度計(jì) 5-安全管 6-汽水分離管 7-橡皮管夾 8-蒸餾器 9-進(jìn)樣漏斗 10-冷凝管 11-吸收瓶

1.2 試驗(yàn)污泥

試驗(yàn)污泥取自武漢市武昌區(qū)某污水處理廠脫水后的剩余污泥。該污泥的顏色為深褐色，pH值為7.8~8.2，較為松軟，有輕微臭味，污泥含水量為73.27%~80.51%。試驗(yàn)污泥經(jīng)過以下預(yù)處理：采樣污泥用去離子水進(jìn)行洗滌，去除污泥中游離狀態(tài)（非微生物細(xì)胞內(nèi)）的蛋白質(zhì)，以及一些懸浮渣滓等，并調(diào)節(jié)污泥含水率至93%。預(yù)處理后的污泥用凱氏定氮法多次測(cè)量其蛋白質(zhì)含率為25.3%~34.8%（干重）,平值均取29.4%（干重）。預(yù)處理污泥的SCOD為73.1mg/L。

1.3 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與方法

污泥含水率：采用國(guó)標(biāo)法（CJ/T 221-2005）測(cè)定；

蛋白質(zhì)含量：污泥固體采用國(guó)標(biāo)GB5009.5-2010中凱氏定氮法測(cè)定，蛋白質(zhì)溶液采用Bradford法測(cè)定；

pH值采用上海偉業(yè)儀器廠PHS-25型酸度計(jì)測(cè)定。

SCOD采用國(guó)標(biāo)法（GB11914-89）測(cè)定。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)基本步驟為：先將預(yù)處理含水率為93%的剩余污泥經(jīng)過酸調(diào)節(jié)，使其處在不同的pH值水平下，放置在50ml取樣管中，在烘箱內(nèi)加熱，經(jīng)過不同的溫度或不同的處理時(shí)間后，測(cè)量在不同處理?xiàng)l件下，處理后的剩余污泥溶出的蛋白質(zhì)含量，本實(shí)驗(yàn)可分為單因子影響和多因子影響實(shí)驗(yàn)，單因子為溫度T和pH實(shí)驗(yàn)，多因子為pH和溫度T耦合作用實(shí)驗(yàn)。

剩余污泥提取的蛋白質(zhì)來源于微生物細(xì)胞壁破碎后溶于水中的部分蛋白，要測(cè)量這部分蛋白質(zhì)的量，離心分離法可將其與污泥混合液中的固態(tài)殘?jiān)蛛x。處理后的剩余污泥在離心過程中，若離心轉(zhuǎn)速過低，污泥上清液無法與殘?jiān)蛛x；若離心轉(zhuǎn)速過高則會(huì)導(dǎo)致溶出的蛋白質(zhì)與殘?jiān)旌显谝黄稹＿@樣會(huì)造成測(cè)量值與實(shí)際溶解出的蛋白質(zhì)有較大的差距。因此，對(duì)于處置后的剩余污泥存在較佳的離心條件，經(jīng)過離心分離后，殘?jiān)c上清液具有較好的分層現(xiàn)象，且細(xì)胞中溶出的蛋白質(zhì)基本上存在離心后上清液中。

離心條件的選擇包括離心機(jī)轉(zhuǎn)速及離心時(shí)間。首先，以預(yù)處理的污泥為試驗(yàn)樣品，將其pH值調(diào)至1左右，并在100℃下處理6h左右；其次，再將處理后的剩余污泥污泥，分別在2500、3000、3500、3800、4000、4500r/min轉(zhuǎn)速下處理20min；在3800r/min轉(zhuǎn)速下離心5、10、15、20、25、30min，測(cè)試不同離心機(jī)轉(zhuǎn)速及離心條件下蛋白質(zhì)提取效果，結(jié)果見圖2。

圖2 離心機(jī)轉(zhuǎn)速和時(shí)間對(duì)蛋白質(zhì)提取效果

從圖2中可以看出，隨著離心機(jī)轉(zhuǎn)速的增加或隨著離心時(shí)間的延長(zhǎng)，經(jīng)離心后上清液中蛋白質(zhì)含量均先升高，在下降。離心機(jī)轉(zhuǎn)速為3800r/min和離心時(shí)間為15min左右時(shí)，經(jīng)離心后的上清液蛋白質(zhì)含量較高。本實(shí)驗(yàn)剩余污泥離心條件選用以上兩個(gè)控制條件。

2 結(jié)果與討論

本試驗(yàn)，首先探討了單因子情況下，溫度、pH值分別對(duì)提取蛋白質(zhì)的影響效果；其次再探討pH值和溫度T耦合處理剩余污泥的效果。

2.1 熱處理對(duì)蛋白質(zhì)提取效果

此試驗(yàn)階段，pH值保持預(yù)處理后污泥pH值（4.0）左右；將污泥控制在37℃，55℃、85℃、100℃、110℃和120℃六個(gè)水平值，另外熱處理時(shí)間分別為3h、4h、5h、6h、7h、10h和14h。其處理結(jié)果見圖3。

圖3 溫度T對(duì)蛋白質(zhì)提取率ω的影響

根據(jù)圖4可以看出，隨水解溫度的升高，蛋白質(zhì)提取率在逐漸增加，而且在高溫條件下，蛋白質(zhì)提取達(dá)到最大后隨時(shí)間不斷減少。在120℃處理?xiàng)l件下，6h時(shí)污泥溶液SCOD為1729.3mg/L，在10h時(shí)，污泥溶液SCOD為1873.0mg/L，由于污泥中不溶性物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可溶性物質(zhì)導(dǎo)致SCOD升高[6]，污泥融胞反應(yīng)仍在繼續(xù)，但是污泥蛋白質(zhì)的提取率卻在降低。根據(jù)Elding[7]等的研究發(fā)現(xiàn)，污泥在高溫下水解會(huì)發(fā)生“美拉德反應(yīng)(Maillard Reaction)”（蛋白質(zhì)的氨基和碳水化合物的羰基發(fā)生聚合反應(yīng)）生成一些難降解的類黑色素物質(zhì)，導(dǎo)致褐變，而反應(yīng)結(jié)束后污泥溶液為褐色正驗(yàn)證這一反應(yīng)。因此，單一的熱處理會(huì)使蛋白質(zhì)發(fā)生聚合反應(yīng)，導(dǎo)致提取率降低，不利于蛋白質(zhì)的提取。

圖4 pH對(duì)蛋白質(zhì)提取率ω的影響

2.2 酸處理對(duì)蛋白質(zhì)提取效果

此試驗(yàn)階段，溫度保持在55℃左右；將污泥用硫酸溶液調(diào)節(jié)至pH值分別為0.5、1、1.5、2、3和4六個(gè)水平，酸處理時(shí)間控制在6h左右。其處理效果見圖4。

由圖4數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在酸處理?xiàng)l件下，污泥蛋白質(zhì)的提取率隨水解pH的升高而降低。由于活性污泥中革蘭氏陰性菌為優(yōu)勢(shì)菌，酸會(huì)促進(jìn)革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁中的蛋白質(zhì)和脂類的水解，使細(xì)胞破裂，細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)融出，增加污泥溶液中蛋白質(zhì)含量，從而增加提取率。肖本益的研究發(fā)現(xiàn)，酸對(duì)細(xì)胞的融解作用較小。因此，單獨(dú)的酸性pH條件不利于污泥蛋白質(zhì)的提取。

2.3 溫度和酸處理耦合處理效果

此實(shí)驗(yàn)階段，熱和酸耦合處理時(shí)間控制在6h；溫度分別保持37℃，55℃、85℃、100℃、110℃和120℃六個(gè)水平值；pH值分別保持0.5、1、1.5、2、3和4六個(gè)水平。其處理結(jié)果見圖5。

圖5 溫度T和pH對(duì)蛋白質(zhì)提取率ω的影響

根據(jù)圖5與圖3的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在相同的預(yù)處理時(shí)間和溫度條件下，較低的pH有利于蛋白質(zhì)的提取，而且作用明顯，酸性條件可有效抑制美拉德反應(yīng)的發(fā)生。圖5與圖4的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在相同的pH和時(shí)間條件下，溫度越高越有利于蛋白質(zhì)的提取。根據(jù)蛋白質(zhì)等電點(diǎn)理論，在等電點(diǎn)下（pl=pH時(shí)）蛋白質(zhì)的溶解度最小，導(dǎo)致部分蛋白質(zhì)發(fā)生沉降，此時(shí)提取液中的蛋白質(zhì)含量也減少，蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)一般在pH=4～6之間；而pH過低，蛋白質(zhì)會(huì)發(fā)生分解，導(dǎo)致溶液中的蛋白質(zhì)含量減少，導(dǎo)致提取率降低。綜上各數(shù)據(jù)，酸和熱處理耦合的條件下具有較好的蛋白質(zhì)提取效果，此時(shí)的蛋白質(zhì)提取條件為pH=1、溫度T=110℃。

在最適條件pH=1、T=110℃條件下，對(duì)剩余污泥處理4、5、6、7h，蛋白質(zhì)提取率與SCOD見圖6。

圖6 最佳提取條件下蛋白質(zhì)提取率ω和SCOD隨時(shí)間的變化

根據(jù)圖6顯示，在pH=1、溫度T=110℃條件下，最佳的提取時(shí)間為6h，蛋白質(zhì)的提取率最高（61.59%）。隨著時(shí)間的延續(xù)，SCOD仍在增加，細(xì)胞破解作用繼續(xù)進(jìn)行，但是融出的蛋白質(zhì)量小于美拉德反應(yīng)和蛋白質(zhì)水解量，此時(shí)，溶液中蛋白質(zhì)含量降低，提取率也隨之減少。

3 結(jié)論

處理的pH和溫度T對(duì)剩余污泥的蛋白質(zhì)提取效率都有重要影響。高溫能有效促進(jìn)細(xì)胞的破解，適宜的pH會(huì)促進(jìn)蛋白質(zhì)的融解，抑制蛋白質(zhì)聚合反應(yīng)的發(fā)生。

酸與熱處理耦合工藝提取剩余污泥蛋白質(zhì)的最佳條件：水解體系pH=1、水解溫度T=110℃、水解時(shí)間為6h，最大提取率為61.59%。酸與熱耦合處理具有較高的污泥破解效果，且破解后污泥含有較高的SCOD。

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The Study on Acid and Heat Treatment Coupling to Extract Protein from Residual Sludge

SHAO Jin-xing1, LV Bin1, WANG Hong-yu2

(1. College of Environmental Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China; 2. School of Civil Engineering and Construction, Wuhan University, Wuhan Hubei 430072, China)

Extracting protein from residual sludge which was generated from city sewage treatment is one of the methods of sludge resources. This paper mainly uses the single heat treatment, single acid solution, acid and heat treatment coupling to extract protein from residual sludge, and then discusses the result of protein extraction. The test indicates that the single heat treatment and acid treatment can extract part of protein from sludge, but the result is not ideal. While the method of coupling the acid treatment and heat treatment together can achieve nearly 61.59% extraction rate of protein, under the condition of pH is 1,temperature is maintained at 110℃ and the processing time is 6 hours.

Residual sludge; extract protein; heat treatment; acid treatment; coupling.

X703.1

A

2095－414X(2015)03－0076－04

呂斌（1975-），男，副教授，博士，研究方向：市政給水及污水處理.

湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2013CFB308）.