纖維素酶水解造紙污泥的工藝優化及水解產物分析

劉 睿 韓 卿 錢威威 彭新文

(1.陜西科技大學輕工與能源學院,陜西省造紙技術及特種紙品開發重點實驗室,陜西西安,710021；2.華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室,廣東廣州,510641)

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·造紙污泥改性·

纖維素酶水解造紙污泥的工藝優化及水解產物分析

劉 睿1,2韓 卿1,2錢威威1,2彭新文2

采用纖維素酶對造紙廠二沉池污泥進行水解處理,將污泥中的纖維素水解為小分子還原糖物質，為污泥制備復合材料提供更好的表面特性。探討了酶水解造紙污泥的適宜工藝條件,進一步對水解產物進行了分析表征。結果表明,當反應溫度60℃、pH值5.0、反應時間32.0 h、酶用量60.0 U/g、底物質量分數7.0%時,酶水解效果最好,污泥表面疏水性明顯提高；污泥經水解后,其水解液中的化學需氧量和還原糖含量之間存在著良好的對應關系；對水解前后污泥試樣的紅外光譜分析顯示,經纖維素酶水解后污泥中的部分纖維素組分可能水解成了葡萄糖類還原糖。

造紙污泥；纖維素酶水解；分析與表征

(*E-mail: 410256949@qq.com)

造紙污泥是制漿造紙過程產生的生物質固體廢物,通常有廢水污泥、脫墨污泥和堿回收白泥等。對于脫墨污泥和堿回收白泥的資源化利用已經有較為成熟的處理處置方法,如制作污泥紙板和造紙填料等[1-2],但廢水污泥由于含水率較高和產量較大等問題,目前尚未找到一種行之有效的方法對其進行綜合利用。據統計,造紙廢水污泥是同等處理能力的城市污水處理廠產生污泥量的5~10倍[3]。盡管造紙廢水污泥的組分較為復雜,但由于其有機質含量較高,且一般不含重金屬物質,應該具有較高的綜合利用價值,同時由于該類污泥存在著脫水難度較大的問題[4],目前,無論造紙企業采用填埋、焚燒和投海等方法對生產的廢水污泥如何進行處理和處置,都不同程度地存在著占用土地和二次污染環境的問題,且資源利用率較低[5]。因此，對造紙廢水污泥資源化利用方面的研究成為了近年來國內外學術界的熱點課題。

利用造紙廢水污泥中礦物質和有機質為填料,應用于復合材料的制備是實現該類污泥資源化利用的有效途徑之一[6],但需要解決的主要問題是有效脫水和提高污泥顆粒與其他熱塑性樹脂的界面相容性。造紙污泥大分子結構中大量親水基團(如羥基的存在)使其具有親水性,導致其與熱塑性樹脂的界面相容性較差,從而對目標復合材料的質量性能產生不利影響。對造紙污泥進行改性活化處理以提高污泥顆粒的親油疏水性,達到改善造紙污泥與有機高聚物界面相容的目的[7]。生物酶水解是對造紙污泥進行改性的一種新方法,具有成本低、效率高和反應條件溫和等優點[8]。Maryam Edalatmanesh等人[9]分別采用漆酶和脂肪酶對造紙污泥進行預處理后,與尼龍共混成功可制備出性能良好的尼龍-污泥復合材料,但相關作用機理還有待做進一步研究。

本實驗將纖維素酶用于造紙廢水污泥的預改性處理,目的是利用其對污泥中纖維素組分的特定水解作用,將污泥中的纖維素水解為小分子還原糖類物質,同時有望改變污泥顆粒的表面極性特性。纖維素預水解對造紙廢水污泥的水解效率及其固相顆粒在石蠟中沉降性能(即親油疏水性)的影響、水解液中還原糖的生成情況及其相關作用機理等將是本文探討的主要問題。通過對以上問題的研究,旨在為造紙廢水污泥在復合材料制備等領域中的資源化利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

造紙污泥，取自國內某制漿造紙綜合企業廢水處理廠的終端污泥脫水機,該廠主要以麥草為原料生產化學紙漿制造多種文化用紙。污泥封存于聚氯乙烯包裝袋中在5℃左右條件下貯存冷藏柜中,備用。污泥主要組分的分析結果如表1所示。

表1 造紙污泥的主要組分

纖維素酶：酶活20000 U/g,中國國內某生物工程公司提供。

1.2 主要儀器

DHG-9053A電熱恒溫鼓風干燥箱；PC202-S電子天平；THZ- 82A水浴恒溫震蕩器；LD4-2A離心機；HCA-100 COD消解器；722S可見光分光光度計；VECTOR-22傅里葉紅外光譜儀。

1.3 實驗方法

1.3.1 酶水解

取污泥試樣適量于250 mL的錐形瓶中,用pH值5.0的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液配置不同濃度的反應體系,然后加入計量的纖維素酶。將反應體系置于水浴恒溫振蕩器中進行反應。反應結束后,將混合物在離心機上以4000 r/min的轉速離心10 min,取上層清液和沉積物作為待分析試樣。

1.3.2 酶水解效率和沉降時間的測定

污泥試樣經纖維素酶水解處理后,通過酶解效率和污泥在水中的沉降時間兩個指標來反應纖維素酶水解造紙污泥的效果。酶水解效率以酶水解前后污泥絕干質量差占水解前污泥絕干質量的百分數表示；污泥沉降時間以相當于0.3 g絕干質量的污泥在10 mL石蠟液體中靜置至污泥全部沉降所需的時間表示。污泥表面極性的變化通過其固相粒子在石蠟液體中沉降的時間表示,石蠟液體屬于油相介質,污泥粒子在該介質中的沉降時間直接反應了污泥粒子表面的親油疏水性,污泥本身呈親水性,在石蠟液體中沉降非常快,若表面極性有所改變,其在石蠟中的沉降速率則會降低,所以該指標間接反映了污泥表面的極性變化。

1.3.3 水解液中COD和還原糖的測定

水解液中的COD按國家標準(GB 11914—1989)測定[10],水解液中還原糖采用3,5-二硝基水楊酸(DNS)法[11]測定。采用DNS法測定水解液中還原糖時,葡萄糖標準曲線如圖1所示,其中標準曲線方程為Y=0.5107X-00022。通過測定水解液(稀釋10倍)的吸光度在標準曲線上查找對應葡萄糖濃度。

圖1 DNS法測定水解液還原糖含量時的葡萄糖標準曲線

2 結果與討論

2.1 纖維素酶水解造紙污泥工藝條件的優化

為了簡化實驗過程,在固定反應溫度為60℃和體系pH值為5.0的情況下,就纖維素酶水解造紙污泥過程中的其他關鍵因素如反應時間、酶用量和底物質量分數對污泥水解效果的影響進行了3因素5水平正交實驗優化研究。正交實驗結果及其極差分析分別見表2和表3所示。

表2 纖維素酶水解過程各因素對污泥的水解效果

由表3可見,纖維素酶水解造紙污泥過程中各因素對造紙污泥的酶解效率和沉降時間的影響次序均為時間>酶用量>底物質量分數,說明造紙污泥酶解效率與水解后污泥的沉降時間在受影響程度上呈現出一致性。污泥顆粒的親水性主要由其中有機大分子物質所含的羥基決定,經纖維素酶水解后,污泥中的纖維素物質受到一定程度的降解破壞,使其羥基數目減少,表觀上呈現出污泥顆粒表面親水性減弱,即親油性增強,以致其在石蠟液體中的沉降時間延長。

表3 實驗結果極差分析

通過以上正交實驗得出的纖維素酶水解造紙污泥的最佳反應條件為：溫度60℃,pH值5.0,時間32.0 h,酶用量60.0 U/g,底物質量分數7.0%。按此條件進行驗證實驗,得出該實驗條件下的酶解效率為14.9%,酶水解之后污泥的沉降時間為200 min。

2.2 纖維素酶水解前后造紙污泥的紅外光譜分析

圖2 纖維素酶水解前后造紙污泥的紅外光譜圖

2.3 纖維素酶水解前后造紙污泥的微觀形貌分析

造紙污泥經纖維素酶水解前后的微觀形貌變化如圖3所示。由圖3可以看出,經纖維素酶處理后,污泥的顆粒明顯減小,這使得污泥顆粒的比表面積增大,從而有利于提高污泥顆粒的表面自由能。造紙污泥中所含的纖維為細小纖維,在未經處理的污泥SEM圖中,看不到明顯的纖維存在,說明細小纖維被包裹在造紙污泥的內部,從而形成絮聚團結構,使用纖維素酶進行水解處理,污泥中的纖維素被水解,使得污泥絮聚團被破壞,從而污泥顆粒有所減小。

圖3 纖維素酶水解前后造紙污泥的SEM圖(×80 k)

2.4 纖維素酶水解造紙污泥對水解液成分的影響

2.4.1 水解液中COD及還原糖含量的分析

對以上正交實驗過程中得到水解液進行COD及還原糖含量的分析,結果如圖4所示。

從圖4可以看出,不同水解反應條件下所得水解液中的COD與還原糖含量的變化趨勢呈現出良好的一致性。COD在本質上反映了一種水相體系中還原性物質的多少,而還原糖含量的增加提高了水解液的還原性物質含量。由此可見,COD和還原糖含量的測定都可作為考察和推斷纖維素酶水解造紙污泥程度的度量指標。造紙污泥未經纖維素酶處理前其上清液的CODCr為985 mg/mL,由圖4還可以發現,經酶水解后水解液的CODCr均有所增加,說明水解液中還原性物質增加,推斷其來自纖維素酶水解污泥中的纖維素為還原糖所致。研究發現,在纖維素酶水解造紙污泥過程中水解液中的還原糖含量最高也僅為8 mg/mL左右,這說明污泥中纖維素轉化為葡萄糖的效率較差,由此可以推斷如果將此類水解液用來發酵制備乙醇等物質以實現綜合利用的實踐價值可能不會太高。

2.4.2 水解液可溶性物質的紅外光譜圖分析

圖5 污泥水解液與葡萄糖溶液的紅外光譜圖

3 結 論

3.1 纖維素酶水解造紙污泥的最佳工藝條件為：溫度60℃,pH值5.0,反應時間32.0 h,酶用量60.0 U/g,底物質量分數7.0%。

3.2 經纖維素酶水解后造紙污泥在石蠟液體中的沉降時間明顯提高,污泥親油疏水性增大,說明造紙污泥中纖維素的降解有利于降低污泥的親水性。

3.3 纖維素酶水解造紙污泥后產生的水解液中COD與還原糖含量呈現出一致的變化趨勢,且水解液中污泥成分的分子結構與葡萄糖具有相近的分子結構特征,說明造紙污泥中的纖維素被水解為還原糖進入水解液,從而導致污泥表面—OH減少,親水性降低。

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Process Optimization and Analysis of Hydrolyzate in Paper Mill Sludge Hydrolysis with Cellulase

LIU Rui1,2,*HAN Qing1,2QIAN Wei-wei1,2PENG Xin-wen2

(1.CollegeofLightIndustryandEnergyResources,ShannxiProvinceKeyLabofPapermakingTechnologyandSpecialtyPaper,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021; 2.TheStateKeyLabofPulpandPaperEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,GuangdongProvince, 510641)

The optimum conditions of enzymatic hydrolysis of paper mill sludge by cellulose was studied, the suitable technological conditions of enzymatic hydrolysis of paper mill sludge were discussed, and the characterization of the hydrolyzate was further analyzed. The results showed that the optimum conditions of enzymatic hydrolysis of paper mill sludge were as follows: temperature was 60℃, pH value 5.0, the reaction time 32.0 h, enzyme dosage 60.0 U/g, substrate concentration 7.0%. After hydrolysis, these was good corresponding relations between oxygen demand (COD) and reducing sugar content of the hydrolysis liquor, infrared spectrum analysis of sludge samples before and after hydrolysis showed that part of cellulose in the sludge probably was hydrolyzed into glucose reducing sugar by enzymatic hydrolysis.

papermaking sludge; cellulase hydrolysis; analysis and characterization

劉 睿女士，在讀碩士研究生；研究方向：利用纖維素酶改性造紙污泥。

(1.陜西科技大學輕工與能源學院,陜西省造紙技術及特種紙品開發重點實驗室,陜西西安,710021；2.華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室,廣東廣州,510641)

TS79; X793.

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.01.008

2015- 09-23(修改稿)

華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室開放基金(201314)。