市政剩余污泥蛋白質堿提取資源化利用工藝研究

梁曉輝, 張曉東 *,司洪宇, 趙玉曉,華棟梁，王丙蓮，嚴媛媛，楊黎軍，盧勇

(1.山東省科學院能源研究所，山東省生物質氣化重點實驗室，山東 濟南 250014；2.山東省科學院生物研究所，山東 濟南 250014；3.江蘇綠方園生物科技有限公司，江蘇 鹽城　224000；4.山東冠寶林炭業集團有限公司，山東 青島　266300 )

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【生物質能源】

市政剩余污泥蛋白質堿提取資源化利用工藝研究

梁曉輝1, 張曉東1 *,司洪宇1, 趙玉曉1,華棟梁1，王丙蓮2，嚴媛媛3，楊黎軍4，盧勇1

(1.山東省科學院能源研究所，山東省生物質氣化重點實驗室，山東 濟南 250014；2.山東省科學院生物研究所，山東 濟南 250014；3.江蘇綠方園生物科技有限公司，江蘇 鹽城224000；4.山東冠寶林炭業集團有限公司，山東 青島266300 )

摘要：研究了市政剩余污泥的蛋白質提取工藝。首先比較了酸堿兩種預處理方法對蛋白質提取的影響，對效果較好的堿處理方法進行了進一步優化。利用響應面法對NaOH濃度、溶液加入量和處理時間進行了優化，獲得了最優蛋白質提取條件: 21.79 g 濕污泥中加入 80 mL NaOH溶液(3.68 mol/L)，在50 ℃條件下處理 20.32 h。在上述條件下，蛋白質產量為8 967±0.4 μg/g 干污泥, 是優化前的 2.33倍。

關鍵詞：市政剩余污泥；蛋白質提取；堿水解；優化

近年來，隨著我國城鎮化進程的加快，污水處理量日益上升，其主要副產物剩余污泥的產量也隨之增加。市政剩余污泥的處理方法主要有堆肥、焚燒、填海和填埋等[1]，污泥的處理處置費用已經占污水廠處理費用的25%～60%[2]。目前我國大量市政剩余污泥并未能得到有效的處理處置，已經造成了嚴重的二次污染，對城市污水廠剩余污泥減量化、無害化及資源化利用已引起我國環保部門的高度重視。在發達國家，污泥處理處置是極其重要的環節，其投資約占污水處理廠總投資的50%～70%。在我國現有污水處理設施中，有污泥穩定處理設施的還不到25%，處理工藝和配套設備較為完善的還不到10%，其中能夠正常運行的為數不多，特別是在城市化水平較高的地區，污泥處理處置問題已經十分突出[3]。隨著我國“水十條”的出臺，剩余污泥的合理化處理處置已經成為當務之急。

剩余污泥的組成十分復雜，其有機成分主要包括原生動物、后口動物及藻類等[4-5]，蛋白質含量很高。剩余污泥中的蛋白質可以用于微生物培養基、可生物降解的發泡劑、泡沫滅火劑及泡沫混凝土保溫材料等的生產。為了提高蛋白質提取率，目前已經報道了多種細胞破壁方法，包括物理法(熱水解、高壓提取及超聲波等)、化學法 (酸堿處理和臭氧處理等)以及生物法(主要為酶處理)等[6-9]。由于物理法需要特殊設備且能耗較高，生物法所需酶制劑價格高、處理速度較慢，均不適用于價值較低的剩余污泥資源化利用。化學法不需要特殊設備且處理成本低廉，適宜大規模工業化應用。

本文主要比較了酸(HCl)和堿(NaOH)處理對市政剩余污泥蛋白質提取效果的影響，發現NaOH處理的提取效果優于HCl，并利用響應面法對市政剩余污泥NaOH提取條件進行了進一步的優化。

1　材料與方法

1.1市政剩余污泥主要性質

本研究所用市政剩余污泥的主要性質如表1所示。污泥的含水量、灰分、揮發分、固定碳、總碳、總氮、pH和有機質等參考文獻[10-11]進行測定。

表1　市政剩余污泥主要性質

1.2蛋白質提取

將20 g濕污泥樣品裝入250 mL三角瓶中，分別加入80 mL濃度為4 mol/L HCl或者4 mol/L NaOH溶液，在50oC條件下進行水解提取蛋白質，2 h后對提取液進行離心(10 000 g, 15 min)，取上清液采用福林酚進行蛋白質含量測定[11-12]。

1.3蛋白質提取工藝優化

通過研究發現，NaOH溶液對污泥中蛋白質的提取效果優于稀鹽酸。根據實驗結果，選取NaOH、處理時間和污泥加入量3個主要因素采用Box-behnken實驗設計，進一步優化污泥中的蛋白質提取條件[13-14]，根據實驗結果建立擬合模型并對其進行ANOVA 分析，對模型涉及到的主要參數如決定系數(R2)、純誤差、殘差和失擬項等進行了計算。本研究采用Design Expert (version 7.0, STATEASE Inc., Minneapolis, USA)軟件進行實驗設計和分析。

2　結果與討論

2.1酸堿處理對市政剩余污泥中蛋白質提取的影響

采用酸堿處理法提取市政剩余污泥中的蛋白質，結果見表2。

表2　酸堿處理對市政剩余污泥中蛋白質提取的影響

由表2可以看出，酸堿處理后蛋白質提取量均遠高于對照組，其中NaOH對污泥中蛋白質提取的效果優于HCL，產量可以達到3 842.6 μg/g 干污泥，是HCl處理的1.2倍。故選擇NaOH處理法用于后續提取工藝研究。

2.2蛋白質提取工藝優化

為了提高污泥蛋白質產量，本研究選取3個主要影響因素即NaOH溶液濃度(X1), 污泥加入量(X2)和處理時間(X3)在所獲得的初步優化實驗條件(80 mL濃度4 mol/L NaOH溶液中加入20 g濕污泥，處理時間為20 h)基礎上利用響應面法進行了進一步優化，實驗設計及結果見表3。

表3　市政剩余污泥提取蛋白質Box-behnken實驗設計及結果分析

注：括號中的數值為編碼值。

根據表3的實驗結果，通過回歸分析所得到的擬合方程如下：

Y=8 807.1-3.1X1+98.56X2+121.04X3+629.45X1X2+171.35X1X3-

75.73X2X3-380.11X12-540.04X22-1 039.59X32，

(1)

其中，Y為響應值(蛋白質產量，μg/g干污泥)、X1、X2和X3分別表示NaOH濃度(mol/L)，污泥加入量 (g) 和處理時間(h)。

對擬合模型的ANOVA分析見表4。由表4可知，決定系數R2=0.940 5，說明該模型擬合度較高，約94%的變化可以通過該模型解釋；P<0.0138表明該模型顯著(P<0.05)。失擬合系數不顯著(P>0.05)，同樣表明模型擬合度較好。總之，該模型與實驗數據擬合度較高，能夠實現對本研究中蛋白質提取實驗的預測。

表4　回歸模型ANOVA分析

通過實驗結果可以繪制出NaOH濃度(X1)、污泥加入量(X2)、處理時間 (X3) 和蛋白質產量之間關系的響應曲面圖(圖1～3)，并可以通過計算獲得X1、X2和X3的解分別為 -0.159 1，0.179 4和0.064 8，從而獲得了優化后的蛋白質提取條件為：80 mL濃度為3.68 mol/L的NaOH溶液中加入21.79 g濕污泥，處理時間為20.32 h，處理溫度為50 ℃。在上述條件下，蛋白質產量的預測值為8 819.6 μg/g干污泥。為了確定該提取條件，采用所獲得的優化條件進行了3次實驗，其蛋白質產量為8 967±0.4 μg/g干污泥，與模型預測值符合性很好。

X1　NaOH濃度；X2　污泥加入量；Y　蛋白質產量圖1　NaOH濃度、污泥加入量與蛋白質產量響應面三維圖Fig.1　Three dimensional graph of the response surface of NaOH concentration, sludge concentration and protein yield

X2　污泥加入量；X3　處理時間；Y　蛋白質產量圖2　污泥加入量、處理時間與蛋白質產量響應面三維圖Fig.2　Three dimensional graph of the response surface of sludge concentration, treatment time and protein yield

X1　NaOH濃度；X3　處理時間；Y　蛋白質產量圖3　NaOH濃度、處理時間與蛋白質產量響應面三維圖Fig.3　Three dimensional graph of the response surface of NaOH concentration, treatment time and protein yield

3　結論

近年來市政剩余污泥產量連年增加，由于處理處置難度大，目前已經對城市固體垃圾處理造成了很大壓力。研究表明，市政剩余污泥中蛋白質資源豐富，這為其高值化及資源化利用提供了可能。在本研究中，首先對酸堿處理市政剩余污泥提取蛋白質的效果進行了比較，發現堿處理效果優于酸處理。在此基礎上，選取了3個主要因素即NaOH溶液濃度、市政剩余濕污泥的加入量和處理時間采用響應面法進行了優化，優化后的蛋白質提取條件為：80 mL濃度為3.68 mol/L的NaOH溶液中加入21.79 g濕污泥，處理時間為20.32 h，處理溫度為50 ℃。在上述條件下，蛋白質產量的預測值為8 819.6 μg/g干污泥，實測值為8 967±0.4 μg/g干污泥。上述研究結果可以為市政剩余污泥規模化提取蛋白質提供理論支持。

參考文獻：

[1]LIANG X H, ZHAO Y X, HUA D L, et al. Optimization and process analysis of biodrying of low organic matter content municipal sludge [J].J Biobase Material Bioener, 2015, 9(1): 66-73.

[2]LOW E W, CHASE H A. Reducing product ion of excess biomassduring wastewater treatment[J]. Water Res, 1999, 33(5):1119-1132.

[3]杭世珺, 史駿,關春雨. 全國城鎮污水廠污泥處理處置規劃的技術路線研究[EB/OL].[2016-03-02].http://www.docin.com/p-1002654704.html.

[4]ZHANG D Q, ZHANG H, WU C L, et al. Evolution of heavy metals in municipal solid waste during bio-drying and implications of their subsequent transfer during combustion[J]. Waste Manag, 2011, 31(8):1790-1796.

[5]CHOI H B, HWANG K Y, SHIN B B. Effects on anaerobic digestion of sewage sludge pretreatment [J]. Water Sci Technol, 1997, 35(10): 207-211.

[6]KEPP U, MACHENBACH I, WEISZ N, et al. Ehanced stabilization of sewage sludge through thermal hydrolysis-three years of experience with full scale plant [J]. Water Sci Technol, 2000, 42(9): 89-96

[7]CHU C P, CHANG B V, LIAO G S, et al. Observation on changes in ultrasonically treated waste activated sludge[J]. Water Res, 2001, 35(4): 1038-1046

[8]肖本益, 劉俊新. 不同預處理方法對剩余污泥性質的影響研究[J]. 環境科學,2008, 29(2): 327-331.

[9]JUNG H, SOHN K D, NEPPOLIAN B, Choi H. Effect of soil organic matter (SOM) and soil texture on the fatality of indigenous microorganisms in entergrated ozaonation and biodegradation [J]. J Hazard Material, 2008, 150 (3): 809-817.

[10]李義勇. 基于污泥破解的剩余污泥資源化利用[D].廣州：華南理工大學，2014.

[11]蘇高強.剩余污泥堿性發酵產酸性能與優化[D]. 北京：北京工業大學，2013.

[12]LOWRY O H, ROSEBROUGH N J, FARR A L, et al. Protein measurement with the Folin phenol reagent[J]. J Biol Chem, 1951, 193(1): 265-275.

[13]DONG C H, XIE X Q, WANG X L, et al. Application of Box-Behnken design in optimisation for polysacchrides extraction from cultured mycelium of Cordyceps sinensis [J]. Food Bioprod Proc, 2009, 87(2): 139-144.

[14]BOX G E P, HUNTER W G,HUNTER J S. Statistics for Experimenters: Design, innovation, and discovery [M].New York：John Wiley & Sons, Inc, 2005:510-539.

DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2016.04.012

收稿日期：2016-06-16

基金項目：山東省重點研發計劃 (2015GSF117034)；國家自然科學基金青年項目(51408348)；濟南市青年科技明星計劃(201406021)

作者簡介：梁曉輝(1978-)，男，博士，研究方向為固體有機廢棄物資源化利用。 *通信作者，張曉東。Email：zhangxd@sderi.cn

中圖分類號：X703.1

文獻標識碼：A

文章編號：1002-4026(2016)04-0055-05

Resource utilization of protein alkali extraction from municipal residual sewage sludge

LIANG Xiao-hui1，ZHANG Xiao-dong1*,SI Hong-yu1,ZHAO Yu-xiao1, HUA Dong-liang1,WANG Bing-lian2,YAN Yuan-yuan3,YANG Li-jun4,LU Yong1

(1. Shandong Provincial Key Laboratory of Biomass Gasification Technology, Energy Research Institute, Shandong Academy of Sciences,Jinan 250014, China; 2. Biology Institute, Shandong Academy of Sciences,Jinan 250014, China; 3. Jiangsu Green Square Garden Biological Technology Co., Ltd.,Yancheng 224000, China; 4.Shandong Guanbaolin Carbon Industry Group Co.,Ltd., Qingdao 266300, China)

Abstract∶We address protein extraction process of municipal residual sewage sludge.We initially compared acid and alkaline hydrolysis pretreatment methods and optimized the better alkaline hydrolysis method for protein extraction from municipal residual sludge. To acquire optimal extraction condition, we optimized NaOH concentration, solution amount and pretreatment time with response surface method.The optimal protein extraction condition is 21.79 g wet municipal sludge,80 mL NaOH solution (3.68 mol/L), and pretreatment time of 20.32 h at 50 ℃.The optimal protein extraction yield is 8 967±0.4 μg/g dry sludge, 2.33 times of initial extraction yield.

Key words∶municipal sewage sludge waste; protein extraction; alkaline hydrolysis; optimization