基于污泥破解的蛋白質回收工藝研究進展

解昊，盛維杰，廖勇，楊殿海

(同濟大學 環境科學與工程學院，上海 200092)

隨著城鎮化的進一步推進，我國城鎮污泥產量逐年穩步上升。2018年，我國城鎮污水處理廠污泥產量已達6 765萬t，并以每年5%～8%的比例增長[1]。剩余污泥成分復雜，且產量大、處理成本高[2]。傳統的污泥處理處置方法主要有焚燒、土地利用和填埋等，具有處理成本高、易產生二次污染等局限性，并未充分利用其中有機資源。在無害化的前提下，對污泥中的有機成分進行有效回收和利用，已成為了環境領域的重要科學問題[3]。

污泥中富含多種營養物質，其中蛋白質含量最高，在污泥干重中占比達30%～60%，具有豐富的回收價值[4-5]。從污泥中回收的蛋白質具備優異的發泡性能和營養價值，可用于制備泡沫滅火器和動物飼料等，能夠產生可觀的經濟效益。污泥蛋白的回收主要包括蛋白質提取和蛋白質分離純化兩個過程。其中，基于污泥破解的預處理方法很大程度上決定了污泥蛋白質的釋放程度，從而對污泥蛋白質回收起到了至關重要的作用。

1 基于污泥破解的蛋白質回收技術

1.1 物理法

1.1.1 微波法 微波法處理剩余污泥具有加熱迅速、反應進程易于控制等諸多優點。微波作用主要體現在熱效應和非熱效應兩方面。熱效應的原理為引起分子振蕩，使得反應體系迅速升溫，有效破解污泥絮體和微生物細胞[6]。非熱效應原理為產生交變電場，使大分子間的氫鍵斷裂，導致細胞壁破解，同時還會使蛋白質的二級和三級結構發生變化[7]。

相較于傳統的加熱方式，微波預處理能夠獲得更高的蛋白質濃度。Eskicioglu等[8]研究結果表明,當微波預處理和傳統加熱方式同時以每分鐘升溫1.2 ℃的升溫速率升溫至96 ℃時，微波處理法獲得的可溶性蛋白質的濃度是傳統加熱方式的3倍。這可能是由于微波加熱方式受熱更均勻，升溫更快，精度更高。此外，在一定范圍內，可溶性蛋白質的濃度還會隨著微波強度和反應時間的增加而增加。Yu等[9]研究結果顯示，在微波能量為900 W，反應時間為140 s時，獲得了最高可溶性蛋白濃度為2 400 mg/L，相比Appels等[10]在800 W條件下的處理結果提升了33%。

1.1.2 超聲法 超聲波技術預處理剩余污泥具有效率高、對環境友好等優勢[10]。超聲波法兼有空化、熱解和自由基氧化作用，空化作用形成的強大剪切力可使大分子物質的分子鏈斷開，導致污泥絮體結構破壞和大分子物質降解，且超聲波分解水分子形成的羥基自由基(·OH)可氧化污泥顆粒和大分子物質，使細胞膜破解而釋放胞內物[11]。

在超聲預處理污泥過程中，超聲功率是蛋白質提取率的重要影響因素之一。邵金星[12]在超聲波輸出功率780 W，處理時間22 min條件下，蛋白質提取率高達到62.28%。徐暉等[13]在同等條件下將超聲功率降至70 W，輻照時間30 min，蛋白質提取率下降至22.4%。部分國外學者以比能來闡述超聲功率對單位剩余污泥的影響，污泥中釋放的溶解性蛋白質濃度會隨著輸入比能的增加而增加。Appels等[14]研究指出在8 500 kJ/kg TS比能輸入條件下，污泥溶出的蛋白質濃度達到450 mg/L，而當Xin等[15]將比能輸入增加至26 000 kJ/kg TS時，溶解性蛋白質的濃度增加至462 mg/L。溶解性蛋白質濃度的增加可歸因于超聲處理提升了污水污泥中的酶活性[16]。

1.1.3 熱水解法 在熱水解過程中，污泥中的固體有機物會先后經歷溶解和水解：先是污泥絮體解體，其次是溶解性有機物不斷被水解為小分子化合物。熱水解溫度范圍一般在60～180 ℃，熱水解溫度越高，反應速率越快，但過高的溫度可能會引發美拉德反應(Maillard Reaction)，生成難降解化合物致使處理效果變差。

部分研究結果表明,溶解性蛋白質濃度會隨著溫度的上升而增加[17-20]。Basanta等[17]采用低溫(60～120 ℃)熱水解預處理含鹽剩余污泥，研究發現當溫度從60 ℃提升至120 ℃時，溶出的蛋白質濃度提升了4倍。Yong等[18]研究了低溫(60～90 ℃)和高溫(120～180 ℃)下蛋白質的溶出情況，結果發現低溫情況下，最高蛋白質濃度出現在90 ℃為20 g/L，在高溫條件下，最高蛋白質濃度出現在180 ℃為30 g/L。盡管高溫可以實現蛋白質溶出效率提高[19]，但升溫需要耗費的時間和能量成本也更高，更重要的是溫度過高可能會發生美拉德反應。Lu等[20]在172 ℃下預處理污泥中發現，此溫度下同時生成了不可降解的類固醇化合物和芳族化合物，例如苯甲酸酯類，類黃酮及其衍生物。

1.2 化學法

1.2.1 酸堿法 酸堿法預處理是污泥蛋白回收中應用最廣泛的化學預處理方法之一。在酸性或堿性條件下，污泥絮體結構中含有的兩性物質會轉化為可溶性物質，微生物的胞外聚合物變松散，甚至破解，從而使微生物細胞暴露出來。近年來，研究人員發現相比于常規強酸，采用亞硝酸預處理剩余污泥更為經濟和有效。Ma等[21]用亞硝酸處理剩余污泥，反應24 h后，實驗組(FNA濃度為2.04 mg/L)和對照組(FNA濃度為0 mg/L)的溶解性蛋白質濃度從4.3 mg/g VSS分別增加到8,29 mg/g VSS。Zhao等[22]同樣用亞硝酸處理剩余污泥，反應12 h后，實驗組(FNA濃度為1.54 mg/L)溶解性蛋白質濃度從432.7 mg/L增加到1 524.3 mg/L。

相比于酸處理，堿處理提取污泥蛋白的使用更為廣泛和有效。堿具有疏松膨脹污泥的作用，進而加大胞外聚合物和微生物細胞的破解程度，促進有機物的溶出。污泥堿性預處理中常用的試劑有氫氧化鈉、氫氧化鈣、氫氧化鉀(KOH)以及氧化鈣等。Li等[23]研究表明，使用Ca(OH)2預處理污泥對蛋白質的溶出不如NaOH有效，因為二價陽離子(Ca2+)會使溶解性有機物、微生物細胞和胞外聚合物重新絮凝，進而降低了蛋白質的提取效率。但是使用Ca(OH)2預處理污泥具有經濟成本低、易于儲存、溶解性低、改善污泥脫水性能以及降低液相中磷含量等顯著優勢，在工程上更具有應用前景。肖本益等[24]對剩余污泥采用堿處理，使用氫氧化鈉調節pH為12，攪拌5 min后室溫下放置12 h，污泥的溶解性蛋白質含量最高為2 058.6 mg/L。但酸堿預處理容易腐蝕設備，對設備和操作要求較高。

1.2.2 氧化劑法 近年來，不少學者將氧化劑應用于剩余污泥預處理中，利用氧化物例如羥基自由基、硫酸根自由基或高鐵酸鹽等來氧化溶解微生物細胞壁，使細胞壁破解而釋放出有機物，還可進一步將所釋放大分子物質氧化成為小分子物質。Chisht等[25]比較了鹽酸、木質素磺酸鈉、硫酸、乙酸和硫酸銨，作為蛋白質回收原料，結果發現40%的硫酸銨具有最佳的蛋白質回收效果，回收率達到91%。張彥平等[26]研究發現，通過利用高鐵酸鹽的強氧化性能夠達到微生物細胞壁與細胞膜損壞的目的。Wu等[27]研究發現，污泥經過高鐵酸鹽處理后，污泥中蛋白質濃度明顯上升。與其他方法相比，氧化作用不僅能使得細胞裂解蛋白質溶出，還可滅活部分病原菌，利于后續污泥處置[28]。值得注意的是，過高的氧化劑劑量不一定有助于提高蛋白質濃度，因為氧化基團可能與溶解的蛋白質發生反應使其礦化[29]。

1.3 生物酶法

生物酶法具有高效簡便、反應條件溫和、清潔無污染等優勢。該方法主要是利用酶的高效催化性能，向污泥中添加酶制劑或可分泌胞外酶的細菌，利用外加酶對污泥細胞壁進行分解，進而使污泥中蛋白質溶出，同時還可將大分子物質分解為小分子。商業用酶非常昂貴，因此不少學者考慮了從污水污泥中分離出的產酶菌株的生物強化。

剩余污泥中的微生物主要是格蘭氏陰性菌，其細胞壁中蛋白質含量很高，約占60%，木瓜蛋白酶和堿性蛋白酶能很好地水解細胞壁中的蛋白質成分[30]。章文峰等[31]選取6種蛋白酶(胰蛋白酶、木瓜蛋白酶、胃蛋白酶、酸性蛋白酶、中性蛋白酶、堿性蛋白酶)水解污泥進行蛋白質提取實驗，結果表明,堿性蛋白酶水解效果最好，蛋白質提取率達52.5%。由于酶有專一性，只能水解一種蛋白質或一類蛋白質，若兩種酶復合可以水解更多種類的蛋白質，達到協同的效果，因此復合酶對污泥蛋白質溶出的影響研究也成為了各國學者的研究熱點。紀豪等[32]研究中性、堿性和木瓜蛋白酶兩兩復合的蛋白質提取效果，其中中性和堿性蛋白酶復合投加量為6%(60 mg/g TS)條件下，污泥蛋白質提取率為51.57%，比單酶提高了11%以上。Kavitha等[33]將兩個細菌菌株(Bacillusjerish03和Bacillusjerish04)應用于剩余污泥預處理中，研究結果發現污泥溶出的蛋白質濃度從50 mg/L增加到200 mg/L。

1.4 聯合法

組合的方法是根據上述方法的不同作用原理，進行技術耦合，發揮協同作用，克服單一技術自身的不足，從而提高破解效率和降低成本。

1.4.1 堿熱水解法 堿熱法可明顯提升蛋白質溶出效果，對于剩余污泥蛋白質回收是不錯的選擇。在污泥熱水解處理中，投加堿可明顯降低剩余污泥中微生物活性，同時削減細胞壁對外界溫度的抵抗力，助力污泥蛋白質溶出。但由于反應所需pH值較高，堿投入量也較大，對生產設備腐蝕性較大，后期維護也需要一定成本[34]。

堿熱聯合處理剩余污泥效果相較于單純堿處理和熱處理均有明顯提升。Cho等[35]據報道，堿熱聯合預處理后污泥溶出的蛋白質濃度比未經預處理的污泥高2.4倍，比只采用堿預處理的蛋白質濃度高2.1倍。在堿熱法中，溫度對水解效果影響較大。劉玉蕾[36]在堿熱法處理含水率92%的污泥時，得出當溫度為100 ℃，反應時間為4.5 h，pH為12.5時，污泥蛋白質的回收率達到了 73.56%。隨后李政[37]采用相同方法，在水解時間、pH條件相似情況下，將溫度提升為120 ℃，蛋白質提取率提高到了88.3%，并且污泥脫水性能也提高了90%以上。崔靜等[38]采用正交實驗發現，pH和溫度對水解過程中蛋白質回收率的影響程度最大，優化工況條件為：pH為13，溫度140 ℃，時間3 h。

1.4.2 酸熱水解法 酸熱法能有效地促進污泥水解，使得污泥細胞破裂，胞內有機物溶出。這主要是由于細胞壁中的脂肪可被酸試劑溶解，細胞結構被深度破壞，從而釋放出大量胞內物。酸法對pH要求較為嚴格，雖然胞溶效果較好，但對生產設備要求較高以及后續還需對水解液進行中和反應。

酸熱法對污泥蛋白質回收具有良好效果。Liu等[39]將污泥加入到熱鹽酸溶液中進行蛋白質提取，在最優提取條件下從污泥中提取出了78.5%的蛋白質。對于采用酸熱法處理剩余污泥用于污泥蛋白質提取，pH和溫度是兩個關鍵因素。若pH偏低,獲得的溶解態蛋白質會進一步水解成氨基酸，若pH偏高,則達不到理想的水解效果，最適pH一般在1～2[40]。劉玉蕾等[36]在120 ℃，pH約為2，反應時間4 h條件下獲得的蛋白質提取率為48.12%。邵金星[41]實驗結果表明，在110 ℃，pH為1條件下水解6 h后，所得污泥蛋白質的提取率為61.59%。趙順順等[40]在121 ℃，pH為1.25，水解時間5 h條件下，獲得剩余污泥蛋白質提取率為62.7l%。在酸熱法中，相較于溫度和反應時間，pH對污泥蛋白質提取率影響更為顯著。

1.4.3 超聲波-堿法 超聲-堿聯合預處理對污泥中的蛋白質提取有著協同作用，超聲助于分解污泥絮體，隨后堿處理通過溶解膜蛋白和皂化膜脂來破壞微生物細胞。Liu等[42]采用超聲-堿聯合預處理方法對剩余污泥中的蛋白質進行溶出，預處理pH條件為12，超聲頻率為28 kHz，60 min后，可溶性蛋白濃度達到了7.9 g/L。Hwang等[43]將堿法與超聲相結合處理剩余污泥，得到的污泥蛋白溶液中蛋白質濃度高達3 177.5 mg/L。

1.4.4 超聲波-酶法 在生物法處理剩余污泥中，酶與微生物細胞的接觸時間對處理結果至關重要。超聲處理可以有效消除非均質體系中的傳質阻力，將污泥絮體分解成更細的顆粒，提高其比表面積，從而增加酶與微生物細胞的接觸時間。薛飛等[44]采用超聲-溶菌酶協同處理印染廢水的剩余污泥，比較了超聲處理、溶菌酶處理及超聲-溶菌酶協同處理3種不同處理方式對蛋白質溶出的影響，結果發現協同處理的溶出效果最佳，蛋白質濃度達60 mg/g VSS，與單純超聲和單純溶菌酶處理相比，分別提高了59%和108%。

表1 多種預處理方法的蛋白質回收情況比較Table 1 Comparison of several pretreatment on protein recovery from sludge

2 蛋白質的分離純化

污泥預處理后獲得的混合液中除了蛋白質還含有脂肪、糖類等其他物質。為獲得純蛋白質產品還需對混合液中的蛋白質進行純化分離。蛋白質混合液通常會先進行濃縮，再沉淀結晶。近年來，膜處理法和循環水解法被應用于污泥蛋白質濃縮。龐金釗等[45]采用超濾膜法濃縮污泥蛋白提取液，運行170 min時，蛋白質濃縮至7.5倍。濃縮液的沉淀結晶對蛋白質的分離純化同樣至關重要。常用蛋白質的結晶方法包括鹽析沉淀法和等電點沉淀法。García等[46]表示添加硫酸銨是良好的沉淀分離方法，對于熱水解和濕氧化處理的污泥樣品，分別可實現87%和86%的蛋白質回收率。趙順順[47]對剩余污泥蛋白質溶液用等電點沉淀法進行濃縮結晶，在pH5.5條件下，獲得蛋白質最高沉淀率為72.38%。

3 污泥蛋白質回收工藝的產品特性及應用途徑

3.1 豐富的營養價值

我國對進口蛋白質動物飼料具有一定依賴性，開發污泥蛋白作為新的蛋白質資源有助于改善這種局面。生活污水剩余污泥中含有豐富的可利用蛋白質，從剩余污泥中提取的粗蛋白70%以多種氨基酸形式存在，符合動物飼料的營養學要求[48]。已有研究者對污泥蛋白進行成分分析，結果表明,Cu、Pb、Zn、Cd 等重金屬含量非常少，滿足GB 13078—2001、NY 929—2005中的相關規定，符合動物飼料的安全性要求[47]。將剩余污泥提取的蛋白液用健康大鼠進行毒性分析實驗，結果表明,對小鼠的死亡率臨床表現、體征變化沒有影響，對動物具有安全性[43]。污水處理廠剩余污泥蛋白質提取分離后，同時滿足作為動物飼料的營養性和安全性兩方面，因此用作動物飼料的添加劑具有可行性。

3.2 良好的發泡性能

發泡劑包括松香樹脂類發泡劑、合成類發泡劑和蛋白型發泡劑，其中蛋白型發泡劑是穩定性更佳。污泥蛋白類發泡劑開發了新的蛋白質發泡劑來源。污泥蛋白發泡劑的穩定性和發泡能力主要與溫度、時間和pH有關。除發泡劑外，還可利用污泥蛋白的發泡性能制備泡沫滅火器。以往所用蛋白類泡沫滅火劑均為動物蛋白泡沫，在滅火過程中會產生大量毛發燒焦味和難聞的臭味。李亞東等[49]采用剩余污泥蛋白質制備了一款無毒、無刺激性的綠色環保泡沫滅火劑。此外，相較于其他合成泡沫滅火劑而言，污泥蛋白泡沫滅火劑能夠被生物完全降解，經濟成本低且滅火效果好，是一種性價比非常高的滅火劑。

4 結論

基于污泥破解的蛋白質回收工藝為污泥的資源化利用提供了一條科學有效的實施途徑。本文對污泥蛋白質提取技術和回收利用途徑進行了系統性總結。現有研究尚未對污泥蛋白質回收進行系統的全生命周期評估，也缺乏相應的環境標準和激勵政策。污泥蛋白回收的相關研究大多仍局限于實驗室規模，難以工程化應用和向商業市場邁進。今后的研究應更多“以終為始”，從商業產品化的角度來對實驗研究進行反饋指導，形成更為科學有效的綜合評價體系，從而為不同的蛋白質回收利用途徑選定更為適合的組合工藝。結合現有研究提出以下建議：

(1)根據污泥蛋白不同的產品化用途，評估污泥蛋白質回收工藝的有效性時，應采用不同的綜合評價指標。

(2)明確不同污泥蛋白質回收工藝的作用機制、反應過程的有效控制以及不同工況條件的產品性質變化，為后續工程化應用提供理論支撐。

(3)綜合核算污泥蛋白質回收工藝的經濟成本和經濟效益，建立投入-產出動態模型，對最終的污泥蛋白質回收工藝的選定和工況的調控進行反饋指導。

(4)對污泥蛋白質回收工藝進行全生命周期的環境影響評價，應符合國家環境標準和社會長遠利益。