堿聯合熱活化過硫酸鹽提取污泥中蛋白質的效能

劉曉艷，郝永豪，曾令輝，許志凱，熊文軒，郭紹東

（武漢科技大學 城市建設學院，湖北 武漢 430065）

隨著我國城市化的迅速發展，大量的人口開始向城市聚集，城鎮化率也在顯著提升，同時城鎮化污水處理量也在日益劇增。根據2021 年全國環境統計表顯示，全國城市污水處理能力2.02 億m3·d-1，以此同時，我國污泥產量以每年約7%的增長率快速增長，達到了4 015.9 萬t[1]。污泥具有污染性，但同時也富含營養物質，可資源化利用，例如污泥的中蛋白質類物質可用作發泡劑[2]、葉面肥[3]等。為此學者們開發研究了用提取污泥中蛋白質的技術方法，如超聲波法、酶催化法、水解法、氧化法及其耦合方式。采用堿熱法提取蛋白質的研究中，馬麗萍等優化了提取條件，發現pH 可控制在13、處理時間4 h、熱解溫度100 ℃、污泥含水率90%的條件下提取效果最好[4]。顧海洋采用熱堿處理制革污泥制得蛋白質水解液，通過酸化提取制革污泥蛋白質，獲得的蛋白質純度為83.01%[5]。采用過氧化鈣及過硫酸鹽氧化法可以顯著提高污泥中蛋白質提取量，同時改善污泥脫水性能[6]。對于其他耦合方法，高健磊等指出超聲波預處理強化中性蛋白酶提取污泥蛋白質的效果高于單獨酶提取法[7]；采用超聲-DNA 提取酚試劑-堿性蛋白酶提取法[8]和熱堿-復合酶提取法[9]也獲得了顯著的協同效應，污泥上清液中蛋白質量提高明顯。

上述提取污泥中蛋白質研究中，存在處理成本高、反應周期時間長、技術設備昂貴的限制。為此，采用中溫（80 ℃）熱堿耦合過硫酸鹽提取污泥中蛋白質，考察CaO 投加量和處理時間在氧化作用下的影響，并從胞外聚合物（EPS）分析蛋白質的遷移。

1 材料及方法

1.1 材料

污泥為武漢市某污水處理廠剩余活性污泥，取回后進行濃縮，控制含水率為96.8%～97.4%。原泥pH 為7.1～7.3，懸浮固體質量濃度為25～29 g·L-1，揮發性固體質量濃度為14～16 g·L-1。

1.2 試劑和儀器

試劑主要有氫氧化鈉、氧化鈣、過硫酸鉀、酒石酸鈉、濃硫酸、蒽酮溶液、氯化鈉，均為分析純。儀器主要有全自動高壓滅菌鍋、紫外-可見分光光度計、離心機、真空干燥箱等。

1.3 方法

稱取5 份200 g 污泥溶液，在80 ℃的水浴條件下分別加入0、50 mg·g-1干污泥（DS）、100 mg·g-1DS、200 mg·g-1DS、250 mg·g-1DS 氧化鈣與120 mg·g-1DS過硫酸鉀（根據以往研究結果，過流酸鉀投加量控制在該值）。再分別于5、10、15、30 min 時取出25 mL 污泥置于常溫水浴試管中。在4 ℃下離心5 min，取離心液，采用國標法檢測上清液中氨氮、總磷、凱氏氮等指標，總蛋白質含量由凱氏氮換算；采用硫酸-蒽酮法檢測上清液中多糖（PS）含量。取25 mL 靜置30 min，摒棄上清液，將殘渣稀釋到25 mL，在4 ℃下離心5 min，取上清液過0.45 μm的硝酸纖維素濾膜，所得到的液體即為黏液層EPS（SB-EPS）。將上述離心殘渣加熱至60 ℃，用質量分數為0.05%的NaCl 溶液稀釋至25 mL，立即用渦旋振蕩器振蕩1 min，然后在4 ℃下離心10 min，取所有上清液過0.45 μm 的硝酸纖維素濾膜，所得到的液體即為松散結合層EPS（LB-EPS）。再次將離心殘渣用質量分數為0.05%的 NaCl 溶液稀釋至25 mL，用渦旋振蕩器振檔1 min，并在60 ℃的水浴中加熱30 min，然后在4 ℃下離心15 min，取所有上清液過0.45 μm 的硝酸纖維素濾膜，所得到的液體即為TB-EPS。EPS 中蛋白質（PN）采用快速lorry 試劑盒法檢測。

2 結果與討論

2.1 總蛋白質的提取效能

污泥提取液中總蛋白含量如圖1 所示。

圖1 總蛋白含量的變化

由圖5 可以看出，當不投加CaO 時，在熱活化過硫酸鹽的氧化作用下，總蛋白質質量濃度從743 mg·L-1增加到1 454 mg·L-1，表明熱過硫酸鹽在一定程度上能夠提高蛋白質的提取量。而當投加CaO 后，總蛋白質的含量進一步升高，可見CaO 強化了熱過硫酸鹽提取污泥中蛋白質的效能，且CaO的投加量越大，總蛋白含量增長越快。同時投加一定量的CaO 后，總蛋白的提取量隨著處理時間的延長而增加，在低于100 mg·g-1DS 投加量下，總蛋白含量變化較平緩。而當提高到200 mg·g-1時其增加較顯著，處理30 min 后，總蛋白的質量濃度從原泥的743 mg·L-1增加到5 900 mg·L-1以上。由此可見，適當增加CaO的投加量有利于進一步促進污泥中蛋白質的回收。主要原因可能是CaO 投量越大，污泥的pH 越高，在強堿的作用污泥細胞壁更容易被破壞而釋放蛋白質[4,10]。另外，當處理時間長于15 min時，熱活化過硫酸鹽的氧化作用發揮越明顯，可以無選擇地氧化有機物質[11]，雖然會礦化部分有機物，但氧化作用下蛋白質的增量大于礦化量。

2.2 污泥各EPS 層中蛋白質含量的變化

污泥各EPS 層中蛋白質含量的變化如圖3 所示。由圖3（a）可以看出，對S-EPS 而言，當不投加CaO 時，S-EPS 中蛋白質質量濃度從原泥的200.4 mg·L-1增加到914.8 mg·L-1。當投加CaO 后，在同一處理時間下，蛋白質含量又有所增加，可見S-EPS 中蛋白質含量隨著處理時間和CaO 投加量的增加而升高，當投加200 mg·g-1DS 處理30 min 時，增加到了1 061.4 mg·L-1。由圖3（b）可以看出，對LB-EPS 而言，不投加CaO 時，在同一處理時間下，LB-EPS 中蛋白質要比投加CaO 的組別要高，表明CaO 能促進LB-EPS 轉化為S-EPS；當CaO 投加量低于100 mg·g-1DS 時，LB-EPS 中蛋白質含量大體呈現先升后下降的趨勢，當CaO 投加量達到200 mg·g-1DS 以上時，LB-EPS 中蛋白質含量沒有呈現一定的變化規律，但當處理時間大于15 min 后，處于下降趨勢。由圖3（c）可以看出，對于TB-EPS 中蛋白質，其含量隨著處理時間的增長而降低，當處理時間達到15 min 后時，TB-EPS 中蛋白質變化趨于平緩；只投加過硫酸鹽處理30 min 時，蛋白質質量濃度從原泥的604.3 mg·L-1降低到177.7 mg·L-1；當投加CaO 后，在相同處理時間下，蛋白質含量進一步降低；同時，CaO 投加量越大，下降越明顯，當投加200 mg·g-1DS CaO 時，處理30 min 后，降低到了0.6 mg·L-1。從上述結果可知，在熱過硫酸鹽處理過程中，污泥中各EPS 層均處于由緊密到松散再到游離的過程，不同的是當堿耦合熱過硫酸鹽處理時，CaO 能夠強化這一過程。就各EPS 層的遷移而言，S-EPS 中蛋白質解離到液相中，而LB-EPS 在氧化和熱堿的作用下轉化為S-EPS，同時TB-EPS 轉化為LB-EPS，這導致LB-EPS 的含量有增有減；但當TB-EPS 中蛋白質變化平緩后，LB-EPS 中蛋白質處于減少趨勢，此時TB-EPS 中遷移的蛋白質不足以彌補LB-EPS 中蛋白質轉變化為S-EPS 的量。可能原因在于80 ℃活化過硫酸鹽后，具有強氧化性，能夠破壞污泥EPS 結構，同時堿的作用也為蛋白質等物質的遷移提供動力，但這些作用最終會減弱甚至消失，致使變化平緩。

圖3 EPS 中蛋白質的質量濃度變化

2.3 污泥上清液中多糖含量的變化

污泥上清液中多糖質量濃度變化如圖3 所示。不投加CaO 處理30 min 時，多糖質量濃度從69.2 mg·L-1增加到254.6 mg·L-1；而當投加CaO 后，多糖質量濃度進一步提高。同時，當CaO 投量在50～200 mg·g-1DS 時，投加量越大，多糖質量濃度增加也越多；當CaO 投加量達到200 mg·g-1DS、處理時間為 30 min 時，多糖質量濃度從原泥的69.2 mg·L-1增加到508.2 mg·L-1。一定的CaO 投加量下，隨著處理時間的增加，多糖質量濃度呈現增長趨勢，當達到15 min 之后趨于平緩。結果表明熱過硫酸鹽的氧化作用能夠提高液相中的多糖含量，而CaO 也促進了污泥中多糖的釋放，主要原因在于多糖和蛋白質一樣，屬于污泥EPS 中重要的組分，其含量較大，對于同一污泥而言，多糖和蛋白質的比例相對穩定，當EPS 結構破壞后，多糖也會大量釋放到溶液中，當氧化和熱解作用減弱后，多糖含量變化較小。

圖3 上清液中多糖質量濃度變化

2.4 污泥上清液中氨氮和溶解性磷含量的變化

污泥上清液中氨氮和溶解性磷含量的變化如圖4 所示。隨著反應時間的增長，上清液中氨氮含量逐漸升高。當反應時間小于15 min 時，CaO 投量與氨氮含量增加無明顯正相關，而當處理時間大于15 min 時，CaO 投量越大，上清液中氨氮含量也越多，當投加200 mg·g-1DS CaO 時，處理后污泥中氨氮和原泥氨氮的比值（c(NH4-N)/c0(NH4-N)）增加到了2.0。溶解性總磷含量隨著處理時間的延長而增加，當CaO 投加量小于50 mg·g-1DS 時，溶解性磷增加較緩慢；當CaO 投加超過100 mg·g-1DS 時，溶解性磷在15 min 之內增加顯著，而此后增加緩慢，且此時，在CaO 投加量分別為100、200、250 mg·g-1DS 時，3 個投加量作用下溶解性磷含量差異較小，可見CaO 投量達到100 mg·g-1DS 以上時，其投量對溶解性磷的釋放影響較小，處理30 min 時，溶解性磷質量濃度在14 mg·L-1左右。上述結果表明，在氧化和熱堿的作用下，污泥EPS 和細胞均被不同程度破化，有機物質結構和性質均可能發生改變，而氮、磷屬于蛋白質中不可或缺的元素，伴隨著部分蛋白質的氧化，有機氨和磷會不同程度地釋放到液相中。這從另外一方面證實污泥結構的破壞提高了液相中蛋白質的含量。

圖4 上清液中氨氮和溶解性磷含量的變化

3 結 論

1）熱活化過硫酸鹽能在一定程度上促進污泥釋放蛋白質，而CaO 聯合熱活化過硫酸鹽能夠進一步提高污泥中蛋白質的提取量，在處理時間為15～30 min、CaO 投加200 mg·g-1DS 時可以獲得較好的提取效果。

2）在熱活化過硫酸鹽和堿的聯合作用下污泥結構的破壞較徹底，使得緊密型胞外聚合物提供了大量可供回收的蛋白質，同時也使污泥釋放了較多多糖和溶解性磷到液相中。