酸和热解耦合法提取剩余污泥蛋白质的研究

邵金星，吕 斌*，王弘宇



酸和热解耦合法提取剩余污泥蛋白质的研究

邵金星1，吕 斌1*，王弘宇2

（1. 武汉纺织大学 环境工程学院，湖北 武汉 430073；2. 武汉大学 土建学院，湖北 武汉 430072）

从城市污水处理所产生的剩余污泥中提取蛋白质是污泥资源化的方法之一。本文主要利用单一热解、单一酸解及酸和热解偶合法提取蛋白质，并对其提取效果进行探讨。试验表明：单一热解和酸解法可提取部分剩余污泥中的蛋白质，但是效果不理想。而采用酸和热解耦合，在pH=1，温度保持在110℃，处理时间6h条件下，蛋白质提取效率可达61.59%。

剩余污泥；蛋白质提取；热解；酸解；耦合

城市污水厂的剩余污泥是指处理污水所产生的固态、半固态及液态的废弃物，含有大量的有机物、重金属以及致病菌和病原菌等，不加处理任意排放，会对环境造成严重的污染。目前，我国剩余污泥的年产量在3000万吨以上（按污泥含水率80%计算），而随着污水处理设施的普及、处理率的提高和处理程度的深化，污水厂的污泥产生量将有较大的增长，由此引起的二次污染问题已不容忽视[1-3]。实际工程中污泥处理总的要求是稳定化、无害化和减量化，但也有研究表明资源化剩余污泥是较好的处置方式。

一般情况下干燥的剩余污泥中往往含有重量高达40%的微生物，这些生物中含有大量的蛋白质，适当处置可以从剩余污泥中提取大量蛋白质。赵顺顺、李军伟等[4-5]研究发现从剩余污泥中提取的蛋白质可作为动物饲料、混凝土粘合剂等使用。

目前剩余污泥中提取蛋白质仍处在研究阶段，常用的处置方法主要有化学法(酸、碱处理、臭氧法)、物理法(热处理、机械处理法)、生物法(酶处理法)。本研究采用酸解与热处理耦合的方法，提取剩余污泥中的蛋白质，探讨其工艺参数，尝试提出一种较为节能、高效的剩余污泥资源化方法。

1 实验材料与方法

1.1 实验器材

主要仪器设备：TDL-80-2B台式离心机，DGX-9423BC-1干燥箱，压力蒸汽灭菌器，BS323S电子天平，PHS-25型酸度计，SP-1920光谱分析仪，半微量凯氏定氮蒸馏装置（见图1）。

1-电炉 2-沸石 3-凯氏烧瓶 4-温度计 5-安全管 6-汽水分离管 7-橡皮管夹 8-蒸馏器 9-进样漏斗 10-冷凝管 11-吸收瓶

1.2 试验污泥

试验污泥取自武汉市武昌区某污水处理厂脱水后的剩余污泥。该污泥的颜色为深褐色，pH值为7.8~8.2，较为松软，有轻微臭味，污泥含水量为73.27%~80.51%。试验污泥经过以下预处理：采样污泥用去离子水进行洗涤，去除污泥中游离状态（非微生物细胞内）的蛋白质，以及一些悬浮渣滓等，并调节污泥含水率至93%。预处理后的污泥用凯氏定氮法多次测量其蛋白质含率为25.3%~34.8%（干重）,平值均取29.4%（干重）。预处理污泥的SCOD为73.1mg/L。

1.3 监测项目与方法

污泥含水率：采用国标法（CJ/T 221-2005）测定；

蛋白质含量：污泥固体采用国标GB5009.5-2010中凯氏定氮法测定，蛋白质溶液采用Bradford法测定；

pH值采用上海伟业仪器厂PHS-25型酸度计测定。

SCOD采用国标法（GB11914-89）测定。

1.4 实验方法

本实验基本步骤为：先将预处理含水率为93%的剩余污泥经过酸调节，使其处在不同的pH值水平下，放置在50ml取样管中，在烘箱内加热，经过不同的温度或不同的处理时间后，测量在不同处理条件下，处理后的剩余污泥溶出的蛋白质含量，本实验可分为单因子影响和多因子影响实验，单因子为温度T和pH实验，多因子为pH和温度T耦合作用实验。

剩余污泥提取的蛋白质来源于微生物细胞壁破碎后溶于水中的部分蛋白，要测量这部分蛋白质的量，离心分离法可将其与污泥混合液中的固态残渣分离。处理后的剩余污泥在离心过程中，若离心转速过低，污泥上清液无法与残渣分离；若离心转速过高则会导致溶出的蛋白质与残渣混合在一起。这样会造成测量值与实际溶解出的蛋白质有较大的差距。因此，对于处置后的剩余污泥存在较佳的离心条件，经过离心分离后，残渣与上清液具有较好的分层现象，且细胞中溶出的蛋白质基本上存在离心后上清液中。

离心条件的选择包括离心机转速及离心时间。首先，以预处理的污泥为试验样品，将其pH值调至1左右，并在100℃下处理6h左右；其次，再将处理后的剩余污泥污泥，分别在2500、3000、3500、3800、4000、4500r/min转速下处理20min；在3800r/min转速下离心5、10、15、20、25、30min，测试不同离心机转速及离心条件下蛋白质提取效果，结果见图2。

图2 离心机转速和时间对蛋白质提取效果

从图2中可以看出，随着离心机转速的增加或随着离心时间的延长，经离心后上清液中蛋白质含量均先升高，在下降。离心机转速为3800r/min和离心时间为15min左右时，经离心后的上清液蛋白质含量较高。本实验剩余污泥离心条件选用以上两个控制条件。

2 结果与讨论

本试验，首先探讨了单因子情况下，温度、pH值分别对提取蛋白质的影响效果；其次再探讨pH值和温度T耦合处理剩余污泥的效果。

2.1 热处理对蛋白质提取效果

此试验阶段，pH值保持预处理后污泥pH值（4.0）左右；将污泥控制在37℃，55℃、85℃、100℃、110℃和120℃六个水平值，另外热处理时间分别为3h、4h、5h、6h、7h、10h和14h。其处理结果见图3。

图3 温度T对蛋白质提取率ω的影响

根据图4可以看出，随水解温度的升高，蛋白质提取率在逐渐增加，而且在高温条件下，蛋白质提取达到最大后随时间不断减少。在120℃处理条件下，6h时污泥溶液SCOD为1729.3mg/L，在10h时，污泥溶液SCOD为1873.0mg/L，由于污泥中不溶性物质转化为可溶性物质导致SCOD升高[6]，污泥融胞反应仍在继续，但是污泥蛋白质的提取率却在降低。根据Elding[7]等的研究发现，污泥在高温下水解会发生“美拉德反应(Maillard Reaction)”（蛋白质的氨基和碳水化合物的羰基发生聚合反应）生成一些难降解的类黑色素物质，导致褐变，而反应结束后污泥溶液为褐色正验证这一反应。因此，单一的热处理会使蛋白质发生聚合反应，导致提取率降低，不利于蛋白质的提取。

图4 pH对蛋白质提取率ω的影响

2.2 酸处理对蛋白质提取效果

此试验阶段，温度保持在55℃左右；将污泥用硫酸溶液调节至pH值分别为0.5、1、1.5、2、3和4六个水平，酸处理时间控制在6h左右。其处理效果见图4。

由图4数据发现，在酸处理条件下，污泥蛋白质的提取率随水解pH的升高而降低。由于活性污泥中革兰氏阴性菌为优势菌，酸会促进革兰氏阴性菌细胞壁中的蛋白质和脂类的水解，使细胞破裂，细胞内物质融出，增加污泥溶液中蛋白质含量，从而增加提取率。肖本益的研究发现，酸对细胞的融解作用较小。因此，单独的酸性pH条件不利于污泥蛋白质的提取。

2.3 温度和酸处理耦合处理效果

此实验阶段，热和酸耦合处理时间控制在6h；温度分别保持37℃，55℃、85℃、100℃、110℃和120℃六个水平值；pH值分别保持0.5、1、1.5、2、3和4六个水平。其处理结果见图5。

图5 温度T和pH对蛋白质提取率ω的影响

根据图5与图3的对比发现，在相同的预处理时间和温度条件下，较低的pH有利于蛋白质的提取，而且作用明显，酸性条件可有效抑制美拉德反应的发生。图5与图4的对比发现，在相同的pH和时间条件下，温度越高越有利于蛋白质的提取。根据蛋白质等电点理论，在等电点下（pl=pH时）蛋白质的溶解度最小，导致部分蛋白质发生沉降，此时提取液中的蛋白质含量也减少，蛋白质的等电点一般在pH=4～6之间；而pH过低，蛋白质会发生分解，导致溶液中的蛋白质含量减少，导致提取率降低。综上各数据，酸和热处理耦合的条件下具有较好的蛋白质提取效果，此时的蛋白质提取条件为pH=1、温度T=110℃。

在最适条件pH=1、T=110℃条件下，对剩余污泥处理4、5、6、7h，蛋白质提取率与SCOD见图6。

图6 最佳提取条件下蛋白质提取率ω和SCOD随时间的变化

根据图6显示，在pH=1、温度T=110℃条件下，最佳的提取时间为6h，蛋白质的提取率最高（61.59%）。随着时间的延续，SCOD仍在增加，细胞破解作用继续进行，但是融出的蛋白质量小于美拉德反应和蛋白质水解量，此时，溶液中蛋白质含量降低，提取率也随之减少。

3 结论

处理的pH和温度T对剩余污泥的蛋白质提取效率都有重要影响。高温能有效促进细胞的破解，适宜的pH会促进蛋白质的融解，抑制蛋白质聚合反应的发生。

酸与热处理耦合工艺提取剩余污泥蛋白质的最佳条件：水解体系pH=1、水解温度T=110℃、水解时间为6h，最大提取率为61.59%。酸与热耦合处理具有较高的污泥破解效果，且破解后污泥含有较高的SCOD。

参考文献：

[1] 张振华．浅议我国污泥处置的现状及发展[J]．科技情报开发与经济，2012，22(9)：112-113．

[2] 李滨丹．生活污水处理厂污泥处置技术研究[J]．环境科学与管理，2014，39(5)：92-94．

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部．关于全国城镇污水处理设施2010年第四季度建设和运行情况的通报[R]．建城[2011]12号，2011．1．28．

[4] 赵顺顺，孟范平．剩余污泥蛋白质作为动物饲料添加剂的营养性和安全性分析[J]．中国饲料，2008， (15)：25-38．

[5] 李军伟．活性污泥蛋白质混凝土发泡剂的泡沫稳定性研究[J]．新型建筑材料，2010，37(12)：63-66．

[6] 肖本益，刘俊新．不同预处理方法对剩余污泥性质的影响研究[J]．环境科学，2008，29(2)：327-331．

[7] Elbing G， Dünnebeil A． Thermal disintegration with subsequent digestion lab-scale investigation[J]．Korrespondenz Abwasser，1999，46(2)：538-547．

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

吕斌（1975-），男，副教授，博士，研究方向：市政给水及污水处理.

湖北省自然科学基金项目（2013CFB308）.