污泥蛋白质提取及作为动物饲料添加剂营养安全性研究

郭正富，杨小琴，李 军

（1.宜宾职业技术学院,四川宜宾 644003；2.高县水务局,四川高县 645154）

城市污水的产生量随人民生活水平的提高、社会经济的不断发展、城市化进程速度的加快而不断增长，越来越多的生活、工业废水产生，从而剩余污泥的产量也越来越多。剩余污泥是城市污水处理厂利用活性污泥法对废水进行处理后所产生的固态、半固态及液态的废弃物，其含有大量微生物（细菌、真菌、原生动物等）、氮磷、重金属（铜、铅、锌、铬等）及化学物质等。

众所周知，蛋白质饲料是支撑畜牧业不断向前发展的主要原料之一，但由于我国蛋白质饲料相对匮乏，严重影响我国畜牧业的快速发展。据业内人士估计，2020年我国蛋白质饲料资源缺口将达4800万t（周元军，2005；汪善锋等，2003）。

剩余污泥蛋白的提取是近年来新型资源化技术发展的热点，有研究发现，处理生活污水得到的剩余污泥中含蛋白质41%、碳水化合物14%、类脂25%，未知成分20%（Tanaka等，1997）；污泥中的生物体均含蛋白质，含量高达40%～60%，所以对剩余污泥蛋白质进行提取回收利用将开辟污泥资源化新途径（崔健等，2009）。

1　剩余污泥对环境的影响

由于剩余污泥中含有大量病原菌、寄生虫、重金属、放射性核素等有毒有害物质，所以不合理的处置方式将对我们的生活环境造成很大的负面影响，主要体现在以下几方面。

1.1重金属对土地的污染 污泥中的重金属（铜、锌、铬等）可以被土壤贮蓄和在植物富集，使土壤板结、含毒过高，从而导致作物生长不良，重金属也会随食物链进入人体，进而危害人体健康。

1.2重金属和氮、磷对水资源的污染 剩余污泥中的重金属会随雨水进入地面和地下水体中，从而使水中重金属超标，不仅影响水生植物的生长，更会影响人类饮用水的安全；剩余污泥在被使用于土质疏松的土地后，如果其有机物流入土壤的速率大于被分解的速率，会导致大量氮、磷随降雨量的增大而造成水体富营养化，污染水资源。

1.3盐分对土壤的污染 污泥盐分较高会导致土壤导电率升高、破坏植物根系的渗透压，抑制其吸收养分，同时，离子间的拮抗作用会加速有效养分的流失（张宗国等，2004）。

1.4病原微生物的污染 相关检测发现，约有90%的病原微生物和寄生虫被富集到污泥中，这样导致人或者动物很容易被环境中的污泥病原菌所感染，进而对健康造成危害。

1.5有毒物质的污染 污泥颗粒中富集有大量的有机污染物（氯酚、苯等）（Drescher-Kaden等，1992），研究发现，我国许多污水处理厂的污泥中有机污染物的种类高达几十种，而植物不能有效吸收和利用有机污染物。

2　常规剩余污泥的处置方式

2.1污泥卫生填埋处置 此方法可以使剩余污泥生物固体的体积减小，达到剩余污泥的减量稳定，其原理是由于土壤中的微生物可以将剩余污泥中的有机物分解。此法易于操作、成本低廉；但会污染地下水、污染空气，造成环境污染、场地建设费和运输费较高。

2.2污泥焚烧处理 污泥焚烧适用于无法再利用的污泥，且其自身燃烧值较大，其原理是在一定温度和氧气含量条件下，污泥中的有机成分燃烧产生CO2、H2O等，同时释放热能的过程（Tay等，2010）。其优点是能杀死病原菌、炭化全部有机物、处理迅速，最大限度地减少污染，且剩余的焚烧灰可以用来制作陶瓷、水泥、砖等建筑材料（林冬等，2003）；缺点是有机燃烧产生有毒有害物质（二噁英等），且花费较高。

2.3土地利用 剩余污泥中含有高达60%～70%的有机物质，并且含有营养元素（N、P、K 等）和植物所必需的微量元素（Ca、Zn、Mg、Cu、Fe等），可以提高土地肥力，促进植物生长，所以合适的用量可以成为农田、绿地、林地利用的有效资源，此种方法成为剩余污泥处理的最广泛方法之一。但由于其含有很多重金属且存在大量病原污染物，所以必须在使用前对其进行正确处理（王诗元等，2000），否则任意排放会使其成为一种新的污染源。

2.4污泥海洋倾倒 对污泥进行倾倒的这种方法相对于其他方法易于操作，尤其是对一些沿海城市，成本较低，然而由于环境问题越来越严重、人们的环保意识越来越强，污泥海洋倾倒这种方式产生的负面影响越来越受到人们的关注。

3　提取剩余污泥蛋白的方法

蛋白质可以从剩余污泥中提取出来，由于我们使用某些技术手段，使污泥的结构和微生物细胞壁遭到破坏，从而微生物体内蛋白质溶解入水，进而被提取。目前，物理法、化学法和生物法是从剩余污泥提取蛋白质的3种主要方法。

3.1物理法

3.1.1热解法 剩余污泥在高温条件下，微生物内外会产生压力差，进而使微生物细胞迅速破裂，细胞内的物质释放出来溶解在液相中。肖本益等（2008）研究发现，在使用化学法（酸法、碱法）和加热法处理污水污泥，热处理既可能破坏污泥的絮体结构，也可能使污泥细胞的细胞壁破坏，破碎污泥细胞。王治军等（2005）利用热水解处理剩余污泥结果表明，剩余污泥的水解率随处理时间的增加和水解温度的升高逐渐增大，且在温度为210℃、时间为75 min时，剩余污泥蛋白质的溶解率达47.21%。Shier等（1994）研究热水解法提取剩余污泥蛋白质的最优条件，结果得出，在150～155℃温度范围时，20 min为污泥蛋白提取的最优条件，在此条件下可提取出大分子蛋白质，如若温度过高，蛋白质会继续分解成小分子片段。

3.1.2超声波法 曹秀序等（2003）研究超声波处理对剩余污泥减量化的影响，结果显示，当在声能密度为0.25 W/ml，处理时间30 min时，溶解性化学需氧量（SCOD）的浓度从133 mg/L增长到2566 mg/L，增量达19倍，由此得出，微生物细胞在超声波下可有效破解。同理，Yu等（2009）研究发现，存在污泥中的酶类物质可以利用超声波进行提取，这证明超声波可以破坏微生物细胞的细胞壁，使胞内物质释放出来。无污染、能量密度高、分解迅速、可在短时间内使细胞内物质快速释放等是超声破技术的优点，但超声波发挥作用时，所处的环境温度、作用液体的表面张力等都会影响超声波破坏微生物的效果，所以此法还需进一步研究，暂时难以投入到大规模使用。

3.2化学法 化学法（酸、碱等）作用于污泥时，微生物细胞的活性被抑制，同时，微生物细胞的细胞壁也被破坏，胞内物质进而流出。常用的酸包括无机酸（硫酸、盐酸等），有机酸（乙酸、柠檬酸）；碱包括氢氧化钠、氢氧化钾等。

3.2.1碱法 在常温条件下，将NaOH、KOH或Ca（OH）2等碱性物质加入剩余污泥中会促进污泥中的纤维溶解即为加碱处理法。赵顺顺等（2008）采用正交试验研究在不同条件下（时间、温度、体系酸碱度、固液比）利用加碱法对剩余污泥蛋白质提取效果的影响，结果表明，其最适反应条件为pH=12.5、温度70℃、时间5 h、固液比（w/v）为1∶4时，剩余污泥蛋白质的提取率最大，为54.49%。Chishti等（1992）将氢氧化钠和氯化钠作为增溶剂添加到原始污泥中进行污泥蛋白的提取试验，结果表明，氢氧化钠组蛋白质提取率较高，其效果优于氯化钠及氢氧化钠和氯化钠的混合物，并且当pH=12.5、反应24 h时，最高可使污泥中蛋白质的溶解度达到90%。

3.2.2酸法 污泥受到酸性物质处理时，聚合于污泥微生物胞外的两性物质会被溶解，污泥的絮体结构遭到破坏，从而使细胞溶解。陈玉辉等（2006）研究单次水解和循环水解对剩余污泥蛋白质提取量的影响，结果表明，当水解温度为121℃，单次水解，提取到蛋白质的浓度为45.442 g/L，而利用酸循环水解时，蛋白质浓度可达75.379 g/L；Liu等（2009）利用热盐酸对污泥蛋白进行提取，试验表明，在最适条件下蛋白质的提取量可达78.5%。

3.3生物法 众所周知，生物酶具有高效催化性能和高度专一化的特征，将其加入到剩余污泥中可水解污泥EPS、破坏微生物细胞壁，释放胞内机质，而且在生物酶作用下能有效降解长链蛋白质、脂类及碳水化合物等。同时，生物酶易于控制且不会对生态环境造成二次污染。Yang等（2010）为提高污泥消化时的降解性，将蛋白酶或淀粉酶加入其中；章文峰等（2012）在提取蛋白质的剩余污泥中加入木瓜蛋白酶，研究在不同工艺条件下可提取污泥蛋白的最佳条件，结果显示，最佳工艺下，污泥蛋白的提取率可达42.3%～52.7%。李萍等（2011）研究木瓜蛋白酶水解提取剩余污泥蛋白的最佳条件发现，当在反应体系中，木瓜蛋白酶浓度为6%、固液比为1∶4、水解温度为55℃、水解时间为5.5 h时，蛋白质的提取率可达51.71%。生物酶的运用预示了现代生物技术的迅速发展，此法相比较其他方法，是最具成本效益和最有发展前途的技术，未来会越来越受到研究者的重视。

3.4其他方法 由于不同处理方法间存在协同关系，所以剩余蛋白的提取除了以上几种方法外，还有热碱结合法、碱与超声波结合提取法、超声波与酶结合法等，崔静等（2009）利用热碱法探究体系pH、反应温度、反应时间、原料含水率对剩余污泥蛋白质提取的影响，结果表明，热碱法是一种有效的提取污泥蛋白的方法，且表明pH和温度对蛋白质的回收影响较大，当pH=13、体系温度为140℃时，水解时间3 h，原料含水率为91%时，污泥蛋白的回收率可达61.34%；Hwang等（2008）人通过利用超声波与碱结合来提取污泥蛋白中的蛋白质，结果表明，此方法使污泥蛋白溶液中的蛋白质含量达到3177.5 mg/L，并使污泥蛋白在等电沉淀法的作用下沉淀析出；李萍等（2011）利用超声波和蛋白酶联合疏解剩余污泥蛋白，结果显示，在最优条件下，即超声时间70 min，超声波声能密度为1.2 W/ml，控制酸碱值为7.0，反应温度为55℃，添加5%的酶，碱性蛋白酶∶木瓜蛋白酶=1∶ 12，液 /固 =4/1，反应时间 240 min，污泥蛋白提取率可达77.16%。

由此可见，组合不同方法进行污泥蛋白的提取已经在研究阶段，但技术还不够成熟，需要进一步去探究。

4　剩余污泥蛋白作为饲料添加剂可行性分析

在污水处理过程中，不可避免的会产生大量剩余污泥，随着社会不断发展，污泥产生速度和产量不断提高，若不经正确合理的处理，不仅会影响我们生存的环境，更甚者会影响我们自身的健康。积极寻找污泥处理方式尤其重要（盛宇星等，2008）。研究发现，污泥中含有很多有价值的有机质，比如蛋白质、核酸、脂类等，其中蛋白质占据相当大的比例，可占到干污泥量的30%～60%（Monique等，2008），且氨基酸主要以蛋氨酸、胱氨酸、苏氨酸和缬氨酸等为主，约占蛋白质的70%（余杰等，2007）。如果可以利用相关技术对污泥蛋白进行合理提取，正确利用，比如将其提取后作为动物蛋白质饲料添加剂等，如若大范围推广使用，势必会使污泥排放量大大减少，进而减少污泥对人畜、环境的危害，实现污泥废弃物的资源化利用，缓和我国蛋白饲料短缺的现状。

在畜牧业发展中，蛋白质饲料的安全性一直是我们关心的重大问题。显而易见，在污泥蛋白质提取过程中，污泥中的有毒有害成分（重金属等）会混杂在蛋白质中一起被提取出来，如果将混有有毒有害成分的蛋白质饲料制作成添加剂运用于动物饲养，会使动物体内慢慢积累有害成分进而危害畜禽健康，间接影响人类健康。所以，污泥蛋白的提取技术至关重要，需要我们不断地研究。赵顺顺等（2008）利用热酸水解法提取污泥蛋白并检测其营养成分、分析其安全性，结果表明，7种必须氨基酸和8种非必需氨基酸可以被检测到；沉淀物中的铜、锌、砷等重金属含量很低，与GB 13078-2001 和 NY 929-2005 标准对重金属的规定相符合。苏景瑞等（2008）利用酶法（碱性、木瓜、酸性、中性、胰蛋白酶、胃蛋白酶）提取污泥蛋白质，结果发现，碱性蛋白酶效果较好，且酶法水解剩余污泥氨基酸溶液，氨基酸的含量比较丰富，含有7种必需氨基酸和10种非必需氨基酸，而且必需氨基酸含量较高；提取的蛋白质中重金属砷、铅、汞、铬等均低于饲料卫生标准（GB 13078-2001）。

5　小结

剩余污泥蛋白是一种良好的蛋白质饲料来源，但其提取方法还不够成熟，资源利用率还比较低，提取方法的优化及提取蛋白的生物安全性需要进一步试验探究，以便于未来更好的将这一污水处理废弃物运用于动物饲料添加剂中，从而降低饲料成本，提高经济效率，实现剩余污泥的资源化。

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