超声-DNA提取酚试剂-碱性蛋白酶协同提取污泥蛋白质的研究

2022-10-12崔静周涛赵由才

当代化工研究 2022年17期

＊崔静周涛赵由才

（1.天津裕川锦鸿环保科技有限公司天津 300459 2.同济大学环境科学与工程学院上海 200092）

近年来市政污泥产量随污水处理规模而不断攀升，以含水率为80%计算，预计到2025年，年污泥产量将超过6000万吨[1]。剩余污泥高度亲水，含水率高（95%～99%），且富含多种有机污染物、病原菌、重金属等有毒有害物质，同时伴有恶臭气体，因此必须对剩余污泥进行妥善地处理处置[2]。

从资源角度看，剩余污泥中含有30%～60%的蛋白质以及磷、钾等营养元素，若加以分离则可作为有机肥、土壤调理剂、蛋白泡沫灭火剂等使用[3]。热碱水解法作为一种高效的污泥蛋白质分离技术，通过加压、加热、加碱等操作水解破坏污泥细胞壁和菌胶团，并分离浓缩获取其中蛋白质[4]，促使细胞膜破裂并释放胞内蛋白质。酚抽提作为一种优良的蛋白提取方法，提高了蛋白质提取效率[5]。生物酶法利用酶的高效催化性能，对污泥细胞壁进行分解，从而析出胞内蛋白质[6]。基于此，本研究探究超声-化学药剂-蛋白酶协同处理对污泥热碱混合液中蛋白质的二次提取效果，通过单因素控制变量试验确定最佳蛋白酶种类和初始酶加量，并利用EPS和IS评估污泥的脱水性，旨在为实际工程运行提供参考和依据。

1.材料与方法

(1)污泥样品和化学药品

污泥混合液由天津某环保科技公司提供，取自热碱工艺闪蒸处理出口，完整工艺流程及样品来源如图1所示。污泥混合液基本性质包括：含水率94.8%～96.2%，pH为12.30～12.46。

图1 热碱工艺流程及污泥样品示意图

DNA提取酚试剂（pH＞7.8，上海索莱宝生物科技有限公司），水解酶包括中性蛋白酶（BR，50U/mg）、碱性蛋白酶（200U/mg）、木瓜蛋白酶（＞200U/mg）和胰蛋白酶（＞2500U/mg），均购置于上海麦克林生化科技有限公司。

(2)超声-DNA提取酚试剂-蛋白酶水解污泥实验

首先向容量为1L的烧杯中加入500mL的污泥混合液，加入30mL（体积分数6%）的DNA提取酚试剂，用玻璃棒快速搅拌3min并置于漩涡混合仪上混合30s以保证药剂与污泥充分混合。随后加入一定质量比的蛋白酶，继续置于漩涡混合仪上混合60s。待蛋白酶充分溶解后，将烧杯放于超声清洗锅（频率40kHz，600W）中部进行超声处理，时间20min，温度38℃。反应结束后将水解液于90℃水浴锅中灭酶处理15min，然后离心处理，转速为4000rpm，离心时间为10min，取上清液过0.45μm滤膜获得蛋白质滤液，并测定其蛋白质浓度。

采用单因素控制变量实验探讨蛋白酶种类和初始酶加量（1000～6000U/g污泥混合液）两种变量因素的影响。

(3)物质提取及分析方法

EPS的提取采用热提取法[7]，IS的提取采用热Tris缓冲溶液法[8]；MLVSS的测定参照第四版《城市污水水质检验方法标准》[9]；多糖浓度采用苯酚-硫酸法进行测定[10]；蛋白质浓度的测定采用Frolund等[11]的改进型Lowery法进行测定；污泥IS中的TOC含量利用TN/TOC分析仪测定（岛津、TOC V-CPN，5～50mg/L）。

2.结果与分析

(1)超声-DNA提取酚试剂-蛋白酶协同水解单因素实验研究

以单一超声处理、超声+DNA提取酚试剂、超声+DNA提取酚试剂+中性蛋白酶三组进行控制变量实验，结果如图2所示。原样中滤液蛋白质平均质量浓度为277.43mg/L，经超声破碎后质量浓度增大至473.12mg/L，说明物理处理能有效促进污泥中蛋白质的释放。超声处理强化了体系的声空化作用，同时利用水力剪切力和瞬态空化加速了污泥细胞壁的裂解[12]。DNA提取酚试剂联合超声处理后，滤液蛋白质平均质量浓度进一步增大至712.57mg/L，证明了化学药剂作用能够在超声处理基础上增大对于污泥的破解程度。

图2 超声-DNA提取酚试剂-蛋白酶协同处理对滤液中蛋白质浓度的影响

超声、DNA提取酚试剂和中性蛋白酶联合处理后，蛋白质质量浓度继续增至794.86mg/L，略高于超声协同DNA提取酚试剂组，相较于未处理组提高186.51%，这说明了酶的水解能够与物理及化学作用相耦合，进一步促进微生物细胞壁的裂解，释放出胞内外物质，从而达到蛋白质提取的目的。

(2)协同水解蛋白酶单因素实验研究

①蛋白酶种类对于污泥蛋白质提取的影响

以外加的蛋白酶种类为变量因素，并维持超声和DNA提取酚试剂处理条件不变，控制混合液的初始酶加量为3000U/g，结果如图3所示。碱性蛋白酶组的滤液蛋白质质量浓度最高，平均为827.73mg/L，其次是中性蛋白酶，胰蛋白酶和木瓜蛋白酶的提取效果较差，表明不同蛋白酶具有不同的活性、作用位点以及与底物之间的相互作用，这均会导致对同一底物的水解效果具有明显差异[12]。超声+DNA提取酚试剂+胰蛋白酶或木瓜蛋白酶组滤液蛋白质浓度低于超声+DNA提取酚试剂处理组。

图3 蛋白酶种类对协同处理后滤液中蛋白质浓度的影响

②酶加量对于污泥蛋白质提取的影响

如图4所示，随着初始酶加量由1000U/g逐渐增大至4000U/g，滤液中蛋白质平均质量浓度也提高至883.43mg/L，相较于未加入蛋白酶组提高23.98%。此后，蛋白质质量浓度随着初始酶加量的增加而趋于平缓，在酶加量为6000U/g时平均质量浓度为900.86mg/L，较4000U/g仅提高1.97%，这说明此时酶对污泥的水解能力已不再是提高蛋白质浓度的限制性因素。因此最佳的初始酶加量应设为4000U/g。

图4 初始酶加量对协同处理后滤液中蛋白质质量浓度的影响

(3)协同处理前后污泥脱水性和稳定性评估

①EPS组分及含量分析

结果如图5所示。协同处理前后S-EPS的平均浓度分别为1561.59mg/L和2864.01mg/L，远高于LB-EPS和TB-EPS，这也说明经过热碱处理后的原污泥混合液中，微生物细胞和污泥胶体之间的吸附结合作用已被破坏，TB-EPS和LB-EPS被溶解及释放，从而导致细胞中多糖和蛋白质进入S-EPS中，而进一步地超声-DNA提取酚试剂-碱性蛋白酶处理强化了这一现象。LB-EPS和TB-EPS的减少会促进污泥絮体水分的释放和分离，因此处理后混合液的固液分离速率会大幅度提高。协同处理后，S-EPS中蛋白质与多糖的平均比值为0.45，高于处理前，这也有利于维持污泥体系长期稳定性。