碱联合热活化过硫酸盐提取污泥中蛋白质的效能

2024-01-16刘晓艳郝永豪曾令辉许志凯熊文轩郭绍东

辽宁化工 2023年12期

刘晓艳，郝永豪，曾令辉，许志凯，熊文轩，郭绍东

（武汉科技大学城市建设学院，湖北武汉 430065）

随着我国城市化的迅速发展，大量的人口开始向城市聚集，城镇化率也在显著提升，同时城镇化污水处理量也在日益剧增。根据2021 年全国环境统计表显示，全国城市污水处理能力2.02 亿m3·d-1，以此同时，我国污泥产量以每年约7%的增长率快速增长，达到了4 015.9 万t[1]。污泥具有污染性，但同时也富含营养物质，可资源化利用，例如污泥的中蛋白质类物质可用作发泡剂[2]、叶面肥[3]等。为此学者们开发研究了用提取污泥中蛋白质的技术方法，如超声波法、酶催化法、水解法、氧化法及其耦合方式。采用碱热法提取蛋白质的研究中，马丽萍等优化了提取条件，发现pH 可控制在13、处理时间4 h、热解温度100 ℃、污泥含水率90%的条件下提取效果最好[4]。顾海洋采用热碱处理制革污泥制得蛋白质水解液，通过酸化提取制革污泥蛋白质，获得的蛋白质纯度为83.01%[5]。采用过氧化钙及过硫酸盐氧化法可以显著提高污泥中蛋白质提取量，同时改善污泥脱水性能[6]。对于其他耦合方法，高健磊等指出超声波预处理强化中性蛋白酶提取污泥蛋白质的效果高于单独酶提取法[7]；采用超声-DNA 提取酚试剂-碱性蛋白酶提取法[8]和热碱-复合酶提取法[9]也获得了显著的协同效应，污泥上清液中蛋白质量提高明显。

上述提取污泥中蛋白质研究中，存在处理成本高、反应周期时间长、技术设备昂贵的限制。为此，采用中温（80 ℃）热碱耦合过硫酸盐提取污泥中蛋白质，考察CaO 投加量和处理时间在氧化作用下的影响，并从胞外聚合物（EPS）分析蛋白质的迁移。

1 材料及方法

1.1 材料

污泥为武汉市某污水处理厂剩余活性污泥，取回后进行浓缩，控制含水率为96.8%～97.4%。原泥pH 为7.1～7.3，悬浮固体质量浓度为25～29 g·L-1，挥发性固体质量浓度为14～16 g·L-1。

1.2 试剂和仪器

试剂主要有氢氧化钠、氧化钙、过硫酸钾、酒石酸钠、浓硫酸、蒽酮溶液、氯化钠，均为分析纯。仪器主要有全自动高压灭菌锅、紫外-可见分光光度计、离心机、真空干燥箱等。

1.3 方法

称取5 份200 g 污泥溶液，在80 ℃的水浴条件下分别加入0、50 mg·g-1干污泥（DS）、100 mg·g-1DS、200 mg·g-1DS、250 mg·g-1DS 氧化钙与120 mg·g-1DS过硫酸钾（根据以往研究结果，过流酸钾投加量控制在该值）。再分别于5、10、15、30 min 时取出25 mL 污泥置于常温水浴试管中。在4 ℃下离心5 min，取离心液，采用国标法检测上清液中氨氮、总磷、凯氏氮等指标，总蛋白质含量由凯氏氮换算；采用硫酸-蒽酮法检测上清液中多糖（PS）含量。取25 mL 静置30 min，摒弃上清液，将残渣稀释到25 mL，在4 ℃下离心5 min，取上清液过0.45 μm的硝酸纤维素滤膜，所得到的液体即为黏液层EPS（SB-EPS）。将上述离心残渣加热至60 ℃，用质量分数为0.05%的NaCl 溶液稀释至25 mL，立即用涡旋振荡器振荡1 min，然后在4 ℃下离心10 min，取所有上清液过0.45 μm 的硝酸纤维素滤膜，所得到的液体即为松散结合层EPS（LB-EPS）。再次将离心残渣用质量分数为0.05%的 NaCl 溶液稀释至25 mL，用涡旋振荡器振档1 min，并在60 ℃的水浴中加热30 min，然后在4 ℃下离心15 min，取所有上清液过0.45 μm 的硝酸纤维素滤膜，所得到的液体即为TB-EPS。EPS 中蛋白质（PN）采用快速lorry 试剂盒法检测。

2 结果与讨论

2.1 总蛋白质的提取效能

污泥提取液中总蛋白含量如图1 所示。

图1 总蛋白含量的变化

由图5 可以看出，当不投加CaO 时，在热活化过硫酸盐的氧化作用下，总蛋白质质量浓度从743 mg·L-1增加到1 454 mg·L-1，表明热过硫酸盐在一定程度上能够提高蛋白质的提取量。而当投加CaO 后，总蛋白质的含量进一步升高，可见CaO 强化了热过硫酸盐提取污泥中蛋白质的效能，且CaO的投加量越大，总蛋白含量增长越快。同时投加一定量的CaO 后，总蛋白的提取量随着处理时间的延长而增加，在低于100 mg·g-1DS 投加量下，总蛋白含量变化较平缓。而当提高到200 mg·g-1时其增加较显著，处理30 min 后，总蛋白的质量浓度从原泥的743 mg·L-1增加到5 900 mg·L-1以上。由此可见，适当增加CaO的投加量有利于进一步促进污泥中蛋白质的回收。主要原因可能是CaO 投量越大，污泥的pH 越高，在强碱的作用污泥细胞壁更容易被破坏而释放蛋白质[4,10]。另外，当处理时间长于15 min时，热活化过硫酸盐的氧化作用发挥越明显，可以无选择地氧化有机物质[11]，虽然会矿化部分有机物，但氧化作用下蛋白质的增量大于矿化量。

2.2 污泥各EPS 层中蛋白质含量的变化

污泥各EPS 层中蛋白质含量的变化如图3 所示。由图3（a）可以看出，对S-EPS 而言，当不投加CaO 时，S-EPS 中蛋白质质量浓度从原泥的200.4 mg·L-1增加到914.8 mg·L-1。当投加CaO 后，在同一处理时间下，蛋白质含量又有所增加，可见S-EPS 中蛋白质含量随着处理时间和CaO 投加量的增加而升高，当投加200 mg·g-1DS 处理30 min 时，增加到了1 061.4 mg·L-1。由图3（b）可以看出，对LB-EPS 而言，不投加CaO 时，在同一处理时间下，LB-EPS 中蛋白质要比投加CaO 的组别要高，表明CaO 能促进LB-EPS 转化为S-EPS；当CaO 投加量低于100 mg·g-1DS 时，LB-EPS 中蛋白质含量大体呈现先升后下降的趋势，当CaO 投加量达到200 mg·g-1DS 以上时，LB-EPS 中蛋白质含量没有呈现一定的变化规律，但当处理时间大于15 min 后，处于下降趋势。由图3（c）可以看出，对于TB-EPS 中蛋白质，其含量随着处理时间的增长而降低，当处理时间达到15 min 后时，TB-EPS 中蛋白质变化趋于平缓；只投加过硫酸盐处理30 min 时，蛋白质质量浓度从原泥的604.3 mg·L-1降低到177.7 mg·L-1；当投加CaO 后，在相同处理时间下，蛋白质含量进一步降低；同时，CaO 投加量越大，下降越明显，当投加200 mg·g-1DS CaO 时，处理30 min 后，降低到了0.6 mg·L-1。从上述结果可知，在热过硫酸盐处理过程中，污泥中各EPS 层均处于由紧密到松散再到游离的过程，不同的是当碱耦合热过硫酸盐处理时，CaO 能够强化这一过程。就各EPS 层的迁移而言，S-EPS 中蛋白质解离到液相中，而LB-EPS 在氧化和热碱的作用下转化为S-EPS，同时TB-EPS 转化为LB-EPS，这导致LB-EPS 的含量有增有减；但当TB-EPS 中蛋白质变化平缓后，LB-EPS 中蛋白质处于减少趋势，此时TB-EPS 中迁移的蛋白质不足以弥补LB-EPS 中蛋白质转变化为S-EPS 的量。可能原因在于80 ℃活化过硫酸盐后，具有强氧化性，能够破坏污泥EPS 结构，同时碱的作用也为蛋白质等物质的迁移提供动力，但这些作用最终会减弱甚至消失，致使变化平缓。

图3 EPS 中蛋白质的质量浓度变化

2.3 污泥上清液中多糖含量的变化

污泥上清液中多糖质量浓度变化如图3 所示。不投加CaO 处理30 min 时，多糖质量浓度从69.2 mg·L-1增加到254.6 mg·L-1；而当投加CaO 后，多糖质量浓度进一步提高。同时，当CaO 投量在50～200 mg·g-1DS 时，投加量越大，多糖质量浓度增加也越多；当CaO 投加量达到200 mg·g-1DS、处理时间为 30 min 时，多糖质量浓度从原泥的69.2 mg·L-1增加到508.2 mg·L-1。一定的CaO 投加量下，随着处理时间的增加，多糖质量浓度呈现增长趋势，当达到15 min 之后趋于平缓。结果表明热过硫酸盐的氧化作用能够提高液相中的多糖含量，而CaO 也促进了污泥中多糖的释放，主要原因在于多糖和蛋白质一样，属于污泥EPS 中重要的组分，其含量较大，对于同一污泥而言，多糖和蛋白质的比例相对稳定，当EPS 结构破坏后，多糖也会大量释放到溶液中，当氧化和热解作用减弱后，多糖含量变化较小。

图3 上清液中多糖质量浓度变化

2.4 污泥上清液中氨氮和溶解性磷含量的变化

污泥上清液中氨氮和溶解性磷含量的变化如图4 所示。随着反应时间的增长，上清液中氨氮含量逐渐升高。当反应时间小于15 min 时，CaO 投量与氨氮含量增加无明显正相关，而当处理时间大于15 min 时，CaO 投量越大，上清液中氨氮含量也越多，当投加200 mg·g-1DS CaO 时，处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。溶解性总磷含量随着处理时间的延长而增加，当CaO 投加量小于50 mg·g-1DS 时，溶解性磷增加较缓慢；当CaO 投加超过100 mg·g-1DS 时，溶解性磷在15 min 之内增加显著，而此后增加缓慢，且此时，在CaO 投加量分别为100、200、250 mg·g-1DS 时，3 个投加量作用下溶解性磷含量差异较小，可见CaO 投量达到100 mg·g-1DS 以上时，其投量对溶解性磷的释放影响较小，处理30 min 时，溶解性磷质量浓度在14 mg·L-1左右。上述结果表明，在氧化和热碱的作用下，污泥EPS 和细胞均被不同程度破化，有机物质结构和性质均可能发生改变，而氮、磷属于蛋白质中不可或缺的元素，伴随着部分蛋白质的氧化，有机氨和磷会不同程度地释放到液相中。这从另外一方面证实污泥结构的破坏提高了液相中蛋白质的含量。