污泥熱堿協(xié)同溶胞下蛋白質(zhì)溶出動力學(xué)模型

秦 曉，劉 勇

(天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072)

污泥熱堿協(xié)同溶胞下蛋白質(zhì)溶出動力學(xué)模型

秦 曉，劉 勇

(天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072)

應(yīng)用固液反應(yīng)與蛋白質(zhì)水解理論，建立了熱堿協(xié)同作用下剩余污泥中蛋白質(zhì)濃度變化的7參數(shù)動力學(xué)模型。采用試管實驗，測定了污泥濃度、氫氧化鈉濃度、溫度以及時間對溶胞液中蛋白質(zhì)濃度的影響，并采用非線性最小二乘曲線擬合技術(shù)得到動力學(xué)模型參數(shù)。結(jié)果表明，提出的動力學(xué)模型對64組實驗數(shù)據(jù)的回歸殘差為 8.09×106，回歸指數(shù)達(dá)0.97，數(shù)據(jù)處理效果良好，可為剩余污泥蛋白質(zhì)提取提供依據(jù)和指導(dǎo)。

剩余污泥 蛋白質(zhì) 溶胞 動力學(xué)模型

1 動力學(xué)模型

剩余污泥中蛋白質(zhì)來源可分為污泥溶液和污泥固體，而污泥溶液中蛋白質(zhì)含量較少，污泥固體中蛋白質(zhì)含量較大，是蛋白質(zhì)的主要來源?；钚晕勰喾ㄎ鬯幚磉^程中細(xì)菌是主要的微生物，而這些細(xì)菌中革蘭氏陰性菌為優(yōu)勢菌[20]。革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁中類脂質(zhì)含量高，而且也含有較多的蛋白質(zhì)[21]，因此，在堿性環(huán)境下其細(xì)胞壁容易發(fā)生水解而產(chǎn)生溶胞現(xiàn)象，從而釋放出細(xì)胞中的蛋白質(zhì)。堿性條件下，污泥溶液中的蛋白質(zhì)也會發(fā)生水解而生成氨基酸。因此，氫氧化鈉在污泥蛋白質(zhì)提取過程中的作用可作為催化劑。在熱、堿協(xié)同作用下，污泥中蛋白質(zhì)的溶出過程可用圖1來表示。

圖1 剩余污泥在堿和熱作用下蛋白質(zhì)生成過程Fig.1 Generation process of protein from sludge under the action of alkaline and heat

如圖1所示的兩個水解反應(yīng)過程，反應(yīng)物除了污泥中的生物細(xì)胞和蛋白質(zhì)外，水是水解過程中必不可少的反應(yīng)原料。但由于本研究中污泥含水較高（大于89%），故污泥中的水量相對于水解過程所需的水量來說是過量的，在反應(yīng)速率動力學(xué)方程中，水的濃度可作為常數(shù)。目前在研究高分子（如纖維素）的水解過程中，主要反應(yīng)的反應(yīng)速率方程一般采用一級反應(yīng)模型[22]。為了簡化數(shù)學(xué)模型，本研究中假設(shè)堿與污泥中細(xì)菌的水解反應(yīng)為污泥中細(xì)菌濃度一級反應(yīng)過程，蛋白質(zhì)水解反應(yīng)也為蛋白質(zhì)濃度一級反應(yīng)過程。污泥來源固定，因此污泥中生物細(xì)胞含量比例固定，生物細(xì)胞濃度可以采用污泥濃度來表示。加熱條件下氫氧化鈉提取污泥蛋白質(zhì)過程的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程可用下列式子表示。

污泥中生物細(xì)胞水解過程：其中k1為污泥細(xì)胞水解反應(yīng)速率常數(shù)，s-1；CS為污泥濃度，g/L；t為時間，s。

故由式（1）可得：

其中CS0，為初始污泥濃度，g/L。

溶液中蛋白質(zhì)水解過程：

式中k2為蛋白質(zhì)水解速率常數(shù)，s-1；P為溶胞液中蛋白質(zhì)濃度，mg/L。

污泥中生物細(xì)胞水解溶胞時蛋白質(zhì)的生成速率：

其中k3為比例常數(shù)。式（3）中引入k3的是因為污泥生物細(xì)胞反應(yīng)過程中僅有部分是蛋白質(zhì)，而且本研究中蛋白質(zhì)檢測時為牛血清白蛋白，與溶液中實際的蛋白質(zhì)不同，故引入比例系數(shù)k3表示。由式（3）和（4）可得到氫氧化鈉提取過程中蛋白質(zhì)生成速率方程：

再把式（2）式代入式（5），整理可得到式（6）。

其中反應(yīng)速率常數(shù)k1與k2為溫度和催化劑氫氧化鈉濃度的函數(shù)。速率常數(shù)與溫度的關(guān)系用阿累尼烏斯經(jīng)驗關(guān)系表示。過渡狀態(tài)理論認(rèn)為催化劑的作用主要影響反應(yīng)活化能[23]。為了簡化模型參數(shù)，氫氧化鈉濃度對活化能的影響本研究中采用氫氧化鈉濃度指數(shù)函數(shù)形式來表示，即：

其中k10和k20為指前因子，s-1；CNa為氫氧化鈉濃度，g/L；a和b為氫氧化鈉濃度對反應(yīng)活化能影響的指數(shù)函數(shù)參數(shù)；E1和E2為反應(yīng)活化能，J/mol；T為溫度，K；R為氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K-1)。

把式（8）和式（9）代入式（7），整理后得：

式（10）即為剩余污泥在堿與熱聯(lián)合作用下蛋白質(zhì)溶出濃度與污泥濃度、氫氧化鈉濃度、溫度以及反應(yīng)時間之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。該模型中待求參數(shù)為：k10，k20，k3，E1，E2，a和b。

2 實驗材料和方法

2.1 實驗材料與儀器

污泥為天津紀(jì)莊子污水處理廠脫水污泥，污泥平均含水率為81.67%，凱氏定氮方法測得的干污泥中蛋白質(zhì)平均質(zhì)量含量為42.41%。氫氧化鈉(分析純)以及蒸餾水。牛血清白蛋白（中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院血液研究所生產(chǎn)，蛋白質(zhì)含量＞98%），蛋白質(zhì)Folin-酚試劑（Lowery）法測定所需試劑甲和試劑乙。

AB104-S電子天平（Mettler）；EMS-30恒溫水?。ㄉ虾＼堲迌x器設(shè)備有限公司）；溫度計；GL-20G-Ⅱ離心機(jī)（山東賽恩斯科技有限公司）；真空抽濾裝置；膜過濾裝置；UV765紫外可見分光光度計（上海精密科學(xué)儀器有限公司）；凱氏定氮裝置。

2.2 實驗方法

稱取不同質(zhì)量的脫水剩余污泥于燒杯中，并用蒸餾水將其稀釋成不同含水率，并加入一定質(zhì)量的氫氧化鈉，混合均勻后放入50 m L試管中，再及時放入恒溫水浴中加熱，開始記錄時間。一定時間后對試管中的溶胞污泥進(jìn)行離心（10 000 r/min）分離10 m in，其上清液經(jīng)過0.45 μm膜過濾。提取液中蛋白質(zhì)濃度采用Lowery法測定[24]。

為驗證動力學(xué)數(shù)學(xué)模型及其參數(shù)的可靠性進(jìn)行了實驗研究。在1 L燒杯中首先調(diào)節(jié)好污泥濃度和氫氧化鈉濃度，并混合均勻，再均勻地分裝在50 m L塑料試管中，放入已調(diào)節(jié)好溫度的恒溫水浴中加熱，并記錄時間，一定時間后，取出一根試管，及時進(jìn)行高速離心、膜過濾，對上清液測定蛋白質(zhì)濃度。

3 結(jié)果與討論

3.1 動力學(xué)模型參數(shù)的確定

實驗測定了64組不同條件下污泥在堿和熱作用下溶出的蛋白質(zhì)濃度數(shù)據(jù)，見表1。

表1 不同實驗條件下的蛋白質(zhì)濃度Table1 The experimental protein concentration under various conditions

把數(shù)據(jù)代入模型（10）式中，采用matlab7.1軟件的非線性最小二乘曲線擬合技術(shù)，模型參數(shù)k10，k20，k3，E1，E2，a和b的初值分別設(shè)定為：5×10-5s-1，8.3×10-3s-1，7.3×104，1.4×104J/mol，6.2×103J/mol，-0.13和-0.07，終止條件為迭代過程中參數(shù)誤差小于1×10-12；優(yōu)化后得到模型參數(shù)k10，k20，k3，E1，E2，a和b值分別為5.236×10-5s-1， 8.134×10-3s-1， 7.301×104，1.371×104J/mol，6.141×103J/mol，-0.138和-0.075。數(shù)據(jù)處理的殘差為8.09×106，相關(guān)指數(shù)R2為0.97，數(shù)據(jù)處理效果如圖2所示。圖中PM為模型擬合的蛋白質(zhì)濃度，PE為實驗蛋白質(zhì)濃度。該模型的使用范圍：溫度8.9～89.9 ℃，氫氧化鈉濃度0～4 g/L，污泥濃度29～90.2 g/L，時間0～7 200 s。

圖2數(shù)學(xué)模型對實驗數(shù)據(jù)的處理效果Fig.2 The regression effect of mathematical model on the experimental data

圖3 蛋白質(zhì)濃度實驗值與模型值的比較Fig.3 Comparison between protein concentration ofexperimental and model

圖3是污泥濃度為60 g/L、氫氧化鈉濃度為2 g/L條件下，不同時提取液中蛋白質(zhì)濃度隨時間變化情況。結(jié)果表明，實驗值趨勢與模型值比較一致。說明數(shù)學(xué)模型式（10）在描述蛋白質(zhì)變化過程是比較合理的。從模型參數(shù)的反應(yīng)活化能數(shù)值可見，氫氧化鈉與污泥間的反應(yīng)以及蛋白質(zhì)在氫氧化鈉作用下的水解過程均為吸熱反應(yīng)，無氫氧化鈉影響下固液反應(yīng)和蛋白質(zhì)水解反應(yīng)的活化能分別為13.713 kJ/mol和6.141 kJ/mol，而且依據(jù)催化劑氫氧化鈉濃度對反應(yīng)活化能的指數(shù)影響參數(shù)a和b的正負(fù)可見，氫氧化鈉的加入有利于降低細(xì)胞壁水解反應(yīng)和蛋白質(zhì)水解反應(yīng)的活化能，增加反應(yīng)速率。該現(xiàn)象與文獻(xiàn)[25]報道的污泥溶胞時當(dāng)氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH越高則溶胞程度越好現(xiàn)象相符。

3.2 蛋白質(zhì)濃度影響的模型分析

由3.1節(jié)實驗數(shù)據(jù)的處理效果可見，該動力學(xué)模型在描述氫氧化鈉對污泥中蛋白質(zhì)溶出過程的描述較為準(zhǔn)確，模型參數(shù)比較可靠。從該模型式（10）可以明顯看出，當(dāng)其它條件如溫度、氫氧化鈉濃度以及處理時間一定時，提取液中蛋白質(zhì)濃度與污泥濃度成線性增加關(guān)系。但溫度、氫氧化鈉濃度以及時間的影響關(guān)系無法直接看出。為此，本節(jié)用3.1節(jié)中獲得的動力學(xué)模型參數(shù)分析溫度、氫氧化鈉濃度以及時間對蛋白質(zhì)濃度的影響規(guī)律。圖4和圖5分別為反應(yīng)溫度和氫氧化鈉濃度對蛋白質(zhì)溶出濃度的影響。

圖4 溫度對蛋白質(zhì)濃度的影響Fig.4 The effect of temperature on the protein concentration

圖5 氫氧化鈉濃度對蛋白質(zhì)濃度的影響Fig.5 The effect of alkali content on the protein concentration

圖4模擬條件為：處理時間1 000 s，氫氧化鈉濃度為1 g/L。可見，在模型適用范圍內(nèi)，蛋白質(zhì)濃度隨溫度的呈近似線性的略凹狀趨勢升高，而且蛋白質(zhì)濃度隨溫度變化斜率受污泥濃度影響，污泥濃度越大則該斜率越大。圖5是在溫度50 ℃和時間1 000 s下蛋白質(zhì)濃度隨堿濃度變化情況。結(jié)果表明：在實驗條件范圍內(nèi)，蛋白質(zhì)濃度隨堿濃度的變化規(guī)律與溫度影響趨勢相似，但堿的影響曲線凹形更為明顯，這說明適當(dāng)高濃度堿對蛋白質(zhì)的提取效果更為明顯。

蛋白質(zhì)溶出濃度隨時間的變化趨勢見圖6。圖6（a）的模擬條件為溫度50 ℃和1 g/L堿。時間對蛋白質(zhì)濃度影響情況表明，在處理前2 000 s時間內(nèi)，蛋白質(zhì)濃度快速增加，在2 000 ～4 000 s，蛋白質(zhì)濃度增加趨勢呈逐漸減緩的增長趨勢，當(dāng)處理時間大于4 000 s后則變化不明顯。圖6（b）為溫度90 ℃和污泥濃度50 g/L時，不同氫氧化鈉濃度下時間對蛋白質(zhì)濃度的影響情況。模擬結(jié)果表明，蛋白質(zhì)濃度變化趨勢與圖5（a）趨勢相近，但在較高溫度下，且氫氧化鈉濃度較高時，當(dāng)時間大于一定數(shù)值后，蛋白質(zhì)濃度不但不增加，反而會緩慢下降。

圖6 時間對蛋白質(zhì)濃度的影響Fig.6 The effect of time on the protein concentration

4 結(jié) 論

依據(jù)污泥的結(jié)構(gòu)特點，利用固液反應(yīng)和水解理論，推導(dǎo)并建立了剩余污泥在熱堿協(xié)同溶胞下的蛋白質(zhì)溶出動力學(xué)模型。通過實驗測定了不同提取條件下蛋白質(zhì)溶出濃度，并利用Matlab7.1軟件中的非線性優(yōu)化技術(shù)獲得了蛋白質(zhì)溶出動力學(xué)模型參數(shù)。結(jié)果表明，該動力學(xué)模型效果良好，氫氧化鈉對剩余污泥中生物細(xì)胞反應(yīng)以及蛋白質(zhì)水解均為吸熱過程。動力學(xué)模型的模擬結(jié)果表明：溫度、污泥濃度以及氫氧化鈉濃度的增加均可有利于蛋白質(zhì)濃度的提升。在本研究條件下處理時間在1 h內(nèi)較為合適。

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Kinetics M odel of Protein Release from Excess Sludge under Combined Lysis by Heat and Alkali

Qin Xiao，Liu Yong
(School of Environmental Science and Engineering of Tianjin University, Tianjin 300072，ChinaT)

The kinetics model w ith 7 parameters for the process of protein release from sludge by heat and alkali was established using the theories of solid-liquid reaction and hydrolysis. Subsequently, the leaching concentration of protein from sludge was measured using test-tube experiments under different conditions. Finally,the model parameters were regressed by matlab7.1 software using nonlinear least squares curve fitting techniques.The results show that the proposed kinetics model for 64 sets of experimental data has a residual of 8.09 × 106,and the regression index was 0.97. The kinetics model represented in this paper is good, and can be used as the basis and the guidance for the dissolution of protein from sludge by heat and alkali.

excess sludge; protein; lysis; kinetic model

TQ031；X705

A

1001—7631 ( 2011 ) 05—0425—07

剩余污泥是污水處理的伴生物，通常占污水總量的0.5%～1%。目前，我國每年排放的干污泥量大約為1.3×106t，并以約10%的速率增加[1]。剩余污泥中含有大量的有機(jī)質(zhì)、重金屬以及病原微生物等，若不妥善處理將會造成嚴(yán)重的二次污染，目前急需新的探索、開拓城市剩余污泥的處理方法和途徑。

剩余污泥以細(xì)菌、微型動物為主，可大體分為胞內(nèi)和胞外物質(zhì)。胞內(nèi)物質(zhì)主要為微生物細(xì)胞構(gòu)成，胞外物質(zhì)包括有機(jī)物（如碳水化合物、核酸、蛋白質(zhì)等）和無機(jī)物。一般情況下干燥的剩余污泥中往往含有質(zhì)量高達(dá)40%的微生物[2]。剩余污泥微生物中細(xì)菌可占污泥中微生物總量的90%～95%。干燥的細(xì)菌中蛋白質(zhì)含量通常為50%～60%[3]，原生動物中蛋白質(zhì)含量接近80%[4]。我國的污水生物處理所產(chǎn)生的剩余污泥中蛋白質(zhì)含量通常約34%，美國的剩余污泥中蛋白質(zhì)含量可高達(dá)40%以上[5]?？梢?，剩余污泥中蛋白質(zhì)具有巨大的資源化潛力。由于污泥蛋白中含有幾乎所有家畜飼料所需的氨基酸，且各種氨基酸之間相對平衡，因此可以作為飼料蛋白加以利用[6-8]。陳玉輝等[9]和汪常青等[10]在利用污泥中蛋白質(zhì)制備滅火器方面進(jìn)行了探索。

目前文獻(xiàn)已報道一些污泥中蛋白質(zhì)的提取方法。Lerch等[11]采用水、曲拉通X-100以及1 mol/L的氫氧化鈉溶液，分別從干燥的污泥中進(jìn)行了蛋白質(zhì)的提取研究，發(fā)現(xiàn)污泥中蛋白質(zhì)更容易被堿性物質(zhì)提取出來。Chishti等[12]在1992年對氫氧化鈉和氯化鈉單獨或聯(lián)合使用時對污泥蛋白質(zhì)的溶解情況進(jìn)行了研究。Lau[13]對幾種類型污泥進(jìn)行了蛋白質(zhì)提取研究工作。為了充分提取出污泥中的蛋白質(zhì)，往往需要對污泥進(jìn)行溶胞處理。通常的溶胞方法包括各種物理方法（高壓噴射法[14]、熱解法[15]、超聲破碎法[16]等）、化學(xué)方法（堿法、酸法[17]以及臭氧處理[18]等）和生物方法[19]等。堿法處理由于其對污泥的溶胞效率高，研究較多。但單純采用堿進(jìn)行溶胞處理時速率相對較慢。因此，為了提高污泥堿溶胞的速率，人們往往采用堿與熱的聯(lián)合作用進(jìn)行污泥溶胞處理。由于污泥溶胞以及蛋白質(zhì)溶出過程較為復(fù)雜，因此目前有關(guān)熱堿協(xié)同溶胞過程中蛋白質(zhì)溶出動力學(xué)模型的研究還未見報道。本研究依據(jù)污泥特點，通過分析主要矛盾，針對加堿熱處理剩余污泥提取蛋白質(zhì)的動力學(xué)模型進(jìn)行研究。

2011-09-20;

2011-10-14

秦 曉(1987-)，女，碩士研究生；劉 勇(1973-)，男，副教授，通訊聯(lián)系人。E-mail:lytju@tju.edu.cn

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）（2007AA06Z347）