堿熱法提取剩余污泥蛋白質(zhì)的條件優(yōu)化

馬麗萍，范琦

（1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110168； 2.中國(guó)建筑東北設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

近年來(lái)，生活污水廠的規(guī)模和數(shù)量持續(xù)增加，全國(guó)設(shè)市級(jí)城市、縣累計(jì)建成污水處理廠4 063 座，污水處理能力約為1.78 億m3·d-1，年產(chǎn)污泥量達(dá)到5 000 萬(wàn)t 以上[1]。利用堿法、酸法或輔以其他方法從污泥中提取蛋白質(zhì)的研究已有相關(guān)報(bào)道。CHISHT[2]等采用氫氧化鈉和氯化鈉作為增溶劑研究了蛋白提取的效果；趙順順以青島污水處理廠剩余污泥為材料，采用酸水解[3]以及堿水解[4]的方法對(duì)污泥蛋白提取的工藝進(jìn)行了優(yōu)化研究；邵金星[5]等采用酸和熱耦合的方法水解污泥；XIAO[6]等采用了單獨(dú)加熱的方式水解污泥，得到的提取液蛋白質(zhì)量濃度為681.47 mg·L-1；馬欣[7]對(duì)雙氧水法提取污泥蛋白質(zhì)的工藝進(jìn)行了研究；李政[8]研究了氫氧化鈉加熱水解污泥提取蛋白質(zhì)，效果較好；YU[9]采用了單獨(dú)酶法水解污泥得到的蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52.5%；采用超聲-酶法[10-11]水解污泥提取到的蛋白質(zhì)含量要高于單純使用酶法提取的蛋白質(zhì)。得到的污泥蛋白質(zhì)可以用于制作泡沫混凝土[12]、發(fā)泡劑[13]和葉面肥[14-15]。目前污泥制蛋白的研究均存在反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、反應(yīng)溫度高、工藝設(shè)備價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)。本文以堿熱法水解剩余污泥提取蛋白質(zhì)，確定較優(yōu)的堿熱法回收蛋白質(zhì)的工藝條件

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料來(lái)源于污水廠經(jīng)過(guò)消化脫水后的剩余污泥，經(jīng)過(guò)多次分析測(cè)定得到污泥性質(zhì)特征，污泥的含水率為 56%，蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.91%，pH=6.8。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

HQ30D 便攜式pH 計(jì)，美國(guó)哈希；SP-752 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海光譜；TGYF-C 磁力攪拌高壓反應(yīng)釜，上海勒頓； FA3204 電子分析天平、臺(tái)式離心機(jī)、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、半微量凱式定氮裝置。

1.3 實(shí)驗(yàn)試劑

實(shí)驗(yàn)所用化學(xué)試劑主要有氧化鈣、鹽酸、硫酸、牛血清蛋白質(zhì)、考馬斯亮藍(lán)G-250、硼酸、溴甲酚綠、甲基紅、95%乙醇、85%磷酸，所用試劑均為分析純，鹽酸使用時(shí)配置成1 mol·L-1的標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

稱取一定量的剩余污泥加到高壓反應(yīng)釜中，用去離子水調(diào)節(jié)其含水率，加氧化鈣粉末調(diào)節(jié)體系pH值，設(shè)定反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)結(jié)束后混合液在離心機(jī)中進(jìn)行固液分離，得到的蛋白上清液采用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定，固體殘?jiān)械牡鞍踪|(zhì)采用半微量凱式定氮法測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 堿熱法回收污泥蛋白質(zhì)的影響因素研究

2.1.1 pH 對(duì)堿熱法回收污泥蛋白質(zhì)的影響

固定污泥的含水率為92%，污泥混合液的溫度為110 ℃，反應(yīng)時(shí)間為2 h，蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度和回收率隨pH 的變化如圖1 所示。

由圖1 可知，pH=12 以前蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度和回收率都隨著pH 緩慢增長(zhǎng)，pH=12 以后，蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度和回收率急劇增大，這是由于剩余污泥的微生物細(xì)胞壁中含有大量脂肪，強(qiáng)堿環(huán)境有助于脂肪的溶解，加速細(xì)胞壁的破裂，釋放出更多的蛋白質(zhì)，所以蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度和回收率在pH 大于12 時(shí)顯著增加。

圖1 pH 對(duì)蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度和回收率的影響

2.1.2 溫度對(duì)堿熱法回收污泥蛋白質(zhì)的影響

固定污泥的含水率為92%，污泥混合液的pH為13，反應(yīng)時(shí)間為2 h，蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度和回收率隨溫度的變化如圖2 所示。

圖2 溫度對(duì)蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度和回收率的影響

由圖2 可知，蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度和回收率隨著溫度的升高先增大后減小，在110 ℃的時(shí)候，蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度和回收率同時(shí)達(dá)到最大值，超過(guò)110 ℃以后，可能由于溫度過(guò)高，在堿性環(huán)境下，多糖和蛋白質(zhì)發(fā)生了“美拉德反應(yīng)”[12]，導(dǎo)致蛋白液顏色加深，蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度下降，在強(qiáng)堿的的環(huán)境下，細(xì)胞破裂的程度加大，越來(lái)越多的蛋白質(zhì)被釋放出來(lái)，繼續(xù)加熱，溫度過(guò)高，導(dǎo)致蛋白質(zhì)被水解，蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度和回收率隨著溫度的繼續(xù)升高，反而下降。這說(shuō)明加熱能夠破壞污泥絮體間的結(jié)構(gòu)，細(xì)胞壁的有機(jī)物被溶解，胞內(nèi)物質(zhì)釋放出來(lái)，但溫度過(guò)高，導(dǎo)致蛋白質(zhì)被水解反而不利于蛋白質(zhì)的回收。

2.1.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)堿熱法回收污泥蛋白質(zhì)的影響

固定污泥的含水率為92%，污泥混合液的溫度為110 ℃，pH 為13，蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度和回收率隨時(shí)間的變化如圖3 所示。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度和回收率的影響

由圖3 可知，蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度和回收率在前4 h內(nèi)都呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，4 h 時(shí)蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度和回收率達(dá)到最大值，說(shuō)明在此期間蛋白質(zhì)在持續(xù)釋放，4 h以后開(kāi)始下降，表明此階段污泥細(xì)胞破裂釋放蛋白質(zhì)的速度低于蛋白質(zhì)分解的速度，反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不利于蛋白質(zhì)的回收，前3 h 內(nèi)蛋白質(zhì)的質(zhì)量濃度和回收率均不高，說(shuō)明反應(yīng)時(shí)間過(guò)短，污泥水解不夠完全，還有蛋白質(zhì)殘留在污泥絮體中，因此污泥回收蛋白質(zhì)的理想時(shí)間段為3～4 h。

2.1.4 物料含水率對(duì)堿熱法回收污泥蛋白質(zhì)的影響

固定污泥溫度為110 ℃，pH 為13，反應(yīng)時(shí)間分別為2 h，蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度和回收率隨含水率的變化如圖4 所示。

圖4 含水率對(duì)蛋白質(zhì)濃度和回收率的影響

由圖4 可知，蛋白回收率隨著含水率的升高先增長(zhǎng)后下降，在含水率為90%的時(shí)候，蛋白質(zhì)回收率最高。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察發(fā)現(xiàn)，含水率為88%時(shí)，污泥混合液非常黏稠，不利于后續(xù)的離心分離，導(dǎo)致離心分離后的蛋白質(zhì)上清液體積很少，所以含水率低，蛋白回收率較低，但含水率高，污泥固體含量下降，單位污泥固體得到的能量過(guò)高，導(dǎo)致釋放出的蛋白質(zhì)被水解，也不利于蛋白質(zhì)的回收。蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度直接受含水率的影響，物料含水率越低，蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度越高，反之物料含水率越高，蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度越低。

2.2 水解條件的優(yōu)化

采用正交實(shí)驗(yàn)的方法確定各因素在污泥蛋白質(zhì)的回收中的作用大小，如表1 所示。

表1 堿熱法水解污泥正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

由表1 可知，各因素對(duì)蛋白質(zhì)回收率影響程度由大到小順序?yàn)椋簆H、反應(yīng)時(shí)間、溫度、含水率，各因素對(duì)蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度影響程度由大到小依次為：pH、含水率、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度，污泥蛋白質(zhì)回收的最優(yōu)工藝條件為：pH=13、t=4 h、T=100 ℃、W=90%。正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前面實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，正交實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果中溫度較低是由于同一條件下反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)彌補(bǔ)了升溫加熱為反應(yīng)提供的能量，在保證提高蛋白質(zhì)回收率的條件下，避免了因溫度過(guò)高導(dǎo)致水解的蛋白質(zhì)與體系中的多糖在堿性條件下發(fā)生“美拉德反應(yīng)”，產(chǎn)生難降解的類黑素物質(zhì)。

3 結(jié) 論

1）通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以確定，水解過(guò)程中各因素對(duì)蛋白質(zhì)回收率影響由大到小順序?yàn)椋簆H、反應(yīng)時(shí)間t、反應(yīng)溫度T、物料含水率W，反應(yīng)體系pH 在反應(yīng)過(guò)程中起關(guān)鍵作用。

2）強(qiáng)堿加熱回收污泥蛋白質(zhì)的最優(yōu)工藝條件為：pH13、反應(yīng)時(shí)間4 h、反應(yīng)溫度100 ℃、物料含水率90%。最優(yōu)工藝條件下污泥蛋白質(zhì)的回收率高達(dá)63.47%。