60Co γ射線協同H2O2改善污泥蛋白液性能的可行性

相玉琳，王立鵬，焦玉榮

（榆林學院化學與化工學院，陜西 榆林 719000）

近年來，隨著我國城市污水處理力度的加大和污水處理設施建設的加快，城市污水處理率不斷提高，污泥的安全處理處置問題則日益突出。據調查顯示，污泥中含有大量的微生物、病菌、動物殘體等，有機物含量高，其中蛋白質、脂肪、碳水化合物占總有機質的 80%以上，而蛋白質可達 50%以上[1-3]。面對如此高含量的蛋白質，許多學者進行了污泥微生物蛋白的提取研究并取得了較好的結果，如華佳等[4-5]采用酸化學水解法提取污泥蛋白質；崔靜等[6]研究了熱堿水解法處理剩余活性污泥，提取其中的蛋白質；陳玉輝[7]、華佳[8]等提出多次循環水解方案得到濃縮污泥蛋白液；龐金釗等[9]對污泥蛋白液進行超濾膜法濃縮，得到高濃度的污泥蛋白液。目前污泥蛋白液的主要應用是開發動物飼料[10]、發泡劑[11]等產品，其中用于發泡劑的研究較多，主要用來制備泡沫混凝土及泡沫滅火劑。然而由于出身問題，提取出的污泥蛋白直接作為發泡劑常常伴有泡沫性能差、色深味臭等問題[12]。這些缺陷嚴重制約了污泥蛋白的廣泛推廣。本研究在前面工作[13-15]的基礎上，針對污泥蛋白發泡液在性能上存在的缺陷，考察60Co γ射線協同H2O2法改善污泥蛋白液性能的可行性。

1 實驗部分

1.1 裝置與材料

鈷源來自天津金鵬源輻照技術有限公司。污泥蛋白液現制，本研究采用超聲波輔助熱堿水解法獲得污泥蛋白液[15]。蛋白安全性委托天津出入境檢驗檢疫局動植物與食品檢測中心檢驗，結果見表 1。過氧化氫為分析純。

表1 污泥蛋白液安全性檢測結果

1.2 實驗過程

1.2.1 輻照實驗

取現制蛋白原液60mL，加去離子水至300mL，加H2O20.6mL，2.0kGy計量下輻照[13]。

1.2.2 分析方法

采用 Ross-Miles法測蛋白液的泡沫性能，SDS-PAGE法測蛋白質分子量[13]。

2 結果與討論

2.1 性能分析

化學法及60Co γ射線協同H2O2處理后污泥蛋白液理化性質見表2。

市售發泡劑的泡沫高度在15～18cm[16-17]，由表2可知，發泡性均高于22cm，穩泡性達20cm以上，表明污泥蛋白液經過化學法與60Co γ射線/H2O2處理后，泡沫性能已滿足市售發泡劑的標準。

圖1為蛋白液的外觀狀態比較情況，由左到右分別為60Co γ射線協同H2O2作用的樣品、化學法作用的和未經處理的。未經處理的樣品顏色近似黑色，化學處理的近似紅色，60Co γ射線協同 H2O2處理的樣品為橘紅色。

圖2為50mL（20%）蛋白液40℃經相同速度、相同方向攪打 2min泡沫情況對照圖由左到右的順序安排同圖 1。由圖 2可知，對于發泡性，60Co γ-ray/H2O2法與化學法的不相上下，泡沫細膩豐富，而未經過任何手段處理的蛋白液的泡沫高度明顯很低，發泡性很差；對于穩泡性，經過 5min之后，發現化學法處理的蛋白液杯底有明顯的析出液出現，而60Co γ-ray/H2O2法的不明顯，表明經過60Co γ射線協同H2O2處理的蛋白液穩泡性好于化學法的。

表2 污泥蛋白液性能比較

圖3為污泥蛋白液凝膠電泳圖。其中a為標準蛋白，b為60Co γ射線協同H2O2處理后蛋白，c為化學法處理后蛋白，d為未經處理污泥蛋白液。應用Gel-Pro analyzer分析（見圖4）：未經任何手段處理的污泥蛋白相對分子質量在 26.478×103～430.86×103之間，化學法作用的相對分子質量在25.687×103～410.68×103之間，60Co γ射線協同 H2O2的相對分子質量在 20.773×103～373.11×103之間。由數據可知，60Co γ射線協同H2O2處理的污泥蛋白分子量相對化學法的有所降低，相對未經任何手段處理的污泥蛋白分子量，化學法又有所降低，這表明在處理過程中，蛋白分子受到了降解破壞，但這種破壞不是很明顯。降解后的蛋白質分子可能會暴露出更多的疏水性基團，從而強化了原蛋白質分子的表面活性及柔韌性，使其在界面處舒展阻力大大降低，容易產生更多的泡沫，而形成的泡沫的液膜也更具黏彈性，這就在一定程度上減緩了液膜的排液速率，使得泡沫性能得到了改善[18]。

2.2 下游產品開發的可行性

2.2.1 泡沫滅火劑

表3是利用本研究所得蛋白液加入適當助劑所得滅火劑產品的滅火測試結果。

GB 15308—2006規定蛋白泡沫滅火劑的滅火時間不大于5min，25%抗燒時間不小于5min。表3測試結果表明，本研究的蛋白泡沫滅火劑均具有較好的滅火性能。

表3 滅火測試結果

2.2.2 泡沫混凝土

用本研究所得污泥蛋白液作為發泡劑與水泥及提取蛋白后的泥渣按一定比例混合，加適量水充分攪拌制備泡沫混凝土。研制的密度等級不小于400kg級的泡沫混凝土的抗壓強度≥3.7MPa，600kg級的泡沫混凝土的抗壓強度≥6.2MPa，均已滿足行業標準[19]。

3 成本分析

在前面研究基礎上對成本進行估算。處理300g（20%）污泥蛋白液，令脫色率＞45%、發泡性（穩泡性）≥20cm、感官測評分數≥3，則化學法與60Co γ-ray/H2O2法所需成本見表4及表5。

表4、表5分析表明，處理300g污泥蛋白液至預定指標，60Co γ射線協同H2O2法的經濟可行性好于化學法，并且60Co γ射線協同H2O2法工藝簡潔，可操作性強，若批量處理，成本會更低。

表4 化學法處理300g20%污泥蛋白液成本估算

表5 60Co γ射線/H2O2法處理300g20%污泥蛋白液成本估算

4 結 論

在前面研究的基礎上，對60Co γ射線協同H2O2改善污泥蛋白液性能的可行性進行了研究。通過對比分析發現，無論是選擇化學手段還是60Co γ射線協同 H2O2手段，污泥蛋白液的理化性質、泡沫性能和感官品質均得到了較大的改善。凝膠電泳分析發現處理后的蛋白分子量均有降低，60Co γ射線協同 H2O2降解的程度較大，然而這種局部降解有利于改善泡沫性能。用處理后的污泥蛋白液研制泡沫滅火劑和泡沫混凝土，所得產品均能滿足相應的質量標準。最后對成本進行了比較分析，60Co γ射線協同 H2O2法處理成本低于化學法，并且更適于批量化。因此應用60Co γ射線協同H2O2法改善污泥蛋白液性能具有較強的經濟效益和社會效益，可行性強，值得推廣。

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