槽式超聲波作用下污泥蛋白質提取規律研究

徐 暉

(武警學院 消防指揮系，河北 廊坊 065000)

槽式超聲波作用下污泥蛋白質提取規律研究

徐 暉

(武警學院 消防指揮系，河北 廊坊 065000)

針對污泥蛋白質的提取，試驗探討槽式超聲波作用下pH值、超聲波頻率、超聲功率、作用時間和固液比等因素對污泥蛋白質提取效果的影響，研究槽式超聲波對污泥蛋白質提取的可行性及適宜的操作條件。結果表明：槽式超聲波可有效提取活性污泥中蛋白質成分，堿液與低頻槽式超聲波對蛋白質的提取有協同作用。堿性條件下，隨著pH值的增大污泥蛋白質提取率上升顯著，隨著超聲功率的增大和固液比的減小及作用時間的延長污泥蛋白提取率上升然后趨于穩定。通過正交試驗，確定pH值12，超聲功率70 W，作用時間30 min，固液比1︰3，為槽式超聲波提取污泥蛋白質的適宜操作條件，其提取率為22.4%。

槽式超聲波；空化作用；活性污泥；污泥蛋白質；提取率

0 引言

蛋白泡沫滅火劑發泡性能好，泡沫穩定，對撲救化工、油類火災具有很好的效果，是消防部隊一種儲存性戰備物資。目前，消防部隊所用蛋白泡沫滅火劑主要采用動物蛋白，成本高、氣味大、對環境存在二次污染，急需尋找替代產品[1-2]。而活性污泥作為城鎮污水處理廠的一種固體廢物，污泥微生物細胞中含有較多的蛋白質成分，對微生物進行細胞破壁處理后能夠提取其中的蛋白質成分，可作為蛋白泡沫滅火劑的原料，是一種優良的動物蛋白泡沫滅火劑替代產品，具有非常大的研究價值和應用潛力[3-5]。污泥蛋白質泡沫滅火劑的研究中污泥微生物蛋白質的提取是該領域研究的關鍵技術之一。

污泥微生物蛋白質的提取技術主要包括熱水解、酸或堿水解、酶水解和超聲波水解技術等[6]。其中，微生物超聲波破壁技術是利用超聲波在液相產生空化作用，形成高溫、高壓環境以及較大的水力剪切力，促使污泥微生物細胞壁破裂，加速污泥微生物細胞蛋白質成分的溶出。超聲波提取技術可以實現常溫常壓下污泥蛋白質的提取，操作過程簡單，利于節能和控制[7-11]，是具有應用前景的污泥蛋白質提取技術。目前，國內外學者對污泥微生物蛋白質提取的研究工作以熱酸和熱堿水解方面居多，對超聲波提取污泥蛋白質尤其是槽式超聲波提取方面研究較少，值得進一步深入研究。本文以槽式超聲波對污泥蛋白質的提取為對象，試驗分析槽式超聲波條件下各因素變化對污泥蛋白質提取率的影響，以期揭示槽式超聲波提取污泥蛋白質的基本規律。

1 試驗部分

1.1 試驗儀器及材料

試驗在槽式超聲波反應器進行，反應器見圖1所示，槽式超聲波頻率45 kHz、80 kHz可調，電功率100 W。反應容器采用200 mL燒杯，燒杯上部敞開，燒杯底部距離超聲波槽底部2 cm，超聲波中注入1.5 L水作為傳導介質。試驗過程中所用主要儀器設備有槽式超聲波反應器、臺式離心機、721分光光度計、精密pH計、萬分之一電子天平、真空干燥箱等。試驗材料采自河北省廊坊市污水處理廠脫水后的剩余污泥，污泥在4 ℃條件下冷藏，以防污泥中有機物變質。試驗用污泥樣品基本理化指標為：pH值7.46，含水率86.52%，蛋白質含量31.15%。

1.超聲波發生器；2.換能器；3.燒杯；4.熱電偶；5.加熱器；6.反應槽

1.2 試驗方法及數據處理

試驗過程中分別稱取約20 g污泥樣品放入200 mL燒杯中，加入一定量的蒸餾水攪勻，調制成污泥混合液。用1 mol·L-1的NaOH溶液和體積分數為60%的H2SO4調節污泥體系pH值，在超聲波反應器中進行污泥破壁提取蛋白質試驗；反應后的污泥樣品在3 600 r·min-1轉速的臺式離心機中離心20 min，取上清液用考馬斯亮藍(G-250)法測定其蛋白質的含量。

選取污泥蛋白質提取率為評價指標。污泥蛋白質提取率計算公式為：

(1)

污泥含水率計算公式為：

(2)

2 結果與分析

2.1 槽式超聲波提取與熱堿提取效果比較

稱取2份20 g污泥樣品于200 mL燒杯中，加入蒸餾水控制固液比為1︰2.5。用1 mol·L-1NaOH溶液調節pH值為10，一組放置于恒溫磁力攪拌器中，100 ℃條件下熱攪拌100 min；另一組在槽式超聲波反應器中提取，選取頻率45 kHz，超聲時間控制在30 min。結果見圖2所示。由圖2可見，槽式超聲波作用和熱堿作用均可提取出污泥中的蛋白質成分，槽式超聲波作用30 min后污泥蛋白質提取率為15%，熱堿作用100 min后蛋白質提取率為12.2%，槽式超聲波作用不僅能夠提取出污泥中蛋白質成分，并且提取效果比熱堿提取效果好。前人研究發現，利用探頭式超聲波在液相中產生空化效應，形成的高溫高壓環境能增大細胞膜內外壓力差，致使細胞膜局部破裂，使細胞膜內的蛋白質向液相擴散[6]。本試驗結果表明槽式超聲波產生的空化作用也足夠使污泥蛋白細胞壁破裂，加速細胞膜內蛋白質的溶出提取，是一種切實可行的方法。通過與熱堿作用提取效果的比較，表明槽式超聲波的使用可以顯著縮短蛋白質提取的時間以及降低提取的溫度，實現常溫條件下污泥細胞蛋白質的溶出，操作過程簡單，便于節能和控制。

圖2 槽式超聲波與熱堿作用下蛋白質提取率

2.2 槽式超聲波頻率對蛋白質提取的影響

試驗選取45 kHz和80 kHz兩種頻率條件下進行，比較兩種頻率下污泥蛋白質的提取效果。結果見圖3所示。由圖3可知，45 kHz頻率條件下污泥蛋白質提取率為15.0%，80 kHz頻率條件下污泥蛋白質提取率為12.2%。相同條件下，對于槽式超聲波而言，低頻率可以從污泥中提取出更多的蛋白質成分，與文獻報道一致[12]。由于超聲波頻率的大小會直接影響空化作用的形成，而空化作用會隨著超聲頻率的升高而降低。低頻率的槽式超聲波作用在液相中產生的空化效應更有利于污泥蛋白質的提取，故后續試驗均在45 kHz頻率下進行。

2.3 污泥體系pH值對蛋白質提取的影響

相關資料表明，污泥溶胞過程中，體系pH值對溶胞效果影響較大[13]。選取污泥體系pH值范圍1

圖3 兩種超聲波頻率下蛋白質提取率

～12進行試驗，試驗中固液比1︰2.5，超聲功率50 W，反應時間30 min，其他試驗條件同上。結果見圖4。由圖4可見，槽式超聲波條件下，不同污泥體系pH環境對污泥細胞中蛋白質提取率影響顯著，酸性和堿性條件下均能成功提取污泥中蛋白質，酸性越強或堿性越強提取效果越好，并且堿性條件下能得到更高的蛋白質提取率，表明槽式超聲波與堿溶液協同作用時更容易提取污泥細胞中的蛋白質成分。這是由于污泥微生物細胞壁中脂肪含量較多，脂肪成分更容易在堿性溶液中水解，致使細胞破裂程度增加。堿性環境下，隨著體系pH值的升高，蛋白質的提取率呈上升趨勢，pH為7.46時提取率為5.71%，pH為12時提取率達到17.4%，pH為13時達到18.43%。在體系pH值范圍7～12區間，蛋白質提取率上升迅速，當體系pH值超過12后污泥蛋白質提取率上升變緩，且pH為13時，試驗過程中發現污泥混合液粘稠，上清液顏色加深呈棕褐色，離心過濾困難。所以，采用槽式超聲波與堿溶液協同提取污泥蛋白質的過程中，溶液pH值應選取10～12范圍之間為佳。

圖4 污泥體系pH值對蛋白質提取的影響

2.4 槽式超聲波功率對蛋白質提取的影響

槽式超聲波功率主要體現強度對污泥細胞破壁溶胞的影響。前人研究成果表明超聲空化作用的大小與超聲功率即超聲強度有關，液相中超聲波強度增加，空化強度也會隨之增大，但達到一定數值后，空化會趨于飽和。本試驗過程選取槽式超聲波功率范圍20～100 W。其他試驗條件為污泥體系pH值10，固液比1︰2.5，反應時間30 min。結果見圖5所示。由圖5可見，槽式超聲波的功率對污泥細胞蛋白質提取的影響比較顯著。在20～80 W超聲波功率范圍內，隨著超聲波功率的增加污泥蛋白質提取率不斷增大，但當功率增加到80 W以上，超聲波強度不會繼續增大蛋白質提取率甚至有所下降。這與前人的研究成果一致，當超聲波功率增大到一定程度后，會在液相中產生大量的無用氣泡，反而降低了空化強度，從而導致污泥蛋白質提取率隨著超聲波功率的增大不再繼續上升甚至有所降低。超聲功率應控制在60～80 W范圍內為佳。

圖5 超聲波功率對蛋白質提取率的影響

2.5 槽式超聲波作用時間對蛋白質提取的影響

超聲時間的長短主要影響污泥細胞破裂釋放蛋白質反應進行的程度。試驗過程選取反應時間范圍為10～60 min。其他試驗條件：槽式超聲功率80 W，pH值為10，室溫條件，固液比1︰2.5。結果見圖6。由圖6可見，槽式超聲波作用下，隨著作用時間的增加，污泥蛋白質提取率不斷上升然后趨于穩定，超聲作用40 min時，蛋白質的提取率達到最大值；之后，隨著作用時間的繼續增加，蛋白質提取率變化不顯著。作用時間10～40 min范圍時，蛋白質提取率不斷上升即上清液中蛋白質含量增加，污泥微生物細胞破碎程度增大，表明此時間范圍內超聲產生的空化效應主要用于破碎污泥微生物細胞壁，蛋白質成分的釋放占主導地位。作用時間40 min之后，蛋白質提取率比較穩定甚至出現少許下降，即上清液中蛋白質含量有所減少，表明此時空化效應對蛋白質起到一定的降解作用，出現了蛋白質提取率略有降低的情況。所以，超聲波提取污泥蛋白質的作用時間應控制在20～50 min范圍內為佳。

圖6 超聲波作用時間對蛋白質提取率的影響

2.6 污泥體系固液比對蛋白質提取的影響

污泥體系固液比是指污泥與加水量之間的比值，固液比大小直接影響污泥的濃度大小。污泥蛋白質提取過程中，固液比小則污泥濃度低，會延長后期蛋白質濃縮所需的時間，影響后續污泥濃縮操作；而固液比過大即污泥濃度過大時，則無法充分浸沒污泥樣品。因此，試驗過程中應控制適當的固液比范圍，在滿足試驗條件的前提下盡量降低反應污泥固液比。試驗過程選取污泥體系固液比范圍1︰1.5～1︰4.5，其他試驗條件為污泥體系pH值10，超聲功率50 W，作用時間30 min。結果見圖7。由圖7可見，槽式超聲波作用下，固液比的減小對污泥蛋白質的提取有利，但是當固液比超過1︰2.5后提取率趨于穩定，繼續降低固液比蛋白質提取率不再繼續增加。這可能是由于當固液比較大時，污泥體系中水含量較少，污泥細胞沒有完全浸沒，影響了細胞的破解效果；而當含水量增加到污泥被完全浸沒后，試驗結果表明固液比對污泥細胞蛋白質提取沒有太大影響。考慮到后續濃縮工藝的選取和能耗，固液比可以控制在1︰1.5～1︰3.5之間。

2.7 槽式超聲波提取污泥蛋白質的正交試驗分析

結合上述單因素試驗結果，以污泥蛋白質提取率為評價指標，選取體系pH值、固液比、超聲波功率和作用時間進行4因素4水平的正交試驗，通過Excel軟件對正交試驗結果進行方差分析，找出影響槽式超聲波提取污泥微生物蛋白質的主要影響因素，并提出較佳的超聲波污泥蛋白質提取方案。正交試驗方案和分析結果見表1所示。由表1結果可知，4個因素對污泥蛋白質提取率影響大小依次為體系pH值>超聲作用時間>超聲波功率>固液比。體系pH值12，超聲波作用時間30 min，超聲功率70 W，固液比1︰3是槽式超聲波提取污泥蛋白質的較優方案，在此操作條件下進行試驗，得到污泥蛋白質提取率為22.4%。可見，槽式超聲波對污泥細胞破壁以及蛋白質的溶出具有較好的效果，并且與探頭式超聲波相比，槽式超聲波更容易實現污泥蛋白質的提取。

圖7 固液比對蛋白質提取率的影響

表1 污泥蛋白提取正交試驗結果

3 結論

污泥蛋白質利用中蛋白質的提取屬于關鍵技術之一，本文通過對槽式超聲波條件下各影響因素的研究，探討槽式超聲波對污泥蛋白質的提取規律，提出可行性的操作方案。試驗結果表明槽式超聲波可以有效提取污泥微生物中蛋白質成分，便于連續操作以及自動控制。低頻率的槽式超聲波與堿液作用更有利于污泥蛋白質的提取。堿性條件下隨著體系pH值增大提取率呈現上升趨勢；隨著超聲波功率的增大和固液比的減小及超聲作用時間的延長使污泥蛋白提取率上升然后趨于穩定值。槽式超聲波條件下，污泥蛋白質提取率影響程度大小順序依次為體系pH值>超聲作用時間>超聲波功率>固液比。體系pH值12，超聲波處理時間30 min，超聲功率70 W，固液比1︰3是槽式超聲波提取污泥蛋白質的較優方案，在此操作條件下進行試驗，得到污泥蛋白質提取率為22.4%。

[1] 韓郁翀,秦俊.泡沫滅火劑的發展與應用現狀[J].火災科學，2011,20(4)：235-240.

[2] 趙興藝.泡沫滅火劑應用及其發展現狀[J].河北省科學院學報,2012,29(3):65-68.

[3] 谷晉川,蔣文舉,雍毅.城市污水廠污泥處理與資源化[M].北京：化學工業出版社,2008.

[4] 汪常青,梁浩,李亞東,等.利用活性污泥制備泡沫滅火劑的試驗研究[J].中國給水排水,2006,22(9):38-42.

[5] 李亞東,李海波.利用剩余活性污泥水解蛋白質制備蛋白質泡沫滅火劑的研究[J].湖北大學學報,2005,27(1):91-93.

[6] 霍貞,王芬,季民.污泥破解技術的研究與進展[J].工業水處理，2005,25(9)：16-19.

[7] TANAKA S,KOBAYSHI T,KAMIYAMA K,et al.Effect of thermochemical pretreatment on the anaerobic digestion of waste activated sludge[J].Water Science and Technology,1997,35(8):209-215.

[8] CHEN Qiaoping,XIE Hongfang.Study on the protein extraction from excess sludge by papain hydrolysis[C]//Environment Pollution and Public Health Essay.2010:1041-1044.

[9] RAS M,GIRBAL-NEUHAUSER E,PAUL E,et al.Protein extraction from activated sludge: an analytical approach[J].Water Research,2008,42(8):1867-1878.

[10] 崔靜,董岸杰,張衛江,等.熱堿水解提取污泥蛋白質的實驗研究[J].環境工程學報,2009,3(10):1889-1892.

[11] 李萍,李登新,蘇瑞景,等.2種處理方法水解剩余污泥蛋白質的研究[J].環境工程學報,2011,5(12):2859-2863.

[12] 相玉琳,張衛江,徐姣,等.超聲波輻射強化污泥蛋白質的提取[J].化學工程,2011,39(3):63-66.

[13] 馬華季,張書廷,劉勇,等.超聲波/堿協同溶胞-隱性生長系統的污泥減量效果[J].中國給水排水,2012,28(12):15-19.

(責任編輯 馬 龍)

A Study on the Protein Extraction from Activated Sludge by Ultrasonic Generating Trough

XU Hui

(DepartmentofFireCommanding,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

The extraction process of sludge protein by ultrasonic generating trough was researched in this paper. The influences of pH value，ultrasonic frequency, ultrasonic power, ultrasonic time and solid-liquid ratio on extraction efficiency of sludge protein were investigated, the feasibility of sludge protein extraction using ultrasonic generating trough and the optimum operating conditions were researched, too. The experimental results show that the cavitations generated by ultrasonic generating trough extracts protein from the activated sludge effectively, and alkaline liquor and low frequency ultrasonic generating tough have a synergy effect on extracting protein from sludge. Under alkaline conditions, the extraction efficiency increases with that of pH value rapidly, and the extraction efficiency increases firstly and then attains a stable value with that of the ultrasonic power and ultrasonic action time, and with decreasing of solid-liquid ratio. Finally, the orthogonal experiments are performed to determine the suitable operating conditions of sludge protein extraction under ultrasonic generating trough condition are as follows: pH value 12，ultrasonic power 70 W，ultrasonic action time 30 minute and solid-liquid ratio 1︰3, and the extraction efficiency of sludge protein reach 22.4% under this conditions.

ultrasonic generating trough; cavitation; activated sludge; sludge protein; extraction efficiency

2016-05-30

武警學院青年教師基金項目(QNJS 201328)

徐暉(1980— )，女，重慶合川人，講師。

X705；D631.6

A

1008-2077(2016)12-0011-05