堿熱法提取剩余污泥蛋白質的條件優化

馬麗萍，范琦

（1.沈陽建筑大學，遼寧 沈陽 110168； 2.中國建筑東北設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110000）

近年來，生活污水廠的規模和數量持續增加，全國設市級城市、縣累計建成污水處理廠4 063 座，污水處理能力約為1.78 億m3·d-1，年產污泥量達到5 000 萬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的研究已有相關報道。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]的方法對污泥蛋白提取的工藝進行了優化研究；邵金星[5]等采用酸和熱耦合的方法水解污泥；XIAO[6]等采用了單獨加熱的方式水解污泥，得到的提取液蛋白質量濃度為681.47 mg·L-1；馬欣[7]對雙氧水法提取污泥蛋白質的工藝進行了研究；李政[8]研究了氫氧化鈉加熱水解污泥提取蛋白質，效果較好；YU[9]采用了單獨酶法水解污泥得到的蛋白質質量分數為52.5%；采用超聲-酶法[10-11]水解污泥提取到的蛋白質含量要高于單純使用酶法提取的蛋白質。得到的污泥蛋白質可以用于制作泡沫混凝土[12]、發泡劑[13]和葉面肥[14-15]。目前污泥制蛋白的研究均存在反應時間長、反應溫度高、工藝設備價格昂貴的缺點。本文以堿熱法水解剩余污泥提取蛋白質，確定較優的堿熱法回收蛋白質的工藝條件

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗材料來源于污水廠經過消化脫水后的剩余污泥，經過多次分析測定得到污泥性質特征，污泥的含水率為 56%，蛋白質質量分數為3.91%，pH=6.8。

1.2 實驗儀器

HQ30D 便攜式pH 計，美國哈希；SP-752 紫外可見分光光度計，上海光譜；TGYF-C 磁力攪拌高壓反應釜，上海勒頓； FA3204 電子分析天平、臺式離心機、電熱恒溫鼓風干燥箱、半微量凱式定氮裝置。

1.3 實驗試劑

實驗所用化學試劑主要有氧化鈣、鹽酸、硫酸、牛血清蛋白質、考馬斯亮藍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，鹽酸使用時配置成1 mol·L-1的標準溶液。

1.3 實驗方法

稱取一定量的剩余污泥加到高壓反應釜中，用去離子水調節其含水率，加氧化鈣粉末調節體系pH值，設定反應溫度和反應時間，反應結束后混合液在離心機中進行固液分離，得到的蛋白上清液采用考馬斯亮藍法測定，固體殘渣中的蛋白質采用半微量凱式定氮法測定。

2 結果與討論

2.1 堿熱法回收污泥蛋白質的影響因素研究

2.1.1 pH 對堿熱法回收污泥蛋白質的影響

固定污泥的含水率為92%，污泥混合液的溫度為110 ℃，反應時間為2 h，蛋白質質量濃度和回收率隨pH 的變化如圖1 所示。

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

圖1 pH 對蛋白質質量濃度和回收率的影響

2.1.2 溫度對堿熱法回收污泥蛋白質的影響

固定污泥的含水率為92%，污泥混合液的pH為13，反應時間為2 h，蛋白質質量濃度和回收率隨溫度的變化如圖2 所示。

圖2 溫度對蛋白質質量濃度和回收率的影響

由圖2 可知，蛋白質質量濃度和回收率隨著溫度的升高先增大后減小，在110 ℃的時候，蛋白質質量濃度和回收率同時達到最大值，超過110 ℃以后，可能由于溫度過高，在堿性環境下，多糖和蛋白質發生了“美拉德反應”[12]，導致蛋白液顏色加深，蛋白質質量濃度下降，在強堿的的環境下，細胞破裂的程度加大，越來越多的蛋白質被釋放出來，繼續加熱，溫度過高，導致蛋白質被水解，蛋白質質量濃度和回收率隨著溫度的繼續升高，反而下降。這說明加熱能夠破壞污泥絮體間的結構，細胞壁的有機物被溶解，胞內物質釋放出來，但溫度過高，導致蛋白質被水解反而不利于蛋白質的回收。

2.1.3 反應時間對堿熱法回收污泥蛋白質的影響

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

圖3 反應時間對蛋白質質量濃度和回收率的影響

由圖3 可知，蛋白質質量濃度和回收率在前4 h內都呈增長趨勢，4 h 時蛋白質質量濃度和回收率達到最大值，說明在此期間蛋白質在持續釋放，4 h以后開始下降，表明此階段污泥細胞破裂釋放蛋白質的速度低于蛋白質分解的速度，反應時間過長，不利于蛋白質的回收，前3 h 內蛋白質的質量濃度和回收率均不高，說明反應時間過短，污泥水解不夠完全，還有蛋白質殘留在污泥絮體中，因此污泥回收蛋白質的理想時間段為3～4 h。

2.1.4 物料含水率對堿熱法回收污泥蛋白質的影響

固定污泥溫度為110 ℃，pH 為13，反應時間分別為2 h，蛋白質質量濃度和回收率隨含水率的變化如圖4 所示。

圖4 含水率對蛋白質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后下降，在含水率為90%的時候，蛋白質回收率最高。實驗過程中觀察發現，含水率為88%時，污泥混合液非常黏稠，不利于后續的離心分離，導致離心分離后的蛋白質上清液體積很少，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高，導致釋放出的蛋白質被水解，也不利于蛋白質的回收。蛋白質質量濃度直接受含水率的影響，物料含水率越低，蛋白質質量濃度越高，反之物料含水率越高，蛋白質質量濃度越低。

2.2 水解條件的優化

采用正交實驗的方法確定各因素在污泥蛋白質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驗結果表

由表1 可知，各因素對蛋白質回收率影響程度由大到小順序為：pH、反應時間、溫度、含水率，各因素對蛋白質質量濃度影響程度由大到小依次為：pH、含水率、反應時間、反應溫度，污泥蛋白質回收的最優工藝條件為：pH=13、t=4 h、T=100 ℃、W=90%。正交實驗結果與前面實驗結果基本一致，正交實驗所得結果中溫度較低是由于同一條件下反應時間較長，反應時間的延長彌補了升溫加熱為反應提供的能量，在保證提高蛋白質回收率的條件下，避免了因溫度過高導致水解的蛋白質與體系中的多糖在堿性條件下發生“美拉德反應”，產生難降解的類黑素物質。

3 結 論

1）通過正交實驗結果可以確定，水解過程中各因素對蛋白質回收率影響由大到小順序為：pH、反應時間t、反應溫度T、物料含水率W，反應體系pH 在反應過程中起關鍵作用。

2）強堿加熱回收污泥蛋白質的最優工藝條件為：pH13、反應時間4 h、反應溫度100 ℃、物料含水率90%。最優工藝條件下污泥蛋白質的回收率高達63.47%。