碱热法提取剩余污泥蛋白质的条件优化

马丽萍，范琦

（1.沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110168； 2.中国建筑东北设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110000）

近年来，生活污水厂的规模和数量持续增加，全国设市级城市、县累计建成污水处理厂4 063 座，污水处理能力约为1.78 亿m3·d-1，年产污泥量达到5 000 万t 以上[1]。利用碱法、酸法或辅以其他方法从污泥中提取蛋白质的研究已有相关报道。CHISHT[2]等采用氢氧化钠和氯化钠作为增溶剂研究了蛋白提取的效果；赵顺顺以青岛污水处理厂剩余污泥为材料，采用酸水解[3]以及碱水解[4]的方法对污泥蛋白提取的工艺进行了优化研究；邵金星[5]等采用酸和热耦合的方法水解污泥；XIAO[6]等采用了单独加热的方式水解污泥，得到的提取液蛋白质量浓度为681.47 mg·L-1；马欣[7]对双氧水法提取污泥蛋白质的工艺进行了研究；李政[8]研究了氢氧化钠加热水解污泥提取蛋白质，效果较好；YU[9]采用了单独酶法水解污泥得到的蛋白质质量分数为52.5%；采用超声-酶法[10-11]水解污泥提取到的蛋白质含量要高于单纯使用酶法提取的蛋白质。得到的污泥蛋白质可以用于制作泡沫混凝土[12]、发泡剂[13]和叶面肥[14-15]。目前污泥制蛋白的研究均存在反应时间长、反应温度高、工艺设备价格昂贵的缺点。本文以碱热法水解剩余污泥提取蛋白质，确定较优的碱热法回收蛋白质的工艺条件

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验材料来源于污水厂经过消化脱水后的剩余污泥，经过多次分析测定得到污泥性质特征，污泥的含水率为 56%，蛋白质质量分数为3.91%，pH=6.8。

1.2 实验仪器

HQ30D 便携式pH 计，美国哈希；SP-752 紫外可见分光光度计，上海光谱；TGYF-C 磁力搅拌高压反应釜，上海勒顿； FA3204 电子分析天平、台式离心机、电热恒温鼓风干燥箱、半微量凯式定氮装置。

1.3 实验试剂

实验所用化学试剂主要有氧化钙、盐酸、硫酸、牛血清蛋白质、考马斯亮蓝G-250、硼酸、溴甲酚绿、甲基红、95%乙醇、85%磷酸，所用试剂均为分析纯，盐酸使用时配置成1 mol·L-1的标准溶液。

1.3 实验方法

称取一定量的剩余污泥加到高压反应釜中，用去离子水调节其含水率，加氧化钙粉末调节体系pH值，设定反应温度和反应时间，反应结束后混合液在离心机中进行固液分离，得到的蛋白上清液采用考马斯亮蓝法测定，固体残渣中的蛋白质采用半微量凯式定氮法测定。

2 结果与讨论

2.1 碱热法回收污泥蛋白质的影响因素研究

2.1.1 pH 对碱热法回收污泥蛋白质的影响

固定污泥的含水率为92%，污泥混合液的温度为110 ℃，反应时间为2 h，蛋白质质量浓度和回收率随pH 的变化如图1 所示。

由图1 可知，pH=12 以前蛋白质质量浓度和回收率都随着pH 缓慢增长，pH=12 以后，蛋白质质量浓度和回收率急剧增大，这是由于剩余污泥的微生物细胞壁中含有大量脂肪，强碱环境有助于脂肪的溶解，加速细胞壁的破裂，释放出更多的蛋白质，所以蛋白质质量浓度和回收率在pH 大于12 时显著增加。

图1 pH 对蛋白质质量浓度和回收率的影响

2.1.2 温度对碱热法回收污泥蛋白质的影响

固定污泥的含水率为92%，污泥混合液的pH为13，反应时间为2 h，蛋白质质量浓度和回收率随温度的变化如图2 所示。

图2 温度对蛋白质质量浓度和回收率的影响

由图2 可知，蛋白质质量浓度和回收率随着温度的升高先增大后减小，在110 ℃的时候，蛋白质质量浓度和回收率同时达到最大值，超过110 ℃以后，可能由于温度过高，在碱性环境下，多糖和蛋白质发生了“美拉德反应”[12]，导致蛋白液颜色加深，蛋白质质量浓度下降，在强碱的的环境下，细胞破裂的程度加大，越来越多的蛋白质被释放出来，继续加热，温度过高，导致蛋白质被水解，蛋白质质量浓度和回收率随着温度的继续升高，反而下降。这说明加热能够破坏污泥絮体间的结构，细胞壁的有机物被溶解，胞内物质释放出来，但温度过高，导致蛋白质被水解反而不利于蛋白质的回收。

2.1.3 反应时间对碱热法回收污泥蛋白质的影响

固定污泥的含水率为92%，污泥混合液的温度为110 ℃，pH 为13，蛋白质质量浓度和回收率随时间的变化如图3 所示。

图3 反应时间对蛋白质质量浓度和回收率的影响

由图3 可知，蛋白质质量浓度和回收率在前4 h内都呈增长趋势，4 h 时蛋白质质量浓度和回收率达到最大值，说明在此期间蛋白质在持续释放，4 h以后开始下降，表明此阶段污泥细胞破裂释放蛋白质的速度低于蛋白质分解的速度，反应时间过长，不利于蛋白质的回收，前3 h 内蛋白质的质量浓度和回收率均不高，说明反应时间过短，污泥水解不够完全，还有蛋白质残留在污泥絮体中，因此污泥回收蛋白质的理想时间段为3～4 h。

2.1.4 物料含水率对碱热法回收污泥蛋白质的影响

固定污泥温度为110 ℃，pH 为13，反应时间分别为2 h，蛋白质质量浓度和回收率随含水率的变化如图4 所示。

图4 含水率对蛋白质浓度和回收率的影响

由图4 可知，蛋白回收率随着含水率的升高先增长后下降，在含水率为90%的时候，蛋白质回收率最高。实验过程中观察发现，含水率为88%时，污泥混合液非常黏稠，不利于后续的离心分离，导致离心分离后的蛋白质上清液体积很少，所以含水率低，蛋白回收率较低，但含水率高，污泥固体含量下降，单位污泥固体得到的能量过高，导致释放出的蛋白质被水解，也不利于蛋白质的回收。蛋白质质量浓度直接受含水率的影响，物料含水率越低，蛋白质质量浓度越高，反之物料含水率越高，蛋白质质量浓度越低。

2.2 水解条件的优化

采用正交实验的方法确定各因素在污泥蛋白质的回收中的作用大小，如表1 所示。

表1 碱热法水解污泥正交实验结果表

由表1 可知，各因素对蛋白质回收率影响程度由大到小顺序为：pH、反应时间、温度、含水率，各因素对蛋白质质量浓度影响程度由大到小依次为：pH、含水率、反应时间、反应温度，污泥蛋白质回收的最优工艺条件为：pH=13、t=4 h、T=100 ℃、W=90%。正交实验结果与前面实验结果基本一致，正交实验所得结果中温度较低是由于同一条件下反应时间较长，反应时间的延长弥补了升温加热为反应提供的能量，在保证提高蛋白质回收率的条件下，避免了因温度过高导致水解的蛋白质与体系中的多糖在碱性条件下发生“美拉德反应”，产生难降解的类黑素物质。

3 结 论

1）通过正交实验结果可以确定，水解过程中各因素对蛋白质回收率影响由大到小顺序为：pH、反应时间t、反应温度T、物料含水率W，反应体系pH 在反应过程中起关键作用。

2）强碱加热回收污泥蛋白质的最优工艺条件为：pH13、反应时间4 h、反应温度100 ℃、物料含水率90%。最优工艺条件下污泥蛋白质的回收率高达63.47%。