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(jù)調(diào)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(zhì)、脂肪、碳水化合物占總有機質(zhì)的 80%以上，而蛋白質(zhì)可達 50%以上[1-3]。面對如此高含量的蛋白質(zhì)，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(jié)果，如華佳等[4-5]采用酸化學水解法提取污泥蛋白質(zhì)；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(zhì)；陳玉輝[7]、華佳[8]等提出多次循環(huán)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(fā)動物飼料[10]、發(fā)泡劑[11]等產(chǎn)品，其中用于發(fā)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(fā)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(fā)泡液在性能上存在的缺陷，考察60Co γ射線協(xié)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(xiàn)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(jié)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(jié)果

1.2 實驗過程

1.2.1 輻照實驗

取現(xiàn)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(zhì)分子量[13]。

2 結(jié)果與討論

2.1 性能分析

化學法及60Co γ射線協(xié)同H2O2處理后污泥蛋白液理化性質(zhì)見表2。

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

圖1為蛋白液的外觀狀態(tài)比較情況，由左到右分別為60Co γ射線協(xié)同H2O2作用的樣品、化學法作用的和未經(jīng)處理的。未經(jīng)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(xié)同 H2O2處理的樣品為橘紅色。

圖2為50mL（20%）蛋白液40℃經(jīng)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(fā)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(jīng)過任何手段處理的蛋白液的泡沫高度明顯很低，發(fā)泡性很差；對于穩(wěn)泡性，經(jīng)過 5min之后，發(fā)現(xiàn)化學法處理的蛋白液杯底有明顯的析出液出現(xiàn)，而60Co γ-ray/H2O2法的不明顯，表明經(jīng)過60Co γ射線協(xié)同H2O2處理的蛋白液穩(wěn)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(xié)同H2O2處理后蛋白，c為化學法處理后蛋白，d為未經(jīng)處理污泥蛋白液。應用Gel-Pro analyzer分析（見圖4）：未經(jīng)任何手段處理的污泥蛋白相對分子質(zhì)量在 26.478×103～430.86×103之間，化學法作用的相對分子質(zhì)量在25.687×103～410.68×103之間，60Co γ射線協(xié)同 H2O2的相對分子質(zhì)量在 20.773×103～373.11×103之間。由數(shù)據(jù)可知，60Co γ射線協(xié)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(jīng)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(zhì)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(zhì)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(chǎn)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(chǎn)品開發(fā)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(chǎn)品的滅火測試結(jié)果。

GB 15308—2006規(guī)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(jié)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(jié)果

2.2.2 泡沫混凝土

用本研究所得污泥蛋白液作為發(fā)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(yè)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(fā)泡性（穩(wěn)泡性）≥20cm、感官測評分數(shù)≥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(xié)同H2O2法的經(jīng)濟可行性好于化學法，并且60Co γ射線協(xié)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(jié) 論

在前面研究的基礎上，對60Co γ射線協(xié)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(fā)現(xiàn)，無論是選擇化學手段還是60Co γ射線協(xié)同 H2O2手段，污泥蛋白液的理化性質(zhì)、泡沫性能和感官品質(zhì)均得到了較大的改善。凝膠電泳分析發(fā)現(xiàn)處理后的蛋白分子量均有降低，60Co γ射線協(xié)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(chǎn)品均能滿足相應的質(zhì)量標準。最后對成本進行了比較分析，60Co γ射線協(xié)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(xié)同H2O2法改善污泥蛋白液性能具有較強的經(jīng)濟效益和社會效益，可行性強，值得推廣。

[1]Wilson C A，Novak J T.Hydrolysis of macromolecular components of primary and secondary wastewater sludge by thermal hydrolytic pretreatment[J].Water Res.，2009，43（18）：4489-4498.

[2]Mottet A，F(xiàn)rancois E，Latrille E，et al.Estimating anaerobic biodegradability indicators for waste activated sludge[J].Chemical Engineering Journal，2010，160（2）：488-496.

[3]Jimenez J，Vedrenne F，Denis C，et al.A statistical comparison of protein and carbohydrate characterisation methodology applied on sewage sludge samples[J].Water Res.，2013，47（5）：1751-1762.

[4]華佳，陳玉輝，霍苗，等.正交優(yōu)化制備污泥水解蛋白質(zhì)的實驗研究[J].環(huán)境科學與技術，2006，29（12）：28-30.

[5]華佳，陳玉輝，李亞東，等.制備剩余污泥水解蛋白質(zhì)實驗條件的初步研究[J].湖北大學學報：自然科學版，2006，28（1）：87-90.

[6]崔健，董岸杰，張衛(wèi)江，等.熱堿水解提取污泥蛋白質(zhì)的實驗研究[J].環(huán)境工程學報，2009，3（10）：1889-1892.

[7]陳玉輝，華佳，霍苗，等.酸循環(huán)水解制備剩余污泥水解蛋白質(zhì)的試驗研究[J].湖北大學學報：自然科學版，2006，28（4）：417-419.

[8]華佳，李亞東，張林生.改進污泥水解制取蛋白質(zhì)工藝的研究[J].中國給水排水，2008，24（1）：17-21.

[9]龐金釗，張淑玲，劉忠，等.用超濾膜法濃縮剩余污泥中蛋白提取液的實驗研究[J].天津工業(yè)大學學報，2009，28（6）：7-10.

[10]Hwang Jiyeon，Zhang Lei，Seo Sunkeun，et al.Protein recovery from excess sludge for its use as animal feed[J].Bioresource Technology，2008，99（18）：8949-8954.

[11]李軍.活性污泥蛋白質(zhì)混凝土發(fā)泡劑的泡沫穩(wěn)定性研究[J].新型建筑材料，2010（12）：63-66.

[12]相玉琳，張衛(wèi)江.污泥蛋白液的除臭研究[J].化學工程，2012，40（2）：7-11.

[13]Xiang Yulin，Zhang Weijiang，Zheng Hao.Synergetic decolorization and deodorization of sludge protein foaming solution by60Co γ-ray irradiation/H2O2oxidation[J].Process Safety and Environmental Protection，2010，88：285-291.

[14]Xiang Yulin，ZhangWeijiang，Zheng Hao.Decoloration kinetics of sludge protein solution by60Co γ-ray/H2O2[J].Transactions of Tianjin University，2011，17（1）：45-50.

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

[16]壽崇琦，康杰分，宋南京，等.一種動物蛋白水泥發(fā)泡劑的研制及其復合應用[J].化工建材，2007，23（2）：35-37.

[17]尹冰，劉才林，霍冀川，等.動物蛋白類泡沫混凝土發(fā)泡劑的制備與發(fā)泡性能測試[J].新型建筑材料，2007（7）：8-11.

[18]Erkan Y，Süeda C，Esra I.Foaming properties of barley protein isolates and hydrolysates[J].Eur.Food Res.Technol.，2008，226（5）：967-974.

[19]王武祥.泡沫混凝土砌塊[J].建筑砌塊與砌塊建筑，2007（2）：42-45.

[20]施培新.食品輻照加工原理與技術[M].北京：農(nóng)業(yè)科技出版社，2004.