劉曉艷，郝永豪，曾令輝，許志凱，熊文軒，郭紹東

（武漢科技大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430065）

隨著我國(guó)城市化的迅速發(fā)展，大量的人口開始向城市聚集，城鎮(zhèn)化率也在顯著提升，同時(shí)城鎮(zhèn)化污水處理量也在日益劇增。根據(jù)2021 年全國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)表顯示，全國(guó)城市污水處理能力2.02 億m3·d-1，以此同時(shí)，我國(guó)污泥產(chǎn)量以每年約7%的增長(zhǎng)率快速增長(zhǎng)，達(dá)到了4 015.9 萬(wàn)t[1]。污泥具有污染性，但同時(shí)也富含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可資源化利用，例如污泥的中蛋白質(zhì)類物質(zhì)可用作發(fā)泡劑[2]、葉面肥[3]等。為此學(xué)者們開發(fā)研究了用提取污泥中蛋白質(zhì)的技術(shù)方法，如超聲波法、酶催化法、水解法、氧化法及其耦合方式。采用堿熱法提取蛋白質(zhì)的研究中，馬麗萍等優(yōu)化了提取條件，發(fā)現(xiàn)pH 可控制在13、處理時(shí)間4 h、熱解溫度100 ℃、污泥含水率90%的條件下提取效果最好[4]。顧海洋采用熱堿處理制革污泥制得蛋白質(zhì)水解液，通過酸化提取制革污泥蛋白質(zhì)，獲得的蛋白質(zhì)純度為83.01%[5]。采用過氧化鈣及過硫酸鹽氧化法可以顯著提高污泥中蛋白質(zhì)提取量，同時(shí)改善污泥脫水性能[6]。對(duì)于其他耦合方法，高健磊等指出超聲波預(yù)處理強(qiáng)化中性蛋白酶提取污泥蛋白質(zhì)的效果高于單獨(dú)酶提取法[7]；采用超聲-DNA 提取酚試劑-堿性蛋白酶提取法[8]和熱堿-復(fù)合酶提取法[9]也獲得了顯著的協(xié)同效應(yīng)，污泥上清液中蛋白質(zhì)量提高明顯。

上述提取污泥中蛋白質(zhì)研究中，存在處理成本高、反應(yīng)周期時(shí)間長(zhǎng)、技術(shù)設(shè)備昂貴的限制。為此，采用中溫（80 ℃）熱堿耦合過硫酸鹽提取污泥中蛋白質(zhì)，考察CaO 投加量和處理時(shí)間在氧化作用下的影響，并從胞外聚合物（EPS）分析蛋白質(zhì)的遷移。

1 材料及方法

1.1 材料

污泥為武漢市某污水處理廠剩余活性污泥，取回后進(jìn)行濃縮，控制含水率為96.8%～97.4%。原泥pH 為7.1～7.3，懸浮固體質(zhì)量濃度為25～29 g·L-1，揮發(fā)性固體質(zhì)量濃度為14～16 g·L-1。

1.2 試劑和儀器

試劑主要有氫氧化鈉、氧化鈣、過硫酸鉀、酒石酸鈉、濃硫酸、蒽酮溶液、氯化鈉，均為分析純。儀器主要有全自動(dòng)高壓滅菌鍋、紫外-可見分光光度計(jì)、離心機(jī)、真空干燥箱等。

1.3 方法

稱取5 份200 g 污泥溶液，在80 ℃的水浴條件下分別加入0、50 mg·g-1干污泥（DS）、100 mg·g-1DS、200 mg·g-1DS、250 mg·g-1DS 氧化鈣與120 mg·g-1DS過硫酸鉀（根據(jù)以往研究結(jié)果，過流酸鉀投加量控制在該值）。再分別于5、10、15、30 min 時(shí)取出25 mL 污泥置于常溫水浴試管中。在4 ℃下離心5 min，取離心液，采用國(guó)標(biāo)法檢測(cè)上清液中氨氮、總磷、凱氏氮等指標(biāo)，總蛋白質(zhì)含量由凱氏氮換算；采用硫酸-蒽酮法檢測(cè)上清液中多糖（PS）含量。取25 mL 靜置30 min，摒棄上清液，將殘?jiān)♂尩?5 mL，在4 ℃下離心5 min，取上清液過0.45 μm的硝酸纖維素濾膜，所得到的液體即為黏液層EPS（SB-EPS）。將上述離心殘?jiān)訜嶂?0 ℃，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的NaCl 溶液稀釋至25 mL，立即用渦旋振蕩器振蕩1 min，然后在4 ℃下離心10 min，取所有上清液過0.45 μm 的硝酸纖維素濾膜，所得到的液體即為松散結(jié)合層EPS（LB-EPS）。再次將離心殘?jiān)觅|(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的 NaCl 溶液稀釋至25 mL，用渦旋振蕩器振檔1 min，并在60 ℃的水浴中加熱30 min，然后在4 ℃下離心15 min，取所有上清液過0.45 μm 的硝酸纖維素濾膜，所得到的液體即為TB-EPS。EPS 中蛋白質(zhì)（PN）采用快速lorry 試劑盒法檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 總蛋白質(zhì)的提取效能

污泥提取液中總蛋白含量如圖1 所示。

圖1 總蛋白含量的變化

由圖5 可以看出，當(dāng)不投加CaO 時(shí)，在熱活化過硫酸鹽的氧化作用下，總蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度從743 mg·L-1增加到1 454 mg·L-1，表明熱過硫酸鹽在一定程度上能夠提高蛋白質(zhì)的提取量。而當(dāng)投加CaO 后，總蛋白質(zhì)的含量進(jìn)一步升高，可見CaO 強(qiáng)化了熱過硫酸鹽提取污泥中蛋白質(zhì)的效能，且CaO的投加量越大，總蛋白含量增長(zhǎng)越快。同時(shí)投加一定量的CaO 后，總蛋白的提取量隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，在低于100 mg·g-1DS 投加量下，總蛋白含量變化較平緩。而當(dāng)提高到200 mg·g-1時(shí)其增加較顯著，處理30 min 后，總蛋白的質(zhì)量濃度從原泥的743 mg·L-1增加到5 900 mg·L-1以上。由此可見，適當(dāng)增加CaO的投加量有利于進(jìn)一步促進(jìn)污泥中蛋白質(zhì)的回收。主要原因可能是CaO 投量越大，污泥的pH 越高，在強(qiáng)堿的作用污泥細(xì)胞壁更容易被破壞而釋放蛋白質(zhì)[4,10]。另外，當(dāng)處理時(shí)間長(zhǎng)于15 min時(shí)，熱活化過硫酸鹽的氧化作用發(fā)揮越明顯，可以無(wú)選擇地氧化有機(jī)物質(zhì)[11]，雖然會(huì)礦化部分有機(jī)物，但氧化作用下蛋白質(zhì)的增量大于礦化量。

2.2 污泥各EPS 層中蛋白質(zhì)含量的變化

污泥各EPS 層中蛋白質(zhì)含量的變化如圖3 所示。由圖3（a）可以看出，對(duì)S-EPS 而言，當(dāng)不投加CaO 時(shí)，S-EPS 中蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度從原泥的200.4 mg·L-1增加到914.8 mg·L-1。當(dāng)投加CaO 后，在同一處理時(shí)間下，蛋白質(zhì)含量又有所增加，可見S-EPS 中蛋白質(zhì)含量隨著處理時(shí)間和CaO 投加量的增加而升高，當(dāng)投加200 mg·g-1DS 處理30 min 時(shí)，增加到了1 061.4 mg·L-1。由圖3（b）可以看出，對(duì)LB-EPS 而言，不投加CaO 時(shí)，在同一處理時(shí)間下，LB-EPS 中蛋白質(zhì)要比投加CaO 的組別要高，表明CaO 能促進(jìn)LB-EPS 轉(zhuǎn)化為S-EPS；當(dāng)CaO 投加量低于100 mg·g-1DS 時(shí)，LB-EPS 中蛋白質(zhì)含量大體呈現(xiàn)先升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)CaO 投加量達(dá)到200 mg·g-1DS 以上時(shí)，LB-EPS 中蛋白質(zhì)含量沒有呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律，但當(dāng)處理時(shí)間大于15 min 后，處于下降趨勢(shì)。由圖3（c）可以看出，對(duì)于TB-EPS 中蛋白質(zhì)，其含量隨著處理時(shí)間的增長(zhǎng)而降低，當(dāng)處理時(shí)間達(dá)到15 min 后時(shí)，TB-EPS 中蛋白質(zhì)變化趨于平緩；只投加過硫酸鹽處理30 min 時(shí)，蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度從原泥的604.3 mg·L-1降低到177.7 mg·L-1；當(dāng)投加CaO 后，在相同處理時(shí)間下，蛋白質(zhì)含量進(jìn)一步降低；同時(shí)，CaO 投加量越大，下降越明顯，當(dāng)投加200 mg·g-1DS CaO 時(shí)，處理30 min 后，降低到了0.6 mg·L-1。從上述結(jié)果可知，在熱過硫酸鹽處理過程中，污泥中各EPS 層均處于由緊密到松散再到游離的過程，不同的是當(dāng)堿耦合熱過硫酸鹽處理時(shí)，CaO 能夠強(qiáng)化這一過程。就各EPS 層的遷移而言，S-EPS 中蛋白質(zhì)解離到液相中，而LB-EPS 在氧化和熱堿的作用下轉(zhuǎn)化為S-EPS，同時(shí)TB-EPS 轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)B-EPS，這導(dǎo)致LB-EPS 的含量有增有減；但當(dāng)TB-EPS 中蛋白質(zhì)變化平緩后，LB-EPS 中蛋白質(zhì)處于減少趨勢(shì)，此時(shí)TB-EPS 中遷移的蛋白質(zhì)不足以彌補(bǔ)LB-EPS 中蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)變化為S-EPS 的量?？赡茉蛟谟?0 ℃活化過硫酸鹽后，具有強(qiáng)氧化性，能夠破壞污泥EPS 結(jié)構(gòu)，同時(shí)堿的作用也為蛋白質(zhì)等物質(zhì)的遷移提供動(dòng)力，但這些作用最終會(huì)減弱甚至消失，致使變化平緩。

圖3 EPS 中蛋白質(zhì)的質(zhì)量濃度變化

2.3 污泥上清液中多糖含量的變化

污泥上清液中多糖質(zhì)量濃度變化如圖3 所示。不投加CaO 處理30 min 時(shí)，多糖質(zhì)量濃度從69.2 mg·L-1增加到254.6 mg·L-1；而當(dāng)投加CaO 后，多糖質(zhì)量濃度進(jìn)一步提高。同時(shí)，當(dāng)CaO 投量在50～200 mg·g-1DS 時(shí)，投加量越大，多糖質(zhì)量濃度增加也越多；當(dāng)CaO 投加量達(dá)到200 mg·g-1DS、處理時(shí)間為 30 min 時(shí)，多糖質(zhì)量濃度從原泥的69.2 mg·L-1增加到508.2 mg·L-1。一定的CaO 投加量下，隨著處理時(shí)間的增加，多糖質(zhì)量濃度呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)達(dá)到15 min 之后趨于平緩。結(jié)果表明熱過硫酸鹽的氧化作用能夠提高液相中的多糖含量，而CaO 也促進(jìn)了污泥中多糖的釋放，主要原因在于多糖和蛋白質(zhì)一樣，屬于污泥EPS 中重要的組分，其含量較大，對(duì)于同一污泥而言，多糖和蛋白質(zhì)的比例相對(duì)穩(wěn)定，當(dāng)EPS 結(jié)構(gòu)破壞后，多糖也會(huì)大量釋放到溶液中，當(dāng)氧化和熱解作用減弱后，多糖含量變化較小。

圖3 上清液中多糖質(zhì)量濃度變化

2.4 污泥上清液中氨氮和溶解性磷含量的變化

污泥上清液中氨氮和溶解性磷含量的變化如圖4 所示。隨著反應(yīng)時(shí)間的增長(zhǎng)，上清液中氨氮含量逐漸升高。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間小于15 min 時(shí)，CaO 投量與氨氮含量增加無(wú)明顯正相關(guān)，而當(dāng)處理時(shí)間大于15 min 時(shí)，CaO 投量越大，上清液中氨氮含量也越多，當(dāng)投加200 mg·g-1DS CaO 時(shí)，處理后污泥中氨氮和原泥氨氮的比值（c(NH4-N)/c0(NH4-N)）增加到了2.0。溶解性總磷含量隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，當(dāng)CaO 投加量小于50 mg·g-1DS 時(shí)，溶解性磷增加較緩慢；當(dāng)CaO 投加超過100 mg·g-1DS 時(shí)，溶解性磷在15 min 之內(nèi)增加顯著，而此后增加緩慢，且此時(shí)，在CaO 投加量分別為100、200、250 mg·g-1DS 時(shí)，3 個(gè)投加量作用下溶解性磷含量差異較小，可見CaO 投量達(dá)到100 mg·g-1DS 以上時(shí)，其投量對(duì)溶解性磷的釋放影響較小，處理30 min 時(shí)，溶解性磷質(zhì)量濃度在14 mg·L-1左右。上述結(jié)果表明，在氧化和熱堿的作用下，污泥EPS 和細(xì)胞均被不同程度破化，有機(jī)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)均可能發(fā)生改變，而氮、磷屬于蛋白質(zhì)中不可或缺的元素，伴隨著部分蛋白質(zhì)的氧化，有機(jī)氨和磷會(huì)不同程度地釋放到液相中。這從另外一方面證實(shí)污泥結(jié)構(gòu)的破壞提高了液相中蛋白質(zhì)的含量。

圖4 上清液中氨氮和溶解性磷含量的變化

3 結(jié) 論

1）熱活化過硫酸鹽能在一定程度上促進(jìn)污泥釋放蛋白質(zhì)，而CaO 聯(lián)合熱活化過硫酸鹽能夠進(jìn)一步提高污泥中蛋白質(zhì)的提取量，在處理時(shí)間為15～30 min、CaO 投加200 mg·g-1DS 時(shí)可以獲得較好的提取效果。

2）在熱活化過硫酸鹽和堿的聯(lián)合作用下污泥結(jié)構(gòu)的破壞較徹底，使得緊密型胞外聚合物提供了大量可供回收的蛋白質(zhì)，同時(shí)也使污泥釋放了較多多糖和溶解性磷到液相中。