60Co γ射线协同H2O2改善污泥蛋白液性能的可行性

相玉琳，王立鹏，焦玉荣

（榆林学院化学与化工学院，陕西 榆林 719000）

近年来，随着我国城市污水处理力度的加大和污水处理设施建设的加快，城市污水处理率不断提高，污泥的安全处理处置问题则日益突出。据调查显示，污泥中含有大量的微生物、病菌、动物残体等，有机物含量高，其中蛋白质、脂肪、碳水化合物占总有机质的 80%以上，而蛋白质可达 50%以上[1-3]。面对如此高含量的蛋白质，许多学者进行了污泥微生物蛋白的提取研究并取得了较好的结果，如华佳等[4-5]采用酸化学水解法提取污泥蛋白质；崔静等[6]研究了热碱水解法处理剩余活性污泥，提取其中的蛋白质；陈玉辉[7]、华佳[8]等提出多次循环水解方案得到浓缩污泥蛋白液；庞金钊等[9]对污泥蛋白液进行超滤膜法浓缩，得到高浓度的污泥蛋白液。目前污泥蛋白液的主要应用是开发动物饲料[10]、发泡剂[11]等产品，其中用于发泡剂的研究较多，主要用来制备泡沫混凝土及泡沫灭火剂。然而由于出身问题，提取出的污泥蛋白直接作为发泡剂常常伴有泡沫性能差、色深味臭等问题[12]。这些缺陷严重制约了污泥蛋白的广泛推广。本研究在前面工作[13-15]的基础上，针对污泥蛋白发泡液在性能上存在的缺陷，考察60Co γ射线协同H2O2法改善污泥蛋白液性能的可行性。

1 实验部分

1.1 装置与材料

钴源来自天津金鹏源辐照技术有限公司。污泥蛋白液现制，本研究采用超声波辅助热碱水解法获得污泥蛋白液[15]。蛋白安全性委托天津出入境检验检疫局动植物与食品检测中心检验，结果见表 1。过氧化氢为分析纯。

表1 污泥蛋白液安全性检测结果

1.2 实验过程

1.2.1 辐照实验

取现制蛋白原液60mL，加去离子水至300mL，加H2O20.6mL，2.0kGy计量下辐照[13]。

1.2.2 分析方法

采用 Ross-Miles法测蛋白液的泡沫性能，SDS-PAGE法测蛋白质分子量[13]。

2 结果与讨论

2.1 性能分析

化学法及60Co γ射线协同H2O2处理后污泥蛋白液理化性质见表2。

市售发泡剂的泡沫高度在15～18cm[16-17]，由表2可知，发泡性均高于22cm，稳泡性达20cm以上，表明污泥蛋白液经过化学法与60Co γ射线/H2O2处理后，泡沫性能已满足市售发泡剂的标准。

图1为蛋白液的外观状态比较情况，由左到右分别为60Co γ射线协同H2O2作用的样品、化学法作用的和未经处理的。未经处理的样品颜色近似黑色，化学处理的近似红色，60Co γ射线协同 H2O2处理的样品为橘红色。

图2为50mL（20%）蛋白液40℃经相同速度、相同方向搅打 2min泡沫情况对照图由左到右的顺序安排同图 1。由图 2可知，对于发泡性，60Co γ-ray/H2O2法与化学法的不相上下，泡沫细腻丰富，而未经过任何手段处理的蛋白液的泡沫高度明显很低，发泡性很差；对于稳泡性，经过 5min之后，发现化学法处理的蛋白液杯底有明显的析出液出现，而60Co γ-ray/H2O2法的不明显，表明经过60Co γ射线协同H2O2处理的蛋白液稳泡性好于化学法的。

表2 污泥蛋白液性能比较

图3为污泥蛋白液凝胶电泳图。其中a为标准蛋白，b为60Co γ射线协同H2O2处理后蛋白，c为化学法处理后蛋白，d为未经处理污泥蛋白液。应用Gel-Pro analyzer分析（见图4）：未经任何手段处理的污泥蛋白相对分子质量在 26.478×103～430.86×103之间，化学法作用的相对分子质量在25.687×103～410.68×103之间，60Co γ射线协同 H2O2的相对分子质量在 20.773×103～373.11×103之间。由数据可知，60Co γ射线协同H2O2处理的污泥蛋白分子量相对化学法的有所降低，相对未经任何手段处理的污泥蛋白分子量，化学法又有所降低，这表明在处理过程中，蛋白分子受到了降解破坏，但这种破坏不是很明显。降解后的蛋白质分子可能会暴露出更多的疏水性基团，从而强化了原蛋白质分子的表面活性及柔韧性，使其在界面处舒展阻力大大降低，容易产生更多的泡沫，而形成的泡沫的液膜也更具黏弹性，这就在一定程度上减缓了液膜的排液速率，使得泡沫性能得到了改善[18]。

2.2 下游产品开发的可行性

2.2.1 泡沫灭火剂

表3是利用本研究所得蛋白液加入适当助剂所得灭火剂产品的灭火测试结果。

GB 15308—2006规定蛋白泡沫灭火剂的灭火时间不大于5min，25%抗烧时间不小于5min。表3测试结果表明，本研究的蛋白泡沫灭火剂均具有较好的灭火性能。

表3 灭火测试结果

2.2.2 泡沫混凝土

用本研究所得污泥蛋白液作为发泡剂与水泥及提取蛋白后的泥渣按一定比例混合，加适量水充分搅拌制备泡沫混凝土。研制的密度等级不小于400kg级的泡沫混凝土的抗压强度≥3.7MPa，600kg级的泡沫混凝土的抗压强度≥6.2MPa，均已满足行业标准[19]。

3 成本分析

在前面研究基础上对成本进行估算。处理300g（20%）污泥蛋白液，令脱色率＞45%、发泡性（稳泡性）≥20cm、感官测评分数≥3，则化学法与60Co γ-ray/H2O2法所需成本见表4及表5。

表4、表5分析表明，处理300g污泥蛋白液至预定指标，60Co γ射线协同H2O2法的经济可行性好于化学法，并且60Co γ射线协同H2O2法工艺简洁，可操作性强，若批量处理，成本会更低。

表4 化学法处理300g20%污泥蛋白液成本估算

表5 60Co γ射线/H2O2法处理300g20%污泥蛋白液成本估算

4 结 论

在前面研究的基础上，对60Co γ射线协同H2O2改善污泥蛋白液性能的可行性进行了研究。通过对比分析发现，无论是选择化学手段还是60Co γ射线协同 H2O2手段，污泥蛋白液的理化性质、泡沫性能和感官品质均得到了较大的改善。凝胶电泳分析发现处理后的蛋白分子量均有降低，60Co γ射线协同 H2O2降解的程度较大，然而这种局部降解有利于改善泡沫性能。用处理后的污泥蛋白液研制泡沫灭火剂和泡沫混凝土，所得产品均能满足相应的质量标准。最后对成本进行了比较分析，60Co γ射线协同 H2O2法处理成本低于化学法，并且更适于批量化。因此应用60Co γ射线协同H2O2法改善污泥蛋白液性能具有较强的经济效益和社会效益，可行性强，值得推广。

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