漆酶水解对制浆造纸中段废水污泥亲油性的影响

韩　卿， 钱威威, 刘　睿， 李　斯， 彭新文

(1.陕西科技大学 轻工与能源学院 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室， 陕西 西安　710021； 2.华南理工大学 制浆造纸工程国家重点实验室， 广东 广州　510641)



漆酶水解对制浆造纸中段废水污泥亲油性的影响

韩卿1,2， 钱威威1,2, 刘睿1,2， 李斯1， 彭新文2

(1.陕西科技大学 轻工与能源学院 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室， 陕西 西安710021； 2.华南理工大学 制浆造纸工程国家重点实验室， 广东 广州510641)

摘要：对制浆造纸中段废水污泥的基础组分进行了分析.结果表明,该污泥含水率为78.11%，pH为5.43，有机物含量为46.74%，其中木质素含量为6.75%，粗纤维含量为27.34%.采用漆酶水解污泥后,其质量基本不变，而亲油性则得以明显提高.通过正交试验和单因素实验法探讨了漆酶预水解处理污泥的工艺条件，得出了适宜的反应时间、反应温度、酶用量和污泥浓度分别为4 h、55 ℃、30 U·g-1和130 g·L-1，此时沉降时间为180 min.对水解后污泥产物的红外光谱分析表明，在漆酶水解过程中，酶促反应使其大分子结构上的亲水基团，如酚羟基峰消失，从而提高了污泥的亲油特性.

关键词：造纸污泥； 漆酶； 亲油性； 水解处理

0引言

造纸污泥是制浆造纸过程中产生的终端固体废弃物，每生产1 t纸，就会产生含水率65%的污泥约700 kg[1].中段水处理工程产生的污泥量是同等规模市政污水处理厂的5～10倍，且成分复杂，含水量高，处理难度大，处置费用约占造纸废水处理费用的50%以上.污泥中含有一定量的细小纤维、矿物填料等.目前,对造纸污泥的处理处置利用方法主要有海洋投弃、土地填埋、堆肥、焚烧等.这些方法在经济性和技术性方面均存在着一定的问题，故对造纸污泥进行经济有效地技术开发,一直是学术界所关注的热点研究课题之一.

由于污泥中含有大量的有机纤维和无机矿物填料，故将造纸污泥作为热塑性复合材料的一种填料使用，可在一定程度上提高热塑性材料的机械性能(如造纸污泥中含有的纤维可以提高塑料的机械强度；所含的少量CaCO3可以提高塑料的韧性等)，这在一方面可以解决造纸污泥的处置问题，在另一方面又可以充分利用造纸污泥中的有效组分来加工制备高附加值的复合材料，从而为企业带来一定的经济效益[2-4].

然而，造纸污泥中含有大量的亲水基团使其具有亲水疏油性，与热塑性树脂的界面相容性较差，从而导致复合材料的某些机械性能下降以及材料的应用性能较差，故限制了该技术的发展.若通过对造纸污泥进行预水解处理，可以提高其表面的疏水亲油性，从而达到改善造纸污泥与树脂材料相容性的目的[4].

对造纸污泥而言，传统的化学预处理方法是将改性试剂(如硬脂酸钠)加入污泥中，在高温、高压等条件下进行反应来提高其亲油性[5].生物酶处理造纸污泥是近年来发展的一种新型技术手段，具有投入量少、效率高、反应条件温和等优点.Maryam Edalatmanesh等[6]采用漆酶和脂肪酶单独对造纸污泥预处理，并与尼龙共混后，成功地制备出了性能良好的尼龙/污泥复合材料.

漆酶是一种多铜氧化还原酶，可以催化各种芳香族化合物的氧化反应.它催化不同类型底物氧化反应的机理，主要表现在底物自由基的生成和四个铜离子的协同作用.催化酚或芳胺类底物时，首先是底物向漆酶转移一个电子，生成自由基中间体，之后是一系列不均衡的非酶反应，如自由基氧化成醌，发生键的断裂和形成，漆酶获得四个电子之后成为还原态，在O2存在的条件下，还原态漆酶被氧化，O2还原成H2O[7].漆酶对底物氧化还原的机理如图1所示.

同时,污泥能催化酚氧基聚合.在水解污泥过程中，主要作用于污泥中的木质素.木质素分子结构上的大量亲水基团(如羟基等)，导致污泥表现为亲水疏油性.对污泥用漆酶水解处理后，有望在一定程度上减少污泥中的亲水基团，从而赋予其一定的亲油特性，为改善其在相关热塑性复合材料中的界面相容性创造了条件.

本文在对造纸污泥的基础特性进行了分析的基础上，采用漆酶对造纸污泥进行水解处理，研究了漆酶水解造纸污泥的最佳工艺参数，对水解后污泥大分子化学结构进行了分析表征，并对漆酶处理造纸污泥提高其表面疏水亲油性的机理进行了初步地探讨.

图1　漆酶氧化还原循环示意图

1试验部分

1.1原料

制浆造纸工厂中段废水的生化污泥，取自于国内某制浆造纸综合企业；漆酶由某酶制剂公司提供；无水乙酸钠、冰醋酸、NaOH、浓H2SO4和液体石蜡，均为分析纯.

1.2仪器

马弗炉，TG-328A型；傅里叶红外光谱仪，VECTOR-22 型；pH计，PB-10型；离心机，LD4-2A型；扫描电子显微镜，S4800型；EDS能谱仪，KYKY1000B型.

1.3试验方法

(1)污泥的含水率、pH 值、有机物含量、灰分含量的测定.均参照国家城镇建设行业标准 CJ/T 221-2005《城市污水处理厂污泥检测方法》中的规定进行检测.

(2)污泥的元素分析：选用EDS电子能谱对污泥的元素进行分析.

(3)木质素含量的测定：称取20.00 g的污泥于烧杯中，加入50 mL的80 ℃热水，再加入100 mL 的10%的NaOH溶液使污泥中的木质素溶解；上述溶解体系经抽滤所得滤液分别用适量的浓H2SO4和10%的H2SO4调节pH值在3.0～4.0之间，使污泥中所含的木质素沉淀完全；将上述沉淀体系于80 ℃～90 ℃下保温50 min，使上层清液变为黄褐色，经抽滤后将沉淀物用水洗涤至中性，经烘干、称重，得粗木质素[8].

(4)粗纤维的测定：粗纤维含量参照国家标准GB/T 6434-94《饲料中粗纤维测定方法》进行测定.

(5)漆酶酶活的测定：室温下取等体积的酶液和0.15 mmol·L-1的2,2-连氮-二(3-乙基并噻-6-磺酸)(ABTS)在pH=4.0的醋酸-醋酸钠缓冲溶液中反应，测定反应体系溶液在5 min内420 nm处吸光度的变化，定义每分钟使1μmol的ABTS氧化所需要的酶量为一个酶活单位[9].通过上述方法测得本文所述漆酶的酶活为1 989 U·g-1.

(6)漆酶水解造纸污泥：称取一定量的造纸污泥于烧杯中，加入pH=5的醋酸-醋酸钠缓冲溶液后，再加入适量的漆酶溶液，并在通入空气的条件下反应一段时间.

(7)沉降时间的测定：选用液体石蜡为分散剂.称取0.3 g造纸污泥于10 mL的具塞试管中，加入10 mL液体石蜡，摇匀后观察达到完全沉降状态时所需要的时间.

2结果与讨论

2.1污泥的组成与性质分析

污泥组成与性质见表1和表2所示.

表1　污泥的组成

注：有机物含量、灰分含量、粗纤维含量和木质素含量相对绝干污泥计算.

由表1可知，污泥中含有大量的水分，显弱酸性；其中的有机物主要是粗纤维(包含纤维素和少量半纤维素)，还含有一定量的木质素.这些有机物的存在为酶预水解处理造纸污泥提供了良好的物质基础.

图2为污泥组分在光学显微镜下的形态图.从图2可以发现，污泥中含有少量的纤维，污泥颗粒絮聚成团，这可能是因为废水处理时加入的絮凝剂使污泥粒子絮聚成团所致，也可能是污泥的离子粒径小，表面自由能大所致.

表2　造纸污泥的元素组成及含量

由表2可知，污泥中含有大量的C元素、O元素和Fe元素.污泥中的Fe元素主要是以Fe3+的形式存在，使污泥表现为红棕色，它可以作为普通聚氨酯泡沫塑料的填料[10]；C元素和O元素主要来源于污泥中所含的有机物和CaCO3.CaCO3可以作为塑料(如PVC、PP等)的填料，能增强复合材料的韧性;污泥中的Si元素主要是以SiO2的形式存在,它可以作为PET的填料，能增强其双向拉伸强度[11].这些物质为污泥作为填料提供了基础.

图2　污泥显微镜形态图(×100)

2.2漆酶水解处理对造纸污泥质量和亲油性的影响

以反应时间(A)、反应温度(B)、酶用量(C)和污泥浓度(D)等为影响因素，考察以上因素对污泥质量和亲油性的影响.采用四因素五水平正交试验设计,如表3所示.其试验结果及其分析见表4和表5所示.

表3　漆酶预水解处理污泥正交试验表

由表4可知，经漆酶水解后，污泥的剩余率变化不大.这可能是因为在水解过程中，漆酶主要与木质素发生反应，而污泥中木质素含量较小所致；也可能是因为漆酶属于一种氧化还原酶，可应用于催化氧化还原反应和高分子合成领域[12-14]，以催化木质素结构中的酚羟基生成苯氧自由基，而苯氧自由基之间可发生共价连接，从而使得木质素水解产物之间发生共聚，导致反应后污泥的质量变化很小[8].

表4　漆酶预水解处理污泥的结果

注：污泥剩余率是处理后污泥的质量与起始质量的比值.

本试验采用液体石蜡作为污泥的分散体系，考察了污泥在液体石蜡中静置的沉降时间.沉降时间越长，表明亲油性越好.由表5可知，对污泥亲油性而言，各影响因素对漆酶预水解处理后污泥沉降时间的影响次序为：D>B>C>A.即污泥浓度影响最为显著，其次是反应温度和酶用量，最后是反应时间.由此可以得出,漆酶预水解污泥的最佳工艺参数为A4B5C2D5，即反应时间、反应温度、酶用量和污泥浓度分别为4 h、55 ℃、30 U·g-1和130 g·L-1，此时水解后污泥表面的亲油性最强.

在正交试验的基础上,对影响漆酶预水解处理造纸污泥的主要工艺参数进行单因素实验研究，以进一步了解相关因素对水解后污泥沉降时间的影响，其结果如图3～6所示.

图3表示漆酶水解污泥过程中反应时间与沉降时间的关系.由图3可看出，随着反应时间的增加，污泥的沉降时间延长，当反应时间为4 h时，沉降时间可达到最大值180 min.这可能是因为随着水解反应时间的延长，木质素的水解产物量增加；同时，水解产生的木质素小分子由于漆酶的催化聚合作用而共聚生成具有疏水亲油性的木质素大分子，以致使污泥的沉降时间延长[13].

图3　反应时间与沉降时间的关系

图4表示漆酶水解污泥过程中反应温度与污泥沉降时间的关系.由图4可知，随着反应温度的升高，沉降时间呈现出先增大后减小的趋势.当温度为55 ℃时,沉降时间达到最大值180 min;当温度超过55 ℃时，漆酶开始失活，漆酶活力下降，致使作用效果恶化.

图5表示漆酶水解污泥过程中酶用量与污泥沉降时间的关系.由图5可看出，随着酶用量的增加，污泥的沉降时间延长，当酶用量为30 U·g-1时,沉降时间可达到最大值170 min.这可能是因为污泥与漆酶反应首先需要漆酶吸附在污泥的表面.随着酶用量的增加，漆酶不断地吸附在污泥表面，参与反应，使其沉降时间不增加；然而，污泥的表面能与漆酶发生吸附作用的吸附点有限，当酶用量达到30 U·g-1时，污泥表面已没有供漆酶吸附的吸附点，故当酶用量为30 U·g-1时，沉降时间达到最长.需要说明的是，漆酶水解造纸污泥的机理还有待于在今后的研究工作中加以验证.

图4　反应温度与沉降时间的关系

图5　酶用量与沉降时间的关系

图6表示漆酶水解污泥过程中污泥浓度与污泥沉降时间的关系.由图6可知，随着污泥浓度的增加，污泥的沉降时间延长，但浓度过大会影响反应过程中通气的均匀性，阻碍空气与污泥接触，从而导致了沉降时间的降低.故选择污泥浓度的最佳工艺参数为130 g·L-1.

图6 底物浓度与沉降时间的关系

2.3漆酶水解处理对污泥中有机物结构的影响

污泥通过漆酶处理前后其有机物结构的变化如图7中红外光谱图所示.其中,漆酶预水解条件采用上述研究过程中得出的最佳工艺参数进行.

由图7可见，3 318 cm-1处的宽峰说明污泥中含有丰富的-OH键，这是污泥表现为亲水性的一个方面.经漆酶处理后，污泥中有机物结构发生了较为明显地改变.其中，2 971 cm-1处所代表的甲基中的C-H吸收峰的强度减弱；共轭羰基峰由1 624 cm-1移动到了1 541 cm-1处，且其强度增强，可以推测木质素结构中非共轭羰基转化成了共轭羰基;而1 377 cm-1处所代表的非醚化酚羟基峰消失，1 159 cm-1处醚键的C-O-C伸展振动吸收峰和1 126 cm-1处芳香环的C-H面内变形振动峰消失,以及952 cm-1吸收峰消失,表明芳香环上的取代基发生了改变，可以推测出污泥大分子发生了水解反应，且反应的主要位点在酚羟基和苯环侧链取代基上.木质素发生漆酶水解反应的结果是，使其分子结构中的酚羟基含量减少和苯环侧链取代基发生改变，最终导致污泥中所含亲水性基团减少和污泥亲油性增强.

a:为未处理的污泥；b:为处理后的污泥图7　未用漆酶处理的污泥和漆酶处理后的污泥的红外光谱图

2.4漆酶水解处理对污泥微观形貌的影响

如图8所示，在放大80 000倍的情况下进行观察，可以发现经漆酶处理后污泥颗粒明显减小，这使污泥颗粒的比表面积增大，从而有利于提高污泥颗粒的表面自由能.

在漆酶处理过程中，污泥中含有的一些胶体物质,如有机絮凝剂,也可能会得以水解破坏.例如，非醚化的酚羟基之间可以形成氢键，形成大分子的框架结构，一些无机小分子填充在其中，从而形成较大的颗粒，经漆酶处理后，非醚化的酚羟基消失，致使污泥的颗粒变小；胶体物质一般可以作为小分子之间的“桥梁”，将小分子连接成比较大的颗粒，漆酶处理后破坏了这种“桥梁”，从而为污泥颗粒变小创造了条件.

(a)水解前的污泥

(b)水解后的污泥图8　漆酶水解前后污泥的形貌

3结论

(1) 漆酶水解制浆造纸中段废水污泥的适宜工艺条件为：反应时间为4 h、反应温度为55 ℃、酶用量和污泥浓度分别为30 U·g-1和130 g·L-1，此时污泥的沉降时间为180 min.经漆酶处理后，污泥的质量与酶解前相比基本保持不变，但其表面疏水亲油性明显提高.

(2)漆酶水解造纸污泥的红外光谱表明,在漆酶水解过程中，酶促反应使其大分子结构上的亲水基团(如非醚化的酚羟基)消失，因而污泥表面的亲油性得以提高.

参考文献

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Influence of hydrolysis by laccase on pulp papermaking

wastewater sludge and its lipophilicity

HAN Qin1,2, QIAN Wei-wei1,2, LIU Rui1,2, LI Si1， PENG Xin-wen2

(1.College of Light Industry and Energy, Shaanxi Province Key Laboratory of Papermaking Technology and Specialty Paper，Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China; 2.State Key Laboratory of Pulp and Paper Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China)

Abstract:The base components of pulp and papermaking wastewater sludge were analyzed and listed as the water content was 78.11%,lignin content was 6.75%,crude fiber content was 27.34%,organic matter content was 46.74% and pH was 5.43.After enzymatic hydrolysis by laccase,the quality of sludge remains essentially unchanged,while the lipophilic performance can be significantly improved.The orthogonal and single factor experiments explored the pre-treatment conditions of laccase hydrolysis sludge process,the results showed that the suitable reaction time was 4 h,reaction temperature was 55 ℃,the amount of enzyme was 30 U·g-1and the substrate concentrations was 130 g·L-1.Under these conditions,the settling time was 180 min.The hydrolysate of sluge was analyzed by FTIR.The FTIR spectrum was indicated that the reason why the lipophilic performance of sluge was improved was that the enzymatic reaction leaded to the hydrophilic groups such as phenolic hydroxyl group disappear during laccase hydrolysis process.

Key words:paper sludge; laccase; lipophilic; hydrolysis treatment

中图分类号：TS79；X793

文献标志码：A

文章编号：1000-5811(2015)02-0007-06

作者简介:韩卿(1965-)，男，青海西宁人，教授，博士生导师，研究方向：植物纤维高值化及固体废物资源化利用

基金项目：华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室开放基金项目(201314)

收稿日期:*2014-11-30