市政剩余污泥蛋白质碱提取资源化利用工艺研究

梁晓辉, 张晓东 *,司洪宇, 赵玉晓,华栋梁，王丙莲，严媛媛，杨黎军，卢勇

(1.山东省科学院能源研究所，山东省生物质气化重点实验室，山东 济南 250014；2.山东省科学院生物研究所，山东 济南 250014；3.江苏绿方园生物科技有限公司，江苏 盐城　224000；4.山东冠宝林炭业集团有限公司，山东 青岛　266300 )



【生物质能源】

市政剩余污泥蛋白质碱提取资源化利用工艺研究

梁晓辉1, 张晓东1 *,司洪宇1, 赵玉晓1,华栋梁1，王丙莲2，严媛媛3，杨黎军4，卢勇1

(1.山东省科学院能源研究所，山东省生物质气化重点实验室，山东 济南 250014；2.山东省科学院生物研究所，山东 济南 250014；3.江苏绿方园生物科技有限公司，江苏 盐城224000；4.山东冠宝林炭业集团有限公司，山东 青岛266300 )

摘要：研究了市政剩余污泥的蛋白质提取工艺。首先比较了酸碱两种预处理方法对蛋白质提取的影响，对效果较好的碱处理方法进行了进一步优化。利用响应面法对NaOH浓度、溶液加入量和处理时间进行了优化，获得了最优蛋白质提取条件: 21.79 g 湿污泥中加入 80 mL NaOH溶液(3.68 mol/L)，在50 ℃条件下处理 20.32 h。在上述条件下，蛋白质产量为8 967±0.4 μg/g 干污泥, 是优化前的 2.33倍。

关键词：市政剩余污泥；蛋白质提取；碱水解；优化

近年来，随着我国城镇化进程的加快，污水处理量日益上升，其主要副产物剩余污泥的产量也随之增加。市政剩余污泥的处理方法主要有堆肥、焚烧、填海和填埋等[1]，污泥的处理处置费用已经占污水厂处理费用的25%～60%[2]。目前我国大量市政剩余污泥并未能得到有效的处理处置，已经造成了严重的二次污染，对城市污水厂剩余污泥减量化、无害化及资源化利用已引起我国环保部门的高度重视。在发达国家，污泥处理处置是极其重要的环节，其投资约占污水处理厂总投资的50%～70%。在我国现有污水处理设施中，有污泥稳定处理设施的还不到25%，处理工艺和配套设备较为完善的还不到10%，其中能够正常运行的为数不多，特别是在城市化水平较高的地区，污泥处理处置问题已经十分突出[3]。随着我国“水十条”的出台，剩余污泥的合理化处理处置已经成为当务之急。

剩余污泥的组成十分复杂，其有机成分主要包括原生动物、后口动物及藻类等[4-5]，蛋白质含量很高。剩余污泥中的蛋白质可以用于微生物培养基、可生物降解的发泡剂、泡沫灭火剂及泡沫混凝土保温材料等的生产。为了提高蛋白质提取率，目前已经报道了多种细胞破壁方法，包括物理法(热水解、高压提取及超声波等)、化学法 (酸碱处理和臭氧处理等)以及生物法(主要为酶处理)等[6-9]。由于物理法需要特殊设备且能耗较高，生物法所需酶制剂价格高、处理速度较慢，均不适用于价值较低的剩余污泥资源化利用。化学法不需要特殊设备且处理成本低廉，适宜大规模工业化应用。

本文主要比较了酸(HCl)和碱(NaOH)处理对市政剩余污泥蛋白质提取效果的影响，发现NaOH处理的提取效果优于HCl，并利用响应面法对市政剩余污泥NaOH提取条件进行了进一步的优化。

1　材料与方法

1.1市政剩余污泥主要性质

本研究所用市政剩余污泥的主要性质如表1所示。污泥的含水量、灰分、挥发分、固定碳、总碳、总氮、pH和有机质等参考文献[10-11]进行测定。

表1　市政剩余污泥主要性质

1.2蛋白质提取

将20 g湿污泥样品装入250 mL三角瓶中，分别加入80 mL浓度为4 mol/L HCl或者4 mol/L NaOH溶液，在50oC条件下进行水解提取蛋白质，2 h后对提取液进行离心(10 000 g, 15 min)，取上清液采用福林酚进行蛋白质含量测定[11-12]。

1.3蛋白质提取工艺优化

通过研究发现，NaOH溶液对污泥中蛋白质的提取效果优于稀盐酸。根据实验结果，选取NaOH、处理时间和污泥加入量3个主要因素采用Box-behnken实验设计，进一步优化污泥中的蛋白质提取条件[13-14]，根据实验结果建立拟合模型并对其进行ANOVA 分析，对模型涉及到的主要参数如决定系数(R2)、纯误差、残差和失拟项等进行了计算。本研究采用Design Expert (version 7.0, STATEASE Inc., Minneapolis, USA)软件进行实验设计和分析。

2　结果与讨论

2.1酸碱处理对市政剩余污泥中蛋白质提取的影响

采用酸碱处理法提取市政剩余污泥中的蛋白质，结果见表2。

表2　酸碱处理对市政剩余污泥中蛋白质提取的影响

由表2可以看出，酸碱处理后蛋白质提取量均远高于对照组，其中NaOH对污泥中蛋白质提取的效果优于HCL，产量可以达到3 842.6 μg/g 干污泥，是HCl处理的1.2倍。故选择NaOH处理法用于后续提取工艺研究。

2.2蛋白质提取工艺优化

为了提高污泥蛋白质产量，本研究选取3个主要影响因素即NaOH溶液浓度(X1), 污泥加入量(X2)和处理时间(X3)在所获得的初步优化实验条件(80 mL浓度4 mol/L NaOH溶液中加入20 g湿污泥，处理时间为20 h)基础上利用响应面法进行了进一步优化，实验设计及结果见表3。

表3　市政剩余污泥提取蛋白质Box-behnken实验设计及结果分析

注：括号中的数值为编码值。

根据表3的实验结果，通过回归分析所得到的拟合方程如下：

Y=8 807.1-3.1X1+98.56X2+121.04X3+629.45X1X2+171.35X1X3-

75.73X2X3-380.11X12-540.04X22-1 039.59X32，

(1)

其中，Y为响应值(蛋白质产量，μg/g干污泥)、X1、X2和X3分别表示NaOH浓度(mol/L)，污泥加入量 (g) 和处理时间(h)。

对拟合模型的ANOVA分析见表4。由表4可知，决定系数R2=0.940 5，说明该模型拟合度较高，约94%的变化可以通过该模型解释；P<0.0138表明该模型显著(P<0.05)。失拟合系数不显著(P>0.05)，同样表明模型拟合度较好。总之，该模型与实验数据拟合度较高，能够实现对本研究中蛋白质提取实验的预测。

表4　回归模型ANOVA分析

通过实验结果可以绘制出NaOH浓度(X1)、污泥加入量(X2)、处理时间 (X3) 和蛋白质产量之间关系的响应曲面图(图1～3)，并可以通过计算获得X1、X2和X3的解分别为 -0.159 1，0.179 4和0.064 8，从而获得了优化后的蛋白质提取条件为：80 mL浓度为3.68 mol/L的NaOH溶液中加入21.79 g湿污泥，处理时间为20.32 h，处理温度为50 ℃。在上述条件下，蛋白质产量的预测值为8 819.6 μg/g干污泥。为了确定该提取条件，采用所获得的优化条件进行了3次实验，其蛋白质产量为8 967±0.4 μg/g干污泥，与模型预测值符合性很好。

X1　NaOH浓度；X2　污泥加入量；Y　蛋白质产量图1　NaOH浓度、污泥加入量与蛋白质产量响应面三维图Fig.1　Three dimensional graph of the response surface of NaOH concentration, sludge concentration and protein yield

X2　污泥加入量；X3　处理时间；Y　蛋白质产量图2　污泥加入量、处理时间与蛋白质产量响应面三维图Fig.2　Three dimensional graph of the response surface of sludge concentration, treatment time and protein yield

X1　NaOH浓度；X3　处理时间；Y　蛋白质产量图3　NaOH浓度、处理时间与蛋白质产量响应面三维图Fig.3　Three dimensional graph of the response surface of NaOH concentration, treatment time and protein yield

3　结论

近年来市政剩余污泥产量连年增加，由于处理处置难度大，目前已经对城市固体垃圾处理造成了很大压力。研究表明，市政剩余污泥中蛋白质资源丰富，这为其高值化及资源化利用提供了可能。在本研究中，首先对酸碱处理市政剩余污泥提取蛋白质的效果进行了比较，发现碱处理效果优于酸处理。在此基础上，选取了3个主要因素即NaOH溶液浓度、市政剩余湿污泥的加入量和处理时间采用响应面法进行了优化，优化后的蛋白质提取条件为：80 mL浓度为3.68 mol/L的NaOH溶液中加入21.79 g湿污泥，处理时间为20.32 h，处理温度为50 ℃。在上述条件下，蛋白质产量的预测值为8 819.6 μg/g干污泥，实测值为8 967±0.4 μg/g干污泥。上述研究结果可以为市政剩余污泥规模化提取蛋白质提供理论支持。

参考文献：

[1]LIANG X H, ZHAO Y X, HUA D L, et al. Optimization and process analysis of biodrying of low organic matter content municipal sludge [J].J Biobase Material Bioener, 2015, 9(1): 66-73.

[2]LOW E W, CHASE H A. Reducing product ion of excess biomassduring wastewater treatment[J]. Water Res, 1999, 33(5):1119-1132.

[3]杭世珺, 史骏,关春雨. 全国城镇污水厂污泥处理处置规划的技术路线研究[EB/OL].[2016-03-02].http://www.docin.com/p-1002654704.html.

[4]ZHANG D Q, ZHANG H, WU C L, et al. Evolution of heavy metals in municipal solid waste during bio-drying and implications of their subsequent transfer during combustion[J]. Waste Manag, 2011, 31(8):1790-1796.

[5]CHOI H B, HWANG K Y, SHIN B B. Effects on anaerobic digestion of sewage sludge pretreatment [J]. Water Sci Technol, 1997, 35(10): 207-211.

[6]KEPP U, MACHENBACH I, WEISZ N, et al. Ehanced stabilization of sewage sludge through thermal hydrolysis-three years of experience with full scale plant [J]. Water Sci Technol, 2000, 42(9): 89-96

[7]CHU C P, CHANG B V, LIAO G S, et al. Observation on changes in ultrasonically treated waste activated sludge[J]. Water Res, 2001, 35(4): 1038-1046

[8]肖本益, 刘俊新. 不同预处理方法对剩余污泥性质的影响研究[J]. 环境科学,2008, 29(2): 327-331.

[9]JUNG H, SOHN K D, NEPPOLIAN B, Choi H. Effect of soil organic matter (SOM) and soil texture on the fatality of indigenous microorganisms in entergrated ozaonation and biodegradation [J]. J Hazard Material, 2008, 150 (3): 809-817.

[10]李义勇. 基于污泥破解的剩余污泥资源化利用[D].广州：华南理工大学，2014.

[11]苏高强.剩余污泥碱性发酵产酸性能与优化[D]. 北京：北京工业大学，2013.

[12]LOWRY O H, ROSEBROUGH N J, FARR A L, et al. Protein measurement with the Folin phenol reagent[J]. J Biol Chem, 1951, 193(1): 265-275.

[13]DONG C H, XIE X Q, WANG X L, et al. Application of Box-Behnken design in optimisation for polysacchrides extraction from cultured mycelium of Cordyceps sinensis [J]. Food Bioprod Proc, 2009, 87(2): 139-144.

[14]BOX G E P, HUNTER W G,HUNTER J S. Statistics for Experimenters: Design, innovation, and discovery [M].New York：John Wiley & Sons, Inc, 2005:510-539.

DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2016.04.012

收稿日期：2016-06-16

基金项目：山东省重点研发计划 (2015GSF117034)；国家自然科学基金青年项目(51408348)；济南市青年科技明星计划(201406021)

作者简介：梁晓辉(1978-)，男，博士，研究方向为固体有机废弃物资源化利用。 *通信作者，张晓东。Email：zhangxd@sderi.cn

中图分类号：X703.1

文献标识码：A

文章编号：1002-4026(2016)04-0055-05

Resource utilization of protein alkali extraction from municipal residual sewage sludge

LIANG Xiao-hui1，ZHANG Xiao-dong1*,SI Hong-yu1,ZHAO Yu-xiao1, HUA Dong-liang1,WANG Bing-lian2,YAN Yuan-yuan3,YANG Li-jun4,LU Yong1

(1. Shandong Provincial Key Laboratory of Biomass Gasification Technology, Energy Research Institute, Shandong Academy of Sciences,Jinan 250014, China; 2. Biology Institute, Shandong Academy of Sciences,Jinan 250014, China; 3. Jiangsu Green Square Garden Biological Technology Co., Ltd.,Yancheng 224000, China; 4.Shandong Guanbaolin Carbon Industry Group Co.,Ltd., Qingdao 266300, China)

Abstract∶We address protein extraction process of municipal residual sewage sludge.We initially compared acid and alkaline hydrolysis pretreatment methods and optimized the better alkaline hydrolysis method for protein extraction from municipal residual sludge. To acquire optimal extraction condition, we optimized NaOH concentration, solution amount and pretreatment time with response surface method.The optimal protein extraction condition is 21.79 g wet municipal sludge,80 mL NaOH solution (3.68 mol/L), and pretreatment time of 20.32 h at 50 ℃.The optimal protein extraction yield is 8 967±0.4 μg/g dry sludge, 2.33 times of initial extraction yield.

Key words∶municipal sewage sludge waste; protein extraction; alkaline hydrolysis; optimization