基于污泥破解的蛋白质回收工艺研究进展

解昊，盛维杰，廖勇，杨殿海

(同济大学 环境科学与工程学院，上海 200092)

随着城镇化的进一步推进，我国城镇污泥产量逐年稳步上升。2018年，我国城镇污水处理厂污泥产量已达6 765万t，并以每年5%～8%的比例增长[1]。剩余污泥成分复杂，且产量大、处理成本高[2]。传统的污泥处理处置方法主要有焚烧、土地利用和填埋等，具有处理成本高、易产生二次污染等局限性，并未充分利用其中有机资源。在无害化的前提下，对污泥中的有机成分进行有效回收和利用，已成为了环境领域的重要科学问题[3]。

污泥中富含多种营养物质，其中蛋白质含量最高，在污泥干重中占比达30%～60%，具有丰富的回收价值[4-5]。从污泥中回收的蛋白质具备优异的发泡性能和营养价值，可用于制备泡沫灭火器和动物饲料等，能够产生可观的经济效益。污泥蛋白的回收主要包括蛋白质提取和蛋白质分离纯化两个过程。其中，基于污泥破解的预处理方法很大程度上决定了污泥蛋白质的释放程度，从而对污泥蛋白质回收起到了至关重要的作用。

1 基于污泥破解的蛋白质回收技术

1.1 物理法

1.1.1 微波法 微波法处理剩余污泥具有加热迅速、反应进程易于控制等诸多优点。微波作用主要体现在热效应和非热效应两方面。热效应的原理为引起分子振荡，使得反应体系迅速升温，有效破解污泥絮体和微生物细胞[6]。非热效应原理为产生交变电场，使大分子间的氢键断裂，导致细胞壁破解，同时还会使蛋白质的二级和三级结构发生变化[7]。

相较于传统的加热方式，微波预处理能够获得更高的蛋白质浓度。Eskicioglu等[8]研究结果表明,当微波预处理和传统加热方式同时以每分钟升温1.2 ℃的升温速率升温至96 ℃时，微波处理法获得的可溶性蛋白质的浓度是传统加热方式的3倍。这可能是由于微波加热方式受热更均匀，升温更快，精度更高。此外，在一定范围内，可溶性蛋白质的浓度还会随着微波强度和反应时间的增加而增加。Yu等[9]研究结果显示，在微波能量为900 W，反应时间为140 s时，获得了最高可溶性蛋白浓度为2 400 mg/L，相比Appels等[10]在800 W条件下的处理结果提升了33%。

1.1.2 超声法 超声波技术预处理剩余污泥具有效率高、对环境友好等优势[10]。超声波法兼有空化、热解和自由基氧化作用，空化作用形成的强大剪切力可使大分子物质的分子链断开，导致污泥絮体结构破坏和大分子物质降解，且超声波分解水分子形成的羟基自由基(·OH)可氧化污泥颗粒和大分子物质，使细胞膜破解而释放胞内物[11]。

在超声预处理污泥过程中，超声功率是蛋白质提取率的重要影响因素之一。邵金星[12]在超声波输出功率780 W，处理时间22 min条件下，蛋白质提取率高达到62.28%。徐晖等[13]在同等条件下将超声功率降至70 W，辐照时间30 min，蛋白质提取率下降至22.4%。部分国外学者以比能来阐述超声功率对单位剩余污泥的影响，污泥中释放的溶解性蛋白质浓度会随着输入比能的增加而增加。Appels等[14]研究指出在8 500 kJ/kg TS比能输入条件下，污泥溶出的蛋白质浓度达到450 mg/L，而当Xin等[15]将比能输入增加至26 000 kJ/kg TS时，溶解性蛋白质的浓度增加至462 mg/L。溶解性蛋白质浓度的增加可归因于超声处理提升了污水污泥中的酶活性[16]。

1.1.3 热水解法 在热水解过程中，污泥中的固体有机物会先后经历溶解和水解：先是污泥絮体解体，其次是溶解性有机物不断被水解为小分子化合物。热水解温度范围一般在60～180 ℃，热水解温度越高，反应速率越快，但过高的温度可能会引发美拉德反应(Maillard Reaction)，生成难降解化合物致使处理效果变差。

部分研究结果表明,溶解性蛋白质浓度会随着温度的上升而增加[17-20]。Basanta等[17]采用低温(60～120 ℃)热水解预处理含盐剩余污泥，研究发现当温度从60 ℃提升至120 ℃时，溶出的蛋白质浓度提升了4倍。Yong等[18]研究了低温(60～90 ℃)和高温(120～180 ℃)下蛋白质的溶出情况，结果发现低温情况下，最高蛋白质浓度出现在90 ℃为20 g/L，在高温条件下，最高蛋白质浓度出现在180 ℃为30 g/L。尽管高温可以实现蛋白质溶出效率提高[19]，但升温需要耗费的时间和能量成本也更高，更重要的是温度过高可能会发生美拉德反应。Lu等[20]在172 ℃下预处理污泥中发现，此温度下同时生成了不可降解的类固醇化合物和芳族化合物，例如苯甲酸酯类，类黄酮及其衍生物。

1.2 化学法

1.2.1 酸碱法 酸碱法预处理是污泥蛋白回收中应用最广泛的化学预处理方法之一。在酸性或碱性条件下，污泥絮体结构中含有的两性物质会转化为可溶性物质，微生物的胞外聚合物变松散，甚至破解，从而使微生物细胞暴露出来。近年来，研究人员发现相比于常规强酸，采用亚硝酸预处理剩余污泥更为经济和有效。Ma等[21]用亚硝酸处理剩余污泥，反应24 h后，实验组(FNA浓度为2.04 mg/L)和对照组(FNA浓度为0 mg/L)的溶解性蛋白质浓度从4.3 mg/g VSS分别增加到8,29 mg/g VSS。Zhao等[22]同样用亚硝酸处理剩余污泥，反应12 h后，实验组(FNA浓度为1.54 mg/L)溶解性蛋白质浓度从432.7 mg/L增加到1 524.3 mg/L。

相比于酸处理，碱处理提取污泥蛋白的使用更为广泛和有效。碱具有疏松膨胀污泥的作用，进而加大胞外聚合物和微生物细胞的破解程度，促进有机物的溶出。污泥碱性预处理中常用的试剂有氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾(KOH)以及氧化钙等。Li等[23]研究表明，使用Ca(OH)2预处理污泥对蛋白质的溶出不如NaOH有效，因为二价阳离子(Ca2+)会使溶解性有机物、微生物细胞和胞外聚合物重新絮凝，进而降低了蛋白质的提取效率。但是使用Ca(OH)2预处理污泥具有经济成本低、易于储存、溶解性低、改善污泥脱水性能以及降低液相中磷含量等显著优势，在工程上更具有应用前景。肖本益等[24]对剩余污泥采用碱处理，使用氢氧化钠调节pH为12，搅拌5 min后室温下放置12 h，污泥的溶解性蛋白质含量最高为2 058.6 mg/L。但酸碱预处理容易腐蚀设备，对设备和操作要求较高。

1.2.2 氧化剂法 近年来，不少学者将氧化剂应用于剩余污泥预处理中，利用氧化物例如羟基自由基、硫酸根自由基或高铁酸盐等来氧化溶解微生物细胞壁，使细胞壁破解而释放出有机物，还可进一步将所释放大分子物质氧化成为小分子物质。Chisht等[25]比较了盐酸、木质素磺酸钠、硫酸、乙酸和硫酸铵，作为蛋白质回收原料，结果发现40%的硫酸铵具有最佳的蛋白质回收效果，回收率达到91%。张彦平等[26]研究发现，通过利用高铁酸盐的强氧化性能够达到微生物细胞壁与细胞膜损坏的目的。Wu等[27]研究发现，污泥经过高铁酸盐处理后，污泥中蛋白质浓度明显上升。与其他方法相比，氧化作用不仅能使得细胞裂解蛋白质溶出，还可灭活部分病原菌，利于后续污泥处置[28]。值得注意的是，过高的氧化剂剂量不一定有助于提高蛋白质浓度，因为氧化基团可能与溶解的蛋白质发生反应使其矿化[29]。

1.3 生物酶法

生物酶法具有高效简便、反应条件温和、清洁无污染等优势。该方法主要是利用酶的高效催化性能，向污泥中添加酶制剂或可分泌胞外酶的细菌，利用外加酶对污泥细胞壁进行分解，进而使污泥中蛋白质溶出，同时还可将大分子物质分解为小分子。商业用酶非常昂贵，因此不少学者考虑了从污水污泥中分离出的产酶菌株的生物强化。

剩余污泥中的微生物主要是格兰氏阴性菌，其细胞壁中蛋白质含量很高，约占60%，木瓜蛋白酶和碱性蛋白酶能很好地水解细胞壁中的蛋白质成分[30]。章文峰等[31]选取6种蛋白酶(胰蛋白酶、木瓜蛋白酶、胃蛋白酶、酸性蛋白酶、中性蛋白酶、碱性蛋白酶)水解污泥进行蛋白质提取实验，结果表明,碱性蛋白酶水解效果最好，蛋白质提取率达52.5%。由于酶有专一性，只能水解一种蛋白质或一类蛋白质，若两种酶复合可以水解更多种类的蛋白质，达到协同的效果，因此复合酶对污泥蛋白质溶出的影响研究也成为了各国学者的研究热点。纪豪等[32]研究中性、碱性和木瓜蛋白酶两两复合的蛋白质提取效果，其中中性和碱性蛋白酶复合投加量为6%(60 mg/g TS)条件下，污泥蛋白质提取率为51.57%，比单酶提高了11%以上。Kavitha等[33]将两个细菌菌株(Bacillusjerish03和Bacillusjerish04)应用于剩余污泥预处理中，研究结果发现污泥溶出的蛋白质浓度从50 mg/L增加到200 mg/L。

1.4 联合法

组合的方法是根据上述方法的不同作用原理，进行技术耦合，发挥协同作用，克服单一技术自身的不足，从而提高破解效率和降低成本。

1.4.1 碱热水解法 碱热法可明显提升蛋白质溶出效果，对于剩余污泥蛋白质回收是不错的选择。在污泥热水解处理中，投加碱可明显降低剩余污泥中微生物活性，同时削减细胞壁对外界温度的抵抗力，助力污泥蛋白质溶出。但由于反应所需pH值较高，碱投入量也较大，对生产设备腐蚀性较大，后期维护也需要一定成本[34]。

碱热联合处理剩余污泥效果相较于单纯碱处理和热处理均有明显提升。Cho等[35]据报道，碱热联合预处理后污泥溶出的蛋白质浓度比未经预处理的污泥高2.4倍，比只采用碱预处理的蛋白质浓度高2.1倍。在碱热法中，温度对水解效果影响较大。刘玉蕾[36]在碱热法处理含水率92%的污泥时，得出当温度为100 ℃，反应时间为4.5 h，pH为12.5时，污泥蛋白质的回收率达到了 73.56%。随后李政[37]采用相同方法，在水解时间、pH条件相似情况下，将温度提升为120 ℃，蛋白质提取率提高到了88.3%，并且污泥脱水性能也提高了90%以上。崔静等[38]采用正交实验发现，pH和温度对水解过程中蛋白质回收率的影响程度最大，优化工况条件为：pH为13，温度140 ℃，时间3 h。

1.4.2 酸热水解法 酸热法能有效地促进污泥水解，使得污泥细胞破裂，胞内有机物溶出。这主要是由于细胞壁中的脂肪可被酸试剂溶解，细胞结构被深度破坏，从而释放出大量胞内物。酸法对pH要求较为严格，虽然胞溶效果较好，但对生产设备要求较高以及后续还需对水解液进行中和反应。

酸热法对污泥蛋白质回收具有良好效果。Liu等[39]将污泥加入到热盐酸溶液中进行蛋白质提取，在最优提取条件下从污泥中提取出了78.5%的蛋白质。对于采用酸热法处理剩余污泥用于污泥蛋白质提取，pH和温度是两个关键因素。若pH偏低,获得的溶解态蛋白质会进一步水解成氨基酸，若pH偏高,则达不到理想的水解效果，最适pH一般在1～2[40]。刘玉蕾等[36]在120 ℃，pH约为2，反应时间4 h条件下获得的蛋白质提取率为48.12%。邵金星[41]实验结果表明，在110 ℃，pH为1条件下水解6 h后，所得污泥蛋白质的提取率为61.59%。赵顺顺等[40]在121 ℃，pH为1.25，水解时间5 h条件下，获得剩余污泥蛋白质提取率为62.7l%。在酸热法中，相较于温度和反应时间，pH对污泥蛋白质提取率影响更为显著。

1.4.3 超声波-碱法 超声-碱联合预处理对污泥中的蛋白质提取有着协同作用，超声助于分解污泥絮体，随后碱处理通过溶解膜蛋白和皂化膜脂来破坏微生物细胞。Liu等[42]采用超声-碱联合预处理方法对剩余污泥中的蛋白质进行溶出，预处理pH条件为12，超声频率为28 kHz，60 min后，可溶性蛋白浓度达到了7.9 g/L。Hwang等[43]将碱法与超声相结合处理剩余污泥，得到的污泥蛋白溶液中蛋白质浓度高达3 177.5 mg/L。

1.4.4 超声波-酶法 在生物法处理剩余污泥中，酶与微生物细胞的接触时间对处理结果至关重要。超声处理可以有效消除非均质体系中的传质阻力，将污泥絮体分解成更细的颗粒，提高其比表面积，从而增加酶与微生物细胞的接触时间。薛飞等[44]采用超声-溶菌酶协同处理印染废水的剩余污泥，比较了超声处理、溶菌酶处理及超声-溶菌酶协同处理3种不同处理方式对蛋白质溶出的影响，结果发现协同处理的溶出效果最佳，蛋白质浓度达60 mg/g VSS，与单纯超声和单纯溶菌酶处理相比，分别提高了59%和108%。

表1 多种预处理方法的蛋白质回收情况比较Table 1 Comparison of several pretreatment on protein recovery from sludge

2 蛋白质的分离纯化

污泥预处理后获得的混合液中除了蛋白质还含有脂肪、糖类等其他物质。为获得纯蛋白质产品还需对混合液中的蛋白质进行纯化分离。蛋白质混合液通常会先进行浓缩，再沉淀结晶。近年来，膜处理法和循环水解法被应用于污泥蛋白质浓缩。庞金钊等[45]采用超滤膜法浓缩污泥蛋白提取液，运行170 min时，蛋白质浓缩至7.5倍。浓缩液的沉淀结晶对蛋白质的分离纯化同样至关重要。常用蛋白质的结晶方法包括盐析沉淀法和等电点沉淀法。García等[46]表示添加硫酸铵是良好的沉淀分离方法，对于热水解和湿氧化处理的污泥样品，分别可实现87%和86%的蛋白质回收率。赵顺顺[47]对剩余污泥蛋白质溶液用等电点沉淀法进行浓缩结晶，在pH5.5条件下，获得蛋白质最高沉淀率为72.38%。

3 污泥蛋白质回收工艺的产品特性及应用途径

3.1 丰富的营养价值

我国对进口蛋白质动物饲料具有一定依赖性，开发污泥蛋白作为新的蛋白质资源有助于改善这种局面。生活污水剩余污泥中含有丰富的可利用蛋白质，从剩余污泥中提取的粗蛋白70%以多种氨基酸形式存在，符合动物饲料的营养学要求[48]。已有研究者对污泥蛋白进行成分分析，结果表明,Cu、Pb、Zn、Cd 等重金属含量非常少，满足GB 13078—2001、NY 929—2005中的相关规定，符合动物饲料的安全性要求[47]。将剩余污泥提取的蛋白液用健康大鼠进行毒性分析实验，结果表明,对小鼠的死亡率临床表现、体征变化没有影响，对动物具有安全性[43]。污水处理厂剩余污泥蛋白质提取分离后，同时满足作为动物饲料的营养性和安全性两方面，因此用作动物饲料的添加剂具有可行性。

3.2 良好的发泡性能

发泡剂包括松香树脂类发泡剂、合成类发泡剂和蛋白型发泡剂，其中蛋白型发泡剂是稳定性更佳。污泥蛋白类发泡剂开发了新的蛋白质发泡剂来源。污泥蛋白发泡剂的稳定性和发泡能力主要与温度、时间和pH有关。除发泡剂外，还可利用污泥蛋白的发泡性能制备泡沫灭火器。以往所用蛋白类泡沫灭火剂均为动物蛋白泡沫，在灭火过程中会产生大量毛发烧焦味和难闻的臭味。李亚东等[49]采用剩余污泥蛋白质制备了一款无毒、无刺激性的绿色环保泡沫灭火剂。此外，相较于其他合成泡沫灭火剂而言，污泥蛋白泡沫灭火剂能够被生物完全降解，经济成本低且灭火效果好，是一种性价比非常高的灭火剂。

4 结论

基于污泥破解的蛋白质回收工艺为污泥的资源化利用提供了一条科学有效的实施途径。本文对污泥蛋白质提取技术和回收利用途径进行了系统性总结。现有研究尚未对污泥蛋白质回收进行系统的全生命周期评估，也缺乏相应的环境标准和激励政策。污泥蛋白回收的相关研究大多仍局限于实验室规模，难以工程化应用和向商业市场迈进。今后的研究应更多“以终为始”，从商业产品化的角度来对实验研究进行反馈指导，形成更为科学有效的综合评价体系，从而为不同的蛋白质回收利用途径选定更为适合的组合工艺。结合现有研究提出以下建议：

(1)根据污泥蛋白不同的产品化用途，评估污泥蛋白质回收工艺的有效性时，应采用不同的综合评价指标。

(2)明确不同污泥蛋白质回收工艺的作用机制、反应过程的有效控制以及不同工况条件的产品性质变化，为后续工程化应用提供理论支撑。

(3)综合核算污泥蛋白质回收工艺的经济成本和经济效益，建立投入-产出动态模型，对最终的污泥蛋白质回收工艺的选定和工况的调控进行反馈指导。

(4)对污泥蛋白质回收工艺进行全生命周期的环境影响评价，应符合国家环境标准和社会长远利益。