胞外多糖含量对碱热水解法溶出污泥蛋白质及水解液固液分离性能的影响

谢力，李秀芬

（1 江南大学环境与土木工程学院，江苏无锡 214122；2 江苏省厌氧生物技术重点实验室，江苏无锡 214122；3 江苏省水处理技术与材料协同创新中心，江苏苏州 215009）

剩余污泥是污水处理过程中不可避免的副产物，随着工业化和城市化的迅速发展，剩余污泥产量在全球范围内持续增加。自2008以来，我国剩余污泥产量年均增长率在10%以上，2019 年达5897万吨（含水率约80%）。剩余污泥的处理处置已成为污水处理系统中最为复杂、昂贵的部分之一。目前，剩余污泥的处理处置方法主要有土地填埋、堆肥、焚烧、厌氧发酵、污泥蛋白质回收等。与前几种技术相比，污泥蛋白质回收是一种新型的剩余污泥资源化技术，具有处理时间短、能耗低、可回收污泥中的有机物等特点，被认为是最有效且最具发展潜力的污泥处理处置方法。

剩余污泥中含有大量有机质，其中蛋白质占30%～60%，主要存在于污泥细菌细胞壁及其内部。利用酸碱、热或微波等物化水解技术可以有效破坏污泥的絮体结构，水解、皂化细胞壁和细胞膜上的蛋白质及脂多糖，破坏微生物细胞结构，从而促使污泥中微生物细胞内的蛋白质被释放出来，并和污泥中残留的未被分解的部分蛋白质一起转移到液相，成为液相中可溶性有机物，再通过简单固液分离就可以得到富含蛋白质的水解液或蛋白质产品。与酶解、超声辅助酶解和热辅助酶解等方法相比，碱热水解工艺的污泥有机物溶出效率更佳，为74.50%。当pH为12、反应温度为120℃、反应时间为4h，含水率为92%时，水解液中的蛋白质浓度最高，达22019.40mg/L。其中，常用的碱性试剂有CaO、Ca(OH)、NaOH，其中CaO 因其成本低、反应快被认为是最好的碱性试剂之一。截至目前，已有研究大多集中在碱热水解工艺条件对蛋白质溶出效果的影响，剩余污泥的有机质含量对污泥碱热水解效果的影响研究则鲜见。

胞 外 聚 合 物 （extracellular polymeric substances，EPS）是剩余污泥有机物的重要组成部分，占污泥干重的30%左右，蛋白质和多糖则占EPS的75%～90%。胞外多糖的含量不仅影响污泥絮体凝胶状结构，还可导致生物聚合物之间的作用力增强，污泥沉降性能降低，脱水困难。由于海藻糖是胞外多糖的主要成分之一，其物理化学特性也十分相似。本研究采用海藻糖作为胞外多糖模拟物，重点考察了胞外多糖含量对剩余污泥碱热水解溶出蛋白质及固液分离效果的影响，并对其影响机制进行了初步分析，研究结果可为剩余污泥碱热水解工艺的推广和应用提供有益参考。

1 材料和方法

1.1 实验材料

剩余污泥取自山西某污水处理厂，含水率约为75.70%，有机物含量约为33.37%，粗蛋白含量约为14.03%。CaO 购自蓝恒环保科技有限公司，粒径为200 目，活性为360mL/4N-HCl。其余化学试剂均为分析纯，购自中国国药集团化学试剂有限公司。

1.2 实验方法

取一定量剩余污泥，配制成120g/L 的污泥混合液。在耐压瓶中添加60mL 的上述污泥混合液。分别添加一定量的多糖（模型物为海藻糖），使污泥混合液的胞外多糖含量分别为70mg/gTS、140mg/gTS、210mg/gTS、280mg/gTS 和350mg/gTS。设置空白对照实验。接着在耐压瓶中分别添加20%的CaO，在130℃条件下反应90min 后，停止加热，待耐压瓶冷却至室温，收集水解液，待测。

1.3 分析测试项目与方法

粗蛋白含量采用凯式定氮法测定。水解残渣中的DNA采用Ezup柱式DNA抽提试剂盒提取，再用超微量分光光度计（NanoDrop2000，Thermo，英国）测定DNA 的含量。滤液体积采用布氏漏斗法测定，将50mL 水解液倒入铺有中速定量滤纸的布氏漏斗中，真空抽滤10min，记录水解液滤液体积。黏度采用黏度计（NDJ-SS，Lightace，中国）测定。采用三维荧光光谱（excitation emission matrix spectra，EEM，F-700FL，Hitachi，日本）测定水解清液中溶解性有机物（dissolved organic matter，DOM）的分布。采用共聚焦激光扫描显微镜（confocal laser scanning microscopy, CLSM，TCS SP2，Leica，德国）观察污泥和水解液中蛋白质与多糖的分布，同时采用莱卡激光扫描共聚焦显微镜图像处理软件（Leica Confocal Software,version 3.42） 和Image J （NIH，Bethesda，MD，USA）软件进行数据分析。

蛋白质溶出率（）根据式(1)计算。

式中，、分别为污泥和水解上清液中的蛋白质含量，mg/gVSS。

2 结果与分析

2.1 蛋白质的溶出效果

如图1 所示，随着污泥胞外多糖含量的增加，水解清液中粗蛋白浓度和蛋白质的溶出率逐渐下降。空白对照的水解清液中粗蛋白浓度及溶出率分别为12486.41mg/L 和43.72%，当胞外多糖含量升高至350mg/gTS 时，分别降低至10034.66mg/L 和29.63%（图1）。微生物细胞位于EPS 内部，外层EPS将这些污泥细胞包裹在一起，并保护它们避免受外界伤害。高含量的胞外多糖可以促进细胞之间的黏附，并通过形成聚合物网络结构，导致生物聚合物之间的作用力增强，进而污泥水解程度降低，水解清液中粗蛋白浓度及蛋白质溶出率也随之降低。

图1 胞外多糖含量对水解清液中粗蛋白浓度及蛋白质溶出率的影响

2.2 水解残渣的DNA含量

水解残渣中DNA 的含量可在一定程度上表征污泥的水解程度。当胞外多糖含量为70mg/gTS、140mg/gTS、210mg/gTS、280mg/gTS 和350mg/gTS时，水解残渣中DNA 的含量分别为119.17mg/gTS、155.83mg/gTS、 187.50mg/gTS、 213.33mg/gTS 和233.33mg/gTS（图2），即随着胞外多糖含量的增加，水解残渣中DNA 的含量不断升高，这与粗蛋白浓度及其溶出率的变化趋势相反。DNA 主要来源于细胞内，可能原因是随着胞外多糖含量升高，更多的胞外多糖黏附于细胞外，其对微生物细胞的保护作用越好，水解破胞效果越差，因此胞内蛋白质的溶出率越低，再次说明胞外多糖不利于污泥蛋白质的溶出。

图2 不同胞外多糖含量时水解残渣的DNA含量

2.3 水解液的固液分离性能

胞外多糖含量对水解液滤液体积的影响如图3所示。可见，随着胞外多糖含量的增加，水解液滤液体积呈逐渐下降的变化趋势，从空白对照的27.50mL 降低至胞外多糖含量为350mg/gTS 时的23.60mL（图3）。胞外多糖通过与聚合物之间的交联形成凝胶状网络结构，其含量增加有利于其与更多水分结合形成结合水，降低水解液的脱水性能。此外，污泥水解过程中，胞外多糖发生支化，导致污泥中有机物之间进一步交联，而高度支化的胞外多糖会提供更多的结合位点，并与水分子结合，这使得水解液的脱水性能进一步恶化。

图3 胞外多糖含量对水解液滤液体积的影响

黏度与污泥絮体内部结构增强密切相关。随着污泥中胞外多糖含量增加，水解液黏度持续增加，从空白对照的320.67mPa·s 增加至胞外多糖含量为350mg/gTS时的545.33mPa·s，提高了70.06%，较高的胞外多糖含量不利于碱热水解液的固液分离（图4）。

图4 胞外多糖含量对水解液黏度的影响

2.4 EEM分析

按照EEM谱图中激发和发射波长的不同，将其分为5个区域，即区域Ⅰ代表酪氨酸等类蛋白质物质[/波长（nm）：（200～250）/（200～330）]，区域Ⅱ代表色氨酸等类蛋白质物质[/波长（nm）：（200～250）/（330～380）]，区域Ⅲ代表富里酸等类有机物[/波长（nm）：（200～250）/（380～500）]，区域Ⅳ代表溶解性微生物代谢产物[/波长（nm）：（250～400）/（200～380）]，区域Ⅴ代表腐殖酸类物质[/波长（nm）：（250～400）/（380～500）]。图5 为不同胞外多糖含量时水解清液的EEM谱图。可见，当胞外多糖含量为70mg/gTS、140mg/gTS、210mg/gTS、280mg/gTS 和350mg/gTS时，其荧光峰分别出现在激发/发射（/） 波长分别为285nm/355nm、320nm/385nm、325nm/395nm、330nm/400nm 和330nm/400nm 处，随着胞外多糖含量的增加，荧光峰逐渐由区域Ⅳ转移至区域Ⅴ，即由溶解性微生物代谢产物转变为腐殖酸类物质，污泥中胞外多糖含量的增加可能促进了腐殖酸等大分子物质的产生（图5）。

图5 不同胞外多糖含量时水解清液的EEM谱图

剩余污泥水解过程中，还原糖中的羰基会与氨基酸、肽、蛋白质等的氨基发生美拉德反应，生成难降解大分子有机物即腐殖质类物质。然而，这些物质的产生会消耗水解清液中已溶出蛋白质，使其在水解清液中的浓度下降，总体的蛋白质溶出率降低，这与上述研究结果一致。

2.5 CLSM观察

采用CLSM 观察空白对照及胞外多糖含量为350mg/gTS 时污泥及水解液中蛋白质和多糖的空间分布，结果如图6所示，图中绿色区域表示蛋白质类物质，红色区域表示多糖类物质，相关分布参数如表1所示。

表1 水解前后蛋白质和多糖的分布参数

由图6可知，水解前，空白对照和胞外多糖含量为350mg/gTS 时的剩余污泥表面蛋白质（绿色）的荧光强度均高于多糖（红色），其面积覆盖率也明显大于多糖的覆盖率（表1）。同时，与空白对照相比，胞外多糖含量为350mg/gTS时，多糖的荧光强度和面积覆盖率均升高，分别从17.42%和0.10%升高至23.22%和2.06%，这在一定程度上不利于污泥蛋白质的碱热水解。水解后，蛋白质和多糖的荧光强度及面积覆盖率均明显降低，说明碱热水解过程中污泥絮体结构遭到破坏，细胞膜破裂，蛋白质和多糖呈现不同程度的水解，由固相转移至液相。

图6 水解前后的CLSM图

重要的是，水解后，空白对照水解液的蛋白质和多糖荧光强度及面积覆盖率均低于胞外多糖含量为350mg/gTS的水解液，即当胞外多糖含量升高至350mg/gTS 时，蛋白质的荧光强度和面积覆盖率分别从空白对照的23.27%和1.44%升高至28.30%和6.89%，而多糖的荧光强度和面积覆盖率分别从空白对照的14.93%和0.33%升高至19.36%和1.30%，再次说明胞外多糖含量增加不利于污泥蛋白质的溶出（表1）。

3 结论

胞外多糖含量的增加对剩余污泥碱热水解法溶出蛋白质存在明显的抑制作用，也不利于碱热水解液的固液分离。与空白对照相比，当胞外多糖含量升高至350mg/gTS 时，蛋白质溶出率下降了32.40%，水解残渣中DNA 的含量升高了156.88%，滤液体积减少了14.18%，水解液的黏度则增加了70.06%。胞外多糖含量的增加，一方面降低了污泥水解程度，恶化了污泥脱水性能，进而使蛋白质溶出率降低；另一方面促进了多糖与蛋白质类物质之间发生美拉德反应，形成腐殖酸等大分子物质，进而使水解清液中蛋白质浓度降低。通过CLSM观察也发现，与对照组相比，当胞外多糖含量升高至350mg/gTS 时，污泥水解程度降低，蛋白质面积覆盖率及荧光强度升高。