CN102702306B - 一种超声梯度水解回收污泥蛋白质的方法 - Google Patents
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Abstract
一种超声梯度水解回收污泥蛋白质的方法，它涉及一种回收污泥蛋白质的方法。本发明要解决现有的碱与超声协同处理污泥回收蛋白质的方法存在回收率较低以及能耗较大的问题。方法：调节脱水污泥的pH值后，超声辐射，得污泥混合液，离心得离心液A和沉淀A；向离心液A中加盐酸，过滤得滤渣A和滤液A；将滤液A加入到沉淀A中，调节pH值后，超声辐射，得二次污泥混合液，离心得离心液B和沉淀B；向离心液B中加入盐酸，过滤得滤渣B和滤液B；将滤渣A和B烘干，得到污泥粗蛋白。与常规超声单次辐射方法相比，本发明可以节约13％～35％的能耗，蛋白质回收率提高18％～24％，污泥减少率多26％～32％。本发明用于回收污泥蛋白。
Description
技术领域
本发明涉及一种回收污泥蛋白质的方法。
背景技术
随着我国城市化进程的不断加快，污水处理厂产生的污泥越来越多，而污泥的合理处置则是世界性的难题。污泥的处理成本占污水厂处理总成本60％，且伴随着人们对健康及生态安全的日益重视，有关污泥处置的法律法规变得越来越严格。焚烧、海洋排放、土地应用、堆肥是常见的污泥处置方法，但由于成本过高和易造成二次污染等原因，导致其使用受到了极大的限制。我国目前亟待寻找到更经济、更环保的污泥处置方法。
污泥有两方面的重要资源价值(1)包含大量的有机质和营养元素；(2)能量含量较高。
开发污泥能量的研究很多，如厌氧消化使其产生可燃气体甲烷和氢气、高温分解使污泥直接产生生物石油等，但均存在产率低、成本高的问题，需要更进一步深入研究。
蛋白质占污泥干重的30％～70％，而且所含营养物质丰富，加之植物蛋白的紧缺，从污泥中回收蛋白质既有效的处理了污泥，又得到了丰富的物质资源。常见的污泥回收蛋白质的方法有生物法、化学法和物理法或两种或多种方法的组合，其中组合的方法的效果往往好于单独的处理方法。
常见的组合处理方法有酸碱与热、碱与超声等。酸碱与热协同处理污泥存在能耗大、效率低、对设备要求高等问题。碱与超声协同处理污泥回收蛋白质相对而言运行时间短、能耗低。但由于污泥结构复杂，简单的一次进行辐射处理，会存在水解不完全，使污泥内的蛋白质无法完全释放或水解过度，使已释放的蛋白质被水解，减少回收率。所以单次超声水解污泥存在能量分配不当、回收率相对不高的问题。
发明内容
本发明要解决现有的碱与超声协同处理污泥回收蛋白质的方法存在蛋白质水解不完全或水解过度，导致回收率较低以及能耗较大的问题，而提供一种超声梯度水解回收污泥蛋白质的方法。
本发明超声梯度水解回收污泥蛋白质的方法按以下步骤进行：
一、取脱水污泥，加入氢氧化钠溶液调节pH值为8～14后，在超声频率为10～35KHz、能量密度为5～30W/mL的条件下，辐射5～30min，得到污泥混合液，将污泥混合液离心，得到离心液A和沉淀A；
二、向步骤一中得到的离心液A中加入盐酸溶液，调节pH值为4.2～5.6，待蛋白质沉淀后，真空过滤，得到蛋白质滤渣A和滤液A；
三、将步骤二中得到的滤液A加入到步骤一中得到的沉淀A中，加入氢氧化钠溶液调节pH值为8～14后，在超声频率为10～35KHz、能量密度为5～30W/mL的条件下，辐射5～30min，得到二次污泥混合液；将二次污泥混合液离心，得到离心液B和沉淀B；
四、向步骤三中得到的离心液B中加入盐酸溶液，调节pH值为4.2～5.6，待蛋白质沉淀后，真空过滤，得到蛋白质滤渣B和滤液B；
五、将步骤二得到的蛋白质滤渣A和步骤四得到的蛋白质滤渣B烘干，得到污泥粗蛋白。
本发明采用超声梯度循环水解污泥蛋白，能密度和辐射时间均梯度减少，循环两次水解污泥。在首次超声辐射时采用高能密度短时间辐射，在二次辐射时，采用较低能密度较短时间辐射。梯度循环辐射能够节约能耗，使能量合理分配。本发明回收首次水解产生的蛋白质后，产生的滤液回流至离心所得的剩余污泥中，既保持了污泥原有的性质，又节约了水资源。
本发明的优势在于应用超声梯度水解污泥，可以产生如下的有益效果：在应用梯度降低的能量密度和辐射时间水解污泥时，可实现能量的合理分配。在初次水解污泥时由于絮体结构较完整，所以需要投入较多能量，使污泥絮体结构完全被破坏，部分细菌的细胞壁被水解。在将已释放蛋白质回收后，再次水解剩余污泥时，只需投入较少的能量来破坏剩余完整细胞壁。在超声梯度回收过程，由于首次释放的蛋白质已被及时回收，所以在二次水解时蛋白质的损失量会减少，总体回收率会大幅提高。与常规超声单次辐射回收污泥蛋白(处理条件为能密度7W/mL，时间20min)相比，超声梯度辐射的能量消耗比常规超声单次辐射少13％～35％，蛋白回收率高18％～24％，污泥减少率多26％～32％。本发明用于回收污泥蛋白。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式超声梯度水解回收污泥蛋白质的方法按以下步骤进行：
一、取脱水污泥，加入氢氧化钠溶液调节pH值为8～14后，在超声频率为10～35KHz、能量密度为5～30W/mL的条件下，辐射5～30min，得到污泥混合液，将污泥混合液离心，得到离心液A和沉淀A；
二、向步骤一中得到的离心液A中加入盐酸溶液，调节pH值为4.2～5.6，待蛋白质沉淀后，真空过滤，得到蛋白质滤渣A和滤液A；
三、将步骤二中得到的滤液A加入到步骤一中得到的沉淀A中，加入氢氧化钠溶液调节pH值为8～14后，在超声频率为10～35KHz、能量密度为5～30W/mL的条件下，辐射5～30min，得到二次污泥混合液；将二次污泥混合液离心，得到离心液B和沉淀B；
四、向步骤三中得到的离心液B中加入盐酸溶液，调节pH值为4.2～5.6，待蛋白质沉淀后，真空过滤，得到蛋白质滤渣B和滤液B；
五、将步骤二得到的蛋白质滤渣A和步骤四得到的蛋白质滤渣B烘干，得到污泥粗蛋白。
本实施方式中能量密度＝总功率/污泥总体积
本实施方式采用超声梯度循环水解污泥蛋白，能密度和辐射时间均梯度减少，循环两次水解污泥。在首次超声辐射时采用高能密度短时间辐射，在二次辐射时，采用较低能密度较短时间辐射。梯度循环辐射能够节约能耗，使能量合理分配。本实施方式回收首次水解产生的蛋白质后，产生的滤液回流至离心所得的剩余污泥中，既保持了污泥原有的性质，又节约了水资源。
本实施方式的优势在于应用超声梯度水解污泥，可以产生如下的有益效果：在应用梯度降低的能量密度和辐射时间水解污泥时，实现能量的合理分配。在初次水解污泥时由于絮体结构较完整，所以需要投入较多能量，使污泥絮体结构完全被破坏，部分细菌的细胞壁被水解。在将已释放蛋白质回收后，再次水解剩余污泥时，只需投入较少的能量来破坏剩余完整细胞壁。在超声梯度回收过程，由于首次释放的蛋白质已被及时回收，所以在二次水解时蛋白质的损失量会减少，总体回收率会大幅提高。与常规超声单次辐射回收污泥蛋白(处理条件为能密度7W/mL，时间20min)相比，超声梯度辐射的能量消耗比常规超声单次辐射少13％～35％，蛋白回收率高18％～24％，污泥减少率多26％～32％。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中的脱水污泥的含水率为82％～87％。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一和步骤三中所述氢氧化钠溶液的浓度为5～15mol/L。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二和步骤四中所述盐酸溶液的浓度为0.5～5mol/L。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一和步骤三中加入氢氧化钠溶液调节pH值为10～12。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤一中在超声频率为15～30KHz、能量密度为10～20W/mL的条件下，辐射6～15min，得到污泥混合液。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤一中将污泥混合液在3000～10000r/min的转速下离心5～30min，得到离心液A和沉淀A。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三中在超声频率为12～20KHz、能量密度为8～15W/mL的条件下，辐射6～10min，得到二次污泥混合液。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三中将二次污泥混合液将污泥混合液在3000～10000r/min的转速下离心5～30min，得到离心液B和沉淀B。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤五中将步骤二得到的蛋白质滤渣A和步骤四得到的蛋白质滤渣B在40～70℃的条件下，烘干48～96h，得到污泥粗蛋白。其它与具体实施方式一至九之一相同。
采用以下实施例和对比实验验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例超声梯度水解回收污泥蛋白质的方法按以下步骤进行：
一、取100mL含水率为85％的脱水污泥，加入10mol/L氢氧化钠溶液调节pH值为12.5后，在超声频率为25KHz、能量密度为8W/mL的条件下，辐射12min，得到污泥混合液；将污泥混合液在3000r/min的转速下离心25min，得到离心液A和沉淀A；
二、向步骤一中得到的离心液A中加入1mol/L盐酸溶液，调节pH值为5.2，待蛋白质沉淀后，真空过滤，得到蛋白质滤渣A和滤液A；
三、将步骤二中得到的滤液A加入到步骤一中得到的沉淀A中，加入10mol/L氢氧化钠溶液调节pH值为12.5后，在超声频率为25KHz、能量密度为5W/mL的条件下，辐射5min，得到二次污泥混合液；将二次污泥混合液在3000r/min的转速下离心30min，，得到离心液B和沉淀B；
四、向步骤三中得到的离心液B中加入1mol/L盐酸溶液，调节pH值为5.2，待蛋白质沉淀后，真空过滤，得到蛋白质滤渣B和滤液B；
五、将步骤二得到的蛋白质滤渣A和步骤四得到的蛋白质滤渣B在60℃下烘干48h，得到污泥粗蛋白。
用半微量凯式定氮法测得蛋白质占污泥干重的46％；用半微量凯式定氮法测定步骤二中所得离心液A中蛋白质的浓度，计算得经过初次辐射后，污泥蛋白提取率为58.12％；用半微量凯式定氮法测定步骤三所得离心液B中蛋白质浓度，经过二次辐射后，二次污泥蛋白提取率为64.28％；将步骤三所得沉淀B在105℃下烘干至恒重，称重，计算得污泥减少率为63.19％。本实施例中，污泥蛋白总提取率约为85％，与常规超声单次辐射回收污泥蛋白(处理条件为能密度7w/ml，时间20min)的比较见表1，超声梯度辐射的能量消耗比常规超声辐射少13％，蛋白回收率高19％，污泥减少率多28％。可见，超声梯度水解污泥回收蛋白质能耗小，效率高，污泥减量化程度大。
本实施例中污泥减少率、蛋白质的提取率以及蛋白质的回收率的计算方法如下所示：
污泥减少率＝(超声辐射前污泥固体质量-超声辐射后污泥固体质量)/超声辐射前污泥固体质量×100％
蛋白质的提取率＝(提取液蛋白质浓度×提取液体积)/污泥所含蛋白总量×100％
污泥蛋白总提取率＝(蛋白质滤渣A+蛋白质滤渣B)/污泥所含蛋白总质量×100％
表1不同回收方式的污泥蛋白回收效果
| 污泥蛋白回收方式 | 污泥蛋白(总)提取率(％) | 污泥减少率(％) | 总耗能kJ/kg |
| 常规超声单次辐射 | 66％ | 35％ | 64615 |
| 实施例一超声梯度辐射 | 85％ | 63％ | 55846 |
实施例二：
本实施例超声梯度水解回收污泥蛋白质的方法按以下步骤进行：
一、取100mL含水率为85％的脱水污泥，加入10mol/L氢氧化钠溶液调节pH值为12.5后，在超声频率为25KHz、能量密度为9W/mL的条件下，辐射10min，得到污泥混合液；将污泥混合液在3000r/min的转速下离心25min，得到离心液A和沉淀A；
二、向步骤一中得到的离心液A中加入1mol/L盐酸溶液，调节pH值为5.2，待蛋白质沉淀后，真空过滤，得到蛋白质滤渣A和滤液A；
三、将步骤二中得到的滤液A加入到步骤一中得到的沉淀A中，加入10mol/L氢氧化钠溶液调节pH值为12.5后，在超声频率为25KHz、能量密度为6W/mL的条件下，辐射5min，得到二次污泥混合液；将二次污泥混合液在3000r/min的转速下离心30min，，得到离心液B和沉淀B；
四、向步骤三中得到的离心液B中加入1mol/L盐酸溶液，调节pH值为5.2，待蛋白质沉淀后，真空过滤，得到蛋白质滤渣B和滤液B；
五、将步骤二得到的蛋白质滤渣A和步骤四得到的蛋白质滤渣B在60℃下烘干48h，得到污泥粗蛋白。
用半微量凯式定氮法测得蛋白质占污泥干重的46％；用半微量凯式定氮法测定步骤二中所得离心液A中蛋白质的浓度，计算得经过初次辐射后，污泥蛋白提取率为55.74％；用半微量凯式定氮法测定步骤三所得离心液B中蛋白质浓度，经过二次辐射后，二次污泥蛋白提取率为62.03％；将步骤三所得沉淀B在105℃下烘干至恒重，称重，计算得污泥减少率为64％。本实施例中，污泥蛋白总提取率约为83％。
实施例三：
本实施例超声梯度水解回收污泥蛋白质的方法按以下步骤进行：
一、取100mL含水率为82％的脱水污泥，加入10mol/L氢氧化钠溶液调节pH值为12.5后，在超声频率为25KHz、能量密度为8.5W/mL的条件下，辐射10min，得到污泥混合液；将污泥混合液在3000r/min的转速下离心25min，得到离心液A和沉淀A；
二、向步骤一中得到的离心液A中加入1mol/L盐酸溶液，调节pH值为5.2，待蛋白质沉淀后，真空过滤，得到蛋白质滤渣A和滤液A；
三、将步骤二中得到的滤液A加入到步骤一中得到的沉淀A中，加入10mol/L氢氧化钠溶液调节pH值为12.5后，在超声频率为25KHz、能量密度为5.5W/mL的条件下，辐射5.5min，得到二次污泥混合液；将二次污泥混合液在3000r/min的转速下离心30min，，得到离心液B和沉淀B；
四、向步骤三中得到的离心液B中加入1mol/L盐酸溶液，调节pH值为5.2，待蛋白质沉淀后，真空过滤，得到蛋白质滤渣B和滤液B；
五、将步骤二得到的蛋白质滤渣A和步骤四得到的蛋白质滤渣B在60℃下烘干48h，得到污泥粗蛋白。
用半微量凯式定氮法测得蛋白质占污泥干重的42％；用半微量凯式定氮法测定步骤二中所得离心液A中蛋白质的浓度，计算得经过初次辐射后，污泥蛋白提取率为56.81％；用半微量凯式定氮法测定步骤三所得离心液B中蛋白质浓度，经过二次辐射后，二次污泥蛋白提取率为64.52％；将步骤三所得沉淀B在105℃下烘干至恒重，称重，计算得污泥减少率为60％。本实施例中，污泥蛋白总提取率约为84％。
Claims (8)
1.一种超声梯度水解回收污泥蛋白质的方法，其特征在于超声梯度水解回收污泥蛋白质的方法按以下步骤进行：
一、取脱水污泥，加入氢氧化钠溶液调节pH值为8～14后，在超声频率为10～35KHz、能量密度为8～9W/mL的条件下，辐射10～12min，得到污泥混合液，将污泥混合液离心，得到离心液A和沉淀A；
二、向步骤一中得到的离心液A中加入盐酸溶液，调节pH值为4.2～5.6，待蛋白质沉淀后，真空过滤，得到蛋白质滤渣A和滤液A；
三、将步骤二中得到的滤液A加入到步骤一中得到的沉淀A中，加入氢氧化钠溶液调节pH值为8～14后，在超声频率为10～35KHz、能量密度为5～6W/mL的条件下，辐射5～5.5min，得到二次污泥混合液；将二次污泥混合液离心，得到离心液B和沉淀B；
四、向步骤三中得到的离心液B中加入盐酸溶液，调节pH值为4.2～5.6，待蛋白质沉淀后，真空过滤，得到蛋白质滤渣B和滤液B；
五、将步骤二得到的蛋白质滤渣A和步骤四得到的蛋白质滤渣B烘干，得到污泥粗蛋白。
2.根据权利要求1所述的一种超声梯度水解回收污泥蛋白质的方法，其特征在于步骤一中的脱水污泥的含水率为82％～87％。
3.根据权利要求1或2所述的一种超声梯度水解回收污泥蛋白质的方法，其特征在于步骤一和步骤三中所述氢氧化钠溶液的浓度为5～15mol/L。
4.根据权利要求3所述的一种超声梯度水解回收污泥蛋白质的方法，其特征在于步骤二和步骤四中所述盐酸溶液的浓度为0.5～5mol/L。
5.根据权利要求4所述的一种超声梯度水解回收污泥蛋白质的方法，其特征在于步骤一和步骤三中加入氢氧化钠溶液调节pH值为10～12。
6.根据权利要求1、2、4或5所述的一种超声梯度水解回收污泥蛋白质的方法，其特征在于步骤一中将污泥混合液在3000～10000r/min的转速下离心5～30min，得到离心液A和沉淀A。
7.根据权利要求6所述的一种超声梯度水解回收污泥蛋白质的方法，其特征在于步骤三中将二次污泥混合液在3000～10000r/min的转速下离心5～30min，得到离心液B和沉淀B。
8.根据权利要求7所述的一种超声梯度水解回收污泥蛋白质的方法，其特征在于步骤五中将步骤二得到的蛋白质滤渣A和步骤四得到的蛋白质滤渣B在40～70℃的条件下，烘干48～96h，得到污泥粗蛋白。
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