CN111875193A - 一种强化污泥中蛋白质深度降解的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种强化污泥中蛋白质深度降解的方法，以剩余污泥的厌氧消化产物为底物，经过范式洗涤法处理得到已去除易降解有机物并含难降解蛋白质的污泥；然后以剩余污泥的厌氧消化产物为接种物，以已去除易降解有机物并含难降解蛋白质的污泥为底物，启动一级微生物电解池耦合厌氧消化系统，处理后得到难降解蛋白质靶向降解相关的微生物混合物；以与难降解蛋白质靶向降解相关的微生物混合物为接种物，以剩余污泥的厌氧消化产物为底物，启动二级微生物电解池耦合厌氧消化系统得到蛋白质深度降解的污泥。与现有技术相比，本发明具有总挥发性固体降解率高、蛋白质降解率高等优点，实现了污泥的减量化、稳定化与资源化，改善了污泥的脱水与干化性能。

Description

一种强化污泥中蛋白质深度降解的方法
技术领域
本发明涉及一种污泥中蛋白质深度降解的方法，尤其是涉及一种利用微生物电解池耦合厌氧消化系统强化污泥中蛋白质深度降解的方法，属于污泥厌氧消化技术领域。
背景技术
蛋白质是污泥中最主要的有机组分(占挥发性固体质量的50～60％)，是厌氧消化产沼气的最主要底物(对产气量贡献为60～70％)，蛋白质也是污泥中的主要亲水性物质，在决定污泥可调理脱水性方面发挥着比多糖和腐殖质类物质更明显的作用。因此，污泥中蛋白质厌氧转化效率的提升在污泥的厌氧产甲烷与稳定化、氮循环及后续调理脱水中发挥着决定性的作用。然而，污泥中的蛋白质在厌氧消化系统中的降解率普遍低于50％，其较低的降解率使污泥的总挥发性固体降解率普遍在40％及以下，限制了污泥的高效厌氧产甲烷与稳定化，以及消化产物的可调理脱水性，因此强化污泥中蛋白质的厌氧降解十分必要。
目前，污泥中蛋白质的强化厌氧转化的策略主要有酸碱预处理、超声预处理、生物预处理、紫外线预处理、热水解等，然而尽管处在最佳的应用条件，经预处理后的污泥厌氧消化后蛋白质最终降解率基本在60％以下，污泥的总挥发性固体降解率普遍为40～55％之间，消化产物中仍普遍残留大量未降解有机物(占总固体的30～40％)，其中蛋白质仍占最主要部分(占挥发性固体质量的40～50％)。因此，采取技术手段进一步强化消化产物中残留的这类“顽固”蛋白质的降解，对强化污泥中蛋白质的深度降解、突破污泥厌氧转化瓶颈、提高有机质降解率和甲烷产量、提高消化产物稳定性与脱水性能具有重要意义。
微生物电解池耦合厌氧消化系统具有阳极氧化、调控驯化功能微生物、强化酶活性与电子传递等多重功能，能在能量投入较低的前提下强化有机物(包括难降解有机物如芳香类等)的厌氧降解、并强化甲烷或氢气的产生。然而目前微生物电解池耦合厌氧消化系统一般应用于整体污泥混合物厌氧消化系统中，如中国专利文献CN105803001B公开了一种利用微生物电解池实现剩余污泥产氢的方法，该方法在10～15℃环境下，外加电压0.5V，以超声波预处理后的剩余污泥为底物，运行单室微生物电解池，实现剩余污泥产氢；中国专利文献CN102718381A公开了一种利用微生物电解池实现剩余污泥产甲烷的方法，该方法以剩余污泥为底物驯化阳极功能微生物，启动微生物电解池反应器，以剩余污泥为底物生产甲烷，反应过程中蛋白质的去除率为38～58％，COD去除率为38～55％。由于底物成分复杂，在以上这些系统中，广谱有机物如易降解有机质以及中间代谢产物VFAs等的复合大量存在使得系统中的微生物群落具有较高多样性，且由于这些物质具有较强电子争夺能力，微生物电解池耦合厌氧消化系统中难以富集与难降解有机质(如消化产物中残留的“顽固”蛋白质)靶向降解相关的微生物种群与关键酶，消化产物中残留的蛋白质难以发生进一步降解。
因此，如何诱导微生物电解池耦合厌氧消化系统中与难降解蛋白质靶向降解相关的微生物(如优势产电细菌与产甲烷菌)的筛选与富集、进一步降解消化产物中的难降解蛋白质，是强化污泥中蛋白质的深度降解亟需解决的问题，对突破污泥厌氧转化瓶颈、提高有机质降解率和甲烷产量、提高消化产物稳定性与脱水性能具有重要意义。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的污泥中有机物降解率低的缺陷而提供一种强化污泥中蛋白质深度降解的方法，该方法可实现污泥中蛋白质的深度降解，提高污泥有机质降解率和产甲烷量，提高消化产物稳定性与脱水性能。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种强化污泥中蛋白质深度降解的方法，包括以下步骤：
(S1)、以剩余污泥的厌氧消化产物为底物，采用范氏洗涤法的中性洗涤剂处理，去除上清液得到残渣，用蒸馏水冲洗至中性(PH＝7左右)，得到去除易降解有机物的污泥，该污泥中含有难降解蛋白质；
(S2)、以剩余污泥的厌氧消化产物为接种物，以步骤(S1)得到的去除易降解有机物的污泥为底物，采用直流电源提供外加电压启动一级微生物电解池耦合厌氧消化系统(碳-碳/铁-碳电极)，使靶向微生物驯化和富集，取电极表面及污泥溶液中的微生物混合物并进行离心浓缩，得到与难降解蛋白质靶向降解相关的微生物混合物；
(S3)、以步骤(S2)得到的微生物混合物为接种物，以剩余污泥的厌氧消化产物为底物，采用直流电源提供外加电压启动二级微生物电解池耦合厌氧消化系统(碳-碳/铁-碳电极)，降解剩余污泥的厌氧消化产物中蛋白质。
进一步地，所述的剩余污泥中，挥发性固体与总固体的质量比例为(VS/TS)40～60％，蛋白质质量占总挥发性固体质量的50～60％；所述的剩余污泥的厌氧消化产物中，挥发性固体与总固体的质量比例(VS/TS)为30～40％，蛋白质质量占总挥发性固体质量的40～50％；所述的步骤(S1)中去除易降解有机物的污泥中，挥发性固体与总固体的质量比例为20～30％，蛋白质质量占总挥发性固体质量的20～40％。
其中，剩余污泥的厌氧消化产物为剩余污泥经各种工艺条件下厌氧消化后的产物，各种工艺条件包括不同预处理条件(酸碱预处理、超声预处理、生物预处理、紫外线预处理、热水解预处理等)、厌氧消化条件(中温37℃、高温55℃、两相厌氧消化等)等，但不限于这些厌氧消化工艺条件。
剩余污泥的厌氧消化过程采用本领域常用的技术手段即可，不属于本发明保护的技术要点。
进一步地，步骤(S2)中，所述接种物和底物中的挥发性固体质量比为1：2～1：5。
进一步地，步骤(S2)中，一级微生物电解池耦合厌氧消化系统处于厌氧状态，该系统内的含水率为95～98％，外加电压为0.2～1.0V，运行温度为20～30℃，运行时间为2～4天。
进一步地，步骤(S2)中，当一级微生物电解池耦合厌氧消化系统中难降解蛋白质的降解率≥40％时，靶向微生物驯化和富集完成。
进一步地，步骤(S2)中，所述的离心浓缩条件为800～1500rpm，5～10min。
进一步地，步骤(S2)中，所述的微生物混合物的含水率为90～95％，挥发性固体与总固体的质量比例(VS/TS)为30～40％。
进一步地，步骤(S3)中，所述接种物和底物中的挥发性固体质量比为1:1～4:1。
进一步地，步骤(S3)中，二级微生物电解池耦合厌氧消化系统处于厌氧状态，该系统内的含水率为95～98％，外加电压为0.2～1.0V，运行温度为20～30℃，运行时间为4～8天。
进一步地，步骤(S3)中，二级微生物电解池耦合厌氧消化系统的出泥中蛋白质质量占总挥发性固体质量的20～35％，蛋白质的降解率为70～80％，出泥中挥发性固体与总固体的质量比例(VS/TS)为25～35％，总挥发性固体降解率为50～70％。
本发明的工作原理为：
本发明首先对剩余污泥进行厌氧消化，对剩余污泥中的大量易降解有机物进行一级筛除，再采用范氏洗涤法的中性洗涤剂对消化产物中残留的易降解有机物进行二级筛除，以有效分离得到已去除易降解有机物并含难降解蛋白质的污泥，接着采用已去除易降解有机物并含难降解蛋白质的污泥诱导一级微生物电解池耦合厌氧消化系统中与难降解蛋白质靶向降解相关微生物的筛选、驯化与富集，最后将这些靶向降解性微生物接种于二级微生物电解池耦合厌氧消化系统中，强化系统中底物——剩余污泥消化产物中蛋白质的降解，从而实现剩余污泥中蛋白质的深度降解。
本发明中，对剩余污泥进行厌氧消化以对其中大量易降解有机物进行一级筛除，主要目的为避免未经厌氧消化的剩余污泥中富含的大量易降解有机物对后续二级筛除的分离效果造成的负面影响。本发明控制剩余污泥经厌氧消化后的消化产物中挥发性固体占总固体的质量比例(VS/TS)为30～40％，蛋白质含量占总挥发性固体质量的40～50％。
本发明中，采用范氏洗涤法的中性洗涤剂对消化产物中残留的易降解有机物进行二级筛除，得到已去除易降解有机物并含难降解蛋白质的污泥，主要目的为避免消化污泥中残留的易降解有机物对电子的争夺，从而避免厌氧消化系统中难以驯化与富集与难降解蛋白质靶向降解相关的微生物；经厌氧消化后的消化产物中仍然含有部分易降解有机物如挥发性脂肪酸、多糖、脂类等，这些有机物会争夺系统中的电子，促进系统内多种微生物生长，提高微生物多样性，干扰具有特定功能微生物的筛选与富集，利用范氏洗涤法的中性洗涤剂处理可去除这些易降解有机物，得到难降解蛋白质，为与难降解蛋白质靶向降解相关微生物的驯化与富集提供前提与条件。本发明控制二级筛除得到的已去除易降解有机物并含难降解蛋白质的污泥中挥发性固体占总固体的质量比例(VS/TS)为20～30％，蛋白质含量占总挥发性固体质量的20～40％。
本发明中，步骤S2中，采用剩余污泥的厌氧消化产物为接种物，采用经两级筛除得到的已去除易降解有机物并含难降解蛋白质的污泥为底物，启动一级微生物电解池耦合厌氧消化系统，目的为诱导、驯化与富集靶向强化降解微生物群落，其中接种物与底物的添加比例至关重要。接种物与底物比例过高时系统中受到接种物影响过大，使与底物靶向降解的微生物难以占据主导地位得到富集；比例过低时厌氧消化系统会因缺少相应的接种物而启动速率过慢甚至失败，总的来说为了达到较好的诱导驯化效率、降低接种泥中微生物竞争对驯化造成的影响，接种物的添加量应明显小于底物的量。本发明控制步骤S2中接种物与底物的挥发性固体质量比为1：2～1：5。
本发明中，步骤S3中，采用步骤S2中电极表面及污泥溶液中的微生物混合物浓缩后的产物为接种物，以步骤S1中剩余污泥的厌氧消化产物为底物，运行二级微生物电解池耦合厌氧消化系统，目的为强化剩余污泥消化产物中蛋白质的深度降解与强化产甲烷，其中接种物与底物的添加比例至关重要。步骤S2中电极表面及污泥溶液中的微生物混合物含有经驯化和富集的具有靶向降解难降解蛋白质功能的微生物群落、以及相关的生物酶，将其接种于厌氧消化产物中时面临环境因子改变导致生长与功能受限的风险，当接种物与底物的添加比例过低时，接种物因微生物量过少会导致整个群落在新环境中的耐受能力与生长适应性低，最终接种失败；当接种物与底物的添加比例过高时，系统会因为缺少相应的底物而限制靶向降解微生物在新系统中的驯化与富集，总的来说为了保障接种物在新系统中的成功接种与驯化、降低由于耐受能力与生长适应性低而导致的接种失败风险，接种物的添加量应明高于底物的量。本发明控制步骤S3中接种物与底物的挥发性固体质量比为1:1～4:1。
本发明中，步骤S2中的一级微生物电解池耦合厌氧消化系统与和步骤S3中的二级微生物电解池耦合厌氧消化系统运行的条件(含水率、电压、温度、时间)至关重要。含水率过高时系统容积利用率低、耗能高、效率低，含水率过低时系统内物质、电流等传质受到抑制；电压过低时有机物难以得到强化降解、功能微生物难以富集，电压过高时阳极氧化反应剧烈，大部分有机物被直接氧化，微生物富集效果降低，且耗能高；微生物电解池耦合厌氧消化系统运行时，温度过低时反应速率较慢，温度过高时能耗高且不利于厌氧消化相关微生物的生长与富集；微生物电解池耦合厌氧消化系统运行时，时间过短时系统内微生物种群结构未得到充分驯化与富集，时间过长时能源利用效率低、系统内有机质消耗过大、微生物可能进入衰亡期导致活性降低。此外，步骤S2的主要目的为富集微生物，底物未得到完全消耗、微生物反应速度最快时得到的微生物混合物具有最高的活性；而步骤S3的主要目的为降解难降解蛋白质，则应尽量使底物得到完全消耗，因此，步骤S3中系统的运行时间要长于S2中系统的运行时间。本发明控制步骤S2中一级微生物电解池耦合厌氧消化系统内含水率为95～98％，两端外加电压为0.2～1.0V，运行温度为20～37℃，运行时间为2～4d。本发明控制步骤S3中二级微生物电解池耦合厌氧消化系统内含水率为95～98％，两端外加电压为0.2～1.0V，运行温度为20～37℃，运行时间为4～8d。
本发明中，步骤S3中剩余污泥的厌氧消化产物中蛋白质可进一步降解40～60％，剩余污泥中蛋白质占总挥发性固体质量的比例降至20～35％，剩余污泥总蛋白质降解率达到70～80％，即剩余污泥蛋白质得到深度降解。
本发明中，步骤S3中剩余污泥的厌氧消化产物中的有机质可进一步降解20～30％，剩余污泥最终挥发性固体占总固体质量的比例(VS/TS)降至25～35％，剩余污泥总挥发性固体降解率达到50～70％，相比于传统厌氧消化，剩余污泥总产甲烷量可提升50～55％，即进一步实现了剩余污泥的减量化、稳定化与资源化。
本发明的创新点主要在于：
(1)现有微生物电解池耦合厌氧消化系统以剩余污泥混合物为接种物或底物驯化功能微生物，尽管对有机物的降解具有一定的效果，但是大量易降解有机物使系统内微生物快速生长、多样性高，特定功能的微生物种群难以筛选与富集。本发明采用剩余污泥的厌氧消化产物为底物，在对剩余污泥中的大量易降解有机物进行一级筛除的基础上，采用范氏洗涤法的中性洗涤剂对剩余厌氧的消化产物中残留的易降解有机物进行二级筛除，有效分离得到已去除易降解有机物并含难降解蛋白质的污泥，克服了剩余污泥中的易降解有机物对筛除效率以及后续系统中特定功能微生物种群筛选、富集的负面影响，使与难降解蛋白质靶向降解相关的微生物在微生物电解池耦合厌氧消化系统中得到了高效诱导、驯化、富集，从而实现难降解蛋白质的深度降解。
(2)现有微生物电解池耦合厌氧消化系统多采用单一系统，由于微生物的快速生长期与底物的高效彻底降解时间之间存在时间差，如底物降解后期系统内功能微生物因缺少底物而活性下降、数量减少，因此单一系统难以同步实现特定功能微生物与酶的高效筛选富集和底物的高效降解。本发明采用两级微生物电解池耦合厌氧消化系统串联设计，该两级串联设计将与靶向降解相关微生物的筛选富集和对底物的降解分配至两个微生物电解池耦合厌氧消化系统中依次分别进行，可使其在各自的系统中通过调节相应参数(接种物、接种比、运行条件等)达到功能的最优值，从而在实现靶向功能微生物的高效筛选富集的基础上，实现消化污泥中蛋白质的高效深度降解。
与现有技术相比，本发明具备以下优点：
(1)传统污泥厌氧消化蛋白质降解率基本在50％以下，经各类预处理措施强化后污泥厌氧消化蛋白质降解率仍在60％以下、污泥的总挥发性固体降解率普遍在40％及以下，消化产物中残留挥发性固体占总固体质量的比例(VS/TS)高达30～40％，其中蛋白质占挥发性固体质量的40～50％，且现有技术难以对这类残留蛋白质进行深度降解。本发明利用两级微生物电解池耦合厌氧消化系统串联设计，通过对接种物与底物的处理、设计与调节，使剩余污泥的消化产物中蛋白质进一步降解了40～60％，有机质进一步降解了20～30％，剩余污泥最终挥发性固体占总固体质量的比例(VS/TS)降至25～35％、剩余污泥总挥发性固体降解率达到50～70％，相比于传统厌氧消化，剩余污泥总产甲烷量可提升50～55％，表明本发明显著强化了污泥中蛋白质的深度降解和甲烷的产生，实现了污泥的减量化、稳定化与资源化。
(2)本发明中剩余污泥消化产物中蛋白质占总挥发性固体质量的比例最终降至20～35％，显著低于现有技术条件下的剩余污泥消化产物(40～50％)，污泥中蛋白质(典型亲水性物质)含量的显著降低可改善污泥的脱水与干化性能，降低脱水与干化所需药剂与能耗。
附图说明
图1为本发明的工艺流程框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种利用微生物电解池耦合厌氧消化系统强化污泥中蛋白质深度降解的方法，过程如图1所示，包括以下步骤：
(1)范氏洗涤法的中性洗涤剂配制：称取18.6g乙二胺四乙酸钠(EDTA,分析纯)和6.8g硼酸钠(Na2B4O7·10H2O)放入烧杯中，加入少量蒸馏水，加热溶解后，再加入30g十二烷基硫酸钠(C12H25NaO4S)和10ml乙二醇乙醚(C4H10O2，分析纯)；再准确称取4.56g无水磷酸氢二钠(Na2HPO4)置于另一烧杯中，加入少量蒸馏水微微加热溶解后，倒入前一个烧杯中，定容至1000ml。
(2)剩余污泥采用污水厂剩余污泥，其挥发性固体占总固体质量的比例(VS/TS)为41.2％、蛋白质含量占总挥发性固体质量的52.3％，进行厌氧消化后得到厌氧消化产物，消化产物中挥发性固体占总固体质量的比例(VS/TS)为30.5％、蛋白质含量占总挥发性固体质量的46.7％。
(3)取消化产物10g，加入100ml中性洗涤剂，0.5g十氢化萘和0.5g NaSO3，加热煮沸保持60min后，去除上清液得到残渣，用蒸馏水冲洗至pH＝7，得到已去除易降解有机物并含难降解蛋白质的污泥，其中挥发性固体占总固体质量的比例(VS/TS)为22.5％、蛋白质含量占总挥发性固体质量的25.8％；
(4)以步骤(2)中剩余污泥的厌氧消化产物为接种物，以步骤(3)已去除易降解有机物并含难降解蛋白质的污泥为底物，接种物和底物中的挥发性固体质量比为1：2，以直流电源为电源外加电压启动一级微生物电解池耦合厌氧消化系统(碳-碳/铁-碳电极)，系统内的含水率为98％，两端外加电压为0.2V，运行温度为20℃，运行时间为4d后，难降解蛋白质的降解率为40％，取电极表面及污泥溶液中的微生物混合物，在800rpm条件下离心10min，去掉上清液，得到与难降解蛋白质靶向降解相关的微生物混合物，其含水率为95.5％，挥发性固体占总固体质量的比例(VS/TS)为31.0％；
(5)以步骤(4)中与难降解蛋白质靶向降解相关的微生物混合物为接种物，以剩余污泥的厌氧消化产物为底物，接种物和底物中的挥发性固体质量比为1:1，以直流电源为电源外加电压启动二级微生物电解池耦合厌氧消化系统(碳-碳/铁-碳电极)，系统内的含水率为98％，两端外加电压为0.2V，运行温度为20℃，运行时间为8d时，所得出泥中蛋白质占总挥发性固体的比例可降至31.3％，剩余污泥总蛋白质降解率为70.5％，挥发性固体占总固体质量的比例(VS/TS)可降至25.6％，剩余污泥总挥发性固体降解率为50.9％。
实施例2：
一种利用微生物电解池耦合厌氧消化系统强化污泥中蛋白质深度降解的方法，过程如图1所示，包括以下步骤：
(1)范氏洗涤法的中性洗涤剂配制：称取18.6g乙二胺四乙酸钠(EDTA,分析纯)和6.8g硼酸钠(Na2B4O7·10H2O)放入烧杯中，加入少量蒸馏水，加热溶解后，再加入30g十二烷基硫酸钠(C12H25NaO4S)和10ml乙二醇乙醚(C4H10O2,分析纯)；再准确称取4.56g无水磷酸氢二钠(Na2HPO4)置于另一烧杯中，加入少量蒸馏水微微加热溶解后，倒入前一个烧杯中，定容至1000ml。
(2)剩余污泥采用挥发性固体占总固体质量的比例(VS/TS)为59.8％、蛋白质含量占总挥发性固体质量的57.6％的污水厂剩余污泥，在160℃条件下预处理30min后进行中温厌氧消化后，得到厌氧消化产物，消化产物中挥发性固体占总固体质量的比例(VS/TS)为39.5％、蛋白质含量占总挥发性固体质量的48.5％。
(3)取消化产物10g，加入100ml中性洗涤剂，0.5g十氢化萘和0.5g NaSO3，加热煮沸保持60min后，去除上清液得到残渣，用蒸馏水冲洗至pH＝7，得到已去除易降解有机物并含难降解蛋白质的污泥，其中挥发性固体占总固体质量的比例(VS/TS)为30.5％，蛋白质含量占总挥发性固体质量的39.8％；
(4)以步骤(2)中剩余污泥的厌氧消化产物为接种物，以步骤(3)已去除易降解有机物并含难降解蛋白质的污泥为底物，接种物和底物中的挥发性固体质量比为1：5，以直流电源为电源外加电压启动一级微生物电解池耦合厌氧消化系统(碳-碳/铁-碳电极)，系统内的含水率为95％，两端外加电压为1.0V，运行温度为30℃，运行时间为2d时难降解蛋白质的降解率达到42％，取电极表面及污泥溶液中的微生物混合物，在1500rpm条件下离心5min，去掉上清液，得到与难降解蛋白质靶向降解相关的微生物混合物，其含水率为90.5％，挥发性固体占总固体质量的比例(VS/TS)为41.6％；
(5)以步骤(4)中与难降解蛋白质靶向降解相关的微生物混合物为接种物，以剩余污泥的厌氧消化产物为底物，接种物和底物中的挥发性固体质量比为4:1，以直流电源为电源外加电压启动二级微生物电解池耦合厌氧消化系统(碳-碳/铁-碳电极)，系统内的含水率为95％，两端外加电压为1.0V，运行温度为30℃，运行时间为4d时所得出泥中蛋白质占总挥发性固体质量的比例可降至34.3％，剩余污泥总蛋白质降解率为79.5％，挥发性固体占总固体质量的比例(VS/TS)可降至33.8％，剩余污泥总挥发性固体降解率为65.7％。
实施例3：
一种利用微生物电解池耦合厌氧消化系统强化污泥中蛋白质深度降解的方法，过程如图1所示，包括以下步骤：
(1)范氏洗涤法的中性洗涤剂配制：称取18.6g乙二胺四乙酸钠(EDTA,分析纯)和6.8g硼酸钠(Na2B4O7·10H2O)放入烧杯中，加入少量蒸馏水，加热溶解后，再加入30g十二烷基硫酸钠(C12H25NaO4S)和10ml乙二醇乙醚(C4H10O2,分析纯)；再准确称取4.56g无水磷酸氢二钠(Na2HPO4)置于另一烧杯中，加入少量蒸馏水微微加热溶解后，倒入前一个烧杯中，定容至1000ml。
(2)剩余污泥采用挥发性固体占总固体质量的比例(VS/TS)为52.5％、蛋白质含量占总挥发性固体质量的55.0％的污水厂剩余污泥，在pH＝10的条件下处理6h后，调节pH至中性再进行中温厌氧消化后得到厌氧消化产物，消化产物中挥发性固体占总固体质量的比例(VS/TS)为35.7％、蛋白质含量占总挥发性固体质量的44.6％。
(3)取消化产物10g，加入100ml中性洗涤剂，0.5g十氢化萘和0.5g NaSO3，加热煮沸保持60min后，去除上清液得到残渣，用蒸馏水冲洗至pH＝7，得到已去除易降解有机物并含难降解蛋白质的污泥，其中挥发性固体占总固体质量的比例(VS/TS)为25.5％，蛋白质含量占总挥发性固体质量的30.7％；
(4)以步骤(2)中剩余污泥的厌氧消化产物为接种物，以步骤(3)已去除易降解有机物并含难降解蛋白质的污泥为底物，接种物和底物中的挥发性固体质量比为1:4，以直流电源为电源外加电压启动一级微生物电解池耦合厌氧消化系统(碳-碳/铁-碳电极)，系统内的含水率为97％，两端外加电压为0.6V，运行温度为25℃，运行时间为3d时，难降解蛋白质的降解率达到41.8％，取电极表面及污泥溶液中的微生物混合物，在1000rpm条件下离心10min，去掉上清液，得到与难降解蛋白质靶向降解相关的微生物混合物，其含水率为94％，挥发性固体占总固体质量的比例(VS/TS)为37.8％；
(5)以步骤(4)中与难降解蛋白质靶向降解相关的微生物混合物为接种物，以剩余污泥的厌氧消化产物为底物，接种物和底物中的挥发性固体质量比为2:1，以直流电源为电源外加电压启动二级微生物电解池耦合厌氧消化系统(碳-碳/铁-碳电极)，系统内的含水率为96％，两端外加电压为0.6V，运行温度为25℃，运行时间为6d时所得出泥中蛋白质占总挥发性固体质量的比例可降至34.3％，剩余污泥总蛋白质降解率为76.5％，挥发性固体占总固体质量的比例(VS/TS)可降至29.4％，剩余污泥总挥发性固体降解率为62.4％。
对比例1：
一种利用微生物电解池耦合厌氧消化系统强化污泥中蛋白质深度降解的方法，包括以下步骤：
(1)范氏洗涤法的中性洗涤剂配制：称取18.6g乙二胺四乙酸钠(EDTA,分析纯)和6.8g硼酸钠(Na2B4O7·10H2O)放入烧杯中，加入少量蒸馏水，加热溶解后，再加入30g十二烷基硫酸钠(C12H25NaO4S)和10ml乙二醇乙醚(C4H10O2,分析纯)；再准确称取4.56g无水磷酸氢二钠(Na2HPO4)置于另一烧杯中，加入少量蒸馏水微微加热溶解后，倒入前一个烧杯中，定容至1000ml。
(2)剩余污泥采用挥发性固体占总固体质量的比例(VS/TS)为55.0％、蛋白质含量占总挥发性固体质量的55.8％的污水厂剩余污泥，中温厌氧消化后得到厌氧消化产物，消化产物中挥发性固体占总固体质量的比例(VS/TS)为38.9％、蛋白质含量占总挥发性固体质量的45.8％。
(3)取消化产物10g，加入100ml中性洗涤剂，0.5g十氢化萘和0.5g NaSO3，加热煮沸保持60min后，去除上清液得到残渣，用蒸馏水冲洗至pH＝7，得到已去除易降解有机物并含难降解蛋白质的污泥，其中挥发性固体占总固体质量的比例(VS/TS)为29.5％，蛋白质含量占总挥发性固体质量的38.7％；
(3)以步骤(2)中剩余污泥的厌氧消化产物为接种物，以步骤(3)已去除易降解有机物并含难降解蛋白质的污泥为底物，接种物和底物中的挥发性固体质量比为1:6，以直流电源为电源外加电压启动一级微生物电解池耦合厌氧消化系统(碳-碳/铁-碳电极)，系统内的含水率为92％，两端外加电压为1.2V，运行温度为30℃，运行时间为5d后难降解蛋白质的降解率为20.5％，取电极表面及污泥溶液中的微生物混合物，在1500rpm条件下离心10min，去掉上清液，得到与难降解蛋白质靶向降解相关的微生物混合物，其含水率为95.5％，挥发性固体占总固体质量的比例(VS/TS)为35.2％；
(5)以步骤(3)中与难降解蛋白质靶向降解相关的微生物混合物为接种物，以剩余污泥为底物，接种物和底物中的挥发性固体质量比为5:1，以直流电源为电源外加电压启动二级微生物电解池耦合厌氧消化系统(碳-碳/铁-碳电极)，系统内的含水率为92％，两端外加电压为1.2V，运行温度为30℃，运行时间为8d时，所得出泥中蛋白质占总挥发性固体质量的比例为52.2％，剩余污泥总蛋白质降解率为48.2％，挥发性固体占总固体质量的比例(VS/TS)为40.4％，剩余污泥总挥发性固体降解率为44.6％。
对比例2：
一种利用微生物电解池耦合厌氧消化系统强化污泥中蛋白质深度降解的方法，包括以下步骤：
(1)范氏洗涤法的中性洗涤剂配制：称取18.6g乙二胺四乙酸钠(EDTA,分析纯)和6.8g硼酸钠(Na2B4O7·10H2O)放入烧杯中，加入少量蒸馏水，加热溶解后，再加入30g十二烷基硫酸钠(C12H25NaO4S)和10ml乙二醇乙醚(C4H10O2,分析纯)；再准确称取4.56g无水磷酸氢二钠(Na2HPO4)置于另一烧杯中，加入少量蒸馏水微微加热溶解后，倒入前一个烧杯中，定容至1000ml。
(2)剩余污泥采用挥发性固体占总固体质量的比例(VS/TS)为52.5％、蛋白质含量占总挥发性固体质量的54.2％的污水厂剩余污泥，不采用厌氧消化进行一级筛除，直接进入二级筛除。
(3)取剩余污泥10g，加入100ml中性洗涤剂，0.5g十氢化萘和0.5g NaSO3，加热煮沸保持60min后，去除上清液得到残渣，用蒸馏水冲洗至pH＝7，得到已去除易降解有机物并含难降解蛋白质的污泥，其中挥发性固体占总固体质量的比例(VS/TS)为48.5％，蛋白质含量占总挥发性固体质量的50.6％；
(4)以步骤(2)中剩余污泥为接种物，以步骤(3)已去除易降解有机物并含难降解蛋白质的污泥为底物，接种物和底物中的挥发性固体质量比为1：5，以直流电源为电源外加电压启动一级微生物电解池耦合厌氧消化系统(碳-碳/铁-碳电极)，系统内的含水率为98％，两端外加电压为1.0V，运行温度为30℃，运行时间为4d时难降解蛋白质的降解率为28％时，取电极表面及污泥溶液中的微生物混合物，在1500rpm条件下离心10min，去掉上清液，得到与难降解蛋白质靶向降解相关的微生物混合物，其含水率为95.2％，挥发性固体占总固体质量的比例(VS/TS)为45.8％；
(5)以步骤(4)中与难降解蛋白质靶向降解相关的微生物混合物为接种物，以剩余污泥的厌氧消化产物为底物，接种物和底物中的挥发性固体质量比为2:1，以直流电源为电源外加电压启动二级微生物电解池耦合厌氧消化系统(碳-碳/铁-碳电极)，系统内的含水率为98％，两端外加电压为1.0V，运行温度为30℃，运行时间为8d所得出泥中蛋白质占总挥发性固体质量的比例为55.4％，剩余污泥总蛋白质降解率为41.2％，挥发性固体占总固体质量的比例(VS/TS)为38.9％，剩余污泥总挥发性固体降解率为42.5％。
比较对比例1～2和实施例，可以发现本发明的过程中，采用厌氧消化进行一级筛除十分重要，如果用未经一级筛除的污泥，会大幅降低二级筛除的效过、影响后续靶向微生物的驯化与筛选，最后使蛋白质的降解率大大降低；同时，一级微生物电解池耦合厌氧消化系统和二级微生物电解池耦合厌氧消化系统的接种比以及运行条件十分重要，如果不按照本发明的优选范围，蛋白质的降解率会大大降低。
本发明方法可使剩余污泥总挥发性固体降解率达到50～70％，剩余污泥总蛋白质降解率为70～80％，剩余污泥消化产物中蛋白质占总挥发性固体质量的比例最终降至20～35％，显著强化了污泥中蛋白质的深度降解和甲烷的产生，实现污泥的减量化、稳定化与资源化，并显著降低污泥中蛋白质(典型亲水性物质)含量，从而改善污泥的脱水与干化性能。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种强化污泥中蛋白质深度降解的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(S1)、以剩余污泥的厌氧消化产物为底物，采用范氏洗涤法的中性洗涤剂处理，去除上清液得到残渣，用蒸馏水冲洗至中性，得到去除易降解有机物的污泥，该污泥中含有难降解蛋白质；
(S2)、以剩余污泥的厌氧消化产物为接种物，以步骤(S1)得到的去除易降解有机物的污泥为底物，采用直流电源提供外加电压启动一级微生物电解池耦合厌氧消化系统，使靶向微生物驯化和富集，取电极表面及污泥溶液中的微生物混合物并进行离心浓缩，得到与难降解蛋白质靶向降解相关的微生物混合物；
(S3)、以步骤(S2)得到的微生物混合物为接种物，以剩余污泥的厌氧消化产物为底物，采用直流电源提供外加电压启动二级微生物电解池耦合厌氧消化系统，降解剩余污泥的厌氧消化产物中蛋白质。
2.根据权利要求1所述的一种强化污泥中蛋白质深度降解的方法，其特征在于，所述的剩余污泥中，挥发性固体与总固体的质量比例为40～60％，蛋白质质量占总挥发性固体质量的50～60％；所述的剩余污泥的厌氧消化产物中，挥发性固体与总固体的质量比例为30～40％，蛋白质质量占总挥发性固体质量的40～50％；所述的步骤(S1)中去除易降解有机物的污泥中，挥发性固体与总固体的质量比例为20～30％，蛋白质质量占总挥发性固体质量的20～40％。
3.根据权利要求1所述的一种强化污泥中蛋白质深度降解的方法，其特征在于，步骤(S2)中，所述接种物和底物中的挥发性固体质量比为1：2～1：5。
4.根据权利要求1所述的一种强化污泥中蛋白质深度降解的方法，其特征在于，步骤(S2)中，一级微生物电解池耦合厌氧消化系统处于厌氧状态，该系统内的含水率为95～98％，外加电压为0.2～1.0V，运行温度为20～30℃，运行时间为2～4天。
5.根据权利要求1所述的一种强化污泥中蛋白质深度降解的方法，其特征在于，步骤(S2)中，当一级微生物电解池耦合厌氧消化系统中难降解蛋白质的降解率≥40％时，靶向微生物驯化和富集完成。
6.根据权利要求1所述的一种强化污泥中蛋白质深度降解的方法，其特征在于，步骤(S2)中，所述的离心浓缩条件为800～1500rpm，5～10min。
7.根据权利要求1所述的一种强化污泥中蛋白质深度降解的方法，其特征在于，步骤(S2)中，所述的微生物混合物的含水率为90～95％，挥发性固体与总固体的质量比例为30～40％。
8.根据权利要求1所述的一种强化污泥中蛋白质深度降解的方法，其特征在于，步骤(S3)中，所述接种物和底物中的挥发性固体质量比为1:1～4:1。
9.根据权利要求1所述的一种强化污泥中蛋白质深度降解的方法，其特征在于，步骤(S3)中，二级微生物电解池耦合厌氧消化系统处于厌氧状态，该系统内的含水率为95～98％，外加电压为0.2～1.0V，运行温度为20～30℃，运行时间为4～8天。
10.根据权利要求1所述的一种强化污泥中蛋白质深度降解的方法，其特征在于，步骤(S3)中，二级微生物电解池耦合厌氧消化系统的出泥中蛋白质质量占总挥发性固体质量的20～35％，蛋白质的降解率为70～80％，出泥中挥发性固体与总固体的质量比例为25～35％，总挥发性固体降解率为50～70％。
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