CN112625083B - 一种从剩余污泥中高效回收蛋白质的方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种从剩余污泥中高效回收蛋白质的方法，该方法包括以下步骤：将剩余污泥WAS加入反应瓶中，APG的投加量按照0.1‑0.5g/gSS进行投加，调节初始pH值为4.0～11.0；将反应瓶驱氧充氮持续2‑5min后，密封反应瓶，恒温振荡培养进行WAS水解；将经过预处理后的WAS经过离心处理后，使剩余污泥WAS完全沉淀，取上清液后，然后向上清液中加入卡拉胶，通过WAS水解后得到的蛋白质与卡拉胶的质量比为25～1：1，同时调节pH为1.0～3.0，在温度为30‑37℃，15min下振荡后，使卡拉胶与蛋白质、酸充分混合；经过混合后的溶液进行离心处理，下层沉淀即为回收的蛋白质。本发明工艺在进行水解后再采用复凝聚法与酸碱沉淀法相结合的技术，通过二者的联合作用使得蛋白质获得最大程度上的回收。

Description

一种从剩余污泥中高效回收蛋白质的方法

技术领域

本发明属于固体废弃物处理技术领域，具体涉及一种从剩余污泥中高效回收蛋白质的方法。

背景技术

预计到2020年，我国污泥产量将会达到8000万吨，剩余污泥(waste activatedsludge,WAS)的处理问题引起了人们的广泛关注。常规的处理方法不仅造成了资源的浪费，而且增加了环境负担。因此，高效回收污泥中的资源、提高污泥处理效率的方法具有广阔应用前景。污泥中含有大量可回收利用的资源，如蛋白质、重金属等。且污泥中的蛋白质与阳离子等物质也对污泥的表面性质、沉降和脱水性能有较大影响。因此在WAS中进行蛋白质的回收再利用，不仅仅能够满足WAS的减量化目标，而且能够实现WAS的资源化。

污泥中生物体细胞内含有大量的蛋白质，约占细胞干重的30％～60％。但是相比于酒糟废料、马铃薯加工废水，以及海产品加工废水中的蛋白质含量低且蛋白质成分复杂。此外，WAS成分复杂，水解过程中会产生多种影响物质如重金属、抗生素等。因此，现有蛋白质回收方法并不适用于WAS中的蛋白质的回收。

因此亟需一种绿色、高效、低成本的提高剩余污泥蛋白质回收的方法。

发明内容

本发明的目的在于提出一种从剩余污泥中高效回收蛋白质的方法。该方法利用烷基糖苷APG(alkyl polyglucoside，APG)和pH对WAS水解的促进作用，使EPS污泥表面结构发生变化，更加分散，能短时间释放，便于后期进行蛋白质的回收，并且首次提出采用复凝聚法与酸碱沉淀法相结合的方法实现了WAS中蛋白质的高效回收，促进了WAS的资源化利用。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种从剩余污泥中高效回收蛋白质的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)将剩余污泥加入反应瓶中，投加0.1-0.5g/gSS(生物表面活性剂APG的投加量以gSS为单位，每克剩余污泥中加入0.1-0.5g的APG，剩余污泥不需要进行特殊处理直接与APG进行反应)的APG，调节初始pH值为4.0～11.0；将反应瓶驱氧充氮持续3min后，密封反应瓶，恒温振荡培养进行WAS水解，水解后保证蛋白质的溶出量在900～1000mg/L，水解时间为2～4h，使EPS污泥表面结构发生变化，更加分散，短时间释放，完成WAS预处理过程；

(2)将经过预处理后的WAS经过相对离心力(RCF)为2236g(F表示为地心引力g的倍数)、10min分离后，取上清液后，测定该上清液中蛋白质的含量，然后向上清液中加入卡拉胶，通过WAS水解后得到的蛋白质与卡拉胶的质量比为25～1：1，同时调节pH为1.0～3.0，在温度为30-37℃、转速为110rpm/min，15min下振荡后，使卡拉胶与蛋白质、酸充分混合；

(3)经过步骤(2)获得的混合后的溶液进行离心处理，下层沉淀即为回收的蛋白质，离心处理时的相对离心力(RCF)为2236g(F表示为地心引力g的倍数)、离心时间为10min,同时测定此时上清液中的蛋白质含量，通过步骤(2)记录的上清液中蛋白质的含量与步骤(3)测定的上清液中的蛋白质含量的差值来表示沉淀中蛋白质的含量，即能确定沉淀里的蛋白质含量是多少，确定蛋白质的回收率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)APG是一种温和的、具有快速生物降解性、环境友好非离子型生物表面活性剂，却同时具有离子型生物表面活性剂如鼠李糖脂和非离子型生物表面活性剂如槐糖脂的性质。除以上性质，APG与其他生物表面活性剂相比还具有经济有效的优点。本发明采用的APG与pH联合技术，此二者联合作用于污泥絮体，降低污泥的表面张力，分解污泥絮体，将大的絮体结构变成小的絮体结构，甚至单体结构，能够有效促进污泥分散和EPS的水解。通过APG与pH的联合作用，大大缩短了污泥厌氧处理的时间，降低了能源消耗，同时溶出的大量有机物可供后续厌氧反应使用或进行后期资源回收，达到污泥资源化利用的效果。

本发明中APG与pH联合处理要求短时间完成，使EPS污泥表面结构发生变化，能短时间释放，仅进行水解作用，不需要进行长时间的厌氧反应，避免蛋白质的过度消耗。投加0.3g/gSS的APG并调节pH值为10.0±0.2进行实验，APG的投加量大大减少，显著减少了APG的费用，且APG对于反应器中的微生物多样性具有抑制作用，在此pH下不仅提高了WAS水解效果且对微生物的影响较小，为后期的处理提供了基础。

2)本发明工艺在进行水解后再采用复凝聚法与酸碱沉淀法相结合的技术，通过二者的联合作用使得蛋白质获得最大程度上的回收。在复凝聚法与酸碱沉淀法首次应用到WAS水解后的蛋白质回收中时，由于WAS中的蛋白质成分复杂且相对含量低于马铃薯等生产废水，在实验过程中提出微量复凝聚法联合酸碱沉淀来进行回收，不仅能减少卡拉胶的最大投加量，且能最大程度上将WAS中的蛋白质进行回收，实验WAS资源化的同时，减小对后期处理的影响。酸碱沉淀法指的是在卡拉胶与蛋白质复凝聚过程中调节pH值，提高回收效率。

3)本发明针对剩余污泥中蛋白质回收进行设计，为保证此类蛋白质的回收效果，使用将APG和pH对WAS直接进行水解，水解液直接进行实验。且为了减小加入卡拉胶体积的影响，调节卡拉胶的质量浓度，使得加入的卡拉胶体积与反应总体积的比值为1：50。在蛋白回收实验中，实验温度设置为35℃左右，不仅能提高卡拉胶的溶解性增强溶解效果，同时能减少蛋白质变性，使污泥中的复杂物质能够被尽量吸附下来，减少影响，整体提高蛋白质的回收效率，同时又能最大程度的节约成本。

4)此外，提出微量复凝聚法联合pH对WAS水解后的蛋白质进行回收的方案。此方法不仅能提高单独pH回收蛋白质的效果，且通过投加卡拉胶减少pH对蛋白质的破坏作用，实现蛋白质的提取，蛋白质回收率能达到90％左右，还能在一定程度上降低酸碱对于蛋白质的影响，大大降低了污泥处理的成本，同时不会对后续的反应乃至环境造成不良影响。

本发明的显著进步是：

(1)明显缩短水解时间，污泥的水解时间缩短至2h左右，与传统处理时间相比大大提高了水解效率，加快了厌氧进程；污泥经过APG与pH预处理后，大大提高了水解效率，溶出的大量有机物质为微生物生命活动提供足够的碳源，进一步作用于污泥，提高污泥的减量化程度；

(2)通过添加生物表面活性剂APG的方法促进污泥水解的方法简单易行，所需设施较少，便于实施且对处理设施没有腐蚀作用；通过添加卡拉胶进行蛋白质回收快速高效，简单易行；加入的APG和卡拉胶不会对环境产生负面影响，降低环境的负担。

(3)促进污泥资源化利用，通过复凝聚法与酸碱沉淀法相结合来回收蛋白质，不仅仅利于后期WAS处理，且有利于资源的回收利用。

附图说明

图1是此次实验的简要流程图。此次实验主要分为两部分，一部分是WAS的预处理，另一部分为蛋白质回收。采用APG联合pH来提高WAS水解速率实现WAS的预处理；然后将水解液通过投加卡拉胶以及调节pH进行蛋白质回收。通过组合工艺的条件优化，实现最低成本下蛋白质的高效回收。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

本发明一种从剩余污泥(WAS)中高效回收蛋白质的方法，该方法包括以下步骤：

(1)将剩余污泥WAS加入反应瓶中，APG的投加量按照0.1-0.5g/gSS进行投加，调节初始pH值为4.0～11.0；将反应瓶驱氧充氮持续2-5min后，密封反应瓶，恒温振荡培养进行WAS水解，水解后保证蛋白质的溶出量为900～1000mg/L，使EPS污泥表面结构发生变化，短时间释放，完成WAS预处理过程；

(2)将经过预处理后的WAS经过离心处理后，使剩余污泥WAS完全沉淀，取上清液后，然后向上清液中加入卡拉胶，通过WAS水解后得到的蛋白质与卡拉胶的质量比为25～1：1，同时调节pH为1.0～3.0，在温度为30-37℃、转速为110rpm/min，15min下振荡后，使卡拉胶与蛋白质、酸充分混合；

(3)经过步骤(2)获得的混合后的溶液进行离心处理，下层沉淀即为回收的蛋白质。

使用生物表面活性剂APG破解(水解)剩余污泥，得到污泥破解液，随后采用离心力(F)为2236g(F表示为地心引力g的倍数)、10min分离水解液。

使用易被生物降解的APG，且其投加量为0.3g/gSS，保证表面活性剂投加适量；调节反应体系的pH为10.0±0.2，既能保持较高的碱性环境，又能最大程度上减小对污泥中的微生物的影响。

蛋白质：卡拉胶的投加质量比为20：1，pH为2.0±0.2。

所述步骤(2)离心时的相对离心力为1800～2000g，步骤(3)离心时的相对离心力为2100～2400g，其中g表示地心引力。此方式的设置能够在尽可能少的能耗下实现离心分离目的。

实施例1

本实施例一种从剩余污泥(WAS)中高效回收蛋白质的方法，该方法包括以下步骤：

第一步：将从污水处理厂二沉池取出的污泥，在4℃的环境下静置24小时后，先用吸管排出上清液，并用孔径为1毫米的筛子将污泥进行过滤，筛除污泥中的杂质，最后将处理后的污泥保存在4℃环境下供后续实验使用，并调节WAS的SS在10000mg/L左右，获得剩余污泥。这个处理过程主要是为了筛去WAS中的杂质，为后面预处理做准备。

第二步：取处理好的剩余污泥WAS于有效容积为500mL的厌氧反应器中，调节WAS的pH值为10.0±0.2，再加入0.3g/gSS的APG在35±1℃的温度下进行反应，将反应瓶驱氧充氮持续2-5min后，密封反应瓶，经过SCOD、蛋白质、多糖等指标的测定，表明在2h的水解情况已经基本达到稳定状态。此时蛋白质的溶出量为1000mg/L左右，使EPS污泥表面结构发生变化，短时间释放，完成WAS预处理过程。

实验采用的厌氧消化反应器为1000mL的玻璃瓶，加入第一步处理的污泥后持续通入高纯度氮气3min来排净反应器中空气，保证其中的厌氧环境，加塞后置于空气浴摇床混合，，转速110rpm，并控制温度在35±1℃。保证运行条件恒定，减小外界因素对实验自身所造成的影响。

第三步：应用pH处理第二步的预处理后的剩余污泥：

蛋白质回收装置为250mL的玻璃瓶，其工作体积为150mL。在玻璃瓶中加入150mL第二步预处理后的上清液，加入卡拉胶，蛋白质与卡拉胶的质量(mg)比为20:1。在实验过程中控制空气浴摇床温度在35±1℃，转速为110rpm，保证反应过程中温度的恒定，减小外界环境因素对实验过程以及实验结果的影响。

调节溶液的pH分别为2.0，经过15分钟的反应，将玻璃瓶取出，取反应后的溶液进行离心，F为2236g，离心时间为10min。通过实验发现，在蛋白质：卡拉胶质量比为20:1、pH为2.0时蛋白质回收效率最高，约为92.2％。

实施例2

本实施例各步骤同实施例1，不同之处在于，本实施例中APG的投加量按照0.1、0.2、0.4、0.5g/gSS进行投加，本实施例中蛋白质的回收率不到90％，但高于80％。

在APG投加量为0.3g/gSS和pH为10.0的条件下，WAS的水解效果最好，释放的蛋白质含量高，明显提高了污泥的破解效果。相对于未预处理的污泥，在APG的投加量为0.3g/gSS，pH为10.0±0.2时，WAS的SCOD的溶出量从200.2mg/L增加到4500.0mg/L，蛋白质的溶出量从17.1mg/L增加到1009.7mg/L，多糖的溶出量从10.7mg/L增加到663.9mg/L，SCOD含量提高了22.5倍，蛋白质含量提高了59.0倍，多糖含量提高了61.87倍。

实施例3

本实施例各步骤同实施例1，不同之处在于，本实施例中预处理的时间为0、4、8、12、24、32、48h。在WAS水解过程中，SCOD、蛋白质和多糖最高浓度随着APG投加量的增加而增加，但随时间变化较小。当反应时间为2h时，SCOD、蛋白质和多糖最高浓度为3250.1、798.9、478.1mg/L，而空白组SCOD、蛋白质和多糖最高浓度仅为200.2、17.2、10.9mg/L。在反应时间高于8h时蛋白质的溶出量减少，不利于蛋白质的高效回收。

实施例4

本实施例各步骤同实施例1，不同之处在于，在蛋白质回收过程中，卡拉胶的投加量设置为蛋白质：卡拉胶(质量比)为25:1、20:1、15:1。

实验表明，在卡拉胶的投加量在大于15:1时，蛋白质即能实现85％以上的回收效果，能够实现高效回收。既减少了卡拉胶的用量，又最大程度的实现高效蛋白质回收，节约了回收成本。

实施例5

本实施例各步骤同实施例1，不同之处在于，本发明中，蛋白质回收过程中设置pH分别为1.5、2.5、3.0，蛋白质回收效率能达到80％以上，在pH为1.5-2.5时蛋白质回收效率能达到90％左右，pH为2.0时蛋白质回收率最高，约为92.2％。

对比例1

本对比例各步骤同实施例1，不同之处在于，本对比例中使用与卡拉胶相同投加量的壳聚糖和羟甲基纤维素钠进行蛋白质回收实验。实验表明在相同实验条件下，本申请的卡拉胶回收效果好。

对比例2

本对比例各步骤同实施例1，不同之处在于，本对比例中，在进行蛋白质回收时，不进行pH调节，蛋白回收率仅为20％左右。

以上实验结果表明，在蛋白质:卡拉胶为20:1(mg)、pH为2.0时，蛋白质回收效率最高，回收率约为92.2％。

本发明公开一种从剩余污泥(waste activated sludge,WAS)中高效回收蛋白质的方法，它作为污泥厌氧处理的预处理部分，不仅仅能够加速污泥厌氧消化进程，而且能有效回收WAS中的蛋白质，提高WAS的资源化效率，同时降低有机物负荷，便于后期WAS的处理。此实验主要分为两个部分，一是污泥预处理实验-烷基糖苷(alkyl polyglucoside，APG)联合pH促进WAS的水解；二是WAS水解后，投加卡拉胶并调节pH进行上清液中的溶解性蛋白质的回收。APG是一种由葡萄糖和脂肪醇合成的非离子型表面活性剂，兼具离子型与非离子型表面活性剂的优点，卡拉胶是一种常见的阴离子多糖，常用于食品业。经过APG联合pH预处理的WAS，有机物的溶出效果明显增强。在APG投加量为0.3g/gSS和pH为10.0时(盐酸溶液和氢氧化钠溶液浓度均为2M)，预处理2h后，WAS的溶解性化学需氧量(SCOD)的溶出量从200.2mg/L增加到了4500.0mg/L，蛋白质的溶出量从17.1mg/L增加到了1009.7mg/L，多糖的溶出量从10.73mg/L增加到了663.9mg/L。APG与pH联合作用促进污泥水解明显缩短了水解时间且显著提高了有机物的释出效果。在蛋白质浓度为1009.7mg/L的条件下进行卡拉胶的投加，卡拉胶含量与蛋白质含量为20：1(mg)的比例以及pH为2.0的条件进行蛋白质回收，回收率在92.2％左右。APG与pH联合作用促进污泥水解的方法极大程度上缩短了水解时间且大大降低了药物的投加量，极大程度上促进了蛋白质的释放；卡拉胶的加入能够大量回收WAS释放出的蛋白质。两部分有机结合，实现了WAS中蛋白质的高效回收，同时实现了WAS的减量化与资源化。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.一种从剩余污泥中高效回收蛋白质的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)将剩余污泥WAS加入反应瓶中，烷基糖苷APG的投加量按照0.1-0.5g/gSS进行投加，调节初始pH值为10.0±0.2；将反应瓶驱氧充氮持续2-5min后，密封反应瓶，恒温振荡培养进行WAS水解，水解后保证蛋白质的溶出量为900～1000mg/L，使胞外聚合物EPS污泥表面结构发生变化，短时间释放，完成WAS预处理过程；SS表示悬浮固体；

(2)将经过预处理后的WAS经过离心处理后，使剩余污泥WAS完全沉淀，取上清液后，然后向上清液中加入卡拉胶，通过WAS水解后得到的蛋白质与卡拉胶的质量比为25～15：1，同时调节pH为1.0～3.0，在温度为30-37℃、转速为110rpm/min，15min下振荡后，使卡拉胶与蛋白质、酸充分混合；

(3)经过步骤(2)获得的混合后的溶液进行离心处理，下层沉淀即为回收的蛋白质。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中水解温度为35±1℃，所述预处理过程中水解时间为2～4h。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中加入卡拉胶后调节pH值为1.5-2.5，通过WAS水解后得到的蛋白质与卡拉胶的质量比为25～15：1；步骤(2)中振荡温度为35℃。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，预处理中APG的投加量为0.3g/gSS；加入的卡拉胶体积与反应总体积的比值为1：50，加入卡拉胶后调节pH值为2.0，通过WAS水解后得到的蛋白质与卡拉胶的质量比为20：1。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法的蛋白质回收率不低于85％。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)离心时的相对离心力为1800～2000g，步骤(3)离心时的相对离心力为2100～2400g，其中g表示地心引力。

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