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基于污泥蛋白质溶出的酶-热碱联合水解中试研究

张棵, 周瑜, 李秀芬, 任月萍. 基于污泥蛋白质溶出的酶-热碱联合水解中试研究[J]. 环境工程学报, 2020, 14(8): 2242-2251. doi: 10.12030/j.cjee.201911014
引用本文: 张棵, 周瑜, 李秀芬, 任月萍. 基于污泥蛋白质溶出的酶-热碱联合水解中试研究[J]. 环境工程学报, 2020, 14(8): 2242-2251. doi: 10.12030/j.cjee.201911014
ZHANG Ke, ZHOU Yu, LI Xiufen, REN Yueping. Pilot-scale study on enzymatic-thermo-alkaline joint hydrolysis based on sludge protein dissolution[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(8): 2242-2251. doi: 10.12030/j.cjee.201911014
Citation: ZHANG Ke, ZHOU Yu, LI Xiufen, REN Yueping. Pilot-scale study on enzymatic-thermo-alkaline joint hydrolysis based on sludge protein dissolution[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(8): 2242-2251. doi: 10.12030/j.cjee.201911014

基于污泥蛋白质溶出的酶-热碱联合水解中试研究

    作者简介: 张棵(1995—),男,硕士研究生。研究方向:废物资源化工程。E-mail:zhangke1733@163.com
    通讯作者: 李秀芬(1968—),女,博士,教授。研究方向:环境生物技术。E-mail:xfli@jiangnan.edu.cn
  • 基金项目:
    国家水体污染控制与治理科技重大专项(2015ZX07306001-5);国家重点研发计划课题(2016YFC0400707);江苏省“六大人才高峰”项目(2011-JNHB-004)
  • 中图分类号: X705

Pilot-scale study on enzymatic-thermo-alkaline joint hydrolysis based on sludge protein dissolution

    Corresponding author: LI Xiufen, xfli@jiangnan.edu.cn
  • 摘要: 为探究剩余污泥酶-热碱联合水解生产蛋白质工艺工业化利用的可能性,建立了1 m3·d−1的剩余污泥(含水率80%)的中试水解系统。通过对酶解时间、复合添加量及碱解温度等关键工艺因素优化,获得了中试规模污泥联合水解的最佳工艺条件;通过酶和热碱水解动力学研究,明确了联合水解过程的限速步骤。结果表明:在日处理量为1 m3剩余污泥(含水80%)的中试水解过程中,酶解时间为1.5 h、复合酶投加量为1%、污泥浓度为30 g·L−1、碱解时间1.5 h、碱解温度80 ℃时,蛋白质溶出效果最佳,上清液中蛋白质浓度为2 160 mg·L−1;污泥酶解过程符合米氏方程,碱解过程符合零级动力学方程,二者的水解速率分别为0.709 mg·(L·min)−1和11.046 mg·(L·min)−1;与碱解相比,酶解是剩余污泥联合水解的限速步骤。研究结果可为污泥联合水解工艺产蛋白质的产业化应用提供必要的技术参数。
  • 制革废水经生化处理后尾水中通常含有0.3~1.0 mg·L−1的总铬[1],在制革废水生化剩余污泥中含有1~10 g·kg−1的总铬。活性污泥中微生物的胞外聚合物(extracellular polymeric substance, EPS)主要组分包括多糖(PS)、蛋白质(PN)和核酸等多聚物[2],因其含有大量的羧基、羟基、氨基、磷酸酯等吸附位点,能够通过离子交换、络合、电中和等作用对重金属进行有效固定 [3-4]。有关EPS对铬的吸附已有大量报道,普遍认为,EPS的不同结构层、EPS含量及组分比例和外界环境均会影响重金属在EPS上的吸附[5]。有研究[6]发现,EPS对Cr3+吸附的主要作用位点是羧基和磷酸基,并形成EPS-Cr3+配位物。

    EPS一般可分为松散附着型(loosely bound EPS,LB-EPS)、紧密黏附型(tightly bound EPS,TB-EPS)和溶解型EPS(S-EPS)[7]。LASPIDOU等[7]认为,S-EPS与溶解性微生物代谢产物(soluble microbial product,SMP)属同源物质,也是由微生物的内源呼吸过程(BAP)和基质分解过程(UAP)中产生的[8]。许多研究表明,进水基质及污泥种类均影响EPS的组成,不同层EPS上存在不同的金属吸附位点[9],不同结构层中蛋白质和多糖含量的动态变化会影响污泥的吸附速率[10]。可溶性EPS具有比结合态EPS更大的质子离子交换能力[11],高度可溶性EPS-Cr3+配位化合物可导致铬在环境中的迁移和蓄积[6]

    随着我国对制革废水总铬排放总量限制指标的日益严格,探索制革生化尾水中残留铬与EPS的相互关系,特别是S-EPS对出水中总铬的影响很有必要。目前,有关制革废水生物处理过程中EPS各结构层的组分变化及金属铬离子在EPS各结构层和SMP中分布情况的研究鲜有报道。本研究在对制革废水各处理阶段的不同层EPS组分定量分析的基础上,重点围绕EPS组分变化与铬的分布规律进行了研究,为制革废水铬排放总量控制和深度处理提供参考。

    实验所用活性污泥及废水取自河北某制革废水处理站的主要生化处理段(水解酸化-两级好氧处理工艺),共5个采样点,分别为初沉池出水、水解酸化池污泥、一级好氧池污泥、二级好氧池污泥及二沉池出水,污泥基本性质如表1所示,水解酸化池、一级好氧池、二级好氧池的污泥沉降比(SV30)分别为30%、76%、81%。所取样品经固液分离和EPS分步提取后,储存在4 ℃冰箱中备用。

    表 1  实验所用活性污泥基本性质
    Table 1.  Basic properties of activated sludge in experiments
    污泥来源MLSS/(g·L−1)MLVSS/(g·L−1)pH
    水解酸化污泥6.2252.6418.8
    一级好氧污泥14.0926.6688.0
    二级好氧污泥2.551.2827.9
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    EPS 提取方法有物理法和化学法[12-13]。因化学法易造成铬离子的流失和形态改变,为保证EPS的结构完整性、物理化学性质的稳定及铬离子分布在EPS各结构层分布的相对准确性,本实验采取改良热提取法从制革生化活性污泥中提取EPS溶液[14-15],控制温度≤80 ℃,并使加热时间≤60 min。本方法对铬离子在EPS各结构层的分布造成的影响较小,同时能更好地反映EPS各结构层蛋白质和多糖的相对组成[16-19]。EPS和SMP的提取方法如图1所示。

    图 1  EPS和SMP的提取方法
    Figure 1.  Extraction methods of EPS and SMP

    取均匀混合的泥水混合物50 mL,在2 000 r·min−1的离心机中离心5 min 后,取上清液,然后过0.45 μm 滤膜,得到S-EPS[20]、沉淀池出水过0.45 μm滤膜得到SMP。

    溶解性有机碳(DOC)的测定使用德国元素分析系统公司liqui Ⅱ TOC测定仪,水样过0.45 μm滤膜,采用DOC表征SMP浓度;总铬的测定采用二苯碳酰二肼分光光度法(GB/T 7466-1987),每个样品平行测量3次,取平均值;挥发性悬浮物固体浓度(VSS)和悬浮固体浓度(SS)采用重量法测定。

    多糖(PS)采用蒽酮-硫酸法测定,以葡萄糖作为标准品;蛋白质(PN)采用考马斯亮蓝法测定,以牛血清白蛋白(BSA)作为标准品,进行标准曲线的绘制[21];UV254采用紫外分光光度计测定。采用蛋白质与多糖之和表征SMP及EPS总量,每个样品平行测量3次,测定结果取平均值。

    有机物在出水SMP中的分布呈下降趋势,SMP中有机碳含量逐渐降低,各处理工段出水SMP中溶解性有机物及各组分浓度见图2。SMP中有机碳浓度用DOC表征,各水样DOC浓度与组分浓度变化趋势一致,SMP中组分对有机碳的贡献率为15%~32%。初沉池出水DOC浓度为233.1 mg·L−1时经水解酸化-好氧生物处理,使二沉池出水DOC降低至78.54 mg·L−1,DOC去除率为66.4%,有机碳浓度变化受进水基质影响较大。在制革废水生物处理系统中,SMP中多糖变化呈先降低后升高的趋势,一级生化SMP中蛋白质和多糖的变化趋势一致,二级生化多糖含量大幅增加,二沉池出水SMP中多糖含量与二级好氧池出水SMP相似。初沉池SMP多糖含量为12.13 mg·L−1,二沉池出水中多糖含量为18.02 mg·L−1,初沉池出水SMP蛋白质含量高达44.69 mg·L−1。通过水解酸化预处理及好氧生物处理后,二沉池出水蛋白质含量削减至3.23 mg·L−1,削减92.8%,与出水DOC的削减规律相呼应。SMP组分含量呈先降低后升高的趋势,这可能是因为二级好氧池中TB-EPS外排使SMP的组分含量升高,EPS与SMP之间相互转化。杨丹等[15]研究表明,好氧颗粒污泥中SMP随底物基质消耗而缓慢增加,当底物浓度降低时,SMP来源于微生物内源呼吸及EPS水解,这验证了SMP的产生会影响出水水质。

    图 2  不同处理单元中SMP的组分及DOC浓度比较
    Figure 2.  Comparisons of SMP components and DOC concentrations in different treatment units

    图3可知,水解酸化池S-EPS蛋白质含量为10.61 mg·g−1(以VSS计),一级好氧池中蛋白质含量为1.347 mg·g−1,削减87.3%,二级好氧池SMP蛋白质含量未检出;一级生化后端S-EPS多糖含量为1.003 mg·g−1,二级生化多糖含量增加至18.07 mg·g−1。初沉池SMP取自初沉池后端出水,初沉池没有明显的生物处理作用,水解酸化使大分子难生物降解物质转变为易生物降解的物质。在缺氧条件下,细菌利用外源有机物合成自身细胞,导致水解酸化池中S-EPS蛋白质组分削减幅度较大,削减部分可能主要作为微生物的营养物质被消耗掉,蛋白质可为生物处理提供氮源,进而促进微生物生长。有研究[22]发现,重金属冲击浓度增加,SMP中蛋白质产生量下降。相比市政污水生物处理过程中多糖含量随着生物处理不断削减[17],制革污水的生物处理过程则存在多糖含量增加的趋势,这可能是微生物通过增加EPS的产量来对抗微量重金属铬(Cr3+<1.5 mg·L−1)的胁迫作用。AQUINO等的[23]研究表明,在铬的存在下,细胞裂解作用增强,细胞裂解产物对SMP的积累有重要贡献。康福星[24]的研究表明,在一定浓度重金属的污染水体中,微生物能分泌大量的EPS,来提高净化水体的能力。

    图 3  不同处理单元中S-EPS组分比较
    Figure 3.  Comparisons of S-EPS components in different treatment units

    图4可知,不同污泥样品的EPS含量变化较大。结合层EPS组分含量为2.248~16.66 mg·g−1,蛋白质占比约44.9%~69.0%,多糖占比约31.0%~55.1%。水解酸化池及一级好氧池LB-EPS主要组分为蛋白质,TB-EPS中主要组分为多糖,二级好氧池LB-EPS主要组分为多糖,TB-EPS主要由蛋白质组成。由此可见,LB-EPS层随生物处理过程的推进,蛋白质随之降低、多糖含量随之升高。LB-EPS中多糖含量从高到低依次为二级好氧>水解酸化池>一级好氧,含量依次为1.893、0.975、0.430 mg·g−1;LB-EPS中蛋白质含量从高到低依次为水解酸化池>二级好氧池 >一级好氧池,含量依次为1.544、1.346、0.817 mg·g−1;TB-EPS中多糖含量依次为0.919、0.673、3.269 mg·g−1,蛋白质含量依次为0、0.328、10.16 mg·g−1。TB-EPS与细胞表面结合紧密,稳定地附着于细胞壁外,组分变化主要是由微生物细胞自身的变化而产生的,较少受外界水体的影响;LB-EPS结构松散,是微生物细胞与液相间物质交换的场所,易受微生物活性及外界水体的影响。

    图 4  不同处理单元中LB-EPS及TB-EPS组分比较
    Figure 4.  Comparisons of LB-EPS and TB-EPS components in different treatment units

    樊鹏超等[9]对采用A2O工艺的城市污水处理厂研究发现,EPS中蛋白质含量高于多糖,蛋白质为6.17~43.18 mg·g−1,多糖为0.970~6.76 mg·g−1。张安龙等[25]对采用氧化沟工艺的造纸厂废水处理厂研究发现,EPS中蛋白质为47.8~124 mg·g−1,多糖为13.3~25.2 mg·g−1 。SPONZA [26]发现,皮革、染料、化学3种工业废水活性污泥EPS中蛋白质含量为24~48 mg·g−1 。生物处理前端,进水中有机物浓度较高,污染负荷大,从而抑制EPS分泌,EPS总量为5.68 mg·g−1。SPONZA[26]研究发现,化学品、染料和皮革工业EPS中蛋白质含量低的原因是蛋白质与进水中高COD含量物质的复杂作用。生物处理末端,结合层EPS总量大幅度增加,TB-EPS含量增幅为93%,LB-EPS增幅为22.2%。由于二级好氧处理阶段污泥负荷小,底物基质浓度较低,微生物可利用基质减少,微生物进入内源呼吸阶段,细胞的分泌及自溶使污泥中EPS含量增大[15]。胡小兵等[10]采用加热法分层提取污水厂好氧池的活性污泥EPS,发现内层EPS的PN/PS含量高于外层EPS。周健等[27]发现,EPS及多糖含量与污泥负荷呈负相关,这与本研究中的结果相一致。

    图5可知,各处理单元的铬含量存在一定差异。以初沉池出水中铬含量为初始参照值,初沉池及水解酸化池出水经0.45 μm过滤,铬含量大幅度下降。这说明生化处理前,铬主要吸附在固体悬浮物上,大尺寸悬浮物经自然沉降附着于EPS表层,Cr3+沉淀分布在细胞表面或与EPS络合存在于微生物表面,少部分Cr3+进入细胞内部[28]。初沉池出水SMP中铬浓度为0.061 mg·L−1,经生物处理,二沉池出水SMP中铬浓度为0.099 mg·L−1,出水端中铬浓度略高于进水端。每个样品平行测定3次,基本排除了测量误差,故出水中增加的铬浓度可能是污泥中吸附累积的铬重新被释放,络合态EPS-Cr随EPS水解进入液相。这与王金翠等[29]的研究结果相似,即EPS与SMP之间存在相互转化,吸附与被吸附的关系。

    图 5  不同生物处理阶段出水和SMP中铬的分布
    Figure 5.  Distributions of chromium in the effluents and SMP at different biological treatment stages

    图6所示,水解酸化池LB-EPS、二级好氧池TB-EPS中铬含量分布较多,分别为0.491 9、1.251 mg·g−1,这可能与各处理单元的污泥负荷、溶解氧含量、EPS含量等因素有关。一级好氧池中铬含量分布均很低,主要是由于该池活性污泥浓度较高造成的,MLVSS高达6.668 g·L−1,如表1所示。二级好氧池TB-EPS中铬含量高,主要是由于胞外聚合物结合层对Cr3+的络合能力较强。这与胡小兵等[10] 的研究结果一致,即各层EPS对污泥吸附污染物的作用机制是:有机污染物通过S-EPS的吸附,经LB-EPS传输渗透到TB-EPS中储存,多糖含量的增加有利于SMP和TB-EPS对污染物的吸附。重金属铬在各池S-EPS中分布较少,主要是由于S-EPS表面结构较为光滑,结构松散,对重金属铬具有一定的吸附作用,但固定作用较弱。

    图 6  不同生物处理阶段EPS结构层中铬的分布
    Figure 6.  Distributions of chromium in the EPS structure layer at different biological treatment stages

    利用SPSS软件,对EPS各组分的蛋白质多糖含量与DOC、总铬分布情况和多糖蛋白质比进行Pearson相关性分析,结果如表2所示。从Pearson相关系数及相伴概率可知,总铬的分布与胞外聚合物中PS/PN (r=0.787, P=0.036)、与PS呈显著正相关(r=0.890,P=0.003);DOC与PN的含量呈显著正相关(r=0.941,P=0);EPS总含量对污泥中总铬的分布影响不显著。

    表 2  胞外聚合物成分含量与Cr分布的相关性
    Table 2.  Correlation matrix among EPS content and Cr distribution
    项目总CrDOCPS/PNPSPNEPS总量
    PearsonPPearsonPPearsonPPearsonPPearsonPPearsonP
    总Cr10.4590.2520.787**0.0360.890**0.0030.2660.5640.4070.148
    DOC10.0040.9910.589*0.0270.941**00.952**0
    PS/PN10.656*0.028−0.2900.386−0.0980.740
    PS10.4630.1520.645**0.003
    PN10.949**0
    EPS总量1
      注:** 在 0.01水平下(双尾)显著相关;* 在 0.05 水平下(双尾)显著相关。
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    已有研究[30-32]表明,EPS中多糖比蛋白质更容易吸附金属离子,这与多糖和蛋白质中对金属离子的活性吸附点数量和吸附点位活性大小有关。EPS中多糖是络合Cr离子主要的组分,金属离子可能首先占据多糖中的活性吸附点,待饱和后再与蛋白质中的活性吸附点位结合。刘轶等[33]认为,对活性污泥脱水性能起决定作用的不是 EPS 总量而是其各组分间的比例,EPS各组分比例可影响污泥絮体表面的离子化多聚物含量和EPS亲疏水性质。PS/PN越大,污泥EPS的Zeta电位越小,对重金属阳离子的络合作用就越强,这与本研究结果一致。朱经贺[34]发现,海藻酸钠(多糖)的加入会使重金属离子(Pb2+、Cd2+)从人血清白蛋白(HSA)上脱离,并与海藻酸钠形成络合物。这可能是由于EPS中蛋白质与多糖发生静电相互作用及反应基团间的相互干扰所致[5],说明蛋白质和多糖在EPS各组分中所占比重是影响金属铬分布的重要因素。

    1)在制革污水生物处理过程中,EPS各组分中主要成分存在蛋白质与多糖的交替变化,结合层EPS组分含量为2.248~16.66 mg·g−1。在一级生物处理中,多糖及蛋白质含量均降低;在二级生物处理中,污泥负荷小,EPS含量显著升高,主要表现在蛋白质含量增长,SMP中多糖含量大幅升高。这一结果表明生物处理中胞外聚合物存在由内向外排的过程。

    2)在制革废水生物处理中,S-EPS吸附废水中Cr3+,经LB-EPS传输渗透到TB-EPS中储存,吸附饱和或外界条件变动会引起附着于细胞表面的铬重新被释放,EPS-Cr络合物也可能由于胞外聚合物外排过程进入液相,从而影响出水水质。

    3)根据Pearson相关性分析结果,总铬的分布与胞外聚合物中PS/PN呈显著正相关(P<0.05)、总铬与PS呈显著正相关(P<0.01);DOC与PN的含量呈显著正相关(P<0.01)。这说明EPS中的不同组分含量对Cr的结合能力不同,证实了PS/PN对铬的络合起关键作用。

  • 图 1  污泥水解装置示意图及实物图

    Figure 1.  Schematic and field diagram of sludge hydrolysis equipment

    图 2  酶解时间对蛋白质溶出效果的影响

    Figure 2.  Effect of enzymatic hydrolysis time on protein dissolution

    图 3  酶解时间对NH+4-N、OP和SCOD浓度的影响

    Figure 3.  Effect of enzymatic hydrolysis time on concentrations of NH+4-N, OP and SCOD

    图 4  酶投加量对蛋白质溶出效果的影响

    Figure 4.  Effect of enzyme dosage on protein dissolution

    图 5  酶投加量对NH+4-N、OP和SCOD浓度的影响

    Figure 5.  Effects of enzyme dosage on concentrations of NH+4-N, OP and SCOD

    图 6  污泥浓度对蛋白质溶出效果的影响

    Figure 6.  Effect of sludge concentration on protein dissolution

    图 7  污泥浓度对NH+4-N、OP和SCOD的影响

    Figure 7.  Effect of sludge concentration on NH+4-N, OP and SCOD

    图 8  不同酶投加量下底物浓度对酶解速率的影响

    Figure 8.  Effect of substrate concentration on enzymatic hydrolysis rate at different enzyme dosages

    图 9  不同投加量下酶水解污泥的Lineweaver-Burk图

    Figure 9.  Linweaver-Burk diagram of sludge enzymatic hydrolysis at different enzyme dosages

    图 10  碱解时间对蛋白质溶出效果的影响

    Figure 10.  Effect of alkali hydrolysis time on protein dissolution

    图 11  碱解时间对NH+4-N、OP和SCOD浓度的影响

    Figure 11.  Effect of alkali hydrolysis time on concentrations of NH+4-N, OP and SCOD

    图 12  碱解温度对蛋白质溶出效果的影响

    Figure 12.  Effect of alkali hydrolysis temperature on protein dissolution

    图 13  碱解温度对NH+4-N、OP和SCOD浓度的影响

    Figure 13.  Effects of alkali hydrolysis temperature on concentrations of NH+4-N, OP and SCOD

    图 14  30 g·L−1污泥浓度下酶-热碱联合水解的蛋白质溶出效果

    Figure 14.  Protein dissolution from 30 g·L−1 sludge treated by enzymatic and thermo-alkali hydrolysis

    图 15  线性拟合图

    Figure 15.  Diagram of linear fit

    表 1  参数及动力学方程

    Table 1.  Parameters and dynamic equations

    酶投加量/%Km/(mg·L−1)vmax/(mg·(L·min)−1)R2显著性(α<0.05)反应动力学方程
    113.130.7090.9970.001v=0.709CS13.13+CS
    27.770.6590.9850.001v=0.659CS7.77+CS
    35.360.6110.9860.001v=0.611CS5.36+CS
    酶投加量/%Km/(mg·L−1)vmax/(mg·(L·min)−1)R2显著性(α<0.05)反应动力学方程
    113.130.7090.9970.001v=0.709CS13.13+CS
    27.770.6590.9850.001v=0.659CS7.77+CS
    35.360.6110.9860.001v=0.611CS5.36+CS
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-11-04
  • 录用日期:  2020-03-31
  • 刊出日期:  2020-08-10
张棵, 周瑜, 李秀芬, 任月萍. 基于污泥蛋白质溶出的酶-热碱联合水解中试研究[J]. 环境工程学报, 2020, 14(8): 2242-2251. doi: 10.12030/j.cjee.201911014
引用本文: 张棵, 周瑜, 李秀芬, 任月萍. 基于污泥蛋白质溶出的酶-热碱联合水解中试研究[J]. 环境工程学报, 2020, 14(8): 2242-2251. doi: 10.12030/j.cjee.201911014
ZHANG Ke, ZHOU Yu, LI Xiufen, REN Yueping. Pilot-scale study on enzymatic-thermo-alkaline joint hydrolysis based on sludge protein dissolution[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(8): 2242-2251. doi: 10.12030/j.cjee.201911014
Citation: ZHANG Ke, ZHOU Yu, LI Xiufen, REN Yueping. Pilot-scale study on enzymatic-thermo-alkaline joint hydrolysis based on sludge protein dissolution[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(8): 2242-2251. doi: 10.12030/j.cjee.201911014

基于污泥蛋白质溶出的酶-热碱联合水解中试研究

    通讯作者: 李秀芬(1968—),女,博士,教授。研究方向:环境生物技术。E-mail:xfli@jiangnan.edu.cn
    作者简介: 张棵(1995—),男,硕士研究生。研究方向:废物资源化工程。E-mail:zhangke1733@163.com
  • 1. 江南大学环境与土木工程学院,无锡 214122
  • 2. 江苏省厌氧生物技术重点实验室,无锡 214122
  • 3. 江苏省水处理技术与材料协同创新中心,苏州 215009
基金项目:
国家水体污染控制与治理科技重大专项(2015ZX07306001-5);国家重点研发计划课题(2016YFC0400707);江苏省“六大人才高峰”项目(2011-JNHB-004)

摘要: 为探究剩余污泥酶-热碱联合水解生产蛋白质工艺工业化利用的可能性,建立了1 m3·d−1的剩余污泥(含水率80%)的中试水解系统。通过对酶解时间、复合添加量及碱解温度等关键工艺因素优化,获得了中试规模污泥联合水解的最佳工艺条件;通过酶和热碱水解动力学研究,明确了联合水解过程的限速步骤。结果表明:在日处理量为1 m3剩余污泥(含水80%)的中试水解过程中,酶解时间为1.5 h、复合酶投加量为1%、污泥浓度为30 g·L−1、碱解时间1.5 h、碱解温度80 ℃时,蛋白质溶出效果最佳,上清液中蛋白质浓度为2 160 mg·L−1;污泥酶解过程符合米氏方程,碱解过程符合零级动力学方程,二者的水解速率分别为0.709 mg·(L·min)−1和11.046 mg·(L·min)−1;与碱解相比,酶解是剩余污泥联合水解的限速步骤。研究结果可为污泥联合水解工艺产蛋白质的产业化应用提供必要的技术参数。

English Abstract

  • 随着我国水处理需求及能力的大幅度提升,剩余污泥的产量也逐渐增大。据预测,2020—2025年间,剩余污泥的年产量将突破6×107 t (以含水率80%计)[1]。相比污水的处理,我国的污泥处理能力相对滞后[2]。由于污泥中含有大量的重金属和有毒有害物质[3],80%以上的污泥由于处理不当,已成为造成环境二次污染的污染源[4]。因此,污泥的妥善处理处置已成为亟需解决的环境问题之一。

    剩余污泥中的有机物主要包括蛋白质和多糖[5]。其中,蛋白质含量为20%~40%,是一种有机质资源,通过污泥蛋白质回收实现其资源化,是剩余污泥处理处置的重要途径之一[6]。剩余污泥中的蛋白质主要存在于微生物细胞内,通过水解破胞技术将微生物细胞内蛋白质释放到溶液中,是污泥蛋白质回收的前提[7]。目前,水解破胞技术主要包括物理法、化学法和生物法。XIAO等[8]采用热处理溶出污泥蛋白质,可使溶液中的蛋白质浓度提高12倍。肖本益等[9]采用碱法处理活性污泥,10 g·L−1的污泥在pH 12.0的条件下,处理12 h后,溶解性蛋白质浓度增加了2 058.6 mg·L−1。章文锋等[10]采用酶法回收污泥蛋白质,发现碱性蛋白酶在pH 8、温度55 ℃、酶投加量2%、反应时间4 h及污泥液固比4∶1条件下,污泥蛋白提取率可达52.5%。ASSAWAMONGKHOLSIRI等[11]采用热酸法溶出蛋白质,在pH为1.0的条件下,预处理6 h,然后在110 ℃下加热60 min,可溶性蛋白质浓度提高了4.8倍。CHO等[12]发现,在60 ℃和pH 12的条件下处理1 h,污泥释放的蛋白质是未预处理污泥的2.4倍,而单独碱解释放的蛋白质是未预处理污泥的2.1倍。LIU等[13]用超声联合碱处理的方法溶出污泥蛋白,在18 kHz和pH 12下处理1 h,蛋白质浓度增加到7.9 g·L−1。SAHINKAYA[14]采用超声联合酸处理的方法分解污泥,在超声功率密度为1 W·mL−1、处理时间为10 min、初始污泥pH为2.0的最佳条件下,蛋白质浓度可达1 750 mg·L−1。然而,目前污泥联合水解工艺多处于实验室研究阶段,其中试及产业化效果则有待考证。

    为此,本研究建立了日处理规模为1 m3剩余污泥(含水率为80%)的中试水解系统。采用酶联合热碱水解技术,优化了影响蛋白质溶出效果的关键工艺条件,包括酶解时间、酶投加量及碱解时间等;同时,进一步研究了污泥水解的动力学特性,解析了联合水解过程的限速步骤,以期为剩余污泥联合水解工艺的产业化应用提供必要的技术参数。

  • 实验所用污泥取自天津某污水处理厂脱水污泥,该厂采用A2/O工艺。脱水污泥含水率为80.52%、有机物含量为51.46%、粗蛋白含量为22.47%。水解用酶制剂为通用商品酶,木瓜蛋白酶和碱性蛋白酶酶活分别为8×105 U·g−1和1×105 U·g−1、最适pH分别为6.0~7.0和8.5~10.5、最适温度分别为(50~55) ℃和(40~60) ℃。

  • 处理规模为1 m3(含水率为80%)的中试污泥水解装置示意图及实物图如图1所示。水解罐内外均为不锈钢,水浴加热,功率为20 kW,容积为1.5 m3,内部直径为1.1 m。螺杆泵流量为5 m3·h−1,功率为2.2 kW。调浆桶体积为1.5 m3,使用PE材质。

  • 先将脱水污泥分别配制成20、30、40和50 g·L−1污泥混合液,在55 ℃条件下,分别投加1%、2%和3%污泥干重的复合酶(木瓜蛋白酶∶碱性蛋白酶=12∶1);然后,分别酶解1、1.5、2和2.5 h;接着,分别在70、80和90 ℃条件下,投加NaOH将污泥溶液pH调至12.5,进行热碱水解,水解时间分别为0.5、1、1.5、2、2.5和3 h,研究酶-热碱联合水解条件对蛋白质溶出效果的影响。

  • 将脱水污泥配制成10、20、30、40和50 g·L−1的污泥混合液,在55 ℃条件下,分别投加污泥干重1%、2%和3%的复合酶,研究其污泥酶解动力学特性。

    将脱水污泥配制成30 g·L−1的污泥混合液,在55 ℃条件下,分别投加污泥干重1%的复合酶,酶解1.5 h后,在80 ℃并调节pH至12.5进行碱解,研究其碱解动力学特性。

  • 污泥粗蛋白采用凯式定氮法[15]测定;TCOD(总化学需氧量)、SCOD(溶解性化学需氧量)、NH+4-N(氨氮)、PO34-P(磷酸盐)和TP(总磷)均采用标准方法[16]测定。污泥含水率、有机物含量及pH等均参照《城市污水处理厂污泥检测方法》中的方法[17]进行测定。溶液中蛋白质浓度采用考马斯亮蓝G-250法[18]测定。

    蛋白质溶出率根据式(1)计算得出。

    式中:w1为蛋白质溶出率;c为上清液蛋白质浓度,mg·L−1V为离心后所得上清液体积,L;m为原始污泥中蛋白质质量,mg。

    COD溶出率根据式(2)计算得出。

    式中:w2为COD溶出率;CSCOD为处理后上清液SCOD浓度,mg·L−1CSCOD0为原污泥溶液初始SCOD,mg·L−1CTCOD为原污泥溶液的TCOD,mg·L−1

  • 酶解时间对污泥蛋白质溶出效果的影响如图2所示,随着酶解时间的延长,蛋白质浓度和蛋白质溶出率均呈现出先增加再降低的趋势。酶解时间为1.5 h时,蛋白质浓度和蛋白质溶出率均达到最高,分别为2 381.05 mg·L−1和31.18%。酶可以破坏污泥的絮体结构[19],将细胞表面暴露出来,进一步分解微生物细胞壁[20],提高污泥的水解效果,利于蛋白质的溶出。然而,随着酶解时间的进一步提高,投加的酶会水解部分溶出的蛋白质,最终生成小分子酸、氨和CO2[21],从而导致水解液中蛋白质浓度降低,这也可以从图3NH+4-N浓度的变化看出。如图3所示,NH+4-N浓度在酶解2 h后明显上升,从47.87 mg·L−1上升到83.33 mg·L−1。这说明,过长的酶解时间会导致溶出的蛋白质分解。OP(有机磷,即总磷和磷酸盐之差)含量虽略有上升却较为接近。这说明酶解时间的延长对污泥内DNA、RNA等含有有机磷物质的溶出影响不大,即污泥破胞效果并没有随着酶解时间的延长而明显加强。这一点从SCOD的变化也能反映出来,SCOD从酶解1 h时的14 250 mg·L−1上升到酶解2.5 h时的15 400 mg·L−1,反应时间延长了1.5 h,SCOD却只增加了近1 000 mg·L−1,效果并不明显。因此,酶解时间为1.5 h时,污泥蛋白质溶出效果最佳。

    酶投加量对污泥蛋白质溶出效果的影响如图4所示,酶投加量为1%时,污泥水解液中蛋白质浓度为2 381.05 mg·L−1。当酶投加量由1%增加至3%时,水解液中蛋白质浓度及污泥蛋白质溶出率呈略微增加的趋势,蛋白质浓度只增加了3.8%。由图5可知,NH+4-N浓度随着酶投加量的增加而显著的增加。酶的投加量为3%时,污泥水解液中NH+4-N浓度为74.47 mg·L−1,相比酶投加量为1%,NH+4-N浓度增加了62%。这可能是因为,酶量较多时,蛋白质易被降解并转化为多肽和氨基酸并进一步降解[22],这也与NH+4-N浓度升高的结果一致。因此,酶投加量的增加对污泥蛋白质溶出效率几乎无影响,但成本却明显提高。从SCOD和OP含量变化也可发现,酶投加量的增加,对于污泥的破胞效果影响甚微。因此,综合考虑效果和成本,最佳的酶投加量为污泥干重的1%。

    污泥浓度对污泥蛋白质溶出率的影响如图6所示。由图6可以看出,随着污泥浓度的增加,水解液中蛋白质浓度先明显增加,后缓慢增加。当污泥浓度由20 g·L−1增加至30 g·L−1时,水解液中蛋白质浓度由1 952.47 mg·L−1增加至2 381.05 mg·L−1。然而,进一部提高污泥浓度,水解液中蛋白质浓度呈现略微增加的趋势,50 g·L−1时蛋白质浓度仅为2 512.63 mg·L−1。但是,蛋白质溶出率却随着污泥浓度的增加而降低,20 g·L−1时的蛋白质溶出率最高,达到了36.88%;其次是30 g·L−1时的31.18%,最低为50 g·L−1时的16.71%。与污泥浓度为20 g·L−1时的蛋白质浓度和溶出率相比,当污泥浓度分别为30和40 g·L−1时,其蛋白质浓度分别提高了21.95%和25.09%。但是,蛋白质溶出率却分别降低了15.46%和42.46%。可以发现,当污泥浓度高于30 g·L−1时,蛋白质浓度提升不明显,而且溶出率明显降低。这是因为,污泥浓度越高,底物所含的蛋白质含量更多,因此溶出的蛋白质浓度更高。但是,污泥浓度越高,碱及热量的传质越困难,可能导致污泥受热不均或不充分,水解效果越差[23],蛋白质溶出率越低。所以,综合考虑,污泥浓度为30 g·L−1时,蛋白质溶出效果最优。这也可以从图7中的SCOD含量变化得到印证,虽然污泥浓度的升高使水解液中的SCOD浓度也随之升高,但计算却发现COD溶出率随之降低;同时,污泥浓度的升高也会使溶液的传热效率降低,导致能耗更高,因此最佳污泥浓度为30 g·L−1

    由于污泥成分复杂,而其中的无机物无法作为底物来参与酶解反应。因此,以污泥中的VSS(可挥发性悬浮物)作为底物,来研究底物浓度与酶解速率的关系。不同酶投加量条件下,各底物浓度下的酶解速率如图8所示。可以发现,酶解速率都随着底物浓度的增加先增加,再逐渐趋于稳定,在底物浓度较低时,反应速率与底物浓度几乎呈正比关系,呈一级反应;当底物浓度较高时,反应速率增加缓慢或不增加,呈零级反应。因此,底物浓度和反应速率的曲线,符合经典的米氏方程[24],故可用米氏方程对实验数据作进一步拟合。同时发现,酶投加量的增加,在底物浓度较低时,可以提高反应速率。然而,当底物浓度大于17.37 g·L−1,即污泥浓度高于30 g·L−1时,酶投加量的增加对反应速率并无明显影响,从这一点也可以说明1%的酶投加量为最佳酶投加量。

    Michaelis-Menten假定了酶与底物的酶促反应分2步[25]进行。

    式中:K1K1K2K2分别为各向反应的速度常数;E表示酶;S表示底物;E-S表示酶-底物络合物,即中间产物;P表示最终产物。

    酶(E)与底物(S)结合生成中间产物(E-S),在中间产物分解成产物(P)的同时, E重新游离出来。在反应初期,P浓度极低,不足以引起可逆反应,故K2可忽略不计。因此,第2步反应是单向的,即可推出酶解动力学方程为式(4)。

    式中:v为酶解速率;CS为底物质量浓度;CE0=CE+CE-SCE-S为中间产物浓度。

    Km=(K1+K2)/K1, vmax=K1CE0,则方程可以简化为式(5)。方程(5)即为复合酶水解污泥的米氏方程。

    由方程(5)可以得出式(6)。

    式中:Km/vmax为直线斜率;1/vmax为截距。

    采用Lineweaver-Burk(双倒数作图法)[26]求解动力学模型参数,对Lineweaver-Burk图数据进行拟合,如图9所示。结果表明,动力学方程拟合效果较好,结果如表1所示。可见,随着酶投加量的增加,vmaxKm值都呈降低趋势。其原因可能是酶浓度的升高增强了底物竞争,这反而不利于污泥的水解。因此,1%的酶投加量为最佳,这也与前面的结果一致。当酶投加量为1%时,vmax为0.709 mg·(L·min)−1Km为13.13 mg·L−1

  • 在酶解时间1.5 h、酶投加量1%和污泥浓度30 g·L−1的最佳条件下,继续进行污泥的热碱水解。图10给出了碱解时间对污泥蛋白质溶出效率的影响。由图10可知,碱解时间为1.5 h时,水解液中的蛋白质浓度最高,达2 149.47 mg·L−1,28.15%的蛋白质溶出率也为最高。过短或过长的碱解时间均导致污泥中蛋白质溶出效率降低。这是因为,碱能使膜脂皂化和微生物细胞损伤,破坏细胞结构[27],有效地释放胞内蛋白质;但是,在碱性条件下,蛋白质易发生水解[28],当碱解时间过长时,蛋白质水解速率超过其溶出速率,降低了水解液中蛋白质浓度,影响了整个污泥水解过程中蛋白质溶出效率。期间,SCOD和NH+4-N及OP的浓度变化如图11所示。可见,随着碱解时间的延长,SCOD浓度先快速增加后缓慢增加。这是因为,更长的碱解时间导致更多的物质溶解溶入液相,提高了SCOD含量,而OP含量随着碱解时间的延长先增加后趋于稳定。NH+4-N含量的变化趋势则有所不同,呈先增加后逐渐降低的趋势。其可能的原因是,在碱性条件下,NH+4-N更容易与OH结合呈NH3·H2O状态并从液相中挥发出来,造成NH+4-N浓度的降低。这一点与BI等[29]的研究发现一致。因此,最佳碱解时间为1.5 h。

    图12所示,不同碱解温度条件下,污泥水解液的蛋白质浓度及蛋白质回收率均随着碱解温度的升高先增加后减小,分别从70 ℃时的1 944.21 mg·L−1和25.56%上升到80 ℃时的2 160 mg·L−1和28.29%,然后下降到90 ℃时的2 044.21 mg·L−1和27.28%。蛋白质在高温强碱环境下易降解发生脱氨作用,生成氨气和不饱和羧酸盐,氨气在碱性条件下逸出[30],降低了溶解性蛋白质浓度。当酶解温度温度由70 ℃升高到80 ℃时,由于温度的升高,污泥受热分解效果更好,因而蛋白质浓度和蛋白质溶出率均有所升高。然而,当酶解温度温度由80 ℃升到90 ℃时,温度的升高及升温时间的增加导致部分蛋白质的降解或变性[31]。何玉凤[32]也发现,当温度在75~95 ℃时,蛋白质容易变性,导致蛋白质浓度和溶出率的降低。观察图13中SCOD等的变化发现,随着碱解温度的升高,SCOD浓度也呈上升趋势。这说明,有更多的有机物随着温度的升高而分解,污泥水解效果得到提高。NH+4-N浓度在90 ℃下明显升高,也说明了有更多的蛋白质在此温度下被降解。OP含量从70 ℃时的84.60 mg·L−1增加90 ℃时的95.40 mg·L−1。这说明温度的升高能提高污泥的破胞效果,但效果有限。因此综合分析,最佳碱解温度为80 ℃。

    图14可知,当污泥浓度为30 g·L−1时,酶解1.5 h后进行碱解,蛋白质浓度随着碱解时间的延长而升高。酶解时间为0 min时,蛋白质浓度为1 600.01 mg·L−1。这是因为,加碱将pH调到12.5以后,升温过程中热解加上碱解,使得0 min时的蛋白质浓度较酶解完大幅上升。蛋白质浓度升高到20 min时的1 849.99 mg·L−1继而快速上升到30 min时的1 983.31 mg·L−1,一直快速上升到60 min时的2 266.61 mg·L−1。酶解时间为60~90 min时,蛋白质浓度上升变缓。酶解时间为90 min时,蛋白质浓度为2 377.71 mg·L−1,继续延长碱解时间,酶解时间到120 min时,蛋白质浓度为2 399.93 mg·L−1,趋于稳定。这可能是因为随着实验的进行,前期污泥细胞的破坏较为剧烈,导致蛋白质浓度快速升高,其后效果减弱,但是依然在进行蛋白质的溶出,最后反应接近完全。因此,蛋白质浓度趋于稳定。基于此,将60 min前结果进行线性拟合,以拟合得到的方程斜率作为该浓度下碱解反应的速率,方程拟合结果如图15所示,结果表明,动力学方程拟合效果较好。

    进一步求得方程参数,结果发现动力学方程为y=11.046x+1 630.9(R2=0.991),拟合效果较好,即30 g·L−1的污泥溶液的碱解速率为11.046 mg·(L·min)−1。可以发现,与酶解相比,碱解速率提高了15.58倍,酶解是剩余污泥联合水解的限速步骤。这是因为,酶解效果跟多种因素有关。首先,可能是因为部分生物酶被截流或束缚在污泥结构中,与污泥细胞的充分接触受到了限制[33];其次,也可能是污泥成分复杂,对酶活性影响较大。而细胞壁中存在的脂类物质可以被碱分解,只要混合均匀,碱解效果就会较好;而且,碱解温度比酶解温度高25 ℃,一般反应温度每上升10 ℃,反应速率会提高2~3倍[34]。因此,碱解速率远高于酶解速率。

  • 1)采用酶-热碱联合水解工艺,日处理量为1 m3剩余污泥(含水率80%)中试水解系统的最佳酶解时间为1.5 h、复合酶投加量为1%、污泥浓度为30 g·L−1、碱解时间为1.5 h、碱解温度为80 ℃。此时,水解上清液中蛋白质浓度为2 160 mg·L−1。以上研究结果可为该工艺的产业化应用提供必要的技术参数。

    2)剩余污泥的酶解过程遵循米氏方程,最大酶解速率vmax和米氏常数Km分别为0.709 mg·(L·min)−1和13.13 mg·L−1。剩余污泥的碱解过程符合零级动力学方程,碱解速率为11.046 mg·(L·min)−1。酶-热碱联合水解工艺中,酶解是限速步骤,如何在实践中进一步提高酶解速率是该工艺产业化应用成功与否的关键。

参考文献 (34)

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