【畢業(yè)學(xué)位論文】耦合法提取剩余污泥中蛋白質(zhì)及其后續(xù)處理研究

摘 要 城市污水廠的剩余污泥，不加處理任意排放，會(huì)嚴(yán)重的污染環(huán)境。從剩余污泥中提取蛋白質(zhì)，符合污泥資源化的目的，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)課題之一，耦合技術(shù)提取剩余污泥中蛋白質(zhì)具有明顯優(yōu)勢(shì)。本 文以武漢市沙湖污水處理廠剩余污泥為研究對(duì)象，探討了基于熱、基于超聲波的耦合技術(shù)在剩余污泥蛋白質(zhì)提取上的應(yīng)用研究，分別從反應(yīng)體系的溫度、反應(yīng)時(shí)間、 、超聲波輸出功率、超聲波輸出時(shí)間、過(guò)氧化氫投加量和作用時(shí)間、硫酸鈉投加量等條件進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究，對(duì)今后的剩余污泥蛋白質(zhì)的提取的研究起到借鑒作用。 本研究主要可分為三個(gè)部分：基于熱耦合工藝的蛋白質(zhì)提取研究；基于超聲波耦合工藝的蛋白質(zhì)提取研究；基于最佳處理?xiàng)l件下上清液作為污水廠補(bǔ)充碳源的可行性研究。通過(guò)研究得出一些新的結(jié)論。 1）在單一酸解、熱解作用下的蛋白質(zhì)提 取效果較差，熱解與酸耦合處理技術(shù)不僅具有較高的蛋白質(zhì)提取率，而且試驗(yàn)過(guò)程中酸性環(huán)境會(huì)在體系中保護(hù)蛋白質(zhì)，阻礙美拉德反應(yīng)的發(fā)生，縮短反應(yīng)時(shí)間。在試驗(yàn)溫度為 110 ，試驗(yàn) 件為 1 左右，處理時(shí)間為 6h 的情況下，蛋白質(zhì)質(zhì)提取率達(dá)到 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單一處理?xiàng)l件。 2）超聲波輸出功率為 65%（總功率為 1200w），超聲波處理時(shí)間為 22一超聲波處理的蛋白質(zhì)提取率為 提取率較高。單一過(guò)氧化氫和超聲波耦合 過(guò)氧化氫 處理剩余污泥均可以提取蛋白質(zhì)， 試驗(yàn)過(guò) 程中，過(guò)氧化氫在水解細(xì)胞壁的同時(shí)也會(huì)對(duì)溶液中蛋白質(zhì)產(chǎn)生影響，而且當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，溶液中剩余的過(guò)氧化氫會(huì)繼續(xù)水解污泥和蛋白質(zhì)，試驗(yàn)進(jìn)程較難掌握。而超聲波與硫酸鈉耦合工藝處理剩余污泥不僅蛋白質(zhì)提取率高（ ，而且試驗(yàn)進(jìn)程容易掌握，試驗(yàn)結(jié)束后無(wú)任何因素影響，試驗(yàn)清潔，不需對(duì)溶液進(jìn)行進(jìn)一步處理，最佳處理?xiàng)l件：超聲波輸出功率為 65%，超聲波輸出時(shí)間為 20（硫酸鈉）的投加量為 。 3）在最佳污泥處理?xiàng)l件下污泥溶液的上清液可作為碳氮比較低的污水的補(bǔ)充碳源。經(jīng)超聲波耦合鹽處理的剩余污泥上清液 中含有大量的 N 和 P，將 處理后的上清液做為營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)活性污泥，并對(duì)反應(yīng)器水質(zhì)情況進(jìn)行分析。經(jīng) 研究，污泥處理后上清液中 除率達(dá)到 上清液可作為補(bǔ)充碳源被活性污泥部分利用。 關(guān)鍵詞 ： 剩余污泥；蛋白質(zhì)；超聲波；熱；過(guò)氧化氫； 充碳源 研究類(lèi)型： 應(yīng)用研究 of of of it is of of of as on on of of pH be on of be on of on on of on on as 1)of of is of in of in In 10 , of pH is , h, 2)5% (200W), 2of a of 2O2 2O2 of of in of an on at of 2O2 it is to of of is , is to of of is no 5%, 0. 3) At of be as N . as of be as by 錄 I 目 錄 第 1 章 緒論 . 1 余污泥的來(lái)源、危害及其處置現(xiàn)狀 . 1 污泥來(lái)源 . 1 余污泥組成及其危害 . 2 內(nèi)外傳統(tǒng)污泥處理與處置方法 . 2 型的剩余污泥處理與處置方法 . 3 余污泥提取蛋白質(zhì)的應(yīng)用前景 . 4 . 4 泥蛋白質(zhì)應(yīng)用于泡沫滅火劑 . 5 泥蛋白質(zhì)應(yīng)用于混凝 土發(fā)泡劑 . 5 余污泥中蛋白質(zhì)提取技術(shù)現(xiàn)狀 . 6 學(xué)方法提取污泥中蛋白質(zhì) . 6 理方法提取污泥中蛋白質(zhì) . 7 物法提取污泥中蛋白質(zhì) . 7 合提取污泥中蛋白質(zhì) . 8 白質(zhì)的測(cè)定及其提取技術(shù)現(xiàn)狀 . 9 課題主要研究目的及內(nèi)容 . 10 究目的 . 10 究?jī)?nèi)容 . 11 題的創(chuàng)新點(diǎn) . 11 第 2 章 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法 . 12 言 . 12 驗(yàn)材料 . 13 驗(yàn)污泥來(lái)源 . 13 . 13 驗(yàn)設(shè)備 . 13 測(cè)項(xiàng)目和檢測(cè)方法 . 15 驗(yàn)方法 . 15 佳離心條件的試驗(yàn)方法 . 15 解處理剩余污泥提取蛋白質(zhì)試驗(yàn)方法 . 16 處理剩余污泥提取蛋白質(zhì)試驗(yàn)方法 . 16 與熱解耦合法提取剩余污泥蛋白質(zhì)試驗(yàn)方法 . 16 目 錄 超聲波法提取剩余 污泥蛋白質(zhì)試驗(yàn)方法 . 16 氧化氫氧化、超聲波與過(guò)氧化氫耦合提取剩余污泥蛋白質(zhì)的試驗(yàn)方法 17 耦合超聲波法提取剩余污泥蛋白質(zhì)的試驗(yàn)方法 . 17 泥蛋白質(zhì)提取后的上清液可生化研究的試驗(yàn)方 法 . 17 第 3 章 不同預(yù)處理工藝對(duì)剩余污泥蛋白質(zhì)提取的研究 . 18 言 . 18 驗(yàn)前期準(zhǔn)備 . 19 性污泥 . 19 余污泥 . 23 . 24 驗(yàn)最佳離心條件的確定 . 25 于熱耦合技術(shù)提取剩余污泥蛋白質(zhì)的研究 . 27 一熱處理效果 . 27 一酸處理效果 . 29 與熱處理耦合法處理效果 . 30 于超聲波耦合技術(shù)提取剩余污泥蛋白質(zhì)的研究 . 32 一超聲波處理效果 . 33 一過(guò)氧化氫處理效果 . 37 氧化氫 與超聲波耦合效果 . 39 聲波和鹽耦合效果 . 41 節(jié)小結(jié) . 43 第 4 章 處理后污泥上清液可生化性能的研究 . 45 用試驗(yàn)的上清液的選擇 . 46 驗(yàn)步驟及試驗(yàn)結(jié)果討論 . 46 驗(yàn)步驟 . 46 . 47 論 . 48 第 5 章 總結(jié) . 50 結(jié) . 50 入研究 . 51 參考文獻(xiàn)： . 52 附 錄 . 58 致 謝 . 59 緒 論 1 第 1 章 緒論 余污泥的來(lái)源、危害及其處置現(xiàn)狀 污泥來(lái)源 人均用水量是檢測(cè)一個(gè)國(guó)家或者城市發(fā)達(dá)程度的重要指標(biāo)之一。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)人均日用水量?jī)H為 86L，我國(guó)最發(fā)達(dá)的城市上海 人均 用水量為 300 500L，而美國(guó)人均日用水量 高達(dá) 575L。人均用水量直接說(shuō)明了生活 水平和生活 質(zhì)量的高低 ， 高用水量帶來(lái)高的消耗量和廢水產(chǎn)生量。 中國(guó)環(huán)科院院長(zhǎng)孟偉在第九屆循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展論壇上說(shuō) ，我國(guó)環(huán)境容量承受力約為 740 萬(wàn)噸，但實(shí)際污染排放量達(dá)3000 萬(wàn)噸；氨氮環(huán)境容量不到 30 萬(wàn)噸，實(shí)際排放量達(dá) 179 萬(wàn)噸， 污染物的排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)環(huán)境承受能力 。 廢水未經(jīng)處理隨意排放將會(huì)對(duì)環(huán)境帶來(lái)重大危害，是現(xiàn)在城市污染的主要來(lái)源。環(huán)境治理、清潔生產(chǎn)、低碳經(jīng)濟(jì)已成為現(xiàn)在社會(huì)的熱門(mén)話題，而且國(guó)家對(duì)于環(huán)保的投入也在逐年增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)北京市在 2014 年之前幾年內(nèi)將投入近萬(wàn)億元用于環(huán)境 治理方面。 水資源作為環(huán)境治理的重要一環(huán)，近年來(lái)水資源緊缺、水環(huán)境惡化現(xiàn)象日益突出，水環(huán)境保護(hù)的任務(wù)也越來(lái)越緊迫，各級(jí)政府對(duì)污水的治理的投入力度越來(lái)越大，目前污水處理廠污水來(lái)源主要包括城市污水和工業(yè)污水兩部分，國(guó)內(nèi)外對(duì)城市污水的處理主要采用的是生物法（活性污泥法）。活性污泥法以穩(wěn)定性好，處理效果良好，易操作管理等優(yōu)點(diǎn)被國(guó)內(nèi)絕大部分（ 80%以上）污水處理工藝，但是活性污泥法處理剩余污泥最大的弊端就是會(huì)產(chǎn)生大量的剩余污泥。 活性污泥是污水中各種菌體及其他物質(zhì)形成的菌膠團(tuán)，菌膠團(tuán)具有一定的穩(wěn)定性。污水由市政管道收 集進(jìn)入污水處理廠，在經(jīng)過(guò)污水提升泵房、粗細(xì)格柵、沉砂池（初沉池）、配水井后進(jìn)入生物反應(yīng)池，反應(yīng)池中含有大量的活性污泥，污水中的有機(jī)物被活性污泥菌株吸收并合成自身營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)用于生長(zhǎng)和繁殖，從而使污泥溶液濃度增加，大量的活性污泥進(jìn)入二沉池，經(jīng)過(guò)沉淀后部分污泥回流至反應(yīng)池，還有一部分過(guò)量的污泥輸送至污泥濃縮池，并在濃縮車(chē)間濃縮脫水后外運(yùn)，這部分污泥就是剩余污泥，污水處理廠的主要廢棄物。 上世紀(jì)八九十年代開(kāi)始，我國(guó)大力發(fā)展城市污水處理事業(yè)。數(shù)據(jù)顯示，在2005 年，我國(guó)僅有 708 座污水處理廠在運(yùn)行，而到 2009 年底全國(guó) 已建成并運(yùn)行的污水處理廠達(dá) 3136 座，而且還有 1518 座污水處理廠在建，城市污水處理率達(dá)到 50%1在污水得到凈化的同時(shí)，污水生物處理的副產(chǎn)物 剩余污泥的產(chǎn)量也在迅速增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)每年的污水處理量超過(guò) 400 108 噸，而且武漢紡織大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 每年產(chǎn)生的污泥 3000 萬(wàn)噸以上（按含水率 80%計(jì)算），且這一數(shù)據(jù)在以每年 10%的速度增長(zhǎng) 3據(jù) 人統(tǒng)計(jì)，在歐美國(guó)家，污泥處理的基建費(fèi)用占總基建費(fèi)用的 60%70%5，我國(guó)污泥處理費(fèi)用占污水處理廠運(yùn)行費(fèi)用的 20%50%，而且污泥的處理是一個(gè)長(zhǎng)期 工程，如此巨大的消費(fèi)對(duì)污水處理廠和地方政府來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的負(fù)擔(dān)。 余污泥組成及其危害 剩余污泥的組分復(fù)雜，其主要成分是水，固體組成主是微生物菌體和泥沙，污泥中含有大量的有毒有害物質(zhì)，如：病毒、重金屬及其化合物、鹽、寄生蟲(chóng)和致癌致病的有機(jī)化合物質(zhì)。污泥的不正當(dāng)?shù)奶幚砼c處置方法都會(huì)對(duì)環(huán)境或者人類(lèi)健康帶來(lái)危害。對(duì)于剩余污泥的主要危害主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1）污泥隨意堆放會(huì)占用大量的土地，造成土地的浪費(fèi)； 2）土壤養(yǎng)分的大量流失和鹽堿化；3）重金屬富集農(nóng)作物中造成的食品安全問(wèn)題； 4）污泥淋洗液進(jìn)入水環(huán) 境引起水源污染； 5）污泥中病原菌引起人、畜健康問(wèn)題等。剩余污泥合理的處理與處置是不得不完成的任務(wù)。 內(nèi)外傳統(tǒng)污泥處理與處置方法 據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止 2010 年，我國(guó)污泥的利用與處置現(xiàn)狀如表 1： 表 國(guó)污泥利用與處置情況表 he of in 泥農(nóng)用 填埋 其他處理 未處理 45% 30% 10% 15% 剩余污泥隨意的堆放具有一定的危害性，為防止剩余污 泥的二次污染，國(guó)內(nèi)外研究了多種污泥處理處置方法，來(lái)減少污泥帶來(lái)的危害。剩余污泥常見(jiàn)傳統(tǒng)的處置方法有污泥農(nóng)用、污泥焚燒、污泥填埋等。 1） 污泥農(nóng)用：污泥農(nóng)用主要是將污泥厭氧發(fā)酵，由于污泥中含有大量的 N、P 等元素，發(fā)酵后的剩余污泥不僅增加了污泥中易被植物吸收的物質(zhì)，同時(shí)還可以去除污泥中部分病原菌和重金屬。污泥經(jīng)過(guò)發(fā)酵后可以用于園林綠化，增加林木肥料，或者直接作為土地肥料。污泥農(nóng)用是歐美當(dāng)西方國(guó)家重要的污泥處理方式之一。據(jù)統(tǒng)計(jì) 7，早在上世紀(jì)末，英國(guó)的污泥農(nóng)用比例就達(dá)到 55%，法國(guó)利用比例達(dá)到 50%，利用率最高的是 葡萄牙，污泥農(nóng)用率高達(dá) 80%。由于污泥中的重金屬不能被有效的去除，根據(jù)農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)（ 84）中土地重金屬含量標(biāo)準(zhǔn)，污泥堆肥在土地利用上有很大的局緒 論 3 限性 8現(xiàn)在我國(guó)的污泥農(nóng)用技術(shù)仍然存在很多技術(shù)障礙，無(wú)法保證處理后的污泥營(yíng)養(yǎng)成分均衡和有害物質(zhì)有效去除，因此，我國(guó)污泥農(nóng)用無(wú)法大規(guī)模實(shí)施。 2） 污泥衛(wèi)生填埋：污泥衛(wèi)生填埋是許多國(guó)家污泥處置的主要方式之一，相較于其他處理辦法，該方法具有操作方便、工藝簡(jiǎn)單、投資少等優(yōu)點(diǎn)。由于剩余污泥與固體廢棄物相似，剩余污泥的填埋方式 與垃圾填埋方法基本相同。上世紀(jì)，衛(wèi)生填埋是歐美國(guó)家的主要處理方式之一，但是由于污泥填埋會(huì)引起土地浪費(fèi)，若處理不慎極易對(duì)土壤造成二次污染，影響地下水水質(zhì)，所以近年來(lái)歐美許多國(guó)家關(guān)閉了大量的污泥填埋場(chǎng)，我國(guó)也在積極找尋其他可替代方法。 3） 污泥焚燒：污泥焚燒是最為徹底的污泥處置方式。污泥焚燒可最大量的減少污泥中固體成分，消除污泥中的病原菌和有害有機(jī)物。近年來(lái)，污泥焚燒處理成為歐洲國(guó)家增長(zhǎng)最快的處置方式。由于現(xiàn)在污泥焚燒工藝的改良，能量利用效率和集約化程度有了很大的改善，現(xiàn)代的流化床焚燒技術(shù)相較于傳統(tǒng)的多爐焚燒手段， 無(wú)論在經(jīng)濟(jì)性、衛(wèi)生性，還是在運(yùn)行成本及自動(dòng)化管理等方面，具有越來(lái)越多的優(yōu)勢(shì)。但是較多的污泥熱值無(wú)法達(dá)到要求，需要添加助燃劑，焚燒過(guò)程耗氧量大，工藝程度復(fù)雜，運(yùn)行成本較高，而且，污泥焚燒后的煙氣含有大量的 分重金屬處置仍然是一個(gè)重要技術(shù)難題。我國(guó)在現(xiàn)階段污泥焚燒上的應(yīng)用僅為 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于西方國(guó)家的 20%11 4） 其他的污泥處理處置方法：污泥填海是上世紀(jì)污泥處理和處置的主要方法之一，被沿海的一些城市廣泛使用。近年來(lái)近海海水水質(zhì)惡化，赤潮頻發(fā)，海生生物大量死亡，絕大部分 發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)嚴(yán)厲禁止污泥填海行為，我國(guó)也于 1994年禁止海上處理廢棄物這一污泥處理方式 13 型的剩余污泥處理與處置方法 污水處理廠剩余污泥的產(chǎn)生量是巨大的，由于傳統(tǒng)的污泥的處理與處置主要集中于對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生的剩余污泥的處理，剩余污泥按每年 10%的速度增長(zhǎng)，那到2020 年，每年國(guó)內(nèi)剩余污泥總量將達(dá)到 7000 萬(wàn)噸（按 80%計(jì)算）以上，這樣龐大的數(shù)字對(duì)于傳統(tǒng)的處理方法是一個(gè)巨大的負(fù)擔(dān)。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段對(duì)剩余污泥處理與處置新興的研究方向主要分為兩部分： 1）污泥資源化； 2）污泥減量化。 1） 污 泥資源化：是利用物理、化學(xué)或者生物法將污泥中有用的物質(zhì)提取或者轉(zhuǎn)化成為可利用的資源的污泥處置新方法?，F(xiàn)階段污泥資源化利用方法主要有用剩余污泥提取生物質(zhì)油 16，污泥制氫 17，污泥作為制造建材的材料使用 18，污泥蛋白質(zhì)的回收利用等。污泥資源化是污泥處理或處置中可以實(shí)現(xiàn)盈利的處理辦法，隨著污泥處理技術(shù)的發(fā)展，污泥資源化將是污泥處置的最終方向。 武漢紡織大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 2） 污泥減量化：通過(guò)物理、化學(xué)或者生物技術(shù)處理污泥，實(shí)現(xiàn)污泥的產(chǎn)生量減少。減少污泥產(chǎn)生量主要通過(guò)以下途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)： 1、通過(guò)污水處理工藝改進(jìn)或者改變處理?xiàng)l件來(lái)減少微生物 的合成量； 2、促進(jìn)微生物的氧化、分解； 3、通過(guò)生物對(duì)微生物的捕食減少微生物的總量。根據(jù)不同的途徑，近些年對(duì)污泥減量化的技術(shù)可大致分為三類(lèi)：代謝解偶聯(lián)技術(shù)、強(qiáng)化隱性生長(zhǎng)技術(shù)、生物捕食技術(shù)。 由于現(xiàn)有的污泥資源化和減量化技術(shù)不成熟，投資費(fèi)用高等因素影響而處于研究階段。如何更好、更簡(jiǎn)便、高效和低投入的處理污泥成為現(xiàn)在研究的主要方向。 余污泥提取蛋白質(zhì)的應(yīng)用前景 隨著人類(lèi)對(duì)污染物治理認(rèn)識(shí)的加深，人類(lèi)對(duì)廢棄物的態(tài)度也在發(fā)生改變，從處置廢棄物，到從源頭上消減廢棄物，及對(duì)廢棄物的綜合利用。在剩余污泥資源利用方面 人們發(fā)現(xiàn)對(duì)待污泥還有許多其他方面的方法，如近年來(lái)人們研究如何減少污泥中的自由水與間隙水來(lái)減少污泥的含水率，從而減少污泥的體積，荷蘭某污水處理廠利用隱性生長(zhǎng)技術(shù)將處理后的剩余污泥回流至生物反應(yīng)池來(lái)增加進(jìn)水水質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)成分，減少碳源的投加量，減少剩余污泥的產(chǎn)出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)污泥零排放。我國(guó)對(duì)污泥的處理與處置起步較晚，國(guó)內(nèi)基本上仍采用傳統(tǒng)的污泥處置工藝， 21 世紀(jì)初，隨著西方對(duì)污泥處置技術(shù)的發(fā)展，新的觀念與技術(shù)傳入國(guó)內(nèi)，進(jìn)而帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)對(duì)污泥處置新技術(shù)的研究。 20 世紀(jì) 80 年代，白色污染嚴(yán)重，可降解的日用品、餐具等的研究日 益增加，蛋白質(zhì)作為可生物降解物質(zhì)也作為工藝原材料廣泛使用，而污泥的主要固體組成主要是微生物、原生動(dòng)物、后生動(dòng)物、藻類(lèi)、泥沙等，前四類(lèi)成分都是生物成分，微生物中含有大量的蛋白質(zhì)。若能從提取蛋白質(zhì)，不僅可以減少剩余污泥排放量，同時(shí)可以將其變廢為寶。據(jù)資料和近些年來(lái)的研究方向，污泥蛋白質(zhì)具有廣泛的應(yīng)用前景，但近些年的研究卻屬于起步階段，現(xiàn)階段的已做出的研究及工程應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面： 泥蛋白質(zhì)作為飼料添加劑使用 污泥蛋白質(zhì)作為飼料添加劑主要考慮的是污泥蛋白質(zhì)安全性，然后考慮蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)性以及 含量的問(wèn)題。 1992 年就對(duì)污泥中蛋白質(zhì)可用于飼料的可行性進(jìn)行分析，并提出作為飼料的基礎(chǔ)是安全性， 1997 年 人研究發(fā)現(xiàn)生活污水剩余污泥中含有超過(guò) 40%的蛋白質(zhì)， 990)研究發(fā)現(xiàn)，污泥中70的粗蛋白質(zhì)以氨基酸形式存在，各氨基酸之間相對(duì)平衡，對(duì)污泥可成為蛋白緒 論 5 質(zhì)提取的原材料提供可靠依據(jù) 19趙順順、孟范平等人研究發(fā)現(xiàn)剩余污泥提取的蛋白質(zhì)具有較大的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和安全性，由于超聲波、堿、酸等處理可以有效殺滅污泥中的病原菌，在對(duì)處理后蛋白質(zhì)沉淀物用 火焰一石墨爐原子吸收光譜儀檢測(cè)其中重金屬含量極少， 金屬均具有較好的去除效果，其均符合國(guó)家對(duì)食品添加劑標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)各重金屬規(guī)定值。沉淀物中蛋白質(zhì)含量在 80左右，沉淀的蛋白質(zhì)大部分以氨基酸形式存在，而且氨基酸中有 7 種生物必須氨基酸和 8 種非必須氨基酸，對(duì)蛋白質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值進(jìn)行有所保證22因此污泥蛋白質(zhì)作為飼料添加劑是可行的而且隨著技術(shù)的進(jìn)步對(duì)污泥蛋白質(zhì)可食用的研究也會(huì)越來(lái)越多。 泥蛋白質(zhì)應(yīng)用于泡沫滅火劑 污泥蛋白質(zhì)作為泡沫滅火劑的研究是在近幾年內(nèi)才發(fā)展起來(lái) 的，而且各國(guó)對(duì)這方面的研究仍然較為稀少。在 2004 年湖北大學(xué)李亞?wèn)| 25人對(duì)剩余污泥蛋白質(zhì)進(jìn)行研究，在不同預(yù)處理?xiàng)l件下所得蛋白質(zhì)的滅火效果不同。蛋白質(zhì)泡沫滅火劑具有可靠性大、安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，而且其粘度、發(fā)泡倍數(shù)、滅火時(shí)間、抗燒時(shí)間等各項(xiàng)指標(biāo)完全可以達(dá)到國(guó)家對(duì)滅火器各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定數(shù)值，在滅火過(guò)程中以及在滅火之后 ,對(duì)火場(chǎng)的保護(hù)性能優(yōu)良，它有良好的生物降解性，相對(duì)于傳統(tǒng)泡沫滅火器，蛋白質(zhì)制備的滅火器是現(xiàn)階段唯一可以完全降解的滅火劑材料，對(duì)環(huán)境危害降到最小。泡沫滅火器是可降解滅火材料的發(fā)展方 向，由于對(duì)污泥蛋白質(zhì)制作泡沫滅火劑的研究起步晚，近年來(lái)其研究仍然處于起步階段，因此污泥蛋白質(zhì)應(yīng)用于泡沫滅火劑具有很大的發(fā)展前景。 泥蛋白質(zhì)應(yīng)用于混凝土發(fā)泡劑 隨著社會(huì)發(fā)展，環(huán)保觀念的提高，以及國(guó)家對(duì)于耕種土地的保護(hù)，近年來(lái)燒制磚類(lèi)的減少導(dǎo)致泡沫混凝土類(lèi)建材的需求量急劇正價(jià)，發(fā)泡性能的好壞以及泡沫穩(wěn)定性的優(yōu)劣是泡沫混凝土的性能的重要影響因素。發(fā)泡劑主要是具有表面活性劑或者表面活性的物質(zhì)，表面活性物質(zhì)包括動(dòng)物蛋白、植物蛋白、紙漿廢液等，通過(guò)對(duì)污泥的組成研究，污泥中含有大量的微生物、原生動(dòng)物和藻類(lèi)， 而且污泥中具有較高的蛋白質(zhì)含量，這為污泥可以作為發(fā)泡劑的蛋白質(zhì)提取原料提供依據(jù)。李軍偉等 27活性污泥蛋白質(zhì)濃度為 2%時(shí)，發(fā)泡劑的發(fā)泡性能和泡沫穩(wěn)定性較好，在與適當(dāng)濃度的十二烷基苯磺酸鈉復(fù)配發(fā)泡液制備泡沫，制備出來(lái)的泡沫混凝土砌塊在抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度上均能滿(mǎn)足泡沫混凝土砌塊（ 1062 2007）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，試驗(yàn)結(jié)果表明污泥蛋白質(zhì)作為混凝土發(fā)泡劑是可行的，也是污泥資源化利用的可行方向之一。 武漢紡織大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 污泥作為廢棄物卻能夠得到有效利用對(duì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)來(lái)說(shuō)都具有重大意義，隨著研究的深入，污水處理廠剩 余污泥的應(yīng)用將會(huì)更廣泛，利用價(jià)值將會(huì)更高。 基于以上分析，本課題擬提出以城市污水處理廠的剩余污泥為研究對(duì)象，提取其中蛋白質(zhì)，將剩余污泥這一廢棄物進(jìn)行資源化利用?，F(xiàn)階段制約污泥蛋白質(zhì)綜合利用的主要因素是蛋白質(zhì)難以大量提取，以及技術(shù)和資金投資過(guò)高，若蛋白質(zhì)大量提取能得以實(shí)現(xiàn)，這不僅能大大減緩污泥處置的難題，同時(shí)可以在一定程度上緩解當(dāng)今能源危機(jī)及資源緊缺的趨勢(shì)，因此污泥的資源化具有較大的研究意義。 余污泥中蛋白質(zhì)提取技術(shù)現(xiàn)狀 隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的污泥處理與處置技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足世界科研人員對(duì)環(huán)境和資源的 要求，因此近年來(lái)各國(guó)專(zhuān)家學(xué)者將視野放到污泥減量化和資源化方面的研究上來(lái)，尤其是近十幾年來(lái)，對(duì)污泥蛋白質(zhì)提取技術(shù)的研究取得較大進(jìn)展，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外對(duì)污泥提取的技術(shù)的研究主要在以下幾個(gè)領(lǐng)域：化學(xué)法、物理法、生物法以及多種方法耦合法。 學(xué)方法提取污泥中蛋白質(zhì) 化學(xué)法是利用化學(xué)試劑在適當(dāng)?shù)臈l件下，使細(xì)胞破碎，細(xì)胞中的蛋白質(zhì)釋放出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)污泥蛋白質(zhì)提取的方法，是主要的污泥蛋白質(zhì)提取方法之一。常見(jiàn)的化學(xué)方法有酸水解法、堿水解法、高級(jí)氧化法。對(duì)于污泥采用不同的處理方法，污泥蛋白質(zhì)的提取率也不盡相同。 用氫氧化鈉與氯化鈉在單獨(dú)或聯(lián)合作用下對(duì)污泥進(jìn)行處理，從污泥中提取出蛋白質(zhì)，而且氫氧化鈉中加入少量的氯化鈉提取率更高些。 分別采用水、曲拉通 及氫氧化鈉溶液從干燥的污泥中進(jìn)行了蛋白質(zhì)的提取研究，發(fā)現(xiàn)污泥中蛋白質(zhì)可以被提取出來(lái)，而且蛋白質(zhì)更容易被堿性物質(zhì)所提取出來(lái)，而國(guó)內(nèi)在 2000 年后國(guó)內(nèi)在西方學(xué)者研究的基礎(chǔ)上對(duì)處理技術(shù)上的改進(jìn)也取得較好結(jié)果 29污泥破解后的溶液中的溶解性有機(jī)物的主要成分為蛋白質(zhì)、 碳水化合物和揮發(fā)性脂肪酸 (三者之和約占總量的 80% 90%)，蛋白質(zhì)有較高的提取價(jià)值，其中肖本益 32等在對(duì)酸堿處理的比較，對(duì) 減少量進(jìn)行比較， 而酸解處理的減少量?jī)H為 化學(xué)處理技術(shù)主要的試劑包括鹽酸、硫酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣、臭氧、 。周麗麗 33等，根據(jù)兩種不同的堿（ H)2）相互配合在不同 度、時(shí)間條件下蛋白質(zhì)的提取率達(dá) 在增加蛋白質(zhì)提取綠的同時(shí)可以減少的緒 論 7 堿的使用量。崔靜等 34,利用熱堿溶液處理剩余污泥得到較高的蛋白 質(zhì)提取率。但是由于向污泥中投加化學(xué)試劑使的污泥的沉降性能、脫水性能都受到影響，因此各國(guó)學(xué)者都在尋求可以減少化學(xué)試劑的用量與減少對(duì)污泥性能的影響并且可以更好的提取蛋白質(zhì)的效率上來(lái)。 理方法提取污泥中蛋白質(zhì) 物理法主要是利用外界的機(jī)械能或者熱能作用于微生物的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)最大程度的釋放，從而實(shí)現(xiàn)最好的提取效果。物理方法包括傳統(tǒng)的機(jī)械法和非機(jī)械法，包括勻漿、研磨、壓榨、超聲、熱解、微波處理等?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外研究最多的組要是超聲波溶胞技術(shù)、熱解和微波熱解技術(shù)。超聲波技術(shù)是現(xiàn)階段研究較多的方 向之一，超聲波技術(shù)是利用高頻率（ 20波在液體中產(chǎn)生的“空穴”作用，形成極端的物理和力學(xué)條件，在溶液局部地區(qū)形成高溫、高壓以及巨大的橫向剪切力作用使細(xì)菌細(xì)胞壁擊破，胞內(nèi)物質(zhì)釋放到外環(huán)境中。超聲波技術(shù)最早是應(yīng)用在污泥減量化技術(shù)方面， 20 世紀(jì) 60 年代，歐洲一些污水處理廠利用超聲波技術(shù)處理剩余污泥，并將處理后的污泥回流至反應(yīng)池來(lái)增加碳源，同時(shí)實(shí)現(xiàn)污泥的減量化。 1998 年開(kāi)始，在以德國(guó)漢堡工業(yè)大學(xué)的奈斯教授為首的一批研究人員的努力改進(jìn)原有的污泥減量技術(shù)，使得能量的投入產(chǎn)出比得到顯著下降。上世紀(jì) 90 年代后，德國(guó)、英國(guó)、美國(guó)等許多西方國(guó)家的污水已安裝并使用該技術(shù)，但是在超聲應(yīng)用于污泥資源化（如提取蛋白質(zhì)）但研究才于 90 年代開(kāi)始 35近些年來(lái)相玉林、張衛(wèi)江等 37對(duì)超聲波在污泥提取蛋白質(zhì)方面的應(yīng)用進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)研究，在超聲輻射 202,電流強(qiáng)度 情況下，蛋白質(zhì)提取率達(dá)到 73%。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)關(guān)于超聲處理蛋白質(zhì)的研究如雨后春筍般越來(lái)越多，科研成果可見(jiàn)一斑 38微波技術(shù)處理和熱解在處理原理上相同，都是利用加熱使微生物受熱膨脹導(dǎo)致生物細(xì)胞破碎，使胞內(nèi)的蛋白質(zhì)、膠質(zhì)、礦物質(zhì) 以及細(xì)胞碎片，從而實(shí)現(xiàn)提取目的，一般的熱解溫度在 165 180之間。趙連梅等研究表明，相對(duì)于普通熱解，微波處理利用微波強(qiáng)勁的穿透力使污泥的各部位得到均勻加熱，效果更好，同時(shí)蛋白質(zhì)提取率隨著溫度的升高而增加，同時(shí)相應(yīng)的處理時(shí)間也減少 41。 物法提取污泥中蛋白質(zhì) 生物法又叫酶解法，是向污泥中投加能夠分泌胞外酶的細(xì)菌或者直接投加溶菌酶等酶制劑（抗生素）等物質(zhì)水解細(xì)胞壁，以達(dá)到溶胞的目的的處理方法。2向污泥中投加溶菌酶使其達(dá)到 10，污泥中的游離的固體顆粒的含量占 聚合體的比例由處理前的 26%提高到 48%，說(shuō)明酶制劑能有效溶解污泥武漢紡織大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 中的細(xì)菌等成分。武漢理工大學(xué)的梁艷 43用酒曲對(duì)污泥進(jìn)行處理，結(jié)論顯示：酒曲種類(lèi)、酒曲投加量、溫度都對(duì)污泥的處理效果有較大影響，在處理溫度為35、米酒曲、酒曲含率為 10%條件下，污泥中的 第五天時(shí)達(dá)到3723mg/少量達(dá)到 污泥出現(xiàn)較多的溶胞現(xiàn)象，其中酒曲投加量相較于其他因素影響因子較大。王偉怡 44采用靜態(tài)試驗(yàn)考察脫水污泥、濃縮污泥、在投加與不投加 10%米酒曲 (按含固量計(jì) )并在 30 1環(huán)境下厭氧發(fā)酵的結(jié)果對(duì)比，投加酒曲的明顯酵解效果好，結(jié)果顯示投加酒曲的污泥 加了74%。雖然生物處理污泥具有較高的污泥破解效果，但是許多的酶制劑對(duì)污泥中的蛋白質(zhì)、多糖、 成分也有水解效果，使提取的蛋白質(zhì)含量較少，因此，生物法應(yīng)用于污泥提取物的研究較少。 合提取污泥中蛋白質(zhì) 由于對(duì)單獨(dú)的化學(xué)處理方法取得的效果并不理想以及對(duì)最優(yōu)良效果的追求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將視線轉(zhuǎn)移到各種不同的處理技術(shù)耦合在一起方面的研究中。5利用氫氧化鈉與氯化鈉耦合一起處理剩余污泥，發(fā)現(xiàn)在氯化鈉與氫氧化鈉耦合 處理污泥提取蛋白質(zhì)時(shí)較單一氫氧化鈉處理提取率有所提升。6等人對(duì)堿和超聲波前處理的結(jié)合對(duì)污泥分解的影響進(jìn)行研究，結(jié)果顯示耦合后的效果相對(duì)于某一單獨(dú)處理方式的蛋白質(zhì)提取率高出少許。7等人研究超聲波和高壓、熱處理和臭氧、物理處理耦合的試驗(yàn)條件進(jìn)行處理污泥，結(jié)果顯示不用的耦合處理方法具有不同的處理效果，熱處理與臭氧的耦合效果更好些。國(guó)內(nèi)對(duì)耦合技術(shù)的研究雖比國(guó)外晚上一些，但是也取得了巨大進(jìn)展，現(xiàn)在主要的耦合包括以超聲波為主的耦合技術(shù)和以熱為主的耦合技術(shù) ，其中超聲波為主的耦合技術(shù)包括超聲波酸解耦合、超聲波堿解耦合、超聲波熱解耦合、超聲波氧化劑耦合、不同頻率的超聲波耦合 48等，以熱為主的耦合技術(shù)包括熱堿耦合、熱酸耦合、微波酸耦合、微波堿耦合、微波臭氧耦合等技術(shù)。崔靜、董岸杰 49等在研究熱與堿的耦合條件下（ 3、 T=140）時(shí)得到 蛋白質(zhì)提取率，其中 較于溫度來(lái)說(shuō)影響更大； 常修 50研究超聲波與 化劑耦合的情況下污泥中的 加量超過(guò) 5 倍（單純的化結(jié)果僅為 ），效果明顯強(qiáng) 于單純的氧化處理；毛艷萍、劉廣益52人在近些年的研究表明耦合技術(shù)對(duì)污泥破解的效果的影響因素較多，而且不同的污泥影響因素不盡相同，但是相對(duì)而言耦合工藝處理污泥用于提取蛋白質(zhì)的效果明顯好于單一條件處理。秦曉等在研究中均發(fā)現(xiàn)，在單純的化學(xué)條件處理?xiàng)l件下，污泥破碎效果不明顯，然而在高溫（ 121 左右）與各種化學(xué)處理方法耦合條件下，污泥破碎效果有很大提升，污泥蛋白質(zhì)提取率均達(dá)到 60%左右。 緒 論 9 綜上所述，目前單獨(dú)的物理、化學(xué)和生物方法均可實(shí)現(xiàn)從剩余污泥中提取蛋白質(zhì)，但是存能耗高和藥耗高，效率較低的問(wèn)題。耦合技 術(shù)如果運(yùn)用得當(dāng)，不僅可以在降低能量和藥品添加量的同時(shí)還可以大大提高污泥蛋白質(zhì)的提取效率，且采用基于熱解的耦合技術(shù)和基于超聲波的耦合技術(shù)在效率上普遍較高。因此，耦合 技術(shù)是現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外污泥蛋白質(zhì)提取的熱點(diǎn)方向。 各種不同的剩余污泥蛋白質(zhì)提取技術(shù)，由于技術(shù)方面存在許多問(wèn)題，目前世界各地仍處在試驗(yàn)研究階段，很少有實(shí)際工程應(yīng)用?；瘜W(xué)法處理后的污泥存在沉降性能、脫水性能以及酸堿性等方面的不同改變，而這些都沒(méi)有得到解決，對(duì)于機(jī)械類(lèi)處理方法存在設(shè)備組建問(wèn)題、能耗問(wèn)題、成本問(wèn)題、設(shè)備腐蝕、磨損問(wèn)題以及操作復(fù)雜問(wèn)題等。 另外， 據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道 58用蛋白質(zhì)提取技術(shù)處理剩余污泥后，提取過(guò)蛋白質(zhì)的上清液仍含有部分 我國(guó)城市污水處理廠采用的生物工藝中，普遍存在著碳源不足的問(wèn)題 61對(duì)于這部分 否可作為生物工藝的有效補(bǔ)充碳源，目前罕有研究。 因此，基于以上污泥蛋白質(zhì)提取技術(shù)現(xiàn)狀，結(jié)合當(dāng)前城市污水處理廠普遍存在的問(wèn)題，本課題擬研究從剩余污泥中提取蛋白質(zhì)的高效耦合方法，并試圖探討城市污水廠補(bǔ)充碳源的新途徑。 白質(zhì)的測(cè)定及其提取技術(shù)現(xiàn)狀 現(xiàn)階段的污泥處理方法都具有一定效果，然而，如何快捷、簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確的 測(cè)量蛋白質(zhì)是得出處理方法優(yōu)良的前提。蛋白質(zhì)主要是根據(jù)蛋白質(zhì)的性質(zhì)和成分來(lái)測(cè)量的，可分為兩大類(lèi)：第一類(lèi)根據(jù)蛋白質(zhì)分子中含氮量、肽鍵和折射率等測(cè)定蛋白質(zhì)的含量，即利用蛋白質(zhì)分子的共同特性來(lái)測(cè)量蛋白質(zhì)含量；第二類(lèi)是根據(jù)不同的蛋白質(zhì)分子中含有特定的氨基酸殘基或者芳香基團(tuán)等測(cè)定蛋白質(zhì)的含量，即利用蛋白質(zhì)分子部分特性來(lái)測(cè)量的?，F(xiàn)在蛋白質(zhì)常用的測(cè)量方法包括以下種： （ 1）凱氏定氮法 64凱氏定氮法是國(guó)標(biāo)法測(cè)定蛋白質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)方法之一。由于 蛋白質(zhì) 是含氮化合物，而且蛋白質(zhì)的含量與含氮量有換算關(guān)系（蛋白質(zhì)的含量 =含氮量 ，所以可以利用物質(zhì)含氮量來(lái)計(jì)算物質(zhì)蛋白質(zhì)含量。凱氏定氮法是將含蛋白質(zhì)物質(zhì)與 98%濃硫酸和五水硫酸銅及硫酸鉀混合物加熱，蛋白質(zhì)分解并與溶液中的硫酸反應(yīng)生成硫酸銨，硫酸銨與定氮蒸餾裝