摘 要 城市污水廠的剩余污泥，不加處理任意排放，會嚴重的污染環(huán)境。從剩余污泥中提取蛋白質(zhì)，符合污泥資源化的目的，是當前研究的熱點課題之一，耦合技術(shù)提取剩余污泥中蛋白質(zhì)具有明顯優(yōu)勢。本 文以武漢市沙湖污水處理廠剩余污泥為研究對象，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)提取上的應用研究，分別從反應體系的溫度、反應時間、 、超聲波輸出功率、超聲波輸出時間、過氧化氫投加量和作用時間、硫酸鈉投加量等條件進行系統(tǒng)的分析研究，對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；基于最佳處理條件下上清液作為污水廠補充碳源的可行性研究。通過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，而且試驗過程中酸性環(huán)境會在體系中保護蛋白質(zhì)，阻礙美拉德反應的發(fā)生，縮短反應時間。在試驗溫度為 110 ，試驗 件為 1 左右，處理時間為 6h 的情況下，蛋白質(zhì)質(zhì)提取率達到 遠遠大于單一處理條件。 2）超聲波輸出功率為 65%（總功率為 1200w），超聲波處理時間為 22一超聲波處理的蛋白質(zhì)提取率為 提取率較高。單一過氧化氫和超聲波耦合 過氧化氫 處理剩余污泥均可以提取蛋白質(zhì)， 試驗過 程中，過氧化氫在水解細胞壁的同時也會對溶液中蛋白質(zhì)產(chǎn)生影響，而且當試驗結(jié)束時，溶液中剩余的過氧化氫會繼續(xù)水解污泥和蛋白質(zhì)，試驗進程較難掌握。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（ ，而且試驗進程容易掌握，試驗結(jié)束后無任何因素影響，試驗清潔，不需對溶液進行進一步處理，最佳處理條件：超聲波輸出功率為 65%，超聲波輸出時間為 20（硫酸鈉）的投加量為 。 3）在最佳污泥處理條件下污泥溶液的上清液可作為碳氮比較低的污水的補充碳源。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養(yǎng)液培養(yǎng)活性污泥，并對反應器水質(zhì)情況進行分析。經(jīng) 研究，污泥處理后上清液中 除率達到 上清液可作為補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；過氧化氫； 充碳源 研究類型： 應用研究 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 余污泥的來源、危害及其處置現(xiàn)狀 . 1 污泥來源 . 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)的應用前景 . 4 . 4 泥蛋白質(zhì)應用于泡沫滅火劑 . 5 泥蛋白質(zhì)應用于混凝 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 究內(nèi)容 . 11 題的創(chuàng)新點 . 11 第 2 章 試驗材料和試驗方法 . 12 言 . 12 驗材料 . 13 驗污泥來源 . 13 . 13 驗設備 . 13 測項目和檢測方法 . 15 驗方法 . 15 佳離心條件的試驗方法 . 15 解處理剩余污泥提取蛋白質(zhì)試驗方法 . 16 處理剩余污泥提取蛋白質(zhì)試驗方法 . 16 與熱解耦合法提取剩余污泥蛋白質(zhì)試驗方法 . 16 目 錄 超聲波法提取剩余 污泥蛋白質(zhì)試驗方法 . 16 氧化氫氧化、超聲波與過氧化氫耦合提取剩余污泥蛋白質(zhì)的試驗方法 17 耦合超聲波法提取剩余污泥蛋白質(zhì)的試驗方法 . 17 泥蛋白質(zhì)提取后的上清液可生化研究的試驗方 法 . 17 第 3 章 不同預處理工藝對剩余污泥蛋白質(zhì)提取的研究 . 18 言 . 18 驗前期準備 . 19 性污泥 . 19 余污泥 . 23 . 24 驗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 用試驗的上清液的選擇 . 46 驗步驟及試驗結(jié)果討論 . 46 驗步驟 . 46 . 47 論 . 48 第 5 章 總結(jié) . 50 結(jié) . 50 入研究 . 51 參考文獻： . 52 附 錄 . 58 致 謝 . 59 緒 論 1 第 1 章 緒論 余污泥的來源、危害及其處置現(xiàn)狀 污泥來源 人均用水量是檢測一個國家或者城市發(fā)達程度的重要指標之一。 據(jù)統(tǒng)計，我國人均日用水量僅為 86L，我國最發(fā)達的城市上海 人均 用水量為 300 500L，而美國人均日用水量 高達 575L。人均用水量直接說明了生活 水平和生活 質(zhì)量的高低 ， 高用水量帶來高的消耗量和廢水產(chǎn)生量。 中國環(huán)科院院長孟偉在第九屆循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展論壇上說 ，我國環(huán)境容量承受力約為 740 萬噸，但實際污染排放量達3000 萬噸；氨氮環(huán)境容量不到 30 萬噸，實際排放量達 179 萬噸， 污染物的排放量遠遠超過環(huán)境承受能力 。 廢水未經(jīng)處理隨意排放將會對環(huán)境帶來重大危害，是現(xiàn)在城市污染的主要來源。環(huán)境治理、清潔生產(chǎn)、低碳經(jīng)濟已成為現(xiàn)在社會的熱門話題，而且國家對于環(huán)保的投入也在逐年增加，據(jù)統(tǒng)計北京市在 2014 年之前幾年內(nèi)將投入近萬億元用于環(huán)境 治理方面。 水資源作為環(huán)境治理的重要一環(huán)，近年來水資源緊缺、水環(huán)境惡化現(xiàn)象日益突出，水環(huán)境保護的任務也越來越緊迫，各級政府對污水的治理的投入力度越來越大，目前污水處理廠污水來源主要包括城市污水和工業(yè)污水兩部分，國內(nèi)外對城市污水的處理主要采用的是生物法（活性污泥法）?；钚晕勰喾ㄒ苑€(wěn)定性好，處理效果良好，易操作管理等優(yōu)點被國內(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，菌膠團具有一定的穩(wěn)定性。污水由市政管道收 集進入污水處理廠，在經(jīng)過污水提升泵房、粗細格柵、沉砂池（初沉池）、配水井后進入生物反應池，反應池中含有大量的活性污泥，污水中的有機物被活性污泥菌株吸收并合成自身營養(yǎng)物質(zhì)用于生長和繁殖，從而使污泥溶液濃度增加，大量的活性污泥進入二沉池，經(jīng)過沉淀后部分污泥回流至反應池，還有一部分過量的污泥輸送至污泥濃縮池，并在濃縮車間濃縮脫水后外運，這部分污泥就是剩余污泥，污水處理廠的主要廢棄物。 上世紀八九十年代開始，我國大力發(fā)展城市污水處理事業(yè)。數(shù)據(jù)顯示，在2005 年，我國僅有 708 座污水處理廠在運行，而到 2009 年底全國 已建成并運行的污水處理廠達 3136 座，而且還有 1518 座污水處理廠在建，城市污水處理率達到 50%1在污水得到凈化的同時，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，目前我國每年的污水處理量超過 400 108 噸，而且武漢紡織大學碩士學位論文 2 每年產(chǎn)生的污泥 3000 萬噸以上（按含水率 80%計算），且這一數(shù)據(jù)在以每年 10%的速度增長 3據(jù) 人統(tǒng)計，在歐美國家，污泥處理的基建費用占總基建費用的 60%70%5，我國污泥處理費用占污水處理廠運行費用的 20%50%，而且污泥的處理是一個長期 工程，如此巨大的消費對污水處理廠和地方政府來說是一個巨大的負擔。 余污泥組成及其危害 剩余污泥的組分復雜，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、寄生蟲和致癌致病的有機化合物質(zhì)。污泥的不正當?shù)奶幚砼c處置方法都會對環(huán)境或者人類健康帶來危害。對于剩余污泥的主要危害主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 1）污泥隨意堆放會占用大量的土地，造成土地的浪費； 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題； 4）污泥淋洗液進入水環(huán) 境引起水源污染； 5）污泥中病原菌引起人、畜健康問題等。剩余污泥合理的處理與處置是不得不完成的任務。 內(nèi)外傳統(tǒng)污泥處理與處置方法 據(jù)統(tǒng)計，截止 2010 年，我國污泥的利用與處置現(xiàn)狀如表 1： 表 國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，國內(nèi)外研究了多種污泥處理處置方法，來減少污泥帶來的危害。剩余污泥常見傳統(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)，同時還可以去除污泥中部分病原菌和重金屬。污泥經(jīng)過發(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)用是歐美當西方國家重要的污泥處理方式之一。據(jù)統(tǒng)計 7，早在上世紀末，英國的污泥農(nóng)用比例就達到 55%，法國利用比例達到 50%，利用率最高的是 葡萄牙，污泥農(nóng)用率高達 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準（ 84）中土地重金屬含量標準，污泥堆肥在土地利用上有很大的局緒 論 3 限性 8現(xiàn)在我國的污泥農(nóng)用技術(shù)仍然存在很多技術(shù)障礙，無法保證處理后的污泥營養(yǎng)成分均衡和有害物質(zhì)有效去除，因此，我國污泥農(nóng)用無法大規(guī)模實施。 2） 污泥衛(wèi)生填埋：污泥衛(wèi)生填埋是許多國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、工藝簡單、投資少等優(yōu)點。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，衛(wèi)生填埋是歐美國家的主要處理方式之一，但是由于污泥填埋會引起土地浪費，若處理不慎極易對土壤造成二次污染，影響地下水水質(zhì)，所以近年來歐美許多國家關(guān)閉了大量的污泥填埋場，我國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物。近年來，污泥焚燒處理成為歐洲國家增長最快的處置方式。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， 無論在經(jīng)濟性、衛(wèi)生性，還是在運行成本及自動化管理等方面，具有越來越多的優(yōu)勢。但是較多的污泥熱值無法達到要求，需要添加助燃劑，焚燒過程耗氧量大，工藝程度復雜，運行成本較高，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重要技術(shù)難題。我國在現(xiàn)階段污泥焚燒上的應用僅為 遠遠低于西方國家的 20%11 4） 其他的污泥處理處置方法：污泥填海是上世紀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)達國家已經(jīng)嚴厲禁止污泥填海行為，我國也于 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，那到2020 年，每年國內(nèi)剩余污泥總量將達到 7000 萬噸（按 80%計算）以上，這樣龐大的數(shù)字對于傳統(tǒng)的處理方法是一個巨大的負擔。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段對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。現(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。 武漢紡織大學碩士學位論文 4 2） 污泥減量化：通過物理、化學或者生物技術(shù)處理污泥，實現(xiàn)污泥的產(chǎn)生量減少。減少污泥產(chǎn)生量主要通過以下途徑來實現(xiàn)： 1、通過污水處理工藝改進或者改變處理條件來減少微生物 的合成量； 2、促進微生物的氧化、分解； 3、通過生物對微生物的捕食減少微生物的總量。根據(jù)不同的途徑，近些年對污泥減量化的技術(shù)可大致分為三類：代謝解偶聯(lián)技術(shù)、強化隱性生長技術(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，投資費用高等因素影響而處于研究階段。如何更好、更簡便、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)的應用前景 隨著人類對污染物治理認識的加深，人類對廢棄物的態(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)對待污泥還有許多其他方面的方法，如近年來人們研究如何減少污泥中的自由水與間隙水來減少污泥的含水率，從而減少污泥的體積，荷蘭某污水處理廠利用隱性生長技術(shù)將處理后的剩余污泥回流至生物反應池來增加進水水質(zhì)的營養(yǎng)成分，減少碳源的投加量，減少剩余污泥的產(chǎn)出，進而實現(xiàn)污泥零排放。我國對污泥的處理與處置起步較晚，國內(nèi)基本上仍采用傳統(tǒng)的污泥處置工藝， 21 世紀初，隨著西方對污泥處置技術(shù)的發(fā)展，新的觀念與技術(shù)傳入國內(nèi)，進而帶動了國內(nèi)對污泥處置新技術(shù)的研究。 20 世紀 80 年代，白色污染嚴重，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、原生動物、后生動物、藻類、泥沙等，前四類成分都是生物成分，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，同時可以將其變廢為寶。據(jù)資料和近些年來的研究方向，污泥蛋白質(zhì)具有廣泛的應用前景，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用主要集中在以下幾個方面： 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)營養(yǎng)性以及 含量的問題。 1992 年就對污泥中蛋白質(zhì)可用于飼料的可行性進行分析，并提出作為飼料的基礎是安全性， 1997 年 人研究發(fā)現(xiàn)生活污水剩余污泥中含有超過 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，各氨基酸之間相對平衡，對污泥可成為蛋白緒 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)具有較大的營養(yǎng)價值和安全性，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，其均符合國家對食品添加劑標準中對各重金屬規(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，對蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價值進行有所保證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)的進步對污泥蛋白質(zhì)可食用的研究也會越來越多。 泥蛋白質(zhì)應用于泡沫滅火劑 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 的，而且各國對這方面的研究仍然較為稀少。在 2004 年湖北大學李亞東 25人對剩余污泥蛋白質(zhì)進行研究，在不同預處理條件下所得蛋白質(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，而且其粘度、發(fā)泡倍數(shù)、滅火時間、抗燒時間等各項指標完全可以達到國家對滅火器各項標準規(guī)定數(shù)值，在滅火過程中以及在滅火之后 ,對火場的保護性能優(yōu)良，它有良好的生物降解性，相對于傳統(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，由于對污泥蛋白質(zhì)制作泡沫滅火劑的研究起步晚，近年來其研究仍然處于起步階段，因此污泥蛋白質(zhì)應用于泡沫滅火劑具有很大的發(fā)展前景。 泥蛋白質(zhì)應用于混凝土發(fā)泡劑 隨著社會發(fā)展，環(huán)保觀念的提高，以及國家對于耕種土地的保護，近年來燒制磚類的減少導致泡沫混凝土類建材的需求量急劇正價，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)包括動物蛋白、植物蛋白、紙漿廢液等，通過對污泥的組成研究，污泥中含有大量的微生物、原生動物和藻類， 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，發(fā)泡劑的發(fā)泡性能和泡沫穩(wěn)定性較好，在與適當濃度的十二烷基苯磺酸鈉復配發(fā)泡液制備泡沫，制備出來的泡沫混凝土砌塊在抗折強度和抗壓強度上均能滿足泡沫混凝土砌塊（ 1062 2007）標準規(guī)定的要求，試驗結(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。 武漢紡織大學碩士學位論文 6 污泥作為廢棄物卻能夠得到有效利用對環(huán)境和經(jīng)濟來說都具有重大意義，隨著研究的深入，污水處理廠剩 余污泥的應用將會更廣泛，利用價值將會更高。 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象，提取其中蛋白質(zhì)，將剩余污泥這一廢棄物進行資源化利用?，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)和資金投資過高，若蛋白質(zhì)大量提取能得以實現(xiàn)，這不僅能大大減緩污泥處置的難題，同時可以在一定程度上緩解當今能源危機及資源緊缺的趨勢，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)無法滿足世界科研人員對環(huán)境和資源的 要求，因此近年來各國專家學者將視野放到污泥減量化和資源化方面的研究上來，尤其是近十幾年來，對污泥蛋白質(zhì)提取技術(shù)的研究取得較大進展，現(xiàn)在國內(nèi)外對污泥提取的技術(shù)的研究主要在以下幾個領(lǐng)域：化學法、物理法、生物法以及多種方法耦合法。 學方法提取污泥中蛋白質(zhì) 化學法是利用化學試劑在適當?shù)臈l件下，使細胞破碎，細胞中的蛋白質(zhì)釋放出來，從而實現(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。常見的化學方法有酸水解法、堿水解法、高級氧化法。對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或聯(lián)合作用下對污泥進行處理，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，而且蛋白質(zhì)更容易被堿性物質(zhì)所提取出來，而國內(nèi)在 2000 年后國內(nèi)在西方學者研究的基礎上對處理技術(shù)上的改進也取得較好結(jié)果 29污泥破解后的溶液中的溶解性有機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)有較高的提取價值，其中肖本益 32等在對酸堿處理的比較，對 減少量進行比較， 而酸解處理的減少量僅為 化學處理技術(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、時間條件下蛋白質(zhì)的提取率達 在增加蛋白質(zhì)提取綠的同時可以減少的緒 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試劑使的污泥的沉降性能、脫水性能都受到影響，因此各國學者都在尋求可以減少化學試劑的用量與減少對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。 理方法提取污泥中蛋白質(zhì) 物理法主要是利用外界的機械能或者熱能作用于微生物的細胞壁和細胞膜，導致細胞內(nèi)物質(zhì)最大程度的釋放，從而實現(xiàn)最好的提取效果。物理方法包括傳統(tǒng)的機械法和非機械法，包括勻漿、研磨、壓榨、超聲、熱解、微波處理等?，F(xiàn)在國內(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菌細胞壁擊破，胞內(nèi)物質(zhì)釋放到外環(huán)境中。超聲波技術(shù)最早是應用在污泥減量化技術(shù)方面， 20 世紀 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池來增加碳源，同時實現(xiàn)污泥的減量化。 1998 年開始，在以德國漢堡工業(yè)大學的奈斯教授為首的一批研究人員的努力改進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 90 年代后，德國、英國、美國等許多西方國家的污水已安裝并使用該技術(shù)，但是在超聲應用于污泥資源化（如提取蛋白質(zhì)）但研究才于 90 年代開始 35近些年來相玉林、張衛(wèi)江等 37對超聲波在污泥提取蛋白質(zhì)方面的應用進行專項研究，在超聲輻射 202,電流強度 情況下，蛋白質(zhì)提取率達到 73%。近年來，國內(nèi)關(guān)于超聲處理蛋白質(zhì)的研究如雨后春筍般越來越多，科研成果可見一斑 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致生物細胞破碎，使胞內(nèi)的蛋白質(zhì)、膠質(zhì)、礦物質(zhì) 以及細胞碎片，從而實現(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，相對于普通熱解，微波處理利用微波強勁的穿透力使污泥的各部位得到均勻加熱，效果更好，同時蛋白質(zhì)提取率隨著溫度的升高而增加，同時相應的處理時間也減少 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菌或者直接投加溶菌酶等酶制劑（抗生素）等物質(zhì)水解細胞壁，以達到溶胞的目的的處理方法。2向污泥中投加溶菌酶使其達到 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%，說明酶制劑能有效溶解污泥武漢紡織大學碩士學位論文 8 中的細菌等成分。武漢理工大學的梁艷 43用酒曲對污泥進行處理，結(jié)論顯示：酒曲種類、酒曲投加量、溫度都對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 第五天時達到3723mg/少量達到 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 )并在 30 1環(huán)境下厭氧發(fā)酵的結(jié)果對比，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) 由于對單獨的化學處理方法取得的效果并不理想以及對最優(yōu)良效果的追求，國內(nèi)外學者將視線轉(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)時較單一氫氧化鈉處理提取率有所提升。6等人對堿和超聲波前處理的結(jié)合對污泥分解的影響進行研究，結(jié)果顯示耦合后的效果相對于某一單獨處理方式的蛋白質(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條件進行處理污泥，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。國內(nèi)對耦合技術(shù)的研究雖比國外晚上一些，但是也取得了巨大進展，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）時得到 蛋白質(zhì)提取率，其中 較于溫度來說影響更大； 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 5 倍（單純的化結(jié)果僅為 ），效果明顯強 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)，在單純的化學條件處理條件下，污泥破碎效果不明顯，然而在高溫（ 121 左右）與各種化學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)提取率均達到 60%左右。 緒 論 9 綜上所述，目前單獨的物理、化學和生物方法均可實現(xiàn)從剩余污泥中提取蛋白質(zhì)，但是存能耗高和藥耗高，效率較低的問題。耦合技 術(shù)如果運用得當，不僅可以在降低能量和藥品添加量的同時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)階段國內(nèi)外污泥蛋白質(zhì)提取的熱點方向。 各種不同的剩余污泥蛋白質(zhì)提取技術(shù)，由于技術(shù)方面存在許多問題，目前世界各地仍處在試驗研究階段，很少有實際工程應用?；瘜W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，而這些都沒有得到解決，對于機械類處理方法存在設備組建問題、能耗問題、成本問題、設備腐蝕、磨損問題以及操作復雜問題等。 另外， 據(jù)文獻報道 58用蛋白質(zhì)提取技術(shù)處理剩余污泥后，提取過蛋白質(zhì)的上清液仍含有部分 我國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題 61對于這部分 否可作為生物工藝的有效補充碳源，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)合當前城市污水處理廠普遍存在的問題，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充碳源的新途徑。 白質(zhì)的測定及其提取技術(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、簡便、準確的 測量蛋白質(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)和成分來測量的，可分為兩大類：第一類根據(jù)蛋白質(zhì)分子中含氮量、肽鍵和折射率等測定蛋白質(zhì)的含量，即利用蛋白質(zhì)分子的共同特性來測量蛋白質(zhì)含量；第二類是根據(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等測定蛋白質(zhì)的含量，即利用蛋白質(zhì)分子部分特性來測量的?，F(xiàn)在蛋白質(zhì)常用的測量方法包括以下種： （ 1）凱氏定氮法 64凱氏定氮法是國標法測定蛋白質(zhì)的標準方法之一。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)含氮量來計算物質(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生成硫酸銨，硫酸銨與定氮蒸餾裝