槽式超聲波作用下污泥蛋白質(zhì)提取規(guī)律研究

徐 暉

(武警學(xué)院 消防指揮系，河北 廊坊 065000)

槽式超聲波作用下污泥蛋白質(zhì)提取規(guī)律研究

徐 暉

(武警學(xué)院 消防指揮系，河北 廊坊 065000)

針對污泥蛋白質(zhì)的提取，試驗探討槽式超聲波作用下pH值、超聲波頻率、超聲功率、作用時間和固液比等因素對污泥蛋白質(zhì)提取效果的影響，研究槽式超聲波對污泥蛋白質(zhì)提取的可行性及適宜的操作條件。結(jié)果表明：槽式超聲波可有效提取活性污泥中蛋白質(zhì)成分，堿液與低頻槽式超聲波對蛋白質(zhì)的提取有協(xié)同作用。堿性條件下，隨著pH值的增大污泥蛋白質(zhì)提取率上升顯著，隨著超聲功率的增大和固液比的減小及作用時間的延長污泥蛋白提取率上升然后趨于穩(wěn)定。通過正交試驗，確定pH值12，超聲功率70 W，作用時間30 min，固液比1︰3，為槽式超聲波提取污泥蛋白質(zhì)的適宜操作條件，其提取率為22.4%。

槽式超聲波；空化作用；活性污泥；污泥蛋白質(zhì)；提取率

0 引言

蛋白泡沫滅火劑發(fā)泡性能好，泡沫穩(wěn)定，對撲救化工、油類火災(zāi)具有很好的效果，是消防部隊一種儲存性戰(zhàn)備物資。目前，消防部隊所用蛋白泡沫滅火劑主要采用動物蛋白，成本高、氣味大、對環(huán)境存在二次污染，急需尋找替代產(chǎn)品[1-2]。而活性污泥作為城鎮(zhèn)污水處理廠的一種固體廢物，污泥微生物細(xì)胞中含有較多的蛋白質(zhì)成分，對微生物進(jìn)行細(xì)胞破壁處理后能夠提取其中的蛋白質(zhì)成分，可作為蛋白泡沫滅火劑的原料，是一種優(yōu)良的動物蛋白泡沫滅火劑替代產(chǎn)品，具有非常大的研究價值和應(yīng)用潛力[3-5]。污泥蛋白質(zhì)泡沫滅火劑的研究中污泥微生物蛋白質(zhì)的提取是該領(lǐng)域研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。

污泥微生物蛋白質(zhì)的提取技術(shù)主要包括熱水解、酸或堿水解、酶水解和超聲波水解技術(shù)等[6]。其中，微生物超聲波破壁技術(shù)是利用超聲波在液相產(chǎn)生空化作用，形成高溫、高壓環(huán)境以及較大的水力剪切力，促使污泥微生物細(xì)胞壁破裂，加速污泥微生物細(xì)胞蛋白質(zhì)成分的溶出。超聲波提取技術(shù)可以實現(xiàn)常溫常壓下污泥蛋白質(zhì)的提取，操作過程簡單，利于節(jié)能和控制[7-11]，是具有應(yīng)用前景的污泥蛋白質(zhì)提取技術(shù)。目前，國內(nèi)外學(xué)者對污泥微生物蛋白質(zhì)提取的研究工作以熱酸和熱堿水解方面居多，對超聲波提取污泥蛋白質(zhì)尤其是槽式超聲波提取方面研究較少，值得進(jìn)一步深入研究。本文以槽式超聲波對污泥蛋白質(zhì)的提取為對象，試驗分析槽式超聲波條件下各因素變化對污泥蛋白質(zhì)提取率的影響，以期揭示槽式超聲波提取污泥蛋白質(zhì)的基本規(guī)律。

1 試驗部分

1.1 試驗儀器及材料

試驗在槽式超聲波反應(yīng)器進(jìn)行，反應(yīng)器見圖1所示，槽式超聲波頻率45 kHz、80 kHz可調(diào)，電功率100 W。反應(yīng)容器采用200 mL燒杯，燒杯上部敞開，燒杯底部距離超聲波槽底部2 cm，超聲波中注入1.5 L水作為傳導(dǎo)介質(zhì)。試驗過程中所用主要儀器設(shè)備有槽式超聲波反應(yīng)器、臺式離心機(jī)、721分光光度計、精密pH計、萬分之一電子天平、真空干燥箱等。試驗材料采自河北省廊坊市污水處理廠脫水后的剩余污泥，污泥在4 ℃條件下冷藏，以防污泥中有機(jī)物變質(zhì)。試驗用污泥樣品基本理化指標(biāo)為：pH值7.46，含水率86.52%，蛋白質(zhì)含量31.15%。

1.超聲波發(fā)生器；2.換能器；3.燒杯；4.熱電偶；5.加熱器；6.反應(yīng)槽

1.2 試驗方法及數(shù)據(jù)處理

試驗過程中分別稱取約20 g污泥樣品放入200 mL燒杯中，加入一定量的蒸餾水?dāng)噭颍{(diào)制成污泥混合液。用1 mol·L-1的NaOH溶液和體積分?jǐn)?shù)為60%的H2SO4調(diào)節(jié)污泥體系pH值，在超聲波反應(yīng)器中進(jìn)行污泥破壁提取蛋白質(zhì)試驗；反應(yīng)后的污泥樣品在3 600 r·min-1轉(zhuǎn)速的臺式離心機(jī)中離心20 min，取上清液用考馬斯亮藍(lán)(G-250)法測定其蛋白質(zhì)的含量。

選取污泥蛋白質(zhì)提取率為評價指標(biāo)。污泥蛋白質(zhì)提取率計算公式為：

(1)

污泥含水率計算公式為：

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 槽式超聲波提取與熱堿提取效果比較

稱取2份20 g污泥樣品于200 mL燒杯中，加入蒸餾水控制固液比為1︰2.5。用1 mol·L-1NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值為10，一組放置于恒溫磁力攪拌器中，100 ℃條件下熱攪拌100 min；另一組在槽式超聲波反應(yīng)器中提取，選取頻率45 kHz，超聲時間控制在30 min。結(jié)果見圖2所示。由圖2可見，槽式超聲波作用和熱堿作用均可提取出污泥中的蛋白質(zhì)成分，槽式超聲波作用30 min后污泥蛋白質(zhì)提取率為15%，熱堿作用100 min后蛋白質(zhì)提取率為12.2%，槽式超聲波作用不僅能夠提取出污泥中蛋白質(zhì)成分，并且提取效果比熱堿提取效果好。前人研究發(fā)現(xiàn)，利用探頭式超聲波在液相中產(chǎn)生空化效應(yīng)，形成的高溫高壓環(huán)境能增大細(xì)胞膜內(nèi)外壓力差，致使細(xì)胞膜局部破裂，使細(xì)胞膜內(nèi)的蛋白質(zhì)向液相擴(kuò)散[6]。本試驗結(jié)果表明槽式超聲波產(chǎn)生的空化作用也足夠使污泥蛋白細(xì)胞壁破裂，加速細(xì)胞膜內(nèi)蛋白質(zhì)的溶出提取，是一種切實可行的方法。通過與熱堿作用提取效果的比較，表明槽式超聲波的使用可以顯著縮短蛋白質(zhì)提取的時間以及降低提取的溫度，實現(xiàn)常溫條件下污泥細(xì)胞蛋白質(zhì)的溶出，操作過程簡單，便于節(jié)能和控制。

圖2 槽式超聲波與熱堿作用下蛋白質(zhì)提取率

2.2 槽式超聲波頻率對蛋白質(zhì)提取的影響

試驗選取45 kHz和80 kHz兩種頻率條件下進(jìn)行，比較兩種頻率下污泥蛋白質(zhì)的提取效果。結(jié)果見圖3所示。由圖3可知，45 kHz頻率條件下污泥蛋白質(zhì)提取率為15.0%，80 kHz頻率條件下污泥蛋白質(zhì)提取率為12.2%。相同條件下，對于槽式超聲波而言，低頻率可以從污泥中提取出更多的蛋白質(zhì)成分，與文獻(xiàn)報道一致[12]。由于超聲波頻率的大小會直接影響空化作用的形成，而空化作用會隨著超聲頻率的升高而降低。低頻率的槽式超聲波作用在液相中產(chǎn)生的空化效應(yīng)更有利于污泥蛋白質(zhì)的提取，故后續(xù)試驗均在45 kHz頻率下進(jìn)行。

2.3 污泥體系pH值對蛋白質(zhì)提取的影響

相關(guān)資料表明，污泥溶胞過程中，體系pH值對溶胞效果影響較大[13]。選取污泥體系pH值范圍1

圖3 兩種超聲波頻率下蛋白質(zhì)提取率

～12進(jìn)行試驗，試驗中固液比1︰2.5，超聲功率50 W，反應(yīng)時間30 min，其他試驗條件同上。結(jié)果見圖4。由圖4可見，槽式超聲波條件下，不同污泥體系pH環(huán)境對污泥細(xì)胞中蛋白質(zhì)提取率影響顯著，酸性和堿性條件下均能成功提取污泥中蛋白質(zhì)，酸性越強(qiáng)或堿性越強(qiáng)提取效果越好，并且堿性條件下能得到更高的蛋白質(zhì)提取率，表明槽式超聲波與堿溶液協(xié)同作用時更容易提取污泥細(xì)胞中的蛋白質(zhì)成分。這是由于污泥微生物細(xì)胞壁中脂肪含量較多，脂肪成分更容易在堿性溶液中水解，致使細(xì)胞破裂程度增加。堿性環(huán)境下，隨著體系pH值的升高，蛋白質(zhì)的提取率呈上升趨勢，pH為7.46時提取率為5.71%，pH為12時提取率達(dá)到17.4%，pH為13時達(dá)到18.43%。在體系pH值范圍7～12區(qū)間，蛋白質(zhì)提取率上升迅速，當(dāng)體系pH值超過12后污泥蛋白質(zhì)提取率上升變緩，且pH為13時，試驗過程中發(fā)現(xiàn)污泥混合液粘稠，上清液顏色加深呈棕褐色，離心過濾困難。所以，采用槽式超聲波與堿溶液協(xié)同提取污泥蛋白質(zhì)的過程中，溶液pH值應(yīng)選取10～12范圍之間為佳。

圖4 污泥體系pH值對蛋白質(zhì)提取的影響

2.4 槽式超聲波功率對蛋白質(zhì)提取的影響

槽式超聲波功率主要體現(xiàn)強(qiáng)度對污泥細(xì)胞破壁溶胞的影響。前人研究成果表明超聲空化作用的大小與超聲功率即超聲強(qiáng)度有關(guān)，液相中超聲波強(qiáng)度增加，空化強(qiáng)度也會隨之增大，但達(dá)到一定數(shù)值后，空化會趨于飽和。本試驗過程選取槽式超聲波功率范圍20～100 W。其他試驗條件為污泥體系pH值10，固液比1︰2.5，反應(yīng)時間30 min。結(jié)果見圖5所示。由圖5可見，槽式超聲波的功率對污泥細(xì)胞蛋白質(zhì)提取的影響比較顯著。在20～80 W超聲波功率范圍內(nèi)，隨著超聲波功率的增加污泥蛋白質(zhì)提取率不斷增大，但當(dāng)功率增加到80 W以上，超聲波強(qiáng)度不會繼續(xù)增大蛋白質(zhì)提取率甚至有所下降。這與前人的研究成果一致，當(dāng)超聲波功率增大到一定程度后，會在液相中產(chǎn)生大量的無用氣泡，反而降低了空化強(qiáng)度，從而導(dǎo)致污泥蛋白質(zhì)提取率隨著超聲波功率的增大不再繼續(xù)上升甚至有所降低。超聲功率應(yīng)控制在60～80 W范圍內(nèi)為佳。

圖5 超聲波功率對蛋白質(zhì)提取率的影響

2.5 槽式超聲波作用時間對蛋白質(zhì)提取的影響

超聲時間的長短主要影響污泥細(xì)胞破裂釋放蛋白質(zhì)反應(yīng)進(jìn)行的程度。試驗過程選取反應(yīng)時間范圍為10～60 min。其他試驗條件：槽式超聲功率80 W，pH值為10，室溫條件，固液比1︰2.5。結(jié)果見圖6。由圖6可見，槽式超聲波作用下，隨著作用時間的增加，污泥蛋白質(zhì)提取率不斷上升然后趨于穩(wěn)定，超聲作用40 min時，蛋白質(zhì)的提取率達(dá)到最大值；之后，隨著作用時間的繼續(xù)增加，蛋白質(zhì)提取率變化不顯著。作用時間10～40 min范圍時，蛋白質(zhì)提取率不斷上升即上清液中蛋白質(zhì)含量增加，污泥微生物細(xì)胞破碎程度增大，表明此時間范圍內(nèi)超聲產(chǎn)生的空化效應(yīng)主要用于破碎污泥微生物細(xì)胞壁，蛋白質(zhì)成分的釋放占主導(dǎo)地位。作用時間40 min之后，蛋白質(zhì)提取率比較穩(wěn)定甚至出現(xiàn)少許下降，即上清液中蛋白質(zhì)含量有所減少，表明此時空化效應(yīng)對蛋白質(zhì)起到一定的降解作用，出現(xiàn)了蛋白質(zhì)提取率略有降低的情況。所以，超聲波提取污泥蛋白質(zhì)的作用時間應(yīng)控制在20～50 min范圍內(nèi)為佳。

圖6 超聲波作用時間對蛋白質(zhì)提取率的影響

2.6 污泥體系固液比對蛋白質(zhì)提取的影響

污泥體系固液比是指污泥與加水量之間的比值，固液比大小直接影響污泥的濃度大小。污泥蛋白質(zhì)提取過程中，固液比小則污泥濃度低，會延長后期蛋白質(zhì)濃縮所需的時間，影響后續(xù)污泥濃縮操作；而固液比過大即污泥濃度過大時，則無法充分浸沒污泥樣品。因此，試驗過程中應(yīng)控制適當(dāng)?shù)墓桃罕确秶?，在滿足試驗條件的前提下盡量降低反應(yīng)污泥固液比。試驗過程選取污泥體系固液比范圍1︰1.5～1︰4.5，其他試驗條件為污泥體系pH值10，超聲功率50 W，作用時間30 min。結(jié)果見圖7。由圖7可見，槽式超聲波作用下，固液比的減小對污泥蛋白質(zhì)的提取有利，但是當(dāng)固液比超過1︰2.5后提取率趨于穩(wěn)定，繼續(xù)降低固液比蛋白質(zhì)提取率不再繼續(xù)增加。這可能是由于當(dāng)固液比較大時，污泥體系中水含量較少，污泥細(xì)胞沒有完全浸沒，影響了細(xì)胞的破解效果；而當(dāng)含水量增加到污泥被完全浸沒后，試驗結(jié)果表明固液比對污泥細(xì)胞蛋白質(zhì)提取沒有太大影響?？紤]到后續(xù)濃縮工藝的選取和能耗，固液比可以控制在1︰1.5～1︰3.5之間。

2.7 槽式超聲波提取污泥蛋白質(zhì)的正交試驗分析

結(jié)合上述單因素試驗結(jié)果，以污泥蛋白質(zhì)提取率為評價指標(biāo)，選取體系pH值、固液比、超聲波功率和作用時間進(jìn)行4因素4水平的正交試驗，通過Excel軟件對正交試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析，找出影響槽式超聲波提取污泥微生物蛋白質(zhì)的主要影響因素，并提出較佳的超聲波污泥蛋白質(zhì)提取方案。正交試驗方案和分析結(jié)果見表1所示。由表1結(jié)果可知，4個因素對污泥蛋白質(zhì)提取率影響大小依次為體系pH值>超聲作用時間>超聲波功率>固液比。體系pH值12，超聲波作用時間30 min，超聲功率70 W，固液比1︰3是槽式超聲波提取污泥蛋白質(zhì)的較優(yōu)方案，在此操作條件下進(jìn)行試驗，得到污泥蛋白質(zhì)提取率為22.4%?？梢?，槽式超聲波對污泥細(xì)胞破壁以及蛋白質(zhì)的溶出具有較好的效果，并且與探頭式超聲波相比，槽式超聲波更容易實現(xiàn)污泥蛋白質(zhì)的提取。

圖7 固液比對蛋白質(zhì)提取率的影響

表1 污泥蛋白提取正交試驗結(jié)果

3 結(jié)論

污泥蛋白質(zhì)利用中蛋白質(zhì)的提取屬于關(guān)鍵技術(shù)之一，本文通過對槽式超聲波條件下各影響因素的研究，探討槽式超聲波對污泥蛋白質(zhì)的提取規(guī)律，提出可行性的操作方案。試驗結(jié)果表明槽式超聲波可以有效提取污泥微生物中蛋白質(zhì)成分，便于連續(xù)操作以及自動控制。低頻率的槽式超聲波與堿液作用更有利于污泥蛋白質(zhì)的提取。堿性條件下隨著體系pH值增大提取率呈現(xiàn)上升趨勢；隨著超聲波功率的增大和固液比的減小及超聲作用時間的延長使污泥蛋白提取率上升然后趨于穩(wěn)定值。槽式超聲波條件下，污泥蛋白質(zhì)提取率影響程度大小順序依次為體系pH值>超聲作用時間>超聲波功率>固液比。體系pH值12，超聲波處理時間30 min，超聲功率70 W，固液比1︰3是槽式超聲波提取污泥蛋白質(zhì)的較優(yōu)方案，在此操作條件下進(jìn)行試驗，得到污泥蛋白質(zhì)提取率為22.4%。

[1] 韓郁翀,秦俊.泡沫滅火劑的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].火災(zāi)科學(xué)，2011,20(4)：235-240.

[2] 趙興藝.泡沫滅火劑應(yīng)用及其發(fā)展現(xiàn)狀[J].河北省科學(xué)院學(xué)報,2012,29(3):65-68.

[3] 谷晉川,蔣文舉,雍毅.城市污水廠污泥處理與資源化[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[4] 汪常青,梁浩,李亞東,等.利用活性污泥制備泡沫滅火劑的試驗研究[J].中國給水排水,2006,22(9):38-42.

[5] 李亞東,李海波.利用剩余活性污泥水解蛋白質(zhì)制備蛋白質(zhì)泡沫滅火劑的研究[J].湖北大學(xué)學(xué)報,2005,27(1):91-93.

[6] 霍貞,王芬,季民.污泥破解技術(shù)的研究與進(jìn)展[J].工業(yè)水處理，2005,25(9)：16-19.

[7] TANAKA S,KOBAYSHI T,KAMIYAMA K,et al.Effect of thermochemical pretreatment on the anaerobic digestion of waste activated sludge[J].Water Science and Technology,1997,35(8):209-215.

[8] CHEN Qiaoping,XIE Hongfang.Study on the protein extraction from excess sludge by papain hydrolysis[C]//Environment Pollution and Public Health Essay.2010:1041-1044.

[9] RAS M,GIRBAL-NEUHAUSER E,PAUL E,et al.Protein extraction from activated sludge: an analytical approach[J].Water Research,2008,42(8):1867-1878.

[10] 崔靜,董岸杰,張衛(wèi)江,等.熱堿水解提取污泥蛋白質(zhì)的實驗研究[J].環(huán)境工程學(xué)報,2009,3(10):1889-1892.

[11] 李萍,李登新,蘇瑞景,等.2種處理方法水解剩余污泥蛋白質(zhì)的研究[J].環(huán)境工程學(xué)報,2011,5(12):2859-2863.

[12] 相玉琳,張衛(wèi)江,徐姣,等.超聲波輻射強(qiáng)化污泥蛋白質(zhì)的提取[J].化學(xué)工程,2011,39(3):63-66.

[13] 馬華季,張書廷,劉勇,等.超聲波/堿協(xié)同溶胞-隱性生長系統(tǒng)的污泥減量效果[J].中國給水排水,2012,28(12):15-19.

(責(zé)任編輯 馬 龍)

A Study on the Protein Extraction from Activated Sludge by Ultrasonic Generating Trough

XU Hui

(DepartmentofFireCommanding,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

The extraction process of sludge protein by ultrasonic generating trough was researched in this paper. The influences of pH value，ultrasonic frequency, ultrasonic power, ultrasonic time and solid-liquid ratio on extraction efficiency of sludge protein were investigated, the feasibility of sludge protein extraction using ultrasonic generating trough and the optimum operating conditions were researched, too. The experimental results show that the cavitations generated by ultrasonic generating trough extracts protein from the activated sludge effectively, and alkaline liquor and low frequency ultrasonic generating tough have a synergy effect on extracting protein from sludge. Under alkaline conditions, the extraction efficiency increases with that of pH value rapidly, and the extraction efficiency increases firstly and then attains a stable value with that of the ultrasonic power and ultrasonic action time, and with decreasing of solid-liquid ratio. Finally, the orthogonal experiments are performed to determine the suitable operating conditions of sludge protein extraction under ultrasonic generating trough condition are as follows: pH value 12，ultrasonic power 70 W，ultrasonic action time 30 minute and solid-liquid ratio 1︰3, and the extraction efficiency of sludge protein reach 22.4% under this conditions.

ultrasonic generating trough; cavitation; activated sludge; sludge protein; extraction efficiency

2016-05-30

武警學(xué)院青年教師基金項目(QNJS 201328)

徐暉(1980— )，女，重慶合川人，講師。

X705；D631.6

A

1008-2077(2016)12-0011-05