污泥蛋白質(zhì)提取及作為動物飼料添加劑營養(yǎng)安全性研究

郭正富，楊小琴，李 軍

（1.宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川宜賓 644003；2.高縣水務(wù)局,四川高縣 645154）

城市污水的產(chǎn)生量隨人民生活水平的提高、社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展、城市化進(jìn)程速度的加快而不斷增長，越來越多的生活、工業(yè)廢水產(chǎn)生，從而剩余污泥的產(chǎn)量也越來越多。剩余污泥是城市污水處理廠利用活性污泥法對廢水進(jìn)行處理后所產(chǎn)生的固態(tài)、半固態(tài)及液態(tài)的廢棄物，其含有大量微生物（細(xì)菌、真菌、原生動物等）、氮磷、重金屬（銅、鉛、鋅、鉻等）及化學(xué)物質(zhì)等。

眾所周知，蛋白質(zhì)飼料是支撐畜牧業(yè)不斷向前發(fā)展的主要原料之一，但由于我國蛋白質(zhì)飼料相對匱乏，嚴(yán)重影響我國畜牧業(yè)的快速發(fā)展。據(jù)業(yè)內(nèi)人士估計(jì)，2020年我國蛋白質(zhì)飼料資源缺口將達(dá)4800萬t（周元軍，2005；汪善鋒等，2003）。

剩余污泥蛋白的提取是近年來新型資源化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，有研究發(fā)現(xiàn)，處理生活污水得到的剩余污泥中含蛋白質(zhì)41%、碳水化合物14%、類脂25%，未知成分20%（Tanaka等，1997）；污泥中的生物體均含蛋白質(zhì)，含量高達(dá)40%～60%，所以對剩余污泥蛋白質(zhì)進(jìn)行提取回收利用將開辟污泥資源化新途徑（崔健等，2009）。

1　剩余污泥對環(huán)境的影響

由于剩余污泥中含有大量病原菌、寄生蟲、重金屬、放射性核素等有毒有害物質(zhì)，所以不合理的處置方式將對我們的生活環(huán)境造成很大的負(fù)面影響，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

1.1重金屬對土地的污染 污泥中的重金屬（銅、鋅、鉻等）可以被土壤貯蓄和在植物富集，使土壤板結(jié)、含毒過高，從而導(dǎo)致作物生長不良，重金屬也會隨食物鏈進(jìn)入人體，進(jìn)而危害人體健康。

1.2重金屬和氮、磷對水資源的污染 剩余污泥中的重金屬會隨雨水進(jìn)入地面和地下水體中，從而使水中重金屬超標(biāo)，不僅影響水生植物的生長，更會影響人類飲用水的安全；剩余污泥在被使用于土質(zhì)疏松的土地后，如果其有機(jī)物流入土壤的速率大于被分解的速率，會導(dǎo)致大量氮、磷隨降雨量的增大而造成水體富營養(yǎng)化，污染水資源。

1.3鹽分對土壤的污染 污泥鹽分較高會導(dǎo)致土壤導(dǎo)電率升高、破壞植物根系的滲透壓，抑制其吸收養(yǎng)分，同時，離子間的拮抗作用會加速有效養(yǎng)分的流失（張宗國等，2004）。

1.4病原微生物的污染 相關(guān)檢測發(fā)現(xiàn)，約有90%的病原微生物和寄生蟲被富集到污泥中，這樣導(dǎo)致人或者動物很容易被環(huán)境中的污泥病原菌所感染，進(jìn)而對健康造成危害。

1.5有毒物質(zhì)的污染 污泥顆粒中富集有大量的有機(jī)污染物（氯酚、苯等）（Drescher-Kaden等，1992），研究發(fā)現(xiàn)，我國許多污水處理廠的污泥中有機(jī)污染物的種類高達(dá)幾十種，而植物不能有效吸收和利用有機(jī)污染物。

2　常規(guī)剩余污泥的處置方式

2.1污泥衛(wèi)生填埋處置 此方法可以使剩余污泥生物固體的體積減小，達(dá)到剩余污泥的減量穩(wěn)定，其原理是由于土壤中的微生物可以將剩余污泥中的有機(jī)物分解。此法易于操作、成本低廉；但會污染地下水、污染空氣，造成環(huán)境污染、場地建設(shè)費(fèi)和運(yùn)輸費(fèi)較高。

2.2污泥焚燒處理 污泥焚燒適用于無法再利用的污泥，且其自身燃燒值較大，其原理是在一定溫度和氧氣含量條件下，污泥中的有機(jī)成分燃燒產(chǎn)生CO2、H2O等，同時釋放熱能的過程（Tay等，2010）。其優(yōu)點(diǎn)是能殺死病原菌、炭化全部有機(jī)物、處理迅速，最大限度地減少污染，且剩余的焚燒灰可以用來制作陶瓷、水泥、磚等建筑材料（林冬等，2003）；缺點(diǎn)是有機(jī)燃燒產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)（二噁英等），且花費(fèi)較高。

2.3土地利用 剩余污泥中含有高達(dá)60%～70%的有機(jī)物質(zhì)，并且含有營養(yǎng)元素（N、P、K 等）和植物所必需的微量元素（Ca、Zn、Mg、Cu、Fe等），可以提高土地肥力，促進(jìn)植物生長，所以合適的用量可以成為農(nóng)田、綠地、林地利用的有效資源，此種方法成為剩余污泥處理的最廣泛方法之一。但由于其含有很多重金屬且存在大量病原污染物，所以必須在使用前對其進(jìn)行正確處理（王詩元等，2000），否則任意排放會使其成為一種新的污染源。

2.4污泥海洋傾倒 對污泥進(jìn)行傾倒的這種方法相對于其他方法易于操作，尤其是對一些沿海城市，成本較低，然而由于環(huán)境問題越來越嚴(yán)重、人們的環(huán)保意識越來越強(qiáng)，污泥海洋傾倒這種方式產(chǎn)生的負(fù)面影響越來越受到人們的關(guān)注。

3　提取剩余污泥蛋白的方法

蛋白質(zhì)可以從剩余污泥中提取出來，由于我們使用某些技術(shù)手段，使污泥的結(jié)構(gòu)和微生物細(xì)胞壁遭到破壞，從而微生物體內(nèi)蛋白質(zhì)溶解入水，進(jìn)而被提取。目前，物理法、化學(xué)法和生物法是從剩余污泥提取蛋白質(zhì)的3種主要方法。

3.1物理法

3.1.1熱解法 剩余污泥在高溫條件下，微生物內(nèi)外會產(chǎn)生壓力差，進(jìn)而使微生物細(xì)胞迅速破裂，細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)釋放出來溶解在液相中。肖本益等（2008）研究發(fā)現(xiàn)，在使用化學(xué)法（酸法、堿法）和加熱法處理污水污泥，熱處理既可能破壞污泥的絮體結(jié)構(gòu)，也可能使污泥細(xì)胞的細(xì)胞壁破壞，破碎污泥細(xì)胞。王治軍等（2005）利用熱水解處理剩余污泥結(jié)果表明，剩余污泥的水解率隨處理時間的增加和水解溫度的升高逐漸增大，且在溫度為210℃、時間為75 min時，剩余污泥蛋白質(zhì)的溶解率達(dá)47.21%。Shier等（1994）研究熱水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)的最優(yōu)條件，結(jié)果得出，在150～155℃溫度范圍時，20 min為污泥蛋白提取的最優(yōu)條件，在此條件下可提取出大分子蛋白質(zhì)，如若溫度過高，蛋白質(zhì)會繼續(xù)分解成小分子片段。

3.1.2超聲波法 曹秀序等（2003）研究超聲波處理對剩余污泥減量化的影響，結(jié)果顯示，當(dāng)在聲能密度為0.25 W/ml，處理時間30 min時，溶解性化學(xué)需氧量（SCOD）的濃度從133 mg/L增長到2566 mg/L，增量達(dá)19倍，由此得出，微生物細(xì)胞在超聲波下可有效破解。同理，Yu等（2009）研究發(fā)現(xiàn)，存在污泥中的酶類物質(zhì)可以利用超聲波進(jìn)行提取，這證明超聲波可以破壞微生物細(xì)胞的細(xì)胞壁，使胞內(nèi)物質(zhì)釋放出來。無污染、能量密度高、分解迅速、可在短時間內(nèi)使細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)快速釋放等是超聲破技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，但超聲波發(fā)揮作用時，所處的環(huán)境溫度、作用液體的表面張力等都會影響超聲波破壞微生物的效果，所以此法還需進(jìn)一步研究，暫時難以投入到大規(guī)模使用。

3.2化學(xué)法 化學(xué)法（酸、堿等）作用于污泥時，微生物細(xì)胞的活性被抑制，同時，微生物細(xì)胞的細(xì)胞壁也被破壞，胞內(nèi)物質(zhì)進(jìn)而流出。常用的酸包括無機(jī)酸（硫酸、鹽酸等），有機(jī)酸（乙酸、檸檬酸）；堿包括氫氧化鈉、氫氧化鉀等。

3.2.1堿法 在常溫條件下，將NaOH、KOH或Ca（OH）2等堿性物質(zhì)加入剩余污泥中會促進(jìn)污泥中的纖維溶解即為加堿處理法。趙順順等（2008）采用正交試驗(yàn)研究在不同條件下（時間、溫度、體系酸堿度、固液比）利用加堿法對剩余污泥蛋白質(zhì)提取效果的影響，結(jié)果表明，其最適反應(yīng)條件為pH=12.5、溫度70℃、時間5 h、固液比（w/v）為1∶4時，剩余污泥蛋白質(zhì)的提取率最大，為54.49%。Chishti等（1992）將氫氧化鈉和氯化鈉作為增溶劑添加到原始污泥中進(jìn)行污泥蛋白的提取試驗(yàn)，結(jié)果表明，氫氧化鈉組蛋白質(zhì)提取率較高，其效果優(yōu)于氯化鈉及氫氧化鈉和氯化鈉的混合物，并且當(dāng)pH=12.5、反應(yīng)24 h時，最高可使污泥中蛋白質(zhì)的溶解度達(dá)到90%。

3.2.2酸法 污泥受到酸性物質(zhì)處理時，聚合于污泥微生物胞外的兩性物質(zhì)會被溶解，污泥的絮體結(jié)構(gòu)遭到破壞，從而使細(xì)胞溶解。陳玉輝等（2006）研究單次水解和循環(huán)水解對剩余污泥蛋白質(zhì)提取量的影響，結(jié)果表明，當(dāng)水解溫度為121℃，單次水解，提取到蛋白質(zhì)的濃度為45.442 g/L，而利用酸循環(huán)水解時，蛋白質(zhì)濃度可達(dá)75.379 g/L；Liu等（2009）利用熱鹽酸對污泥蛋白進(jìn)行提取，試驗(yàn)表明，在最適條件下蛋白質(zhì)的提取量可達(dá)78.5%。

3.3生物法 眾所周知，生物酶具有高效催化性能和高度專一化的特征，將其加入到剩余污泥中可水解污泥EPS、破壞微生物細(xì)胞壁，釋放胞內(nèi)機(jī)質(zhì)，而且在生物酶作用下能有效降解長鏈蛋白質(zhì)、脂類及碳水化合物等。同時，生物酶易于控制且不會對生態(tài)環(huán)境造成二次污染。Yang等（2010）為提高污泥消化時的降解性，將蛋白酶或淀粉酶加入其中；章文峰等（2012）在提取蛋白質(zhì)的剩余污泥中加入木瓜蛋白酶，研究在不同工藝條件下可提取污泥蛋白的最佳條件，結(jié)果顯示，最佳工藝下，污泥蛋白的提取率可達(dá)42.3%～52.7%。李萍等（2011）研究木瓜蛋白酶水解提取剩余污泥蛋白的最佳條件發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在反應(yīng)體系中，木瓜蛋白酶濃度為6%、固液比為1∶4、水解溫度為55℃、水解時間為5.5 h時，蛋白質(zhì)的提取率可達(dá)51.71%。生物酶的運(yùn)用預(yù)示了現(xiàn)代生物技術(shù)的迅速發(fā)展，此法相比較其他方法，是最具成本效益和最有發(fā)展前途的技術(shù)，未來會越來越受到研究者的重視。

3.4其他方法 由于不同處理方法間存在協(xié)同關(guān)系，所以剩余蛋白的提取除了以上幾種方法外，還有熱堿結(jié)合法、堿與超聲波結(jié)合提取法、超聲波與酶結(jié)合法等，崔靜等（2009）利用熱堿法探究體系pH、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、原料含水率對剩余污泥蛋白質(zhì)提取的影響，結(jié)果表明，熱堿法是一種有效的提取污泥蛋白的方法，且表明pH和溫度對蛋白質(zhì)的回收影響較大，當(dāng)pH=13、體系溫度為140℃時，水解時間3 h，原料含水率為91%時，污泥蛋白的回收率可達(dá)61.34%；Hwang等（2008）人通過利用超聲波與堿結(jié)合來提取污泥蛋白中的蛋白質(zhì)，結(jié)果表明，此方法使污泥蛋白溶液中的蛋白質(zhì)含量達(dá)到3177.5 mg/L，并使污泥蛋白在等電沉淀法的作用下沉淀析出；李萍等（2011）利用超聲波和蛋白酶聯(lián)合疏解剩余污泥蛋白，結(jié)果顯示，在最優(yōu)條件下，即超聲時間70 min，超聲波聲能密度為1.2 W/ml，控制酸堿值為7.0，反應(yīng)溫度為55℃，添加5%的酶，堿性蛋白酶∶木瓜蛋白酶=1∶ 12，液 /固 =4/1，反應(yīng)時間 240 min，污泥蛋白提取率可達(dá)77.16%。

由此可見，組合不同方法進(jìn)行污泥蛋白的提取已經(jīng)在研究階段，但技術(shù)還不夠成熟，需要進(jìn)一步去探究。

4　剩余污泥蛋白作為飼料添加劑可行性分析

在污水處理過程中，不可避免的會產(chǎn)生大量剩余污泥，隨著社會不斷發(fā)展，污泥產(chǎn)生速度和產(chǎn)量不斷提高，若不經(jīng)正確合理的處理，不僅會影響我們生存的環(huán)境，更甚者會影響我們自身的健康。積極尋找污泥處理方式尤其重要（盛宇星等，2008）。研究發(fā)現(xiàn)，污泥中含有很多有價值的有機(jī)質(zhì)，比如蛋白質(zhì)、核酸、脂類等，其中蛋白質(zhì)占據(jù)相當(dāng)大的比例，可占到干污泥量的30%～60%（Monique等，2008），且氨基酸主要以蛋氨酸、胱氨酸、蘇氨酸和纈氨酸等為主，約占蛋白質(zhì)的70%（余杰等，2007）。如果可以利用相關(guān)技術(shù)對污泥蛋白進(jìn)行合理提取，正確利用，比如將其提取后作為動物蛋白質(zhì)飼料添加劑等，如若大范圍推廣使用，勢必會使污泥排放量大大減少，進(jìn)而減少污泥對人畜、環(huán)境的危害，實(shí)現(xiàn)污泥廢棄物的資源化利用，緩和我國蛋白飼料短缺的現(xiàn)狀。

在畜牧業(yè)發(fā)展中，蛋白質(zhì)飼料的安全性一直是我們關(guān)心的重大問題。顯而易見，在污泥蛋白質(zhì)提取過程中，污泥中的有毒有害成分（重金屬等）會混雜在蛋白質(zhì)中一起被提取出來，如果將混有有毒有害成分的蛋白質(zhì)飼料制作成添加劑運(yùn)用于動物飼養(yǎng)，會使動物體內(nèi)慢慢積累有害成分進(jìn)而危害畜禽健康，間接影響人類健康。所以，污泥蛋白的提取技術(shù)至關(guān)重要，需要我們不斷地研究。趙順順等（2008）利用熱酸水解法提取污泥蛋白并檢測其營養(yǎng)成分、分析其安全性，結(jié)果表明，7種必須氨基酸和8種非必需氨基酸可以被檢測到；沉淀物中的銅、鋅、砷等重金屬含量很低，與GB 13078-2001 和 NY 929-2005 標(biāo)準(zhǔn)對重金屬的規(guī)定相符合。蘇景瑞等（2008）利用酶法（堿性、木瓜、酸性、中性、胰蛋白酶、胃蛋白酶）提取污泥蛋白質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，堿性蛋白酶效果較好，且酶法水解剩余污泥氨基酸溶液，氨基酸的含量比較豐富，含有7種必需氨基酸和10種非必需氨基酸，而且必需氨基酸含量較高；提取的蛋白質(zhì)中重金屬砷、鉛、汞、鉻等均低于飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB 13078-2001）。

5　小結(jié)

剩余污泥蛋白是一種良好的蛋白質(zhì)飼料來源，但其提取方法還不夠成熟，資源利用率還比較低，提取方法的優(yōu)化及提取蛋白的生物安全性需要進(jìn)一步試驗(yàn)探究，以便于未來更好的將這一污水處理廢棄物運(yùn)用于動物飼料添加劑中，從而降低飼料成本，提高經(jīng)濟(jì)效率，實(shí)現(xiàn)剩余污泥的資源化。

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