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剩余污泥蛋白質提取及其作為動物飼料添加劑的可行性研究 金牌
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資料類型 項目可研
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上傳時間 2020-8-1
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      資料簡介
     
     城市污水處理廠的興建與運行,是保護水資源和防治水體污染的重要舉措。 但是上個世紀九十年代以來,隨著我國城市化進程的加快,城市污水處理率逐年 提高,城市污水處理廠的污泥產量也急劇增加。大量的污泥因無穩定合理的處置 出路,侵占人們本來就緊張的生活空間,而未經適當處理處置的污泥進入環境后, 直接給水體和大氣帶來二次污染,不但降低了污水處理系統的有效處理能力,而 且對生態環境和人類活動構成了嚴重威脅。按照減量化、無害化和資源化的要求, 污泥應被視為一種資源加以有效利用,在治理污染的同時變廢為寶。因此,剩余 污泥的處理處置及其資源化利用等問題日益受到人們的關注。 青島市現有規模較大的污水處理廠四座(李村河、海泊河、團島、麥島), 其中,除了麥島污水處理廠采用污水一級處理工藝外(無剩余污泥產生),其余 三座均采用二級生化處理工藝(產生剩余污泥)。這些污水處理廠每天產出大量 剩余污泥堆放在廠區,定期運送到垃圾填埋場填埋或將剩余污泥自然風干脫水 后,焚燒供熱。這些處理方式不僅使污泥中的有害成分對環境造成二次污染,而 且污泥中的營養成分得不到有效利用,浪費了資源,因此,需要探討一種合適的 處理處置方法以實現剩余污泥的減量化、無害化和資源化。 本研究首先對李村河、海泊河、團島三座污水處理廠剩余污泥的物理、化學 性質和成分進行分析。結果表明,三座污水處理廠的污泥均呈灰黑色,粘著成塊 狀,不易分散。pH 值呈堿性(pH=8.68~8.81),含水率(70%~83%)較高。污 泥中有機質、氮、磷、鉀含量豐富,重金屬和硼的含量較低,符合國家《農用污 泥中污染物控制標準》。依據污泥的上述特征,結合青島市歷史上污泥處理利用 中出現的問題以及經濟、安全方面的考慮,提出污泥最為適宜的利用方式是在堆 肥穩定化處理后,作為林地、花卉、苗圃、草地的肥料。同時,根據生態工程中 通過“加環”延長食物鏈的原理,提出污泥利用的新途徑,即首先將污泥中的細 胞蛋白提取后作為飼料蛋白添加劑,剩余部分再用作肥料。2 然后,對污泥中的細胞蛋白提取和沉淀分離技術進行了研究。采用正交試驗 優化了酸水解、堿水解、超聲波與堿耦合三種方法提取污泥蛋白的工藝條件。其 中,酸水解法的適宜條件為,水解溫度 121℃、水解時間 5h、體系 pH 值 1.25、 加水體積為樣品質量的 2.5~3 倍;堿水解法的適宜條件為,水解溫度 70℃、水解 時間 5h、體系 pH 值 12.5、加水體積為樣品質量的 4~4.5 倍;超聲波與堿耦合法 的適宜條件為,超聲功率 650W、超聲時間 35min、體系 pH 值 12.0、加水體積 為樣品質量的 6~6.5 倍。在每種提取方法的優化條件下,分別對三座污水處理廠 的脫水污泥進行重復提取,結果表明,李村河污泥適于采用超聲波與堿耦合提取 方法;海泊河污泥蛋白提取適于采用酸水解法;而團島污泥提取適于采用堿水解 法。蛋白質提取效率為 62.71%~69.60%,污泥消減率可達到 29.95%~34.21%,剩 余污泥體積可減少將近 1/3。三座污水處理廠剩余污泥提取液中的蛋白質等電點 均為 5.5。沉淀物中蛋白質純度(干基)分別為,團島 83.52%,李村河 81.85%, 海泊河 79.66%。 最后,對蛋白質沉淀物的營養性和安全性進行分析。蛋白質沉淀物中的氨基 酸含量較高,約占粗蛋白質量的 55%~65%。除色氨酸測定時被破壞外,人體和 動物生長所需要的另外七種必需氨基酸均可以檢測到,且含量很高,為沉淀物干 重的 21%~24%,約占所有檢出氨基酸總量的 50%。另外,在蛋白質沉淀物中還 檢測出八種非必需氨基酸,占所有檢出氨基酸總量的 50%左右。蛋白質沉淀物中 重金屬含量非常少,Pb、Cd 含量符合國家《飼料衛生標準》;Zn 含量符合《飼 料中鋅的允許量》(NY929-2005)的規定;Cu 含量也遠低于實際生產對飼料中 Cu 含量的要求。 綜上所述,從營養性和安全性兩方面考慮,將青島市污水處理廠污泥的蛋白 質提取分離后作為動物飼料添加劑是可行的。 關鍵詞,污泥、蛋白質、提取、營養性、安全性、動物飼料添加劑3 A Study on the Extraction of Protein from Sewage Sludge and the Possibility for Using as Animal Feed Additive Abstract The construction and operation of wastewater treatment plants are important measurements for protecting water resources and preventing water body from pollution. While, since 1990s, the output of the sewage sludge has been increased rapidly, with the acceleration of urbanization and improvement of wastewater disposal efficiency year by year. A great deal of excess sludge occupies limited living space for human because of being short of appropriate treating methods. Water and air will be polluted if the sludge discharged without proper treatement. This will not only reduce treatment abilities of municipal wastewater treatment plants, but also threaten the environment and human activities seriously. According to the request of reduction, harmlessness and recovery, the sludge should be efficiently utilized and become resources. Therefore, more attention has been paid on the disposal and utilization of excess sludge. There are four municipal wastewater treatment plants in Qingdao(Licunhe, Haibohe, Tuandao and Maidao). Maidao wastewater treatment plant adopts primary wastewater treatment(not produce excess sludge) and the others adopt secondary treatment (produce excess sludge). Lots of excess sludge are piled up in the plants everyday and delivered to landfill or incinerated after natural dehydration. In this way, deleterious substances in sludge may cause secondary pollution to environment and nutrients of sludge are losted without being utilized efficiently. So it is necessary to study an appropriate method for the reduction, harmlessness and recovery of excess sludge. Firstly, the physical and chemical characteristic and composition in the excess sludges from Licunhe, Haibohe and Tuandao wastewater treatment plants are4 determinded. The results show that three excess sludge samples are black, lumpish and viscous. They are alkalescent with a pH value ranged from 8.68 to 8.81, and have a moisture content ranged from 70% to 83%. The samples have plenty of organic matter, N, P, K, but less heavy metals and boron (B) in content being up to the Control Standards for Pollutants in Sludges from Agricultural Use (China). According to the above characteristics of sludges and the problems in disposal and utilization of sludge in Qingdao city, it is proposed that the best way for utilizing these sludges be used as a fertilizer in forest, flower and grassland after compost. Furthermore, according to the principle of extending food chains by “added loop” in eco-engineering, a new way by which the single cell protein(SCP) in the sludge should be extrated as a feed additive before application in land is brought forward. Then, the technology about extraction, precipitation and separation of cell protein in sludge are studied. Three methods, acid hydrolyzation, alkali hydrolyzation and ultrasonic-alkali extraction, are selected to extract protein from sludge. Orthogonal tests are introduced into each method to optimize the operation conditions. For acid hydrolyzation, the optimum conditions are listed as follows: temp. 121℃; hydrolyzing time 5h; pH value 1.25 and addition of deionized water is 2.5 ~ 3 times as sample mass. For alkali hydrolyzation, the optimum conditions are listed as follows: temp. 70℃; hydrolyzing time 5h; pH value 12.5 and addition of deionized water is 4 ~ 4.5 times as the sludge sample mass. For ultrasonic-alkali extraction, the optimum conditions are listed as follows: ultrasonic power 650W; ultrasonic time 35min; pH value 12.0 and addtion of deionized water is 6 ~ 6.5 times as the sludge sample mass. Under the optimal conditions, protein extraction experiments with three methods are operated repeatly. It shows that, ultrasonic-alkali extraction is best for Licunhe sludge, acid hydrolyzation for Haibohe sludge, and alkali hydrolyzation for Tuandao sludge. The extraction efficiency of protein changes from 62.71% to 69.60%, the mass of sludge are reduced by from 29.95% to 34.21%, and the volume of excess sludge is cut down by above 1/3. Three sludge extraction liquor have the same protein isoelectric point of pH5.5. Protein purities(dry weight) in the precipitates formed at pH5.5 are 83.52%(Tuandao sludge), 81.85%(Licunhe sludge), 79.66%(Haibohe sludge)5 respectively. At last, the nutrition and security of the precipitates are evaluated. The precipitates contain more amino acids which occupy 55% ~ 65% weight of coarse protein. Besides of tryptophan which is destroyed during the detection, other seven kinds of essential amino acids can be detected, which account for 21%~24% of the precipitates in dry weight 50% of total mass of the amino acids. In addition, eight non-essential amino acids can also be detected in the precipitates, which also account for about 50% of total mass of the amino acids. Lower contents of heavy metals in the precipitates are detected. The content both cadium and lead are up to the Health Standard for Animal Feed(China), zinc content is up to the Permittion of Zinc in Animal Feed (China), and copper content meet the demands in practical production. To sum up, considering the nutrition and security, it is feasible for the protein precipitates extracted from the sludge of municipal wastewater treatment plant in Qingdao to be used as animal feed additive. Key Words: Sludge, Protein, Extraction, Nutrition, Security, Animal Feed AdditiveI 目 錄 第一章 緒論…1 1 剩余污泥的產生及處理處置技術…1 2 國內外蛋白質飼料發展的現狀、問題及對策7 3 剩余污泥蛋白質的研究現狀…10 4 蛋白質測定及其提取技術研究現狀11 5 本研究主要目的與內容…14 第二章 青島市城市污水處理廠污泥的成分分析及利用方式初步研究 …19 1 前言…19 2 材料與方法20 3 結果與討論21 4 結論…27 第三章 剩余污泥蛋白質提取條件的研究…29 1 前言…29 2 材料與方法30 3 結果與討論35 4 結論…52 第四章 利用剩余污泥提取蛋白質及其作為動物飼料添加劑的營養性 和安全性分析55 1 前言…55 2 材料與方法56II 3 結果與討論57 4 結論…63 第五章 總結…65 1 結論65 2 建議66 附圖…67 致謝…681 第一章 緒論 1 剩余污泥的產生及處理處置技術 1.1 剩余污泥的產生及來源 隨著我國社會經濟和城市化的發展,城市污水的產生量在不斷增長。目前國內 外對污水的處理方法包括,化學法(化學混凝法、化學催化氧化法)、物理法(氣 浮法)和生物法(活性污泥法) [1,2] ;钚晕勰喾ㄊ菓米顝V泛的廢水處理技術之 一,我國現有城市污水處理廠80%以上采用活性污泥法處理工藝 [3~5] 。 活性污泥法運行過程中會產生大量剩余污泥,見圖1-1。污水經過格柵和初沉 池后,進入曝氣池,與活性污泥接觸,污水中的有機物立即吸附到活性污泥上,隨 后被菌體分泌的胞外酶分解成分子量較低的物質。污水中的低分子量有機物可直接 通過菌體細胞膜的選擇滲透作用攝入體內,作為營養物質被細菌吸收。進入菌體內 的有機物,在細胞內酶的作用下,被同化為細菌自身的物質,使菌體不斷生長繁殖, 并分泌出粘性物質,構成菌膠團。因此,曝氣池內的活性污泥就不斷增加。當活性 污泥的濃度太高時,污泥便不易和凈化水分離,使出水的BOD增大且混濁,還會造 成耗氧量大、供氧不足的情況而影響處理效果,所以必須定期排泥,排除的這部分 污泥稱為剩余污泥。 圖1-1 污水處理廠一般流程 Fig.1-1 Common Flow of Wastewater Treatment Plant 自從1875年英國倫敦建立世界上第一個污水處理廠以來,污泥問題便隨之產 生,困擾其市政管理。污泥處理的投資和運行費用巨大,可占整個污水廠投資及運 行費用的25%~40%,甚至60% [6] 。 剩余污泥 出水 回流污泥 曝氣池二沉池 污水 隔柵 初沉池2 污泥量通常占污水處理量的0.3%~0.5%(體積比)或者1%~2%(質量比)。如 果屬于深度處理,污泥量會增加0.5~1倍。污水處理規模的增加,必然導致污泥產 生量的上升 [7] 。近年來歐美發達國家污泥產量每年大約以5%~10%的速度增長 [8,9] 。 1998年全美干污泥產量為690萬噸,2005年干污泥產量達到760萬噸,2010年預計將 達到820萬噸 [7] 。歐盟1998年污泥年產量約為800萬噸(干重),2005年污泥年產量 增加到1120萬噸(干重),污泥產量年增加55% [10] 。 我國2000年工業廢水處理率為94.7%,生活污水處理率為25%,由此產生的污 泥量約為420萬噸,折合含水率為80%的脫水污泥為1000萬噸 [11] 。目前,全國年廢 水排放總量約在320~370億噸,每年排放干污泥約為700萬噸,且呈不斷增加趨勢 [12] 。 按照我國城市污水處理廠的建設規劃,2010年我國城市污水的處理量和處理率都將 增加,污泥年產量也將相應增加到現在的5倍 [13] 。 1.2 剩余污泥的組成和相關環境問題 大量剩余污泥的堆放需要巨大的場地,侵占了人類原本緊張的生活空間;同 時,污泥中含有大量病原菌、寄生蟲(卵),銅、鉛、鋅、鉻、汞等重金屬,鹽類 以及二噁英、放射性核素等難降解的有毒有害物質。不合理的處理處置將對土壤、 水體、人畜等產生負面影響,主要體現在以下幾方面, (1)污泥鹽分污染。污泥含鹽量較高,會明顯提高土壤電導率、破壞植物養 分平衡、抑制植物對養分的吸收,甚至對植物根系造成直接的傷害,而且離子間的 拮抗作用會加速有效養分的淋失 [14] 。 (2)造成土壤的重金屬污染。重金屬一般溶解度很小,在污泥中性質較穩定, 較難除去,但可被土壤儲蓄和植物富集,長期使用容易對土壤和植物造成污染,并 隨食物鏈進入人體,危害人體健康。受到重金屬污染后的土壤,表現出板結、含毒 量過高、作物生長不良,嚴重的甚至沒有收成。 (3)造成水體的重金屬污染。在雨水的沖刷下,污泥中的重金屬會被攜帶到 地面和地下水體中,導致水體重金屬超標。水生生物會因體內富集過多重金屬會中 毒甚至死亡,人食用此類水產品或飲用重金屬超標的水,也會感到不適或者中毒。 (4)污泥中含有大量致病微生物和寄生蟲卵,主要來自人畜糞便和食物、肉 類加工廢水 [15] 。污水處理過程中,約有90%以上的致病微生物被濃集到污泥中,這 些致病微生物與寄生蟲卵隨污泥進入環境中,會對人或牲畜的健康造成危害。3 (5)氮、磷等對水體的污染。在降雨較大地區的土質疏松土地上,大量施用 富含N、P等的污泥后,當有機物分解速度大于植物對N、P的吸收速度時,N、P等 養分就有可能隨降水進入地表水體,造成水體的富營養化。 (6)污泥中含有許多毒性有機物。有機污染物可通過吸附作用,大量富集在 污泥顆粒中 [16] 。德國城市污泥中發現了332種可能危害人體和環境的有機污染物, 其中有42種經常被檢測到,很多屬于優控污染物 [17] 。許多污泥中有機污染物的含量 甚至比當地土壤背景值高出數倍、數十倍甚至上千倍 [18,19] 。我國多家污水處理廠的 污泥中也已經檢測到幾十種有機污染物 [20,21] 。 1.3 剩余污泥處理處置技術現狀 為控制剩余污泥對水體、土壤的二次污染,并充分利用其中的營養成分,國際 上對污泥處理處置提出了穩定化、無害化和資源化的要求,并先后開發了衛生填埋、 焚燒和土地利用等處理處置技術 [22] 。 1.3.1 衛生填埋 衛生填埋始于 20 世紀 60 年代,由于該方法操作相對簡單,投資費用較小,處 理費用較低,適應性強,在歐洲特別是希臘、德國、法國應用最廣,也是我國主要 的剩余污泥處理方法之一 [23] 。在填埋方式上,歐洲多采用與城市垃圾混合填埋,而 美國多采用單獨填埋的方式 [23] 。 當然,衛生填埋也存在許多問題。首先,污泥滲濾液會污染地下水,污泥大量 堆放會造成城市用地減少。因此,近年來歐洲污泥填埋處置所占比例大幅度削減。 1990 年,德國污泥的填埋量約占污泥總量的 60%,2002 年填埋所占比例不到 10% [24] ;美國在今后幾十年內也要將 6500 個填埋場中的 5000 個關閉 [7] 。另外,填 埋場易產生臭氣,蚊蠅滋生、空氣污染,因此,該方法不能最終避免環境污染,而 只是延緩了環境污染產生的時間。第三,衛生填埋對場地的防滲設施和地下水位具 有較高的要求,因此需要較高的場地建設費和大量的運輸費用,這些都是影響該方 法實施的不利因素 [25] 。 1.3.2 焚燒 如果城市衛生要求高或污泥有毒物質含量高使污泥無法再利用,但污泥自身的 燃燒熱值較大時,可采用焚燒方法進行處理。 焚燒法處理污泥具有諸多優點,能使有機物全部碳化,可實現最大限度減容、4 減量化,處理速度快,完全滅殺病原物,使有毒污染物被氧化,而且污泥灰燼中的 重金屬活性較污泥中要低得多,并可使空氣凈化設備排放氣體達標,同時污泥燃燒 產生熱能可回收利用。經焚燒后,剩余污泥中的水分、有機物等都被分解,只剩下 少量無菌、無臭的無機殘渣,稱為焚燒灰,這些焚燒灰可以制磚(瓦)、陶瓷、水 泥等建筑材料 [26] 。 污泥焚燒的缺點是,有機物燃燒會產生二噁英等有害氣體,造成環境二次污染, 此外,處理設備投資大,焚燒費用高 [27] 。據報道,日本一套處理規模為 50m 3 /d 左 右的焚燒設備,成本高達 28 億日元 [28] 。 1.3.3 土地利用 剩余污泥中含有豐富的有機物和 N、P、K 等營養元素,同時還含有植物所必 須的 Ca、Mg、Cu、Zn、Fe 等微量元素,能夠改良土壤結構,增加土壤肥力,促 進植物的生長,因此,土地利用成為目前使用最廣泛的剩余污泥處置方法之一。土 地利用在歐美發達國家的剩余污泥處置中所占的比重都很大。據統計 [29] ,1998 年, 美國污泥農地利用量占污泥產出總量的 41%,英國(1991 年)占 55%,法國占 50%, 葡萄牙高達 80%。美國專門制定了污泥土地利用法規(ACT503) [30] ,日本則成立了 污泥還田指導委員會,用以指導污泥在土地上合理利用 [31] 。在我國,由于經費和技 術的原因,許多污水廠的污泥被任意堆放在污水廠周圍或轉運到其他地方存放,或 被當地農民濫用在菜地上,成為一種新的污染源。 污泥土地利用可以概括為以下幾個方面, A、綠化利用 剩余污泥用于城市綠地及觀賞性植物,既可以脫離食物鏈, 又可以減少運輸費用,同時還可以節約化肥、增加開花量和延長花期。然而,此種 方法也同樣存在著衛生條件差、容易孽生蚊蠅、影響景觀的不利因素 [22,32,33] 。 B、林地利用 剩余污泥用于造林或成林施肥,不會威脅人類食物鏈,而且 林地又遠離人口密集區,所以是較安全的土地利用方式。同時,由于林地缺乏養料, 可以使污泥中的 N、P 得以充分利用。但是,林地利用也存在著運輸費用昂貴問題。 C、農田利用 據第二次土壤普查 [34] ,我國中低產土壤面積相當大,全國缺 乏有機質的耕地 3290 萬 hm 2 ,缺氮的耕地 3305 萬 hm 2 ,均占耕地面積的 35%左右; 缺磷耕地 6726.6 萬 hm 2 ,占耕地面積的 70.7%,部分耕地缺鋅、硼、鉬等微量元素, 相當面積的土壤急需培肥。污泥中有機質、氮、磷養分豐富,是一種值得利用的肥5 源。但污泥中的細菌、各種寄生蟲卵、重金屬以及污泥中的氮、磷過剩,可能會對 對土壤和農作物產生很大的危害。有資料表明 [35] ,在建成的污水處理廠中,90%以 上沒有污泥處理的配套設施,60%以上的污泥未經任何處理就直接農用,而消化后 的污泥也由于未進行無害化處理而不符合污泥農用衛生標準。因此,必須采取措施 以盡可能減輕污泥中的污染物帶來的危害。 1.3.4 污泥減量化 二十世紀九十年代,國內外專家學者提出污泥減量化的概念,即,在污泥產生 過程中,通過技術手段減少剩余污泥產生量,使剩余污泥的生物固體量達到最小化, 從而降低后續處理、處置以及運輸費用。從機理上講,污泥減量化是將污泥作為內 能源,將其消滅在廢水處理系統中,從根本上減少污泥的體積。與資源化利用和處 理技術相比,污泥減量化可有效減少二次污染的危險,具有很大的可行性,已成為 當前研究熱點。污泥減量主要有以下方法, A、Cannibal 工藝 [36] 生物固體分解通過在活性污泥與 Cannibal 側向反應器 之間的交換完成。這種交換在需氧處理裝置和厭氧生物反應器之間進行。系統不斷 選擇低繁殖細菌來分解生物固體,直到固體被完全分解,從而大幅度降低污泥稠化、 脫水、儲存、運輸和處理的費用。 B、超聲波處理 利用超聲波的一次效應和二次效應 [37] 對污泥進行預處理, 可以提高其脫水效率與生物處理效果,其可行性、優化條件和機理等已有相關報道 [38,39] 。Teihm [40] 等人使用 0.44w/mL 的超聲波處理剩余污泥 20min,可使污泥平均粒 徑從 99μm 降低到約 3μm。Chu [41] 等人發現,高強度和短時間的組合可能提供最 佳脫水效果,在高強度超聲波作用下,96s 內污泥平均粒徑就可以從 165μm 降低 到 85μm,既破壞了菌膠團的結構,又不降低污泥脫水性。 C、生物水解法 通過適當控制系統的水力停留時間和溫度,將厭氧污泥消 化限制在水解和發酵階段,利用產生的溶解性有機物作為微生物的營養物質,達到 減量目的。Kitazume 等 [42] 采用專門培養的高效產酸菌,可使活性污泥中溶解性揮 發固體(SVS)的含量超過 50%,其中大部分可轉化為揮發性脂肪酸(VFA)和乙 酸,同時產甲烷率提高 10%。 D、熱化學法 在一定溫度下,將強酸或強堿加入到污泥處理系統中,污泥 細菌細胞壁可被酸堿溶化,細胞內的物質泄出,然后將污泥回用到水處理系統中。6 Rocher [43] 等研究和比較了熱處理、酸和堿對活性污泥中細菌細胞破裂的影響,結果 表明,在 pH=10 和溫度 60℃下培育 20min,細胞溶解和生物降解最穩定,污泥產 率僅為常規活性污泥法的 38%~43%。 E、生物捕食法 根據生態學原理,通過促進污泥食物鏈中捕食細菌的生物 體生長,可減少細菌的生物量,從而達到污泥減量的目的。翟小蔚等 [44] 采用兩段式 膜生物反應器作為原生動物哺育系統,培養富含原生動物的污泥,然后將其定期接 種于普通活性污泥中,利用原生動物對細菌捕食原理,達到削減剩余污泥量的目的。 王寶貞 [45] 采用固體填料增加原生動物和后生動物在曝氣池中的數量,小試結果表 明,浸沒式生物膜的剩余污泥產量可降低到常規活性污泥法的 1/10~1/5。 另外,臭氧法 [46] 、微生物強化法 [47] 、代謝終止法 [48] 、酶法 [49] 、氯化法 [50] 、嗜 熱菌處理法 [51] 和 Cambi 工藝 [52] 等方法也都具有剩余污泥減量的效果。 1.3.5 資源化利用新途徑 除上述幾種處置方法外,近十年來國內外還發展了一些新型剩余污泥資源化技 術。雖然這些方法大多處于研究試驗階段,卻為污泥資源化利用開闊了新的思路, 為后續研究奠定了基礎。 A、制備吸附劑。在高溫焙燒下,污泥中的含碳有機物轉換成固定碳,可制備 出多孔結構發達、吸附能力強的活性炭。有研究表明 [53] ,污泥活性炭對多種染料廢 水吸附效果明顯,在最佳焙燒條件下制備,污泥活性炭對廢水中染料的最大吸附量 可達 28mg/g 左右,相應的脫色率均在 98%以上。 B、制生化纖維板。利用污泥中蛋白質的變性作用,在堿性條件下將其加熱、 干燥、加壓后,可制成活性污泥樹脂,再與漂白、脫脂后的廢纖維膠合起來,壓制 成板材,即生化纖維板,可以達到國家三級硬質纖維板標準 [54] 。 C、制建筑材料。利用直接焚燒或低溫熱解技術 [55~58] ,將污泥制成灰渣,再摻 上適量粘土與硅砂,可制成高強度的磚塊和砌塊。將脫水污泥干燥粉碎后與石灰石、 粘土混合,磨碎后煅燒,可生產水泥。近年來,日本利用污泥焚燒灰為原料生產“生 態水泥”獲得成功 [59] 。 D、制備動物飼料。根據污泥中含有大量有機質(尤其蛋白質)和動物生長所 必需的微量元素,通過生物手段將污泥轉化為無害的、動物可食用的飼料或者飼料 添加劑。例如,將凈化后的污泥加工成飼料直接喂魚和養雞,或者利用蚯蚓處理剩7 余污泥后,再將蚯蚓加工成飼料喂養動物 [60] 。 總體上看,在剩余污泥減量的前提下,衛生填埋、焚燒和土地利用是目前應用 最廣泛的污泥處置方法。這些方法在實際應用中發揮了一定的作用,但也存在一定 的問題(見表 1-1)。 表 1-1 國內外主要污泥處置方法 Tab. 1-1 The main methods of sludge treatment at home and abroad 方法名稱 基本方式 優點 存在的問題 衛生填埋 污泥經過滅菌處理后, 直接傾倒于低地或谷 地后加以封固。 處理成本低、不需要高度 脫水,初步解決污泥出路 問題。 需占用大量土地、耗費可觀;存在 滲濾液污染地下水、病原體繼續繁 殖、臭味、污泥消化導致氣體爆炸 等問題。 焚燒 利用污泥中有機成分 高,具有一定熱值的特 點來處置污泥。 處理時間短、占地面積 小、殘渣量少、可達到完 全滅菌的目的,并能實現 一定的熱能回收利用。 技術和設備復雜,一次性投資大; 能耗高,操作管理復雜,運行管理 費亦高;存在“二惡英” 等氣體污 染。 土地利用 利用污泥中含有豐富 的有機營養成分,投放 到農(林)業耕地、牧業 草地、園林綠地等土地 中進行利用的方法。 實現了一定的肥效利用, 不失為污泥資源化的一 種重要途徑。 污泥中重金屬造成土壤及作物的 二次污染;污泥中的病毒、病原體 對環境造成影響;氮磷等物質濃度 過高會造成對地下水的污染。 污泥是一種“放錯了位置的資源”,減量化并不能作為解決污泥問題的最終方 法。隨著人口的增長,世界自然資源被快速消耗,特別是一些不可替代能源的短缺, 使人們不得不尋找新的資源,因此,目前污泥的處理處置應以資源化利用為目標。 污泥中蛋白質含量較高,且富含有機質、N、P、K 等營養元素,如果能將這些有 用物質提取并加以利用,開發蛋白飼料、有機肥等資源,不僅可以緩解自然資源供 應不足的壓力,還可以為污泥資源化利用提供新的思路。 2 國內外蛋白質飼料發展的現狀、問題及對策 2.1 蛋白質飼料的定義、種類 蛋白質飼料是指干物質中含粗蛋白 20%以上、粗纖維 18%以下的飼料 [62] 。其 種類主要有,植物性蛋白飼料,其來源比較廣泛,例如菜籽餅、豆餅、芝麻餅等 [63] ; 動物性蛋白飼料,蛋白質含量高,有魚粉、血粉、羽毛粉 [64] 、昆蟲 [65] 及其它動物8 蛋白源等;非蛋白氮飼料,尿素是常規蛋白質飼料的有效替代品,隨后科研人員又 相繼開發出異丁叉雙脲、磷酸脲、縮二脲、脂肪酸脲等 20 多種非蛋白氮飼料;單 細胞蛋白飼料,也稱微生物飼料,主要包括一些單細胞藻類、酵母、微型菌、真菌 等。 2.2 國內外蛋白質飼料工業發展現狀 發展蛋白質飼料工業,可以有效解決畜牧養殖業過程中的飼料短缺問題。美國、 德國、日本等發達國家,在不斷改良原有蛋白質飼料的基礎上研制新型蛋白質飼料, 并已進入大規;a,利潤十分可觀,有效緩解了蛋白質飼料短缺情況。美國堪 薩斯州立大學研究基金會的漢森等 [66] 發明了一類改良的動物飼料,這類飼料包括大 量的非水解、非消化、天然存在的蛋白質并輔以少量的添加劑(必需氨基酸殘基的 二肽和三肽混合物)。日本味之素株式會社石栗敏彥等 [67] 將選自谷類麩質粗粉和谷 類麩質飼料粉的飼料原料與氨基酸發酵肉湯培養基或它的處理溶液混合后干燥,制 成的混合物富含氨基酸。 我國畜牧業傳統上過分依賴糧食,但是隨著畜牧業的不斷深入發展,糧食尤其 是蛋白質資源相對匱乏的問題已嚴重制約了畜牧業的快速發展。蛋白質是畜牧養殖 業和飼料工業的主要原料之一,我國對蛋白質的需求已遠遠超出了國內動植物蛋白 的生產量,每年都需要從國外進口大量大豆、豆粕和魚粉等蛋白質原料。據統計, 2000 年我國蛋白飼料需要量約為 4500 萬噸,而供給量只有 2100 萬噸,蛋白質飼 料資源缺口達 2400 萬噸 [68] 。這一缺口將繼續擴大,業內人士估計,2010 年蛋白質 飼料資源缺口將增長到 3800 萬噸,2020 年則增加到 4800 萬噸 [65,69,70] 。如何解決蛋 白質飼料資源短缺,以提高畜產品產量、滿足人們生活水平不斷提高的需要,是擺 在我國畜牧業和飼料工業面前的一個重要問題。 2.3 解決我國蛋白質飼料短缺的對策 面對我國蛋白質飼料的巨額缺口,要解決好養殖業發展與資源緊缺這一突出矛 盾,必須采取資源開發、節約使用與進口并舉的措施。但進口只能作為一種補充和 調劑品種緊缺的手段,關鍵還是要通過技術創新,有效地提高飼料的自給率。 對于常規蛋白質飼料,通過改進加工工藝,可最大限度地提高其中的營養成分 含量及飼用價值。開發新型動物性蛋白飼料,昆蟲動物蛋白的開發已成為世界上許 多國家彌補蛋白質飼料來源的一條新途徑,并在禽類養殖業中推廣應用 [71] 。另外,9 非蛋白氮飼料由于可被反芻動物瘤胃中的微生物能直接轉化成能利用的菌體蛋白 供機體應用,可為拓寬反芻動物的蛋白飼料來源開辟了一條工廠化的途徑 [72~74] 。 利用各種非食用資源、廢棄資源和低消化性飼料通過微生物作用,以工業方式 大批量生產單細胞蛋白質被認為是解決蛋白質飼料短缺問題的最好途徑 [75] 。單細胞 蛋白 [76,77] 又稱微生物蛋白或菌體蛋白,一般是指酵母、非病源性細菌、微型菌、真 菌等單細胞生物體內所含的蛋白質,其粗蛋白含量可達 45%~70%,且各種氨基酸 搭配合理,維生素含量高,以它制成的單細胞蛋白飼料是比較理想的魚粉替代物。 與高等植物和動物相比,單細胞蛋白飼料的生產具有速度快、微生物繁殖力強、世 代周期短、培養料豐富、不受地域和氣候條件制約等優點,且蛋白質含量豐富,必 需氨基酸含量多且較平衡,粗纖維含量極低。 經過科研工作者的長期實踐和試驗,已研制出多種新型蛋白質飼料。李大鵬 [78] 利用麥糟加鹽酸水解,蒸煮后添加酵母進行發酵,生產單細胞蛋白飼料?子 [79] 經試驗發現,從土壤中篩選分離出的細菌,經過硫酸二乙酯和 60 Co-γ射線誘變處 理后,所得新菌株能夠以檸檬酸生產過程中的副產物(菌絲渣)和中和濾液中的殘 渣、殘糖等有機成分為營養源進行生長繁殖,并將這些有機成分轉化為蛋白質,生 產出蛋白質飼料。楊全福 [80] 等利用馬鈴薯渣通過兩次發酵生產單細胞蛋白飼料,其 蛋白質含量最高可達到 45%(干重)。徐抗震 [81] 等以蘋果渣為主要原料經液固態發 酵(LSSF)后,產物中的粗蛋白、真蛋白和粗脂肪質量分數分別比原料提高了 78.62%、165. 76%和 51.67% ,而粗纖維則降低了 38.13%,17 種必需氨基酸質量 分數急劇提高,尤其是對禽畜生長十分重要的絲氨酸、賴氨酸、酪氨酸和精氨酸比 發酵原料增率高達 162.3%、275.2%、81.3%和 89.4%,營養價值顯著增加。 據報道,一般污泥中含有 28.7%~40.9%的粗蛋白,26.4%~46.0%灰分, 26.6%~44.0%纖維素和 0~3.7%脂肪酸,其中 70%的粗蛋白以氨基酸(蛋氨酸、胱 氨酸、蘇氨酸和纈氨酸為主)形式存在,各種氨基酸之間相對平衡,是一種非常好 的飼料蛋白 [82~84] 。若將其開發制成蛋白質、氨基酸、維生素等的專用飼料添加劑, 可有效緩解蛋白質飼料的緊缺狀況。但采用何種技術,如何將污泥中的營養成分轉 化成飼料蛋白,目前研究還不夠深入,長期利用污泥蛋白產生的有毒物質在動物體 內的積累,造成潛在的危害和長遠影響還有待進一步研究。10 3 剩余污泥蛋白質的研究現狀 剩余污泥主要由微生物、微生物自身氧化殘余物、吸附在活性污泥表面上尚未 降解或難以降解的有機物和無機物四部分組成,其中,微生物包括細菌、真菌、原 生動物和后生動物等多個種類。細菌是組成微生物的重要成分,主要以菌膠團的形 式存在于剩余污泥中(圖 1-2)。菌膠團的形成主要依靠細菌分泌的富含多糖、氨 基酸等物質的粘膠液,促進細菌的膠體粒子發生凝聚反應,進而使更多的細菌能夠 進一步的凝聚在一起。由于這種粘膠液的作用,剩余污泥菌膠團的表面有一多糖類 粘質層 [85,86] 。污泥細菌結構具有如下特點,其細胞由細胞壁、細胞膜、細胞質以及 細胞核質等構成,細胞壁由脂類、蛋白質、多糖的聚合物組成,其外圍有一層多糖 類物質稱為莢膜,細胞壁內還有一層主要由蛋白質和磷脂組成的細胞膜。在細菌的 莢膜、細胞壁和細胞膜這三層物質的包圍下是細胞質,包括核糖體、細胞核以及顆 粒狀內含物等,主要化學成分是蛋白質 [87] ?梢,剩余污泥中的蛋白質主要存在于 污泥細菌的細胞壁及其內部物質中。 圖 1-2 幾種不同形態的菌膠團 Fig.1-2 Zoogloea of several different forms 處理生活污水產生的剩余污泥(WAS)含有 41%的蛋白質、25%類脂、14%的 碳水化合物和 20%未知成分 [88] 。三種有機成分中,以碳水化合物的溶解性最大。 經過熱化學預處理后,90%的碳水化合物、64%的蛋白質和 61%的類脂是可溶解的。11 由此可見剩余污泥是一種潛在可利用的飼料蛋白。按我國年排放干污泥 700 萬噸計 算,若污泥蛋白質提取率為 30%,則制成的蛋白飼料就可能達到 210 萬噸,可以解 決 5%~10%蛋白飼料缺口。由此可見,利用污水處理廠剩余污泥,開發生產代糧飼 料既利于環境保護,又緩和了飼料市場供不應求的局面,降低成本,提高了經濟效 益,具有廣闊的應用前景。 從剩余污泥中提取蛋白質就是使污泥中的微生物蛋白質釋放出來,變成可溶物 質的過程。細菌細胞壁主要由肽聚糖組成,是一種半剛性結構,其分子形成縱橫交 叉的網狀結構,肽聚糖中任何鍵的斷裂都有可能使其對細菌的保護作用喪失,從而 使細菌破裂,細胞內含物質流出。污泥蛋白質的提取需要首先破壞污泥的結構和細 菌的細胞壁,使污泥絮體結構發生變化,細胞內的內含物溶出,進入水相,從而達 到分離有機質(主要蛋白質)的目的。另外,污泥成分非常復雜,其中的重金屬、 病原菌、寄生蟲(卵)和有毒有機物在蛋白質提取的同時有可能被一同提取出來。 因此,用何種方法從剩余污泥中高效提取蛋白質,并保證所提取的蛋白質作為動物 飼料的安全性,是污泥提取蛋白技術需要關注的問題。 4 蛋白質測定及其提取技術研究現狀 4.1 蛋白質測定方法 根據蛋白質的性質和成分,測定蛋白質的方法可分為兩大類,一類是利用蛋白 質的共性,即含氮量、肽鍵和折射率等測定蛋白質含量;另一類是利用蛋白質中特 定氨基酸殘基、酸、堿性基團和芳香基團等測定蛋白質含量。 凱氏定氮法 [89,90] ,原理是含蛋白質樣品與硫酸和催化劑一同加熱消化,使蛋白 質分解,分解的氨與硫酸結合生成硫酸銨。然后堿化蒸餾使氨游離,用硼酸吸收后 再以硫酸或鹽酸標準溶液滴定,根據酸的消耗量乘以換算系數(6.25),即為蛋白 質含量。根據儀器裝置、樣品與試劑用量的不同又可分為常量、半微量與微量法。 其中半微量凱氏定氮法是食品中蛋白質含量測定的國家標準方法。 Folin—酚試劑法(Lowry 法) [91] ,在堿性溶液中,蛋白質與 Cu 2+ 形成絡合物,能 還原磷鉬酸—磷鎢酸試劑(Folin 試劑),生成藍色物質。在一定條件下,顏色的深 淺與蛋白質含量的高低成正比例。此法操作簡便、靈敏度高,但反應易受多種因素12 干擾。 紫外分光光度法,由于蛋白質分子中酪氨酸和色氨酸殘基的苯環含有共軛雙 鍵,因此蛋白質具有吸收紫外線的性質,吸收高峰在 280nm 波長處。在此波長范 圍內,蛋白質溶液的光吸收值(OD280)與其含量呈正比關系,可用作定量測定。此 法測定蛋白質含量的優點是迅速、簡便、不消耗樣品,低濃度鹽類不干擾測定。 考馬斯亮藍染色法(Bradford 法) [92] ,考馬斯亮藍在一定蛋白質濃度范圍內, 蛋白質和染料結合符合比爾定律,因此可以通過測定染料在 595nm 處光吸收的增 加量得到與其結合的蛋白質量。該法簡單、迅速、干擾物質少、靈敏度高(比 Lowry 法靈敏 4 倍)。 蛋白質測定的其他方法還有水楊酸比色法 [93] 、雙縮脲法 [94] 、皮尼克法、二喹 啉甲酸法(BCA 法) [95] 、熒光探針法 [96] 、近紅外透射光譜法 [97, 98] 、羅丹明 6G 生 物探針 [99] 、高光譜遙感技術 [100] 等。 4.2 蛋白質提取技術 目前,動物、植物、微生物中蛋白質提取技術已經比較完善。大部分蛋白質可 溶于水、稀鹽、稀酸或堿溶液,少數與脂類結合的蛋白質則溶于乙醇、丙酮、丁醇 等有機溶劑中,因此,可采用不同溶劑提取蛋白質。 從固體廢棄物(如蝦殼、米糠、垃圾、污泥等)中提取蛋白質技術尚不完善, 很多方法仍處于實驗室研究階段, A、蝦殼蛋白質提取 [101,102] 干蝦殼在氫氧化鈉溶液中進行脫蛋白質反應, 反應終結后,用 KMnO 4 脫去紅色素,過濾。濾液 pH 值調至 5~6 后,加入一定量 氯化鈉使蛋白質析出。在優化條件下蛋白質提取純度可達到 82.3%。 B、米糠蛋白質提取 從米糠中提取蛋白質的方法有化學法(堿法) [103] 、酶 法 [104,105] 和物理分離 [106] 等方法。無論采用哪種方法,都是通過破碎米糠的細胞結 構,使米糠蛋白溶出,從而達到提取蛋白的目的,但是方法不同會導致細胞破碎程 度不同,因而蛋白質提取率也會有差別。據報道,酶法對米糠蛋白質提取率可達 91.6% [105] ,化學法獲得的產品中蛋白質含量為 33%~38% [103] ,物理法蛋白質回收率 最高可達 38.2% [106] 。13 C、垃圾中蛋白質提取 高鳳彩 [107] 等人研究發現,通過向垃圾中添加一些活 性菌種,保持在一定的溫度和 pH 值下,有機廢物經過厭氧或好氧發酵分解成簡單 易被自然界消化的物質。發酵的殘渣中含有一定的菌體蛋白質,用硫酸水解法可以 提取大部分蛋白質,提取率達 80%以上。 D、污泥蛋白質提取 污泥細胞破壁的程度直接影響著蛋白質的提取率。王 芬 [108] 等采用加堿、加熱、加熱聯合加堿 3 種預處理方式,對剩余活性污泥進行細 胞破壁的研究,發現加熱聯合加堿方法,不僅可以加大水解程度,還可以加快污泥 的破壁,內含物的流出。曹秀芹 [109] 等研究了不同聲能密度下,超聲破解剩余污泥 的情況,結果表明,聲能密度為 0.25 W/mL 時,破解污泥 30min,污泥上清液中溶 解性化學需氧量(SCOD)值從 133mg/L 上升到 2566mg/L;而聲能密度為 0.5W/mL 下,破解污泥 30min 后,SCOD 值從 133mg/L 上升到 4532mg/L,可見超聲波可以 使污泥細胞有效破解,內含物流出。Shier [110] 等人采用熱解方法從污泥中提取蛋白 質,試驗證明,污泥蛋白質提取的最佳溫度和時間分別為 150~155℃和 20min,此 條件下可獲得蛋白質大分子,若高于此溫度,蛋白質便會繼續分解成小分子片斷。 Lau [111] 采用機械勻質、酸化和熱處理等方法對初沉池和二沉池污泥進行提蛋白試 驗,發現從二沉池污泥中提取的蛋白質與初沉池污泥中提取的蛋白質相比,不僅蛋 白含量高而且污染物水平低,經檢測所提取的蛋白質富含蛋氨酸、半胱氨酸和賴氨 酸等必需氨基酸。Chishti [84] 等分別采用氫氧化鈉、氯化鈉以及二者結合方法提取污 泥蛋白質,發現使用氫氧化鈉提取污泥蛋白提取率較高,pH 值為 12.5 時,最高可 使污泥中 90%的蛋白質溶解。硫酸銨可以有效沉淀溶液中的蛋白質,當硫酸銨的加 入量為 40%時,溶液中的蛋白質回收率最高(即蛋白質沉淀量最大),達到 91%。 綜上所述,從固體廢棄物中提取蛋白質的方法基本上分三類,即物理法、化學 法和酶法。但是固體廢棄物往往含有多種有毒有害成分,在蛋白質提取的過程中, 這些有毒有害成分有可能會伴隨蛋白質一起提取出來并混雜在蛋白質中,如果將這 些蛋白質制成飼料或添加劑飼喂動物,其中的有毒有害成分會逐漸在動物體內積累 危害動物健康。因此,從固體廢棄物中提取蛋白質制備動物飼料,其安全性的檢測 非常重要。14 5 本研究主要目的與內容 5.1 研究目的 本研究擬在國內外固體廢棄物蛋白質提取、分離方法的基礎上,根據青島市三 座污水處理廠剩余污泥自身的理化性質,探討剩余污泥蛋白質提取的最佳方法和條 件,然后經過沉淀分離得到粗蛋白,并對其營養性和安全性進行分析,分析污泥蛋 白作為動物蛋白質飼料或添加劑的可行性,為剩余污泥資源化利用提供新的途徑。 5.2 研究內容 (1)通過對青島市三座污水處理廠剩余污泥樣品特征及成分分析,提出青島 市剩余污泥資源化利用的可行途徑,并分析利用這些污泥提取加工蛋白飼料的可行 性。 (2)采用三種方法——酸水解法、堿水解法和超聲波法提取三座污水處理廠 剩余污泥中的蛋白質,通過正交試驗分別優化蛋白質提取的工藝條件。在優化的提 取條件下獲得污泥蛋白質的水解液,通過計算比較三種方法對每種污泥的蛋白質提 取率,由此確定各污水處理廠剩余污泥中蛋白質提取的適宜方法。 (3)通過研究提取液 pH 值對蛋白質沉淀率的影響,確定蛋白質從污泥提取 液中析出的等電點,以便使盡可能多的蛋白質從水相中沉淀分離出來。 (4)測定干化的蛋白質沉淀物中蛋白質、氨基酸、重金屬的含量,與《飼料 衛生標準》(GB13078-2001)、《飼料中鋅的允許量》(NY929-2005)以及常見的動 物飼料及添加劑進行比較,分析污泥蛋白作為動物飼料的營養性和安全性。



 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