一种从剩余污泥中提取蛋白质的方法

1.本发明涉及一种从剩余污泥中提取蛋白质的方法，属于污泥资源化领域。


背景技术：

2.剩余污泥是污水处理过程中不可避免的副产物，自2008以来，中国剩余污泥产量年均增长10％，并在2019年增加至5800万吨(含水率约80％)。剩余污泥不仅含水率高、易腐烂、气味难闻，而且还含有大量有机物、病原微生物、重金属等。如果未经处理随意堆积，会对水体和土壤产生二次污染。剩余污泥中的含有大量有机物，主要为蛋白质、多糖、腐殖酸等，其中蛋白质含量约占30～60％。从剩余污泥中提取的蛋白质，不仅可以有效解决污泥处理问题，还可以实现污泥资源化再生利用。
3.从剩余污泥中提取蛋白质的先决条件是破坏污泥胞外聚合物和细胞膜，将污泥中蛋白质由固相转移至液相。其次是改善污泥脱水性能，将蛋白质溶液从污泥混合液中分离。胞外聚合物是污泥絮体的重要组成部分，对污泥絮体的表面性质、絮体强度有重要的影响。胞外多糖作为胞外聚合物的骨架，其含有许多带负电的基团(羟基、巯基和羧基)，相比于蛋白质、腐殖酸等物质，胞外多糖对污泥脱水性能的影响更加显著。脂肪作为胞外聚合物的主要成分之一，其含量增加不仅会导致污泥的粘度增加，固液分离性能降低。而且还会增加污泥热阻，进而使污泥破胞率下降。因此污泥中多糖和脂肪对剩余污泥提取蛋白质有着抑制作用。
4.目前，剩余污泥中蛋白质的提取方法主要为臭氧氧化、超声、热解等。例如：公开号为cn111116705a的发明专利公开了一种利用臭氧处理从污泥中提取蛋白质的方法，该方法将污泥置于反应器中通入臭氧进行臭氧氧化后，加入改性的阳离子瓜尔胶，进行混凝沉淀，最终产品蛋白浓度为5000～8000mg/l；公开号为cn102702306a的发明专利公开了一种超声梯度水解回收蛋白质的方法，其采用超声梯度水解污泥后，通过等电点沉淀回收蛋白质沉淀；公开号为cn108658411a的发明专利公开了一种从污泥中回收蛋白质的方法，该方法采用湿氧化的方法从有机污泥中回收蛋白质，其将污泥在温度为160℃、时间为90min、转速为500rpm/min、压力为40bar的条件下进行水解，水解后加入硫酸铵离心，最终蛋白质提取率为19～50％；公开号为cn1868929a的发明专利公开了用生石灰水解活性污泥制备水解蛋白质的生产工艺及设备，该方法将剩余污泥：水：生石灰按1:1:0.06比例添加后，在135～150℃下水解1～3h，过滤后通过喷雾干燥得到蛋白质；上述方法可以在一定程度上提取污泥中蛋白质，但是其仅通过提高工艺强度来增加污泥水解程度，对于污泥中有机组分(多糖和脂肪)对提取污泥中蛋白质的影响并不关注。污泥中多糖和脂肪不仅会影响提取污泥中蛋白质的浓度及其效率，还将影响最终产品的质量。
5.因此，如何将污泥中多糖和脂肪有效特异性降解，进一步促进污泥水解效率，是提高剩余污泥中蛋白质提取效率亟需解决的问题，这对提高污泥蛋白质浓度、蛋白产品质量以及污泥的脱水性能有着重要的意义。


技术实现要素：

6.[技术问题]
[0007]
目前从污泥中提取蛋白的方法是通过提高工艺强度来增加污泥水解程度，对于污泥中有机组分(多糖和脂肪)对提取污泥中蛋白质的影响并不关注。而污泥中多糖和脂肪不仅会影响提取污泥中蛋白质的浓度及其效率，还将影响最终产品的质量。
[0008]
[技术方案]
[0009]
为了解决上述问题，本发明提供了一种利用特异性酶解联合碱热水解提取污泥中蛋白质的方法。本发明的方法可以将污泥中多糖和脂肪有效降解，提高蛋白质浓度、蛋白质质量和污泥脱水性能。
[0010]
本发明的第一个目的是提供一种从剩余污泥提取蛋白质的方法，包括如下步骤：
[0011]
(1)调节污泥浓度：将剩余污泥加水调节，得到污泥浓度为100～200g/l的污泥溶液；
[0012]
(2)特异性酶解：将步骤(1)的污泥溶液与复合酶制剂混合，进行酶解，得到酶解后的混合液；其中，复合酶制剂为质量比为1～5：1的糖苷酸酶、脂肪酶组成的复合酶，所述的糖苷酸酶为质量比为1～5：1的α-淀粉酶、β-淀粉酶；
[0013]
(3)碱热水解：将步骤(2)得到的酶解后的混合液加压，ph调节至10～13，进行水解，得到水解后的混合液；
[0014]
(4)固液分离、浓缩：将步骤(3)得到的水解后混合液进行过滤、浓缩，得到蛋白质溶液。
[0015]
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的剩余污泥的含水率约为75～85％，有机物含量约为30～60％，粗蛋白含量约为10～30％，ph约为7～8。
[0016]
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的复合酶制剂的添加量相对于污泥溶液的质量百分比为1～5％。
[0017]
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的酶解是在20～40℃下30～150rpm酶解0.5～2h。
[0018]
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的脂肪酶、α-淀粉酶、β-淀粉酶购自江苏锐阳生物科技有限公司，酶活分别为360000、700000、100000u/g。
[0019]
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)所述加压是加压至0.1～2mpa。
[0020]
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)所述调节ph是采用cao、ca(oh)2或naoh进行调节。
[0021]
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)所述水解是在100～180℃下50～500rpm搅拌水解1～5h。
[0022]
在本发明的一种实施方式中，步骤(4)所述过滤是进行压滤，压滤压力为0.8～2mpa，压滤时间为0.5～4h；浓缩是蒸发浓缩，蒸发温度为80～120℃，蒸发时间为0.5～4h，所得产物为质量浓度为20％～40％的蛋白质溶液。
[0023]
在本发明的一种实施方式中，本发明所述的方法采用提取污泥中蛋白的装置进行；
[0024]
所述的装置包括储泥装置、储酶装置、配水装置、配碱装置、酶解装置、碱热水解装置、压滤装置、浓缩装置、产品储料装置；其中酶解装置设有电动搅拌装置，搅拌速度为30～
150rpm；碱热水解装置设有电动搅拌装置，搅拌速度为50～500rpm；压滤装置为板框压滤，压滤压力为0.8～2mpa，压滤时间为0.5～4h；浓缩装置为蒸发浓缩，蒸发温度为80～120℃，蒸发时间为0.5～4h；
[0025]
具体的操作是：
[0026]
(1)调节污泥浓度：将储泥装置中剩余污泥和配水装置中水同时加入酶解装置中，将剩余污泥浓度调节至100～200g/l；
[0027]
(2)特异性酶解：将储酶装置中复合酶制剂加入酶解装置中，进行酶解，得到酶解后的混合液；
[0028]
(3)碱热水解：将酶解装置中酶解后的混合液与储碱装置中碱性物质同时加入碱热水解装置中进行碱热水解，得到水解后的混合液；
[0029]
(4)固液分离：将水解装置中水解后的混合液加入压滤装置中，进行压滤，得到蛋白质溶液；其中，压滤装置为板框压滤，压滤压力为0～2mpa，压滤时间为0.5～4h；
[0030]
(5)浓缩：将压滤后蛋白质溶液从压滤装置中加入浓缩装置进行浓缩，使蛋白质溶液浓度达到20％～40％；其中，浓缩装置为蒸发浓缩，蒸发温度为80～120℃，蒸发时间为0.5～4h。
[0031]
本发明的第二个目的是本发明所述的方法制备得到的蛋白质溶液。
[0032]
本发明的第三个目的是本发明所述的蛋白质溶液在制备液体肥料、泡沫灭火剂中的应用。
[0033]
[有益效果]
[0034]
(1)现有的碱热水解工艺直接使用污泥进行碱热水解，尽管可以在一定程度上的提取污泥中蛋白质，但是蛋白质浓度低，提取率低。本发明采用特异性酶解联合碱热水解，在碱热水解前，利用特异性酶有效降解污泥中多糖和脂肪，解除多糖和脂肪对污泥凝胶状结构和脱水性能的影响，并避免了脂肪对污泥中微生物的保护作用。
[0035]
(2)现有的剩余污泥中蛋白质的提取方法，所提取的蛋白质浓度低，蛋白质提取率低，污泥固液分离效果差，本发明通过使用特异性酶降解污泥在多糖和脂肪，破坏污泥结构，解除其对碱热水解的抑制，进而提高碱热水解的效率，减少能耗，提高蛋白质浓度、蛋白提取率以及固液分离性能和产品质量。
[0036]
(3)本发明的方法制备得到的蛋白质溶液的质量浓度为20～40％，蛋白质的提取率在50％以上；蛋白质滤液的浓度为15000-25000mg/l，水解残渣含水率为30～40％。
附图说明
[0037]
图1为本发明所述的提取污泥中蛋白的装置；其中，1：储泥装置；2：储酶装置；3：配水装置；4：酶解装置；5：配碱装置；6：碱热水解装置；7：压滤装置；8：浓缩装置；9：产品储料装置。
具体实施方式
[0038]
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。
[0039]
实施例中采用的脂肪酶、α-淀粉酶、β-淀粉酶购自江苏锐阳生物科技有限公司，酶
活分别为360000、700000、100000u/g。
[0040]
实施例中采用的剩余污泥来自市政污水处理厂，含水率约为76.20％，有机物含量约为33.37％，粗蛋白含量约为13.74％，ph约为7.02。
[0041]
实施例中采用的提取污泥中蛋白的装置，包括储泥装置1、储酶装置2、配水装置3、酶解装置4、配碱装置5、碱热水解装置6、压滤装置7，浓缩装置8、产品储料装置9；
[0042]
其中酶解装置4设有电动搅拌装置，搅拌速度为30～150rpm；碱热水解装置6设有电动搅拌装置，搅拌速度为50～500rpm；压滤装置7为板框压滤，压滤压力为0.8～2mpa，压滤时间为0.5～4h；浓缩装置8为蒸发浓缩，蒸发温度为80～120℃，蒸发时间为0.5～4h；
[0043]
具体的操作是：
[0044]
(1)调节污泥浓度：将储泥装置1中剩余污泥和配水装置3中水同时加入酶解装置4中，将剩余污泥浓度调节至100～200g/l；
[0045]
(2)特异性酶解：将储酶装置2中复合酶制剂加入酶解装置4中，进行酶解，得到酶解后的混合液；
[0046]
(3)碱热水解：将酶解装置4中酶解后的混合液与配碱装置5中碱性物质同时加入碱热水解装置6中进行碱热水解，得到水解后的混合液；
[0047]
(4)固液分离：将碱热水解装置6中水解后的混合液加入压滤装置7中，进行压滤，得到蛋白质溶液；其中，压滤装置7为板框压滤，压滤压力为0.8～2mpa，压滤时间为0.5～4h；
[0048]
(5)浓缩：将压滤后蛋白质溶液从压滤装置7中加入浓缩装置8进行浓缩，使蛋白质溶液浓度达到20％～40％；其中，浓缩装置8为蒸发浓缩，蒸发温度为80～120℃，蒸发时间为0.5～4h。
[0049]
蛋白质浓度通过凯氏定氮法gb t6432-2018测定，水解残渣含水率通过重量法cj/t 221，蛋白质提取率根据式(1)计算。
[0050][0051]
式中：m0、m1分别是污泥和蛋白质溶液中的蛋白质含量，mg/gvss。
[0052]
实施例1
[0053]
一种从剩余污泥提取蛋白质的方法，包括如下步骤：
[0054]
(1)调节污泥浓度：将剩余污泥加水调节，得到污泥浓度为120g/l的污泥溶液；
[0055]
(2)特异性酶解：将步骤(1)的污泥溶液与复合酶制剂混合，在37℃、80rpm进行酶解2h，得到酶解后的混合液；其中，复合酶制剂的添加量相对于污泥溶液的质量百分比为2％；复合酶制剂为质量比为1：1的糖苷酸酶、脂肪酶组成的复合酶，所述的糖苷酸酶为质量比为3：1的α-淀粉酶、β-淀粉酶；
[0056]
(3)碱热水解：将步骤(2)得到的酶解后的混合液加压至0.21mpa，采用naoh调节ph为11，在120℃、150rpm下进行水解1.5h，得到水解后的混合液；
[0057]
(4)固液分离、浓缩：将步骤(3)得到的水解后的混合液在1mpa下进行压滤1h，得到蛋白质滤液和水解残渣，之后将蛋白质滤液在100℃下蒸发浓缩1.5h，得到蛋白质溶液。
[0058]
实施例2
[0059]
调整实施例1步骤(2)的复合酶制剂中糖苷酸酶、脂肪酶的质量比为3：1，其他和实
施例1保持一致，得到蛋白质溶液。
[0060]
实施例3
[0061]
调整实施例1步骤(2)的复合酶制剂中糖苷酸酶、脂肪酶的质量比为5：1，其他和实施例1保持一致，得到蛋白质溶液。
[0062]
对照例1
[0063]
调整实施例1步骤(2)的复合酶制剂仅为α-淀粉酶，其他和实施例1保持一致，得到蛋白质溶液。
[0064]
对照例2
[0065]
调整实施例1步骤(2)的复合酶制剂仅为β-淀粉酶，其他和实施例1保持一致，得到蛋白质溶液。
[0066]
对照例3
[0067]
调整实施例1步骤(2)的复合酶制剂仅为脂肪酶，其他和实施例1保持一致，得到蛋白质溶液。
[0068]
对照例4
[0069]
省略实施例1步骤(2)的复合酶制剂，其他和实施例1保持一致，得到蛋白质溶液。
[0070]
将得到的蛋白质溶液进行性能测试，测试结果如下：
[0071]
表1实施例1～4和对照例1～4的测试结果
[0072][0073]
实施例4
[0074]
一种从剩余污泥提取蛋白质的方法，包括如下步骤：
[0075]
(1)调节污泥浓度：将剩余污泥加水调节，得到污泥浓度为150g/l的污泥溶液；
[0076]
(2)特异性酶解：将步骤(1)的污泥溶液与复合酶制剂混合，在37℃、50rpm进行酶解2h，得到酶解后的混合液；其中，复合酶制剂的添加量相对于污泥溶液的质量百分比为2％；复合酶制剂为质量比为5：1的糖苷酸酶、脂肪酶组成的复合酶，所述的糖苷酸酶为质量比为4：1的α-淀粉酶、β-淀粉酶；
[0077]
(3)碱热水解：将步骤(2)得到的酶解后的混合液加压至0.28mpa，采用cao调节ph为12，在130℃、250rpm下进行水解2h，得到水解后的混合液；
[0078]
(4)固液分离、浓缩：将步骤(3)得到的水解后的混合液在0.8mpa下进行压滤1h，得到蛋白质滤液和水解残渣，之后将蛋白质滤液在110℃下蒸发浓缩1h，得到蛋白质溶液。
[0079]
所得蛋白质滤液浓度23107.90mg/l，水解残渣含水率为36.03％；蛋白质溶液浓度
为33.46％，蛋白质提取率为71.73％。
[0080]
实施例5
[0081]
一种从剩余污泥提取蛋白质的方法，包括如下步骤：
[0082]
(1)调节污泥浓度：将剩余污泥加水调节，得到污泥的浓度为110g/l污泥溶液；
[0083]
(2)特异性酶解：将步骤(1)的污泥溶液与复合酶制剂混合，在20℃、100rpm进行酶解2h，得到酶解后的混合液；其中，复合酶制剂的添加量相对于污泥溶液的质量百分比为3％；复合酶制剂为质量比为4：1的糖苷酸酶、脂肪酶组成的复合酶，所述的糖苷酸酶为质量比为2：1的α-淀粉酶、β-淀粉酶；
[0084]
(3)碱热水解：将步骤(2)得到的酶解后的混合液加压至0.35mpa，采用ca(oh)2调节ph为13，在140℃、100rpm下进行水解2.5h，得到水解后的混合液；
[0085]
(4)固液分离、浓缩：将步骤(3)得到的水解后的混合液在1mpa下进行压滤1h，得到蛋白质滤液和水解残渣，之后将蛋白质滤液在100℃下蒸发浓缩1h，得到蛋白质溶液。
[0086]
所得蛋白质滤液浓度23107.90mg/l，水解残渣含水率为36.03％；蛋白质溶液浓度为27.61％，蛋白质提取率为73.21％。