复合酶水解法提取剩余污泥中蛋白质的研究.doc

复合酶水解法提取剩余污泥中蛋白质的研 究 第一章 绪论1.1 剩余污泥的产生与危害随着我国城市化进程的加快和污水处理率的不断提高，城镇污水 处理厂污泥的产量也大幅增加，每年产生污泥预计高达 3000 万吨 (以含水率 80 %计)，并以 8 %~10 %的年增长率持续递增[1]污泥 的妥善处理已成为每个城市面临的难题，并且成为了制约污水处理 厂进一步发展的重要因素剩余污泥是指污水处理过程中所产生的 固态、半固态及液态的废弃物, 是污水处理厂的必然产物, 含有大量 的有机物、丰富的氮磷等营养物、重金属以及致病菌和病原菌等； 常常伴有恶臭气体, 且数量巨大, 增长迅速, 是亟待解决的城市废弃 物大量的污水处理厂不断建成并投入使用, 随之而来的污泥量越 来越大一般而言, 污泥量占污水量的 0. 3% ~ 0. 5%[2]； 如果对污 水进行深度处理,污泥量会增加 0. 5~ 1 倍, 污水处理效率的提高必然 导致污泥数量的增加不同的污水处理工艺会产生不同的剩余污泥， 其中有害物质的成分与含量也不尽相同，比如来自生活污水处理工 艺的剩余污泥除了含细菌、微生物、悬浮物和胶体物质外，还会含 有一定量的氮、磷等；而来自工业污水处理工艺的剩余污泥除了前 面所述的物质外，还会有一些有毒有害的重金属和化学物质等。

因 此面对污泥量日益增长的严峻形势，如不对这些污泥进行妥善的处 理，势必将给我们赖以生存的环境带来二次污染，对人类和动物的 健康造成较大的危害1.2 剩余污泥处理、处置及资源化技术污泥是污水处理后的产物，是一种由细菌、微型动物为主的微生 物与悬浮物质、胶体物质混杂在一起形成的茶褐色的絮凝体污泥 具有含水率高、有机物含量高、易腐化发臭且颗粒细、比重小等特 性随着全球经济的不断发展、人口剧增,市政污水处理厂的建设规 模与处理程度也在不断扩大和提高,从而导致剩余污泥的产量与日俱 增目前,世界上许多国家已不再将污泥作为无用的废弃物而简单处 置并丢弃在全球普遍倡导的可持续发展战略的影响下,污泥作为一 种可以回收、利用的资源与能源的载体,对它们的处理，处置正朝着 无害化、减量化、稳定化、资源化的方向发展目前, 污泥处置与利用的方式主要有填埋、焚烧、土地利用, 但由于各国国情不同, 选 择的方法各有侧重表 1-1 是世界各国污泥产生量和最终处置情况 由表 1-1 可以看出, 农用和陆地填埋是大多数国家污泥处置的最主 要方法农用和陆地填埋方案的选择很大程度上取决于各国政府相 关的法律、法规和污染源控制状况, 同时也与国家的大小和农业发 展情况有关。

近年来, 随着污泥农用标准( 特别是合成有机物和重金 属等) 的逐渐提高, 许多国家如德国、意大利、西班牙等, 污泥农用 的比例不断降低, 而污泥填埋的比例呈增加趋势. 但也有一些国家如 美国、英国、卢森堡等, 污泥农用的比例呈增加趋势, 填埋呈减少趋 势近 10 年来, 世界各国污泥处理利用涌现出了许多新技术, 例如 污泥热化学液化处理使之转化为燃料油；低温热化学过程将污泥转 化为燃料；利用污泥制砖、制陶瓷等用作建筑材料；日本、新加坡 都在研究污泥焚烧后残渣经 1300℃的高温融铸成块石堆砌的处置方 法；美国新泽西州尝试用污泥压制成粒, 销售给农业和化肥工业 为了更详细地了解国外城市污泥的处置与利用状况, 下面就欧洲， 北美洲，亚洲等情况作进一步介绍第二章 复合酶法水解提取剩余污泥中蛋白质的研究2.1 引言随着我国城市化进程的加快和污水处理率的不断提高，城镇污水 处理厂污泥的产量也大幅增加，每年产生污泥预计高达 3000 万吨 (以含水率 80 %计)，并以 8 %~10 %的年增长率持续递增[57]污泥 的妥善处理已成为每个城市面临的难题，并且成为了制约污水处理 厂进一步发展的重要因素。

剩余污泥中含有丰富的有机物，是一种 潜在的可再生资源研究表明，蛋白质、多糖和其他一些碳水化合 物是污泥中有机物的主要组成部分，其中蛋白质的含量占到 20%~60%（相对于干污泥）[58-60]然而，剩余污泥中的大部分有 机质存于剩余污泥细胞内部，剩余污泥细胞内有机质的溶出及其优 质转化成为限制目前剩余污泥减量化和资源化的瓶颈技术［61］ 酶生物处理方法是一种具有发展前景的剩余污泥处理技术，可裂解 剩余污泥中微生物的细胞壁[62]，同热、碱处理等物化法相比，酶 法处理具有反应条件温和、副产物少和能耗低等优点章文锋等利 用酶法水解提取剩余活性污泥中的蛋白质[63]，基本实现了剩余污 泥的无害化，减量化，但是由于酶反应的专一性[64]，单一酶作用 范围小，得到的蛋白质转化率较低本章从不同酶的活性、作用位点及和底物的相互作用都不同这一机理出发，针对单酶水解污泥得 到的蛋白质转化率较低这一问题，以蛋白质转化率作为目标值，研 究使用复合酶来提取剩余活性污泥中的蛋白质结果表明，复合酶 可以在短时间，低温的条件下从剩余污泥中提取较多的蛋白质，蛋 白质转化率远高于单酶水解提取2.2 试验材料、仪器和试剂2.2.1 试验材料剩余活性污泥：取自上海青浦区某污水处理厂，试验前污泥样品 在 40.5℃的环境下保存于冰箱中。

2.2.2 主要实验仪器分析天平:CP214,奥豪斯仪器(上海)有限公司；实验室 pH 计:FE20,梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；电热恒温鼓风干燥箱:DHG-9023A,上海齐欣科学仪器有限公司；回旋式水浴恒温振荡器:THZ-82,金坛市科学仪器有限公司；电子恒温水浴锅(天津市泰斯特仪器有限公司)；消化炉:KDN-08C,上海昕瑞仪器仪表有限公司；凯氏定氮仪:KDN-1000,上海昕瑞仪器仪表有限公司；台式离心机:TDL-40B,上海安亭科学仪器厂；电感耦合高频等离子体原子发射光谱仪（Prodigy，Leeman Co.，Ltd.，USA）第三章 不同预处理与复合酶法联合提取污泥蛋白的研究.........303.1 引言............303.2 试验材料、仪器和试剂......323.3 试验方法............333.4 结果与讨论........353.5 本章小结............38第四章 金属离子对超声波联合复合酶提取污泥蛋白的影响.....404.1 引言...........404.2 试验材料、仪器和试剂......404.3 试验方法............424.4 结果与讨论........434.5 结论...........50第五章 结论与展望..........515.1 结论...........515.2 展望...........52第四章 金属离子对超声波联合复合酶提取污泥蛋白的影响4.1 引言酶是生物体内进行一切合成分解代谢反应所需的最重要的物质之 一，机体内大约 30%的酶发挥其生物活性均需要各种各样的金属离 子的参与，特别的，有一部分金属如 Na、K、Ca、Mg、Fe、Zn、Cu 等是人体正常新陈代谢所必需，它 们或作为酶组成的一部分牢牢的结合在酶蛋白上发挥作用，或作为 激活剂使酶的活性增加，这类酶与酶中的金属离子结合不牢固，稳 定常数小，金属离子在反应中易从酶蛋白上脱离，降低酶活，所以 外界添加的金属离子对酶有激活作用。

金属离子一般通过以下几种 形式对酶产生影响：第一，金属离子可通过与酶的配体配位结合， 形成具有活性的微小区域，使酶的结构发生改变，进而影响其活性 [89-90]；第二，金属离子通过参与超酸催化以及氧化还原催化反应 直接参与酶催化反应；第三，某些金属酶只有在特定金属离子存在 的情况下才表现出活性，但这些金属离子并改变酶的结构；第四， 某些金属在酶催化过程中只起到抑制或激活作用，在没有这些金属 存在的情况下，酶仍有活性[91-92]金属离子中，重金属离子对酶 存在抑制作用，软金属离子存在激活或在一定浓度范围内存在激活 作用Jiang 等[93]研究了 Cu2+、Fe2+、Hg2+、Cd2+、Mn2+、Pb2+、Zn2+、Ca2+、Mg2+等 金属离子对木瓜蛋白酶酶活的影响，发现各金属对酶的抑制效果并 不相同，Ag+、Au3+等抑制效果最强，而 Ca2+、Mg2+、Yb3+、Sm3+、Ni2+等对酶活则几无影响陆珊等 [94]研究了几种金属离子对麦芽酸性磷酸酶活性的影响，发现 Mg2+、K+对酶活无明显影响，Cr3+、Co2+对生物酶存在激活作用 Cu2+、Zn2+、Cd2+、Ni2+对酶有不同程度的抑制作用。

洪法水等 [95]探讨了重金属离子对猪胰 -淀粉酶活性的影响，发现重 金属离子在极窄范围低浓度下对酶具有激活效用，在高浓度下抑制酶活性结论污水处理面临对其伴生物污泥处理处置的难题 国内外对污泥处理或处置的方法主要有填埋、焚烧、制肥及用作建 筑材料等这些方法难以完全避免二次污染、处置费用高和占用耕 地等问题活性污泥法等水处理过程中产生大量剩余污泥，其二次 污染严重，且目前尚无较好的处理或处置方法剩余污泥主要由微 生物及其自身氧化残余物、吸附在活性污泥表面上尚未降解或难以 降解的有机物和无机物 4 部分组成其中，微生物包括细菌、真菌、 原生动物和后生动物等多个种类，这些生物体内均含有蛋白质据 有关资料介绍，一般微生物中的蛋白质含量可达到 50%~60%，剩 余污泥中粗蛋白的含量约占污泥干重的 30%-60%针对这些丰富的 蛋白质资源，已有研究者采用了物理法，化学法和综合处理法对污 泥蛋白进行提取，取得了一定的研究进展，但采用复合酶法提取污 泥蛋白的研究不多本课题从复合酶法提取剩余污泥蛋白质入手， 并联合不同的预处理方法，以蛋白质转化率为指标，得到最优的联 合提取方法，使污泥蛋白质的资源化利用的前景变的更为明朗。

然 后本课题又通过在污泥溶液中添加不同种类的金属离子，同样以蛋 白质转化率为指标，研究金属离子对这种联合提取方法的影响，为 后人的进一步研究奠定了重要基础。