第5卷第12期2011年12月
环境工程学报
Vol．5，No．12Dec．2011
2种处理方法水解剩余污泥蛋白质的研究
李
萍
1，2
李登新
2*
苏瑞景
2
颜桂炀
1
（1．宁德师范学院化学与环境科学系，宁德352100；2．东华大学环境科学与工程学院，上海201620）
摘要运用了木瓜蛋白酶、超声波和蛋白酶联合使用的2种处理方法水解剩余污泥蛋白，以水解液中蛋白质提取率
为指标，分析了2种水解处理方法对剩余污泥处理效果的影响。蛋白酶水解提取法的最佳条件是：反应体系木瓜蛋白酶的浓度为6%，固液比为1ʒ 4，水解温度为55ħ ，水解时间为5. 5h ；蛋白质的提取率为51. 71%。超声波和蛋白酶联合的最佳
T =45min ，条件是：P =30W ，蛋白质的提取率为66. 60%。结果表明，超声波和蛋白酶联合使用的水解方法优于蛋白
酶水解。
关键词
木瓜蛋白酶
X703
剩余污泥
水解A
蛋白质
9108（2011）12-2859-05文章编号1673-中图分类号
文献标识码
Study on hydrolysis of by two excess sludge protein treatment methods
2
Li Ping 1，
Li Dengxin 2Su Ruijing 2Yan Guiyang 1
（1．Department of Chemistry and Environmental Science ，Ningde Normal College ，Ningde 352100，China ；2．College of Environmental Science and Engineering ，Donghua University ，Shanghai 201620，China ）
Abstract The excess sludge protein was hydrolyzed by two treatment methods with papain ，the joint use of ultrasonication and papain．Its influence on sludge disintegration effect was analyzed through detecting protein re-covery rate target．Papain hydrolysis process conditions for extraction of sludge protein were as follows ：tempera-reaction time 5. 5h ，papain content 6%and the ratio of solid to liquid 1ʒ 4；protein recovery rate was ture 55ħ ，
51. 71%．The optimized conditions for the joint use of ultrasonication and papain hydrolysis were P =30W ，T =
protein recovery rate was 66. 60%．The results show that the joint use of ultrasonication and papain hy-45min ，
drolysis is better than papain hydrolysis．
Key words papain ；excess sludge ；hydrolysis ；protein 随着社会经济和城市化发展，污水处理率在不近年来，有学者开始将酸、碱水解应用于提取剩
［4］
断提高从而导致污泥产生量显著增加。据统计，余污泥蛋白质的过程。Chishti 等在pH 12．5的2008年我国城市污水如全部得到处理，采用了碱处理方法对污泥进行提取蛋白质干污泥总量条件下，
6
将增至8. 4ˑ 10t /a，约占我国总固体废弃物的
2］
3. 2%［1，。污泥是由细菌、霉菌、原生动物、后生动
试验，发现使用NaOH 提取污泥蛋白提取率较高，最
［5］
高可使污泥中90%的蛋白质溶解。华佳等采用
pH 1. 5，时间为6h ，固液比为1ʒ 2，温度为藻类等生物组成。据有关资料报道，剩余污泥含HCl 水解，物、
［6］
P 、K 等元素和蛋白质、有大量的N 、多糖、核酸等各120ħ 的水解工艺条件下提取蛋白质。赵顺顺等
酸法和碱、超声联合处理法提取剩余污种有机物。剩余污泥中含有较多的蛋白质，其含量采用了碱法、
［3］
可达到40% 70%（相对于干污泥）。生物蛋白质从剩余污泥中提取后，是属于天然品，可以做为饲
泥蛋白质的水解实验，其中碱法提取剩余污泥中蛋
pH 白质水解的最优工艺是温度为70ħ ，时间为5h ，
固液比为1ʒ 4。这些方法都是基于化学、物理品添加剂，或进行深加工后获得精制的蛋白质产品，12. 5，
同时还可将蛋白质进一步水解，生产氨基酸，以提高产品的附加值。此外，蛋白质产品还是很多行业的重要原料，因此，利用污水处理厂剩余污泥，开发生产单缓细胞蛋白既实现了污泥的资源化又利于环境保护，
降低成和了目前饲料市场动物蛋白的供应不求局面，本，提高了经济效益，具有非常好的市场前景。
JB10193）；宁德师范学基金项目：福建省教育厅科技项目（JA08265，
院服务海西项目资助（2010H103）
收稿日期：2010－11－15；修订日期：2010－12－21
作者简介：李萍（1979 ），女，硕士研究生，讲师，主要从事固废处理
mail ：lp993@126．com 研究工作。E-*通讯联系人，E-mail ：lidengxin@dhu．edu．cn
2860
环境工程学报第5卷
水解法的研究，存在着水解时间较长或反应温度高等缺点。本实验采用酶生物处理法、生物与超声联把装有污泥样品的烧杯放在冰浴上以降低体系的温
度。超声结束后，再加入一定量的酶在设定好的温
通过实验确定度、合处理水解法提取剩余污泥蛋白质，时间进行水解。
为促进污泥的资源化提供一定的1．3．2酶水解法提取污泥蛋白质的最佳工艺最佳的水解方法，
参考。该方法的研究报道几乎没有。
污泥中的微生物细胞内存在着大量的蛋白质，
［8］
而难生物降解的细胞壁对细胞起着保护的作用。水解过程中如果细胞破碎的程度越大，从细胞内将溶出更多的蛋白质。由于影响细胞破碎的酶水解的主要因素有蛋白酶浓度、固液比、反应时间等。同时，体系的温度会影响酶促反应即蛋白质在水溶液中的浓度。故本文拟选蛋白酶浓度、固液比、反应时间和温度4个因素进行4因素3水平的正交实验。以水解离心所得上清液中的蛋白质提取率（干污泥）作为评价指标。1．3．3
超声波与酶联合水解法提取污泥蛋白质的
工艺条件优化
超声波是一种机械波，在弹性介质中传播时会
［8］
产出一定的能量。据Harrison 报道，超声降解法，因而通过超声波作用于污泥可以破坏菌胶团结构，溶出胞内物质，释放是一种破碎细胞壁的好方法
出更多的蛋白质。超声波提取污泥蛋白质的试验中，以不同的超声功率和作用时间进行试验，研究对污泥破解处理效果的影响。然后再在1．3．2最佳工艺条件进行酶水解实验。以水解离心所得上清液中
［9］
1
1. 1
材料与方法
样品的来源
实验所用的污泥样品为上海市青浦区某污水处
理厂的经过消化和脱水的剩余污泥。该污水处理厂
43
的处理量为2．5ˑ 10m /d，污水是由94%的城市生活污水和6%的工业废水组成，污水处理工艺采用
厌氧-兼氧-好氧法。经采集后的剩余污泥样品被运
为防止污泥中的有机物变质应贮藏在送回实验室，
在4ħ 的条件下冷藏，待用。冰箱，
1．2化学试剂及仪器
化学试剂：0. 1mol /LHCl ；400g /LNaOH 溶液；2%硼酸溶液；混合指示剂：0. 1%甲基红乙醇溶液与0. 5%溴甲酚绿乙醇溶液（临用时按1ʒ 1的比例混合）；浓H 2SO 4；CuSO 4·5H 2O ；K 2SO 4；硒粉；无水乙醇；木瓜蛋白酶，所用试剂均为分析纯。
9030电热恒温鼓风干燥箱（上海一仪器：DHG-恒科技仪器有限公司）；BS124S 型电子分析天平（德国sartorius 公司）；PHS-3C 型精密酸度计（上海
理达仪器厂）；电子恒温水浴锅（天津市泰斯特仪器
的蛋白质提取率（干污泥）作为评价指标。
100全自动定氮仪（上海昕瑞1．4测定与计算方法有限公司）；凯氏KDN-仪器仪表有限公司）；BILON96-Ⅱ超声波细胞粉碎100全滤液中蛋白质浓度的测定用凯氏KDN-机（上海比朗仪器有限公司）。自动定氮仪测定；污泥含水率的测定用重量分析法；1．31．3．1
方
法
实验的基本过程
（1）酶水解法：分别称取约10g 的污泥样品放入100mL 的烧杯中，加入一定量的蒸馏水搅匀，调成污泥混合液，用设定好的蛋白酶调节其浓度，然后放置到恒温水浴振荡器内在所需要的时间下进行水解反应。水解结束后再在沸水中进行10min 的酶
干污泥样品中的粗蛋白质的含量（Pr ）、水解液中蛋白质的含量（W pr ）和蛋白质的提取率（L ）的计算公式如下：
Pr =
V HCl ˑ M HCl ˑ 0．014ˑ 6．25
ˑ 100%
DS
（1）
M HCl 表示盐酸的浓度，其中：V HCl 表示盐酸的体积，
DS 表示干污泥质量；干污泥质量=湿污泥质量ˑ （1
灭活。酶灭活结束后，参照赵顺顺等对于酸水解法－污泥含水率）。的报道研究，于3600r /min的转速下离心15min ，M pr
W =ˑ 100%（2）pr ［7］
M w 获得的上清液中的蛋白质用全自动定氮仪测定。
M Pr 表示水解（2）超声波与酶联合水解法：分别称取约10g 其中：W Pr 表示水解液中蛋白质的含量，的污泥样品放入100mL 的烧杯中，加入一定量的蒸
馏水搅匀，调成污泥混合液，以一定超声功率在所需时间下进行超声提取蛋白质实验。其余步骤同上。超声过程中，为了降低超声过程中发热的影响，可以
M w 表示水解液总量；水解液蛋白液中蛋白质总量，
质总量=水解蛋白质浓度ˑ 所制备溶液体积。
L =
M pr
ˑ 100%S pr
（3）
第12期李萍等：2种处理方法水解剩余污泥蛋白质的研究
2861
其中：M Pr 表示水解液中蛋白质总量，S Pr 表示污泥样品中蛋白质总量；污泥样品中蛋白质总量=污泥的质量ˑ 蛋白质的百分含量。
2
2．1
结果与讨论
污泥的特性
污泥样品不同其化学特性也不同。采集的污泥样品为黑灰色，稍有类似积肥的恶臭气味。污泥样6次重复测定样品取平品的pH 为6．84接近中性，均值，所得污泥的含水率为83．95%，这与文献报道的普通脱水工艺所得到的污泥含水率范围基本相符。干污泥蛋白质的含量为43. 61%。2．22．2．1
酶水解剩余污泥的效果
最佳水解条件的确定在酶水解过程中，木瓜蛋白酶的浓度设置为
3个系列分别为0. 4、0. 5和0. 6g ；设置的温度分别55和60ħ ；水解时间系列分别为：3. 5、4. 5为：50、
60和80和5. 5h ；加入的蒸馏水的量分别为：40、mL ，正交实验结果可见表1。水解后过滤液中蛋白质的含量最高为9. 975%，最低为3. 500%，相差6. 475%。根据极差（R ）的大小判断，在4种因素中，以固液比对滤液中蛋白质的含量影响最大，其次为蛋白酶的浓度，而其他因素对结果的影响较小。
蛋白酶水解提取剩余污泥蛋白质的最优工艺条件
固液比为2．2．2蛋白酶用量对剩余污泥蛋白质提取率的影响是：反应体系木瓜蛋白酶的浓度为6%，
图3显示，水解条件下剩余污泥蛋白质提取率1ʒ 4，水解温度为55ħ ，水解时间为5．5h 。为了便
采用蛋白酶法提取剩余于直接观察，将固液比和酶浓度与滤液中蛋白质含的测定结果。由图3可知，分别为图1和图2。量的关系作成效应图，
表1Table 1
木瓜蛋白酶水解正交实验结果Results of papain hydrolysising orthogonal experiments
序号1
23456789K 1K 2K 3极差（R ）
木瓜蛋白酶（%）
4445556665．4846．0677．0291．545
因素水平温度反应时间（ħ ）[***********]6．0675．8346．6790．845
（h ）3．54．55．53．54．55．53．54．55．56．3885．9796．2130．409
结果滤液中蛋白质含量（%）8．2254．4633．7633．5008．4006．3006．4754．6389．975
污泥蛋白质的提取率为28. 25% 52．73%。蛋白酶的用量为0. 6g 时，水解液中蛋白质的提取率可蛋白质的提取以达到最大值；酶用量小于0. 6g 时，率明显低于加入0. 6g 蛋白酶时的水平。
蛋白酶用量低于最佳用量时，蛋白质的提取率是先由42. 3%下降到28. 25%，然后又升高到51. 21%。可能是由于蛋白酶浓度较小时，酶与污泥不能充分作用，污泥细胞没有完全破碎，固液比控制着整个酶促反应，蛋白质的提取率随着固液比的增蛋白酶的浓度又加而降低；当蛋白酶的浓度升高时，控制着整个酶促反应，导致提取液中的蛋白质的提取率又升高。
蛋白酶的浓度接近最佳用量时，水解液中的蛋白质提取率是先由51. 71%降低到38. 43%，接着又上升到52. 73%。这说明污泥被充分破碎后，细胞内蛋白质不断溶出的同时也发生水解。李积华
固液比1ʒ 41ʒ 61ʒ 81ʒ 81ʒ 41ʒ 61ʒ 61ʒ 81ʒ 48．8675．7463．9674．900
2862等
［10］
环境工程学报第5卷
的研究表明，随着底物添加量的增大，水解度降低，底物浓度对水解度表现出促进和抑制双重作随着污泥底物的减用。当加酶量低于最佳用量时，
即已释放出的蛋白质又被水解，少水解度迅速升高，
致使蛋白质的提取率降低；蛋白酶用量高于最佳用
量时，污泥底物的增加会抑制蛋白质的水解，导致蛋白质的提取率升高。
这种结果表明，当酶的浓度与底物的浓度在最佳的配比条件下，酶促反应更彻底，且有更多的蛋白质释放到溶液中，即蛋白质的提取率越高。在该条件下，酶水解提取蛋白质的最大提取率与赵顺顺［6］
等进行的碱水解法提取蛋白质的结果相接近
。
图4
时间（功率）与蛋白质提取率关系
Relationship between time
Fig．4
（power ）and protein recovery rate
11，12］中得到证实。所以，相关文献［在一定超声
时间条件下，细胞的分解存在一个最佳声功率值。实验发现，超声时间为45min 时，蛋白质的提取率为66．6%，即超声作用中随着时间的延长，污泥中蛋白质的提取率显著增加。曹秀芹等研究了超声时间对污泥效果的影响，经超声处理
［13］
后的污泥尺寸变小，絮体分解，细胞壁内物质被释放
且胞内物质进一步转化可生物降解的物质。因出，
图3
滤液中蛋白质提取率与蛋白酶用量的关系Fig．3
Relationship between protein
recovery rate and papain content in filtrate
而，在超声功率一定的条件下，超声达到一定时间可将污泥破碎溶解的更彻底，获得较高的蛋白质提取率。
另外，从图4还可以看出，超声时间与超声功率
而且超声时对滤液中蛋白质提取率都有很大影响，
2．3
超声波与酶联合处理污泥的效果间的影响比超声功率的变化幅度更大。
为了使污泥的破解更彻底，先对污泥进行超声2．42种处理方法对污泥中蛋白质的提取处理。实验中考虑超声时间和功率2个因素对蛋白综合以上实验结果，酶水解和超声波与酶联合质提取率的影响。按照1．3．1实验的基本过程，在水解剩余污泥在最佳条件下提取蛋白质含量及提取相同条件下超声5份等量（10g ）的污泥样品，分别
10、30、60和90W 的功率作用下，以5、超声时间T =30min ；同样，在超声功率P =30W 条件下，作10、25、35和45min 。超声用的时间分别选取为5、结束后，再在2．2．1的条件下进行酶水解。超声功
率见下表2。由表2可知，超声波与酶联合水解对
污泥的破解效果优于单独采用酶水解法处理污泥。超声波作为一种破解污泥的新型技术，虽然在我国处于初步研究阶段，但很有发展前景。经超声处理
后的污泥，性质发生了变化，污泥絮体被分解，胞内
率和超声时间对污泥处理效果的影响结果，见图4。物质释放出来，并具有良好的生化降解性能。因而，
从图4中可以发现，超声功率从5W 开始，随
表22种水解处理方法对污泥破解效果的比较
着功率的不断加大，污泥滤液中的蛋白质提取率是先增加后减少。当功率为30W 时，提取率达到最大值为57. 35%。刚开始时，污泥絮体先是变得松散然后尺寸变小，接着絮体被打碎，细胞内物质被释放出来，当如果继续增加功率时，超声作用的机理更阻碍污泥细胞内物质的释放。
该结论可从为复杂，
Table 2
Effect comparison of sludge
蛋白质的含量
（mg /L）
9．97512．600
disintegration by two hydrolysis methods
处理方法酶水解法超声波与酶联合
水解法
蛋白质的提取率
（%）
52．7366．60
第12期李萍等：2种处理方法水解剩余污泥蛋白质的研究
2863
6］赵顺顺，孟范平，王震宇．碱水解法提取剩余污泥蛋白质经过该种处理的污泥其含量不但减少，并为污泥进［
2008，21（5）：17-20的条件优化．城市环境与城市生态，一步处理处置创造了条件。
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3结论
process conditions of extracting sludge protein by alkali hy-2008，28drolysis．Urban Environment ＆Urban Ecology ，（5）：417-421（in Chinese ）
［7］赵顺顺，孟范平．酸水解法提取剩余污泥蛋白质的条件
2008，21（3）：180-184优化．环境科学研究，
Zhao Shunshun ，Meng Fanping．Study on optimum process conditions of extracting sludge proteins by acid hydrolysis．Research of Environmental Sciences ，2008，21（3）：180-184
（1）蛋白酶水解提取剩余污泥蛋白质的最优工
艺条件是：反应体系木瓜蛋白酶的浓度为6%，固液比为1ʒ 4，水解温度为55ħ ，水解时间为5. 5h ，蛋白质的提取率为51. 71%。
（2）在超声波与酶联合处理污泥时，超声时间和超声功率都是影响细胞破解的重要因素，前者的
（in Chinese ）影响更为显著。最佳的超声条件是：超声功率P =
8］谢波，郭亮，李小明，等．三种预处理方法对污泥的破解30W ，超声时间T =45min ，蛋白质的提取率［
为66. 60%。
（3）蛋白酶水解法在低温、短时间的条件下，便可使微生物细胞内的蛋白质释放出来，该操作简单、易于控制。超声处理后的污泥，性质明显发生变化，污泥絮体被分解，细胞破碎的更为彻底。超
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tion in the recovery of intracellular products．Biotechnol．
声波与酶联合水解对污泥的破解效果比单独采用酶Adv．，1991，9（2）：217-240水解法处理的要好。上述2种方法提取污泥中的蛋［10］李积华，郑为完，张斌，等．酶法有限水解米渣蛋白动力
2007，28（4）：234-237学研究．食品科技，白质，工艺及设备条件都比较简单，提取的效果稳
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1
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为指标，分析了2种水解处理方法对剩余污泥处理效果的影响。蛋白酶水解提取法的最佳条件是：反应体系木瓜蛋白酶的浓度为6%，固液比为1ʒ 4，水解温度为55ħ ，水解时间为5. 5h ；蛋白质的提取率为51. 71%。超声波和蛋白酶联合的最佳
T =45min ，条件是：P =30W ，蛋白质的提取率为66. 60%。结果表明，超声波和蛋白酶联合使用的水解方法优于蛋白
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关键词
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蛋白质
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Abstract The excess sludge protein was hydrolyzed by two treatment methods with papain ，the joint use of ultrasonication and papain．Its influence on sludge disintegration effect was analyzed through detecting protein re-covery rate target．Papain hydrolysis process conditions for extraction of sludge protein were as follows ：tempera-reaction time 5. 5h ，papain content 6%and the ratio of solid to liquid 1ʒ 4；protein recovery rate was ture 55ħ ，
51. 71%．The optimized conditions for the joint use of ultrasonication and papain hydrolysis were P =30W ，T =
protein recovery rate was 66. 60%．The results show that the joint use of ultrasonication and papain hy-45min ，
drolysis is better than papain hydrolysis．
Key words papain ；excess sludge ；hydrolysis ；protein 随着社会经济和城市化发展，污水处理率在不近年来，有学者开始将酸、碱水解应用于提取剩
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6
将增至8. 4ˑ 10t /a，约占我国总固体废弃物的
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3. 2%［1，。污泥是由细菌、霉菌、原生动物、后生动
试验，发现使用NaOH 提取污泥蛋白提取率较高，最
［5］
高可使污泥中90%的蛋白质溶解。华佳等采用
pH 1. 5，时间为6h ，固液比为1ʒ 2，温度为藻类等生物组成。据有关资料报道，剩余污泥含HCl 水解，物、
［6］
P 、K 等元素和蛋白质、有大量的N 、多糖、核酸等各120ħ 的水解工艺条件下提取蛋白质。赵顺顺等
酸法和碱、超声联合处理法提取剩余污种有机物。剩余污泥中含有较多的蛋白质，其含量采用了碱法、
［3］
可达到40% 70%（相对于干污泥）。生物蛋白质从剩余污泥中提取后，是属于天然品，可以做为饲
泥蛋白质的水解实验，其中碱法提取剩余污泥中蛋
pH 白质水解的最优工艺是温度为70ħ ，时间为5h ，
固液比为1ʒ 4。这些方法都是基于化学、物理品添加剂，或进行深加工后获得精制的蛋白质产品，12. 5，
同时还可将蛋白质进一步水解，生产氨基酸，以提高产品的附加值。此外，蛋白质产品还是很多行业的重要原料，因此，利用污水处理厂剩余污泥，开发生产单缓细胞蛋白既实现了污泥的资源化又利于环境保护，
降低成和了目前饲料市场动物蛋白的供应不求局面，本，提高了经济效益，具有非常好的市场前景。
JB10193）；宁德师范学基金项目：福建省教育厅科技项目（JA08265，
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收稿日期：2010－11－15；修订日期：2010－12－21
作者简介：李萍（1979 ），女，硕士研究生，讲师，主要从事固废处理
mail ：lp993@126．com 研究工作。E-*通讯联系人，E-mail ：lidengxin@dhu．edu．cn
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环境工程学报第5卷
水解法的研究，存在着水解时间较长或反应温度高等缺点。本实验采用酶生物处理法、生物与超声联把装有污泥样品的烧杯放在冰浴上以降低体系的温
度。超声结束后，再加入一定量的酶在设定好的温
通过实验确定度、合处理水解法提取剩余污泥蛋白质，时间进行水解。
为促进污泥的资源化提供一定的1．3．2酶水解法提取污泥蛋白质的最佳工艺最佳的水解方法，
参考。该方法的研究报道几乎没有。
污泥中的微生物细胞内存在着大量的蛋白质，
［8］
而难生物降解的细胞壁对细胞起着保护的作用。水解过程中如果细胞破碎的程度越大，从细胞内将溶出更多的蛋白质。由于影响细胞破碎的酶水解的主要因素有蛋白酶浓度、固液比、反应时间等。同时，体系的温度会影响酶促反应即蛋白质在水溶液中的浓度。故本文拟选蛋白酶浓度、固液比、反应时间和温度4个因素进行4因素3水平的正交实验。以水解离心所得上清液中的蛋白质提取率（干污泥）作为评价指标。1．3．3
超声波与酶联合水解法提取污泥蛋白质的
工艺条件优化
超声波是一种机械波，在弹性介质中传播时会
［8］
产出一定的能量。据Harrison 报道，超声降解法，因而通过超声波作用于污泥可以破坏菌胶团结构，溶出胞内物质，释放是一种破碎细胞壁的好方法
出更多的蛋白质。超声波提取污泥蛋白质的试验中，以不同的超声功率和作用时间进行试验，研究对污泥破解处理效果的影响。然后再在1．3．2最佳工艺条件进行酶水解实验。以水解离心所得上清液中
［9］
1
1. 1
材料与方法
样品的来源
实验所用的污泥样品为上海市青浦区某污水处
理厂的经过消化和脱水的剩余污泥。该污水处理厂
43
的处理量为2．5ˑ 10m /d，污水是由94%的城市生活污水和6%的工业废水组成，污水处理工艺采用
厌氧-兼氧-好氧法。经采集后的剩余污泥样品被运
为防止污泥中的有机物变质应贮藏在送回实验室，
在4ħ 的条件下冷藏，待用。冰箱，
1．2化学试剂及仪器
化学试剂：0. 1mol /LHCl ；400g /LNaOH 溶液；2%硼酸溶液；混合指示剂：0. 1%甲基红乙醇溶液与0. 5%溴甲酚绿乙醇溶液（临用时按1ʒ 1的比例混合）；浓H 2SO 4；CuSO 4·5H 2O ；K 2SO 4；硒粉；无水乙醇；木瓜蛋白酶，所用试剂均为分析纯。
9030电热恒温鼓风干燥箱（上海一仪器：DHG-恒科技仪器有限公司）；BS124S 型电子分析天平（德国sartorius 公司）；PHS-3C 型精密酸度计（上海
理达仪器厂）；电子恒温水浴锅（天津市泰斯特仪器
的蛋白质提取率（干污泥）作为评价指标。
100全自动定氮仪（上海昕瑞1．4测定与计算方法有限公司）；凯氏KDN-仪器仪表有限公司）；BILON96-Ⅱ超声波细胞粉碎100全滤液中蛋白质浓度的测定用凯氏KDN-机（上海比朗仪器有限公司）。自动定氮仪测定；污泥含水率的测定用重量分析法；1．31．3．1
方
法
实验的基本过程
（1）酶水解法：分别称取约10g 的污泥样品放入100mL 的烧杯中，加入一定量的蒸馏水搅匀，调成污泥混合液，用设定好的蛋白酶调节其浓度，然后放置到恒温水浴振荡器内在所需要的时间下进行水解反应。水解结束后再在沸水中进行10min 的酶
干污泥样品中的粗蛋白质的含量（Pr ）、水解液中蛋白质的含量（W pr ）和蛋白质的提取率（L ）的计算公式如下：
Pr =
V HCl ˑ M HCl ˑ 0．014ˑ 6．25
ˑ 100%
DS
（1）
M HCl 表示盐酸的浓度，其中：V HCl 表示盐酸的体积，
DS 表示干污泥质量；干污泥质量=湿污泥质量ˑ （1
灭活。酶灭活结束后，参照赵顺顺等对于酸水解法－污泥含水率）。的报道研究，于3600r /min的转速下离心15min ，M pr
W =ˑ 100%（2）pr ［7］
M w 获得的上清液中的蛋白质用全自动定氮仪测定。
M Pr 表示水解（2）超声波与酶联合水解法：分别称取约10g 其中：W Pr 表示水解液中蛋白质的含量，的污泥样品放入100mL 的烧杯中，加入一定量的蒸
馏水搅匀，调成污泥混合液，以一定超声功率在所需时间下进行超声提取蛋白质实验。其余步骤同上。超声过程中，为了降低超声过程中发热的影响，可以
M w 表示水解液总量；水解液蛋白液中蛋白质总量，
质总量=水解蛋白质浓度ˑ 所制备溶液体积。
L =
M pr
ˑ 100%S pr
（3）
第12期李萍等：2种处理方法水解剩余污泥蛋白质的研究
2861
其中：M Pr 表示水解液中蛋白质总量，S Pr 表示污泥样品中蛋白质总量；污泥样品中蛋白质总量=污泥的质量ˑ 蛋白质的百分含量。
2
2．1
结果与讨论
污泥的特性
污泥样品不同其化学特性也不同。采集的污泥样品为黑灰色，稍有类似积肥的恶臭气味。污泥样6次重复测定样品取平品的pH 为6．84接近中性，均值，所得污泥的含水率为83．95%，这与文献报道的普通脱水工艺所得到的污泥含水率范围基本相符。干污泥蛋白质的含量为43. 61%。2．22．2．1
酶水解剩余污泥的效果
最佳水解条件的确定在酶水解过程中，木瓜蛋白酶的浓度设置为
3个系列分别为0. 4、0. 5和0. 6g ；设置的温度分别55和60ħ ；水解时间系列分别为：3. 5、4. 5为：50、
60和80和5. 5h ；加入的蒸馏水的量分别为：40、mL ，正交实验结果可见表1。水解后过滤液中蛋白质的含量最高为9. 975%，最低为3. 500%，相差6. 475%。根据极差（R ）的大小判断，在4种因素中，以固液比对滤液中蛋白质的含量影响最大，其次为蛋白酶的浓度，而其他因素对结果的影响较小。
蛋白酶水解提取剩余污泥蛋白质的最优工艺条件
固液比为2．2．2蛋白酶用量对剩余污泥蛋白质提取率的影响是：反应体系木瓜蛋白酶的浓度为6%，
图3显示，水解条件下剩余污泥蛋白质提取率1ʒ 4，水解温度为55ħ ，水解时间为5．5h 。为了便
采用蛋白酶法提取剩余于直接观察，将固液比和酶浓度与滤液中蛋白质含的测定结果。由图3可知，分别为图1和图2。量的关系作成效应图，
表1Table 1
木瓜蛋白酶水解正交实验结果Results of papain hydrolysising orthogonal experiments
序号1
23456789K 1K 2K 3极差（R ）
木瓜蛋白酶（%）
4445556665．4846．0677．0291．545
因素水平温度反应时间（ħ ）[***********]6．0675．8346．6790．845
（h ）3．54．55．53．54．55．53．54．55．56．3885．9796．2130．409
结果滤液中蛋白质含量（%）8．2254．4633．7633．5008．4006．3006．4754．6389．975
污泥蛋白质的提取率为28. 25% 52．73%。蛋白酶的用量为0. 6g 时，水解液中蛋白质的提取率可蛋白质的提取以达到最大值；酶用量小于0. 6g 时，率明显低于加入0. 6g 蛋白酶时的水平。
蛋白酶用量低于最佳用量时，蛋白质的提取率是先由42. 3%下降到28. 25%，然后又升高到51. 21%。可能是由于蛋白酶浓度较小时，酶与污泥不能充分作用，污泥细胞没有完全破碎，固液比控制着整个酶促反应，蛋白质的提取率随着固液比的增蛋白酶的浓度又加而降低；当蛋白酶的浓度升高时，控制着整个酶促反应，导致提取液中的蛋白质的提取率又升高。
蛋白酶的浓度接近最佳用量时，水解液中的蛋白质提取率是先由51. 71%降低到38. 43%，接着又上升到52. 73%。这说明污泥被充分破碎后，细胞内蛋白质不断溶出的同时也发生水解。李积华
固液比1ʒ 41ʒ 61ʒ 81ʒ 81ʒ 41ʒ 61ʒ 61ʒ 81ʒ 48．8675．7463．9674．900
2862等
［10］
环境工程学报第5卷
的研究表明，随着底物添加量的增大，水解度降低，底物浓度对水解度表现出促进和抑制双重作随着污泥底物的减用。当加酶量低于最佳用量时，
即已释放出的蛋白质又被水解，少水解度迅速升高，
致使蛋白质的提取率降低；蛋白酶用量高于最佳用
量时，污泥底物的增加会抑制蛋白质的水解，导致蛋白质的提取率升高。
这种结果表明，当酶的浓度与底物的浓度在最佳的配比条件下，酶促反应更彻底，且有更多的蛋白质释放到溶液中，即蛋白质的提取率越高。在该条件下，酶水解提取蛋白质的最大提取率与赵顺顺［6］
等进行的碱水解法提取蛋白质的结果相接近
。
图4
时间（功率）与蛋白质提取率关系
Relationship between time
Fig．4
（power ）and protein recovery rate
11，12］中得到证实。所以，相关文献［在一定超声
时间条件下，细胞的分解存在一个最佳声功率值。实验发现，超声时间为45min 时，蛋白质的提取率为66．6%，即超声作用中随着时间的延长，污泥中蛋白质的提取率显著增加。曹秀芹等研究了超声时间对污泥效果的影响，经超声处理
［13］
后的污泥尺寸变小，絮体分解，细胞壁内物质被释放
且胞内物质进一步转化可生物降解的物质。因出，
图3
滤液中蛋白质提取率与蛋白酶用量的关系Fig．3
Relationship between protein
recovery rate and papain content in filtrate
而，在超声功率一定的条件下，超声达到一定时间可将污泥破碎溶解的更彻底，获得较高的蛋白质提取率。
另外，从图4还可以看出，超声时间与超声功率
而且超声时对滤液中蛋白质提取率都有很大影响，
2．3
超声波与酶联合处理污泥的效果间的影响比超声功率的变化幅度更大。
为了使污泥的破解更彻底，先对污泥进行超声2．42种处理方法对污泥中蛋白质的提取处理。实验中考虑超声时间和功率2个因素对蛋白综合以上实验结果，酶水解和超声波与酶联合质提取率的影响。按照1．3．1实验的基本过程，在水解剩余污泥在最佳条件下提取蛋白质含量及提取相同条件下超声5份等量（10g ）的污泥样品，分别
10、30、60和90W 的功率作用下，以5、超声时间T =30min ；同样，在超声功率P =30W 条件下，作10、25、35和45min 。超声用的时间分别选取为5、结束后，再在2．2．1的条件下进行酶水解。超声功
率见下表2。由表2可知，超声波与酶联合水解对
污泥的破解效果优于单独采用酶水解法处理污泥。超声波作为一种破解污泥的新型技术，虽然在我国处于初步研究阶段，但很有发展前景。经超声处理
后的污泥，性质发生了变化，污泥絮体被分解，胞内
率和超声时间对污泥处理效果的影响结果，见图4。物质释放出来，并具有良好的生化降解性能。因而，
从图4中可以发现，超声功率从5W 开始，随
表22种水解处理方法对污泥破解效果的比较
着功率的不断加大，污泥滤液中的蛋白质提取率是先增加后减少。当功率为30W 时，提取率达到最大值为57. 35%。刚开始时，污泥絮体先是变得松散然后尺寸变小，接着絮体被打碎，细胞内物质被释放出来，当如果继续增加功率时，超声作用的机理更阻碍污泥细胞内物质的释放。
该结论可从为复杂，
Table 2
Effect comparison of sludge
蛋白质的含量
（mg /L）
9．97512．600
disintegration by two hydrolysis methods
处理方法酶水解法超声波与酶联合
水解法
蛋白质的提取率
（%）
52．7366．60
第12期李萍等：2种处理方法水解剩余污泥蛋白质的研究
2863
6］赵顺顺，孟范平，王震宇．碱水解法提取剩余污泥蛋白质经过该种处理的污泥其含量不但减少，并为污泥进［
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［7］赵顺顺，孟范平．酸水解法提取剩余污泥蛋白质的条件
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Zhao Shunshun ，Meng Fanping．Study on optimum process conditions of extracting sludge proteins by acid hydrolysis．Research of Environmental Sciences ，2008，21（3）：180-184
（1）蛋白酶水解提取剩余污泥蛋白质的最优工
艺条件是：反应体系木瓜蛋白酶的浓度为6%，固液比为1ʒ 4，水解温度为55ħ ，水解时间为5. 5h ，蛋白质的提取率为51. 71%。
（2）在超声波与酶联合处理污泥时，超声时间和超声功率都是影响细胞破解的重要因素，前者的
（in Chinese ）影响更为显著。最佳的超声条件是：超声功率P =
8］谢波，郭亮，李小明，等．三种预处理方法对污泥的破解30W ，超声时间T =45min ，蛋白质的提取率［
为66. 60%。
（3）蛋白酶水解法在低温、短时间的条件下，便可使微生物细胞内的蛋白质释放出来，该操作简单、易于控制。超声处理后的污泥，性质明显发生变化，污泥絮体被分解，细胞破碎的更为彻底。超
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