一种利用高铁酸钾处理从初沉污泥中提取蛋白质的方法

1.本发明涉及一种用于从初沉污泥中提取蛋白质的方法，属于污泥中蛋白质提取技术领域。


背景技术：

2.随着水处理领域的快速发展，污水处理效率不断提高，污泥产量也随之增加。据统计，2022年污泥年产量已达到6000万吨。污泥处理成本大约占污水处理厂总运营成本的50％。面向绿色污泥处理技术发展的现实需求，从污泥中回收高价物质成为减少污泥处置过程碳排放和处理成本的主要途径之一。
3.初沉污泥主要同二沉池污泥混合排放(统称为剩余污泥)，单独针对初沉污泥资源化背景技术较少。初沉污泥中含有大量的有机物，其中蛋白质的含量可高达80％，适合提取蛋白质，提取的蛋白质可以作为泡沫灭火器原料、动物饲料和泡沫混凝土的原料，实现污泥的资源化处理。
4.目前针对剩余污泥蛋白质的提取方法有物理法(热水解、超声法等)、化学法(热酸水解、热碱水解、湿氧化法等)和生物法等，但这些方法并不全适用于初沉污泥。剩余污泥中蛋白质提取的关键在于促进微生物破胞，而初沉污泥蛋白质提取的关键在于促进蛋白质增溶，初沉污泥中蛋白质含量可达80％，但难溶性有机物占比高。因此，通过有效方法实现初沉污泥中蛋白质的高效回收，对推动绿色污泥处理技术发展，实现污泥处理过程碳减排、处置成本降低都具有重要意义。
5.但是，目前尚未有有效的从初沉污泥中提取蛋白质的方法。


技术实现要素：

6.本发明针对初沉污泥中提取蛋白质技术存在的不足，提供一种利用高铁酸钾处理从初沉污泥中提取蛋白质的方法，达到高效回收蛋白质的目的。高铁酸钾是一种高效多功能的新型非氯强氧化剂，可以利用其氧化作用与反应后创造的碱性环境迅速促进污泥中蛋白类物质的释放。
7.本发明利用高铁酸钾处理从初沉污泥中提取蛋白质的方法，包括以下步骤：
8.(1)制备污泥样本：
9.将初沉污泥在室温下沉降，去除上清液以及污泥中的沙砾，再用去离子水稀释，得到污泥样本。
10.所述沉降时间为24-36小时。
11.所述稀释的浓度为14-16g/l。
12.(2)调节污泥ph，投加高铁酸钾：
13.将步骤(1)中得到的污泥样本ph调节至9-11，按0.6-0.7g/g vss(可挥发性悬浮物)的比例投加高铁酸钾(pf)，混合均匀，得到混合污泥。
14.所述污泥样本ph调节是用浓度为4mol/l的naoh溶液。所述污泥样本ph最佳调节至
10。所述高铁酸钾投加量最佳比例为0.7g/g vss。
15.(3)进行厌氧反应：
16.将步骤(2)得到的混合污泥置于厌氧瓶中并密封，然后放入恒温振荡器中进行厌氧反应，得到厌氧反应污泥。
17.所述进行厌氧反应是在130-140rpm/min，35-50℃下反应12-24小时；最佳为140rpm/min，温度35℃下反应24小时。
18.(4)将步骤(3)得到的厌氧反应污泥离心过滤，得到上清液(上清液中的蛋白质含量即为从污泥中提取的蛋白质含量)。
19.所述离心是以8000-10000rpm转速离心5-10分钟，最佳是以8000rpm离心10分钟。
20.(5)沉淀蛋白质：
21.在冰浴条件下向步骤(4)得到的上清液中投加硫酸铵固体，边投加边搅拌至溶液硫酸铵饱和浓度为70-80％，静置后离心处理，将离心后的沉淀物干燥，得到蛋白质粗提品。
22.所述静置后离心处理是在4℃条件下静置30-60分钟，再以8000-10000rpm转速离心5-10分钟，所述沉淀物干燥是在50-60℃下干燥48小时。最佳的硫酸铵饱和浓度为80％；最佳的静置时间为60分钟；最佳的离心条件为4℃，10000rpm，时间为5分钟；最佳的干燥温度为60℃。
23.本发明以初沉污泥为研究对象，通过投加高铁酸钾，利用其强氧化性，将污泥中的难溶物质转化为可溶性有机物，提高蛋白质提取效率，本发明实施的方法蛋白质提取率可达56.58％。污泥的蛋白质经提取后可作为发泡剂、液态肥料和动物饲料等。高铁酸钾的稳定性是影响其应用的关键因素，在碱性条件下的高铁酸钾稳定性更强，更有利于发挥作用。
24.本发明采用的高铁酸钾绿色环保，投加到污泥中不会产生二次污染，不仅避免了资源浪费、环境污染等问题，还做到了污泥资源化利用，提高产品附加值，对污泥的资源化利用具有重要的社会价值和经济价值。
附图说明
25.图1是本发明中高铁酸钾处理实验和对比实验中上清液蛋白质含量和提取率的对比图。
具体实施方式
26.下面将结合具体的实施方案和对比实验对本发明进行进一步解释和证明，但并不局限本发明。
27.实施例1
28.(1)将初沉污泥在室温下沉降24h后去除清液，用筛子去除污泥中的沙砾，用去离子水稀释至14g/l，得到污泥样本。
29.(2)用浓度为4mol/l的naoh溶液将步骤(1)中的污泥样本ph调至10，按0.6-0.7g/g vss的比例投加高铁酸钾，混合均匀，得到混合污泥。
30.(3)将步骤(2)的混合污泥装入厌氧瓶密封后放入恒温振荡器中进行厌氧反应，于140rpm/min，35℃下培养，反应时间为24小时，得到厌氧反应污泥。
31.(4)将步骤(3)厌氧反应污泥在8000rpm的条件下离心10min过滤，得到上清液。上
清液中的蛋白质含量为6683.13mg/l，提取率为56.58％。
32.(5)在冰浴条件下向步骤(4)得到的上清液中投加硫酸铵固体，边投加边搅拌至溶液硫酸铵饱和浓度为80％，在4℃冰箱中静置60min后，于10000rpm，4℃条件下离心5min，将离心后得到的白色沉淀放入烘箱中，于60℃下干燥48h，得到蛋白质粗提品。
33.实施例2
34.本实施例与实施例1的区别是步骤(2)中污泥样本ph调至9，具体过程如下。
35.(1)将初沉污泥在室温下沉降30h后去除清液，用筛子去除污泥中的沙砾，用去离子水稀释至15g/l，得到污泥样本。
36.(2)用浓度为4mol/l的naoh溶液将步骤(1)中的污泥样本ph调至9，按0.7g/gvss的比例投加高铁酸钾，混合均匀，得到混合污泥。
37.(3)将步骤(2)的混合污泥装入厌氧瓶密封后放入恒温振荡器中进行厌氧反应，于140rpm/min，35℃下培养，反应时间为24小时，得到厌氧反应污泥。
38.(4)将步骤(3)厌氧反应污泥在8000rpm的条件下离心10min过滤，得到上清液。上清液中的蛋白质含量为5814.75mg/l，提取率为49.23％。
39.(5)在冰浴条件下向步骤(4)得到的上清液中投加硫酸铵固体，边投加边搅拌至溶液硫酸铵饱和浓度为80％，在4℃冰箱中静置60min后，于10000rpm，4℃条件下离心5min，将离心后得到的白色沉淀放入烘箱中，于60℃下干燥48h，得到蛋白质粗提品。
40.实施例3
41.本实施例与实施例1的区别是步骤(2)中污泥样本ph调至11，具体过程如下。
42.(1)将初沉污泥在室温下沉降36h后去除清液，用筛子去除污泥中的沙砾，用去离子水稀释至16g/l，得到污泥样本。
43.(2)用浓度为4mol/l的naoh溶液将步骤(1)中的污泥样本ph调至11，按0.65g/g vss的比例投加高铁酸钾，混合均匀，得到混合污泥。
44.(3)将步骤(2)的混合污泥装入厌氧瓶密封后放入恒温振荡器中进行厌氧反应，于130rpm/min，50℃下培养，反应时间为12小时，得到厌氧反应污泥。
45.(4)将步骤(3)厌氧反应污泥在9000rpm的条件下离心8min过滤，得到上清液。上清液中的蛋白质含量为5925.7mg/l，提取率为49.83％。
46.在冰浴条件下向步骤(4)得到的上清液中投加硫酸铵固体，边投加边搅拌至溶液硫酸铵饱和浓度为70％，在4℃冰箱中静置30分钟后，于9000rpm，4℃条件下离心7分钟，将离心后得到的白色沉淀放入烘箱中，于55℃下干燥48小时，得到蛋白质粗提品。
47.实施例4
48.本实施例与实施例一的区别是步骤(2)中的高铁酸钾投加比例为0.65g/g vss，具体过程如下。
49.(1)将初沉污泥在室温下沉降24h后去除清液，用筛子去除污泥中的沙砾，用去离子水稀释至14g/l，得到污泥样本。
50.(2)用浓度为4mol/l的naoh溶液将步骤(1)中的污泥样本ph调至10，按0.65g/g vss的比例投加高铁酸钾，混合均匀，得到混合污泥。
51.(3)将步骤(2)的混合污泥装入厌氧瓶密封后放入恒温振荡器中进行厌氧反应，于135rpm/min，42℃下培养，反应时间为18小时；
52.(4)将步骤(3)厌氧反应污泥在10000rpm的条件下离心5min过滤，得到上清液。上清液中的蛋白质含量为6114.25mg/l，提取率为50.3％。
53.(5)在冰浴条件下向步骤(4)得到的上清液中投加硫酸铵固体，边投加边搅拌至溶液硫酸铵饱和浓度为75％，在4℃冰箱中静置45min后，于8000rpm，4℃条件下离心10min，将离心后得到的白色沉淀放入烘箱中，于50℃下干燥48h，得到蛋白质粗提品。
54.以下给出对比例，这些对比例对污泥样本或者是不进行ph调节，或者是不投加高铁酸钾。
55.对比例1
56.本对比例与实施例1的区别是步骤(2)中不进行ph调节，具体过程如下。
57.(1)将初沉污泥在室温下沉降24h后去除清液，用筛子去除污泥中的沙砾，用去离子水稀释至14g/l，得到污泥样本。
58.(2)按0.7g/g vss的比例投加高铁酸钾，混合均匀，得到混合污泥。
59.(3)将步骤(2)的混合污泥装入厌氧瓶密封后放入恒温振荡器中进行厌氧反应，于140rpm/min，35℃下培养，反应时间为24小时，得到厌氧反应污泥。
60.(4)将步骤(3)厌氧反应污泥在8000rpm的条件下离心10min过滤，得到上清液。上清液中的蛋白质含量为4857.66mg/l，提取率为41.13％。
61.(5)在冰浴条件下向步骤(4)得到的上清液中投加硫酸铵固体，边投加边搅拌至溶液硫酸铵饱和浓度为80％，在4℃冰箱中静置60min后，于10000rpm，4℃条件下离心5min，将离心后得到的白色沉淀放入烘箱中，于60℃下干燥48h，得到蛋白质粗提品。
62.对比例2
63.本对比例与实施例1的区别是步骤(2)中不投加高铁酸钾，具体过程如下。
64.(1)将初沉污泥在室温下沉降24h后去除清液，用筛子去除污泥中的沙砾，用去离子水稀释至14g/l，得到污泥样本。
65.(2)用浓度为4mol/l的naoh溶液将步骤(1)中的污泥样本ph调至10，得到混合污泥。
66.(3)将步骤(2)的混合污泥装入厌氧瓶密封后放入恒温振荡器中进行厌氧反应，于140rpm/min，35℃下培养，反应时间为24小时，得到厌氧反应污泥。
67.(4)将步骤(3)厌氧反应污泥在8000rpm的条件下离心10min过滤，得到上清液。上清液中的蛋白质含量为505.31mg/l，提取率为4.28％。
68.(5)在冰浴条件下向步骤(4)得到的上清液中投加硫酸铵固体，边投加边搅拌至溶液硫酸铵饱和浓度为80％，在4℃冰箱中静置60min后，于10000rpm，4℃条件下离心5min，将离心后得到的白色沉淀放入烘箱中，于60℃下干燥48h，得到蛋白质粗提品。
69.对比例3
70.本对比例与实施例1的区别是步骤(2)中污泥样本不进行ph调节，且投加柠檬酸；具体过程如下。
71.(1)将初沉污泥在室温下沉降24h后去除清液，用筛子去除污泥中的沙砾，用去离子水稀释至14g/l，得到污泥样本。
72.(2)向步骤(1)中的污泥样本中按0.12g/g vss比例投加柠檬酸，混合均匀，得到混合污泥。
73.(3)将步骤(2)的混合污泥装入厌氧瓶密封后放入恒温振荡器中进行厌氧反应，于140rpm/min，35℃下培养，反应时间为24小时，得到厌氧反应污泥。
74.(4)将步骤(3)厌氧反应污泥在8000rpm的条件下离心10min过滤，得到上清液。上清液中的蛋白质含量为1019.59mg/l，提取率为8.63％。
75.(5)在冰浴条件下向步骤(4)得到的上清液中投加硫酸铵固体，边投加边搅拌至溶液硫酸铵饱和浓度为80％，在4℃冰箱中静置60min后，于10000rpm，4℃条件下离心5min，将离心后得到的白色沉淀放入烘箱中，于60℃下干燥48h，得到蛋白质粗提品。
76.对比例4
77.本对比例与实施例1的区别是步骤(2)中污泥样本不进行ph调节，且投加阳离子交换树脂；具体过程如下。
78.(1)将初沉污泥在室温下沉降24h后去除清液，用筛子去除污泥中的沙砾，用去离子水稀释至14g/l，得到污泥样本。
79.(2)向步骤(1)中的污泥样本中按4.0g/g vss的比例投加阳离子交换树脂，混合均匀，得到混合污泥。
80.(3)将步骤(2)的混合污泥装入厌氧瓶密封后放入恒温振荡器中进行厌氧反应，于140rpm/min，35℃下培养，反应时间为24小时，得到厌氧反应污泥。
81.(4)将步骤(3)厌氧反应污泥在8000rpm的条件下离心10min过滤，得到上清液。上清液中的蛋白质含量为561.45mg/l，提取率为4.75％。
82.(5)在冰浴条件下向步骤(4)得到的上清液中投加硫酸铵固体，边投加边搅拌至溶液硫酸铵饱和浓度为80％，在4℃冰箱中静置60min后，于10000rpm，4℃条件下离心5min，将离心后得到的白色沉淀放入烘箱中，于60℃下干燥48h，得到蛋白质粗提品。
83.图1为实施例1(ph＝10，投加高铁酸钾)、对比例1(ph＝10，投加高铁酸钾)、对比例2(不投加高铁酸钾)、实施例2(ph＝9，投加高铁酸钾)、对比例3(不进行ph调节，且投加柠檬酸)、对比例4(不进行ph调节，且投加阳离子交换树脂)中溶解性蛋白质含量和蛋白质提取率的对比图。实施例1的蛋白质提取率为56.58％，分别是对比例1、对比例2、实施例2、对比例3、对比例4的1.37、13.22、1.15、6.56和11.91倍，说明与其他化学试剂相比，在ph＝10的条件下投加高铁酸钾可以促进污泥有机物的释放，提高蛋白质提取率，不调节污泥ph时，高铁酸钾的作用不如在碱性环境下的高铁酸钾明显。

技术特征：
1.一种利用高铁酸钾处理从初沉污泥中提取蛋白质的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备污泥样本：将初沉污泥在室温下沉降，去除上清液以及污泥中的沙砾，再用去离子水稀释，得到污泥样本；(2)调节污泥ph，投加高铁酸钾：将步骤(1)中得到的污泥样本ph调节至9-11，按0.6-0.7g/g vss的比例投加高铁酸钾(pf)，混合均匀，得到混合污泥；(3)进行厌氧反应：将步骤(2)得到的混合污泥置于厌氧瓶中并密封，然后放入恒温振荡器中进行厌氧反应，得到厌氧反应污泥；(4)将步骤(3)得到的厌氧反应污泥离心过滤，得到上清液；(5)沉淀蛋白质：在冰浴条件下向步骤(4)得到的上清液中投加硫酸铵固体，边投加边搅拌至溶液硫酸铵饱和浓度为70-80％，静置后离心处理，将离心后的沉淀物干燥，得到蛋白质粗提品。2.根据权利要求1所述的利用高铁酸钾处理从初沉污泥中提取蛋白质的方法，其特征在于，所述步骤(1)中沉降时间为24-48小时。3.根据权利要求1所述的利用高铁酸钾处理从初沉污泥中提取蛋白质的方法，其特征在于，所述步骤(1)中稀释的浓度为14-16g/l。4.根据权利要求1所述的利用高铁酸钾处理从初沉污泥中提取蛋白质的方法，其特征在于，所述步骤(2)中污泥样本ph调节是用浓度为4mol/l的naoh溶液。5.根据权利要求1所述的利用高铁酸钾处理从初沉污泥中提取蛋白质的方法，其特征在于，所述步骤(2)中所述污泥样本ph调节至10。6.根据权利要求1所述的利用高铁酸钾处理从初沉污泥中提取蛋白质的方法，其特征在于，所述步骤(2)中高铁酸钾投加比例为0.7g/g vss。7.根据权利要求1所述的利用高铁酸钾处理从初沉污泥中提取蛋白质的方法，其特征在于，所述步骤(3)中进行厌氧反应是在130-140rpm/min，35-50℃下反应12-24小时。8.根据权利要求1所述的利用高铁酸钾处理从初沉污泥中提取蛋白质的方法，其特征在于，所述步骤(4)中离心是以8000-10000rpm转速离心5-10分钟。9.根据权利要求1所述的利用高铁酸钾处理从初沉污泥中提取蛋白质的方法，其特征在于，所述步骤(4)中离心是以8000rpm离心10分钟。10.根据权利要求1所述的利用高铁酸钾处理从初沉污泥中提取蛋白质的方法，其特征在于，所述步骤(5)中静置后离心处理是在4℃条件下静置30-60分钟，再以8000-10000rpm转速离心5-10分钟；所述沉淀物干燥是在50-60℃下干燥48小时。

技术总结
一种利用高铁酸钾处理从初沉污泥中提取蛋白质的方法，包括以下步骤：(1)制备污泥样本：将初沉污泥在室温下沉降，去除上清液以及污泥中的沙砾，再用去离子水稀释，得到污泥样本；(2)调节污泥pH，投加高铁酸钾，得到混合污泥；(3)进行厌氧反应，得到厌氧反应污泥；(4)将厌氧反应污泥离心过滤，得到上清液；(5)沉淀蛋白质，在冰浴条件下向上清液中投加硫酸铵固体，离心后得到的白色沉淀，干燥得到蛋白质粗提品。该方法采用高铁酸钾，投加到污泥中不会产生二次污染，不仅避免了资源浪费、环境污染等问题，还做到了污泥资源化利用，具有操作流程简单，投加药剂绿色环保，蛋白质提取率高等优点。优点。优点。


技术研发人员：王羚 刘畅 樊星 王晓东 毕学军
受保护的技术使用者：青岛理工大学
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/7/12