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进展:市政剩余污泥蛋白质资源化技术研究

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资源化是城市污泥处理处置的必然趋势,回收利用污泥中丰富的蛋白质用作动物饲料添加剂、发泡剂原料和肥料等是一个新的研究方向。蛋白质资源化包括污泥水解提取蛋白质、蛋白质的纯化分离和污泥蛋白质的开发应用3个步骤。其中,提取蛋白质的方法中热-碱法、热-酸法、超声-碱法和超声-酶法的蛋白质提取率在65%以上。蛋白质纯化的过程中循环水解和膜技术能进一步提高提取液中蛋白质的浓度,盐析沉淀法和等电点沉淀法可回收其中85%以上的蛋白质。用作动物饲料添加剂和肥料是提取纯化出的蛋白质最有前景的应用方式。最后对城市污泥中蛋白质资源化的研究方向提出了建议与展望。* \9 v+ t% `& m6 H6 q; J© 2tech.cn

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© 环保之家[2tech.cn]4 L4 d' D2 e0 S1 p' ^- S% l总结了目前污泥蛋白质资源化的研究进展,从污泥水解提取蛋白质,蛋白质的纯化分离和污泥蛋白质的开发应用3个方面进行了综述。
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© 环保之家[2tech.cn]5 ~. H# I* {7 G* T+ O( q% h污泥蛋白质的用途丰富,用作动物饲料添加剂和肥料是提取纯化出的蛋白质最有前景的应用方式。对城市污泥中蛋白质资源化的研究方向提出了建议与展望。; A. P3 L4 |9 f# q© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]6 z$ c: B2 `) z8 h主要内容
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关于城市污泥中蛋白质的资源化本文对目前的进展进行总结,以期为今后的研究提供参考。1 \" Z. j% [' l: d4 C© 2tech.cn
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下图总结了污泥蛋白质资源化的技术路线,包括3个重要步骤:污泥水解提取蛋白质、蛋白质的纯化分离和污泥蛋白质的开发应用。
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© 环保之家[2tech.cn]  L8 E$ U) T$ h$ p; M- W( D1 污泥水解提取蛋白质
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从污泥中提取蛋白质的关键在于寻找能方便有效水解污泥,破坏微生物菌体细胞,使胞内蛋白释放,又不会将其大量破坏的方法。1 ?' M7 k; Y' {: E© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]1 \2 D0 \* u( x下表总结了现有的污泥水解方法和蛋白质提取效果。  d% P+ S$ j  x  _" T© 2tech.cn

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© 环保之家[2tech.cn]7 w2 N$ }$ ^# K比较可知,联合处理法较物理法、化学法、生物法提取蛋白质的效果更好,其中热-碱法、热-酸法、超声-碱法和超声-酶法是目前最高效的方法,能达到65%以上的提取率。
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© 环保之家[2tech.cn]3 a/ }* |) G' ?& v- v  u$ A, y0 c污泥水解得到的蛋白质提取液是混合溶液,含有蛋白质、多糖、脂肪、重金属等多种物质。蛋白质分离是后续产品制备的前提。污泥蛋白质的纯化分离常以沉淀结晶法实现,为增强沉淀效果,研究中一般先对提取液进行浓缩,提高蛋白质浓度,具体技术路线如下图所示。
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3 污泥蛋白质的开发应用
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污泥蛋白质用途众多,可作为动物饲料添加剂,也可制成泡沫混凝土及泡沫灭火剂的发泡剂和生产肥料,以及造纸增强剂和木材胶粘剂。' ^" p+ p' r! R7 U© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]) k- I5 T9 x0 D3 }3.1 动物饲料添加剂5 Q' q& J: d' v( E  Y0 m7 [& x) f© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]/ n4 `- S& i9 @9 Y1 U; Y4 E我国蛋白质饲料资源短缺,对进口的依赖性不断增强,提取污泥中含量丰富的蛋白质作为饲料添加剂具有现实意义。$ S5 }4 E7 O& w/ S. P" T! b- L! C© 2tech.cn
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污泥蛋白质至少需满足以下2个条件:
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© 环保之家[2tech.cn]# M* L* U( c% h4 n# P$ A% I+ V4 p1)污泥蛋白质与传统饲料添加剂有相同的营养价值;# V# t8 Y; @0 d/ F. p: Z' j+ G© 2tech.cn
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2)污泥蛋白质饲料产品是安全的,不会对动物、人类和生态产生不良影响。
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如下表所示,污泥蛋白质产品的必需氨基酸总含量高于3种常用的蛋白质饲料添加剂(除色氨酸在酸水解法测定蛋白质的过程中被破坏未检出外,必需氨基酸全部检出),非必需氨基酸在总质量中的占比也很高。此外,污泥蛋白质产品中粗蛋白含量与啤酒酵母和骨粉相似,总消化养分、维持净能等含量高于主要饲料。可见污泥蛋白质在营养价值上有用作饲料添加剂的潜力。' o, c, s7 |' d: W) w© 2tech.cn

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3.2 发泡剂2 F5 f  s8 Y7 j. e( I© 2tech.cn
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污泥蛋白质类发泡剂优于发泡性能不稳定的植物蛋白质类发泡剂,和原材料资源有限且制备过程污染严重的动物蛋白质类发泡剂而倍受关注。污泥蛋白质发泡剂可用于制备泡沫灭火剂和泡沫混凝土(下图)。* |; y# i/ y( T9 n© 2tech.cn
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3.3 肥 料
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污泥堆肥接受度高,应用广泛,但存在重金属和其他有毒有害物质积累等问题,将蛋白质或氨基酸从污泥中提取出来用作肥料,则不存在安全隐患。: _: E  x/ o! g# {4 p* h8 ]© 2tech.cn
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除以上用途外,根据已有报道,污泥蛋白质改性处理后,还可用作瓦楞原纸增强剂,以及作为生物质资源开发环保型木材胶粘剂。0 l$ ^( k% L' P3 U+ Q) A$ G© 2tech.cn
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重要结论
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本文总结了目前污泥蛋白质资源化的研究进展,从污泥水解提取蛋白质,蛋白质的纯化分离和污泥蛋白质的开发应用3个方面进行综述,发现污泥中蛋白质的提取已有较全面的研究,其中热-碱法、热-酸法、超声-碱法和超声-酶法效果最好,蛋白质提取率能超过65%。所得的提取液可通过循环水解或膜处理进行高效浓缩,随后盐析沉淀法或等电点沉淀法可分离出其中85%以上的蛋白质。; ~! C1 N4 O$ P) w  T; E, r2 ]© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]) V) T. `, z/ j; ]( m; I6 E污泥蛋白质的用途丰富,制备肥料、作为发泡剂制备泡沫蛋白灭火剂及泡沫混凝土已有实际生产案例,且产品质量优良。用作动物饲料添加剂虽还处于实验室研究阶段,但营养性已完全达标,在严格控制重金属等有害物质的前提下,污泥蛋白质对动物是安全的。污泥蛋白质同时还具有开发其他用途的潜质。就目前的市场需求、生产效益和可消纳污泥量而言,制备肥料和动物饲料添加剂前景最广阔。' [8 B/ [2 _) q# `© 2tech.cn
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今后研究需要关注以下几点:
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© 环保之家[2tech.cn]; D0 ~6 z+ z+ D6 w3 w8 H1)部分污泥水解技术对污泥的破解效果显著,但其蛋白质提取效率还未知,后续可尝试采用更多的水解方法提高蛋白质提取率;2 ]6 z4 ]& [3 [0 |8 }0 S, m; I© 2tech.cn
2)蛋白质提取溶液的浓缩方法众多,目前的研究仅涉及膜处理和循环水解2种,应加强对污泥蛋白质提取液最适浓缩方法的研究;1 ?8 B  r  m6 ]" P© 2tech.cn
3)深入研究循环水解过程中蛋白质的提取和破坏情况,寻找其最优化工艺条件;
© 环保之家[2tech.cn]& u$ j  [8 m+ x7 `) r/ b' H9 e4)关注不同蛋白质提取方法和分离纯化技术作用效果的同时,加强对处理过程中有毒有害物质迁移去除的探索;
© 环保之家[2tech.cn]$ K) N" b& `8 t  Q0 Z1 `5)进一步研究污泥蛋白质饲料的生态安全,制定科学的标准和使用方法,促进污泥蛋白质作为饲料添加剂的更广泛应用。/ U& f. ?2 S0 P  E' r/ L8 ?9 p© 2tech.cn
来源:蔡家璇,张盼月等,原标题:城市污泥中蛋白质资源化的研究进展,环境工程
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