污染物对酶促剩余污泥水解的影响及其迁移转化规律研究

发布时间：2020-06-20 01:35

【摘要】：随着人口增长,经济发展,加速城镇化、不断提高的环境和公共卫生标准及卫生系统的改进,导致世界各地出现了大量的污水处理厂。剩余污泥作为城镇污水处理厂的副产物,产量逐年增加。由于剩余污泥组分复杂,其中既含有可以利用的资源如微生物蛋白质、多糖等,又含有各类污染物,若未经处理或处理不当,进入地表水或地下水,将对水体环境、大气环境及生态系统造成严重的污染和破坏,最终危害人体健康。因此,开展剩余污泥的无害化、减量化及资源化处理处置就显得十分迫切和必要。从剩余污泥中提取蛋白质的方法主要包括酸水解、碱水解及超声波水解法等,但存在着设备投资大、提取条件要求高、反应过程较难控制、水解过程中需要大量酸碱、后续处理困难及二次污染严重等突出问题。针对上述问题,在实验室原有单酶水解剩余污泥的基础上,本论文采用复合蛋白酶水解法从剩余污泥中提取蛋白质。在确定剩余污泥酶水解提取蛋白质的最佳试验条件基础上,探析金属离子和磺胺二甲基嘧啶对剩余污泥酶水解过程的影响,解析重金属离子和磺胺二甲基嘧啶在剩余污泥酶水解过程中的迁移或转化规律。本课题的主要研究结论如下:(1)各种因素对剩余污泥酶法水解提取蛋白质的影响规律及条件优化:双酶水解剩余活性污泥过程中,随着各因素的变化,蛋白质提取率、有机质含量变化和SCOD/TCOD之间有的正相关性,趋势相同,且受多种因素的影响;确定了双酶水解的最佳实验条件:初始pH值为9、碱性蛋白酶与中性蛋白酶配比为3:1、水解时间为240min、反应温度为55°C及加酶量为6%。在上述最佳实验条件下,蛋白质提取率、SCOD/TCOD值和有机质减少量分别为65.89、61.43和81.05%。(2)重金属离子对剩余污泥酶水解过程的影响试验结果表明:在剩余污泥酶水解过程中添加不同浓度的Cu~(2+)、Zn~(2+)、Mn~(2+)和Pb~(2+)后对于剩余污泥蛋白酶水解的影响表现出不同的作用;不同浓度的Cu~(2+)、Zn~(2+)、Mn~(2+)均表现出低剂量促进、高剂量抑制的Hormesis现象。不同浓度的Pb~(2+)一直表现出抑制作用,低浓度时抑制作用很小,随着浓度的增加,抑制作用越明显。主要是因为金属离子占据了蛋白酶的活性中心,从而抑制剩余污泥的水解效果。(3)重金属离子在剩余污泥酶水解过程的迁移转化规律研究表明,剩余污泥所含有的Cu、Zn、Mn、Ni、Pb、Cr和As等金属的F1和F2态含量总和均占25%以上,其中Mn和Zn的F1和F2态含量总计占45%以上,表明上述这些金属元素均有潜在的迁移风险,其中Mn和Zn的迁移性最高。污泥酶法水解提取蛋白质后,可以将迁移性最高的F1、F2态的金属转化为稳定的F4、F5态,且金属大部分存在于固相中、以F4和F5态存在,其中以Cu(85.9%)、Pb(89.9%)、As(83.3%)和Cr(77.3%)的效果最好。重金属转化的主要原因是金属粘结环境的变化及剩余污泥酶法水解提取蛋白质还有促进重金属离子水解,形成稳定态F_4、F_5,从而达到稳定化的目的。(4)磺胺二甲基嘧啶对剩余污泥蛋白酶水解过程的影响试验结果和影响规律表明:当磺胺二甲基嘧啶含量小于1×10~-44 mg/g Tss时,促进剩余污泥酶水解反应;而当磺胺二甲基嘧啶含量大于1×10~(-4)mg/g Tss时,抑制剩余污泥酶水解反应。当磺胺二甲基嘧啶含量等于1×10~-44 mg/g Tss时,蛋白酶的水解效果随着酶用量的增加而变得越来越好,且磺胺二甲基嘧啶一方面可使剩余污泥酶水解法的最适反应温度从55 ~o C降到40 ~oC,另一方面可使剩余污泥酶水解法的最佳初始pH值由8.0提高至9.5。(5)磺胺二甲基嘧啶在剩余污泥蛋白酶水解过程的迁移规律研究表明:在剩余污泥酶水解过程中,水解液中磺胺二甲基嘧啶的分配率受蛋白酶添加量、反应温度、水解时间及初始pH值等因素的影响显著。磺胺二甲基嘧啶与蛋白酶荧光相结合时,可形成不具荧光的复合物,从而使蛋白酶的荧光强度下降。但随着水解温度的升高,这两者之间结合的稳定性减弱,其作用力为氢键或范德华力。此外,磺胺二甲基嘧啶的投加不会改变蛋白酶中酪氨酸残基(Tyrosine residue)周围的微环境,但会改变色氨酸残基(Tryptophan residues)周围的微环境,从而改变蛋白酶的二级结构。综上所述,本论文是在研究双酶协同水解剩余污泥提取蛋白质的基础上,探析了重金属离子和磺胺二甲基嘧啶对剩余污泥酶水解的影响,揭示了这两种污染物在剩余污泥酶水解过程中的迁移转化规律。本研究的顺利开展有利于剩余污泥酶法水解提取蛋白质技术的推广与应用。
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703
【图文】：

示意图,污水处理工程,污水处理厂,示意图

A/A/O污水处理工艺、浓缩、中温厌氧消化、离心脱水及板式压滤等处理过程产生的剩余活性污泥。该污泥的含水率为79.76%。该剩余污泥的取样点示意图及其理化性质和初始重金属含量分别如图2-1和表2-1所示。图 2-1 上海市松江区污水处理厂污水处理工程示意图Fig. 2-1 Process flow of Shanghai Songjiang District Sewage Treatment Plant浓盐酸(HCl)，浓硫酸(H2SO4)，氢氧化钠(NaOH)，硫酸银(Ag2SO4)，重铬酸钾(K2Cr2O7)，1, 10-菲Up啉(C12H8N2·H2O)，硫酸亚铁铵((NH4)2Fe(SO4)2·6H2O)，五水硫酸铜(CuSO4·5H2O)

双酶水解,剩余污泥,反应温度

现出显著降低趋势，原因在于伴随温度提升使得酶活性遭到抑制，进而导致污泥水解效果受到影响。图2-2 反应温度对双酶水解剩余污泥的影响Fig.2-2 The influence of reaction temperature on the double enzyme hydrolysis of excesssludge2.3.2 反应时间对双酶水解剩余污泥效果的影响在碱性蛋白酶与中性蛋白酶两者的质量比是3:1的情况下，选定加酶量为5 %、初始pH值为9、固液比为1:4、反应温度为55oC时选择反应时间为2 h、3 h、4 h、5 h、6 h、7 h的情况下进行污泥水解单因素实验，所得到的结果见图2-3。通过图2-3可知，在反应时间从2 h至4 h的过程当中，复合酶水解剩余污泥的各项指标都得到明显改善。在反应时间为2 h时的各项指标为：有机质减少量是55.1 %，蛋白质提取率是52.7 %，SCOD/TCOD是44.1 %；在反应时间为4h时的各项指标为：有机质减少量是73.1 %，蛋白质提取率是60.4 %

【参考文献】