【摘要】：隨著人口增長,經(jīng)濟(jì)發(fā)展,加速城鎮(zhèn)化、不斷提高的環(huán)境和公共衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)及衛(wèi)生系統(tǒng)的改進(jìn),導(dǎo)致世界各地出現(xiàn)了大量的污水處理廠。剩余污泥作為城鎮(zhèn)污水處理廠的副產(chǎn)物,產(chǎn)量逐年增加。由于剩余污泥組分復(fù)雜,其中既含有可以利用的資源如微生物蛋白質(zhì)、多糖等,又含有各類污染物,若未經(jīng)處理或處理不當(dāng),進(jìn)入地表水或地下水,將對(duì)水體環(huán)境、大氣環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的污染和破壞,最終危害人體健康。因此,開展剩余污泥的無害化、減量化及資源化處理處置就顯得十分迫切和必要。從剩余污泥中提取蛋白質(zhì)的方法主要包括酸水解、堿水解及超聲波水解法等,但存在著設(shè)備投資大、提取條件要求高、反應(yīng)過程較難控制、水解過程中需要大量酸堿、后續(xù)處理困難及二次污染嚴(yán)重等突出問題。針對(duì)上述問題,在實(shí)驗(yàn)室原有單酶水解剩余污泥的基礎(chǔ)上,本論文采用復(fù)合蛋白酶水解法從剩余污泥中提取蛋白質(zhì)。在確定剩余污泥酶水解提取蛋白質(zhì)的最佳試驗(yàn)條件基礎(chǔ)上,探析金屬離子和磺胺二甲基嘧啶對(duì)剩余污泥酶水解過程的影響,解析重金屬離子和磺胺二甲基嘧啶在剩余污泥酶水解過程中的遷移或轉(zhuǎn)化規(guī)律。本課題的主要研究結(jié)論如下:(1)各種因素對(duì)剩余污泥酶法水解提取蛋白質(zhì)的影響規(guī)律及條件優(yōu)化:雙酶水解剩余活性污泥過程中,隨著各因素的變化,蛋白質(zhì)提取率、有機(jī)質(zhì)含量變化和SCOD/TCOD之間有的正相關(guān)性,趨勢相同,且受多種因素的影響;確定了雙酶水解的最佳實(shí)驗(yàn)條件:初始pH值為9、堿性蛋白酶與中性蛋白酶配比為3:1、水解時(shí)間為240min、反應(yīng)溫度為55°C及加酶量為6%。在上述最佳實(shí)驗(yàn)條件下,蛋白質(zhì)提取率、SCOD/TCOD值和有機(jī)質(zhì)減少量分別為65.89、61.43和81.05%。(2)重金屬離子對(duì)剩余污泥酶水解過程的影響試驗(yàn)結(jié)果表明:在剩余污泥酶水解過程中添加不同濃度的Cu~(2+)、Zn~(2+)、Mn~(2+)和Pb~(2+)后對(duì)于剩余污泥蛋白酶水解的影響表現(xiàn)出不同的作用;不同濃度的Cu~(2+)、Zn~(2+)、Mn~(2+)均表現(xiàn)出低劑量促進(jìn)、高劑量抑制的Hormesis現(xiàn)象。不同濃度的Pb~(2+)一直表現(xiàn)出抑制作用,低濃度時(shí)抑制作用很小,隨著濃度的增加,抑制作用越明顯。主要是因?yàn)榻饘匐x子占據(jù)了蛋白酶的活性中心,從而抑制剩余污泥的水解效果。(3)重金屬離子在剩余污泥酶水解過程的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究表明,剩余污泥所含有的Cu、Zn、Mn、Ni、Pb、Cr和As等金屬的F1和F2態(tài)含量總和均占25%以上,其中Mn和Zn的F1和F2態(tài)含量總計(jì)占45%以上,表明上述這些金屬元素均有潛在的遷移風(fēng)險(xiǎn),其中Mn和Zn的遷移性最高。污泥酶法水解提取蛋白質(zhì)后,可以將遷移性最高的F1、F2態(tài)的金屬轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的F4、F5態(tài),且金屬大部分存在于固相中、以F4和F5態(tài)存在,其中以Cu(85.9%)、Pb(89.9%)、As(83.3%)和Cr(77.3%)的效果最好。重金屬轉(zhuǎn)化的主要原因是金屬粘結(jié)環(huán)境的變化及剩余污泥酶法水解提取蛋白質(zhì)還有促進(jìn)重金屬離子水解,形成穩(wěn)定態(tài)F_4、F_5,從而達(dá)到穩(wěn)定化的目的。(4)磺胺二甲基嘧啶對(duì)剩余污泥蛋白酶水解過程的影響試驗(yàn)結(jié)果和影響規(guī)律表明:當(dāng)磺胺二甲基嘧啶含量小于1×10~-44 mg/g Tss時(shí),促進(jìn)剩余污泥酶水解反應(yīng);而當(dāng)磺胺二甲基嘧啶含量大于1×10~(-4)mg/g Tss時(shí),抑制剩余污泥酶水解反應(yīng)。當(dāng)磺胺二甲基嘧啶含量等于1×10~-44 mg/g Tss時(shí),蛋白酶的水解效果隨著酶用量的增加而變得越來越好,且磺胺二甲基嘧啶一方面可使剩余污泥酶水解法的最適反應(yīng)溫度從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過程的遷移規(guī)律研究表明:在剩余污泥酶水解過程中,水解液中磺胺二甲基嘧啶的分配率受蛋白酶添加量、反應(yīng)溫度、水解時(shí)間及初始pH值等因素的影響顯著。磺胺二甲基嘧啶與蛋白酶熒光相結(jié)合時(shí),可形成不具熒光的復(fù)合物,從而使蛋白酶的熒光強(qiáng)度下降。但隨著水解溫度的升高,這兩者之間結(jié)合的穩(wěn)定性減弱,其作用力為氫鍵或范德華力。此外,磺胺二甲基嘧啶的投加不會(huì)改變蛋白酶中酪氨酸殘基(Tyrosine residue)周圍的微環(huán)境,但會(huì)改變色氨酸殘基(Tryptophan residues)周圍的微環(huán)境,從而改變蛋白酶的二級(jí)結(jié)構(gòu)。綜上所述,本論文是在研究雙酶協(xié)同水解剩余污泥提取蛋白質(zhì)的基礎(chǔ)上,探析了重金屬離子和磺胺二甲基嘧啶對(duì)剩余污泥酶水解的影響,揭示了這兩種污染物在剩余污泥酶水解過程中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。本研究的順利開展有利于剩余污泥酶法水解提取蛋白質(zhì)技術(shù)的推廣與應(yīng)用。
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：X703
【圖文】：

A/A/O污水處理工藝、濃縮、中溫厭氧消化、離心脫水及板式壓濾等處理過程產(chǎn)生的剩余活性污泥。該污泥的含水率為79.76%。該剩余污泥的取樣點(diǎn)示意圖及其理化性質(zhì)和初始重金屬含量分別如圖2-1和表2-1所示。圖 2-1 上海市松江區(qū)污水處理廠污水處理工程示意圖Fig. 2-1 Process flow of Shanghai Songjiang District Sewage Treatment Plant濃鹽酸(HCl)，濃硫酸(H2SO4)，氫氧化鈉(NaOH)，硫酸銀(Ag2SO4)，重鉻酸鉀(K2Cr2O7)，1, 10-菲Up啉(C12H8N2·H2O)，硫酸亞鐵銨((NH4)2Fe(SO4)2·6H2O)，五水硫酸銅(CuSO4·5H2O)

現(xiàn)出顯著降低趨勢，原因在于伴隨溫度提升使得酶活性遭到抑制，進(jìn)而導(dǎo)致污泥水解效果受到影響。圖2-2 反應(yīng)溫度對(duì)雙酶水解剩余污泥的影響Fig.2-2 The influence of reaction temperature on the double enzyme hydrolysis of excesssludge2.3.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)雙酶水解剩余污泥效果的影響在堿性蛋白酶與中性蛋白酶兩者的質(zhì)量比是3:1的情況下，選定加酶量為5 %、初始pH值為9、固液比為1:4、反應(yīng)溫度為55oC時(shí)選擇反應(yīng)時(shí)間為2 h、3 h、4 h、5 h、6 h、7 h的情況下進(jìn)行污泥水解單因素實(shí)驗(yàn)，所得到的結(jié)果見圖2-3。通過圖2-3可知，在反應(yīng)時(shí)間從2 h至4 h的過程當(dāng)中，復(fù)合酶水解剩余污泥的各項(xiàng)指標(biāo)都得到明顯改善。在反應(yīng)時(shí)間為2 h時(shí)的各項(xiàng)指標(biāo)為：有機(jī)質(zhì)減少量是55.1 %，蛋白質(zhì)提取率是52.7 %，SCOD/TCOD是44.1 %；在反應(yīng)時(shí)間為4h時(shí)的各項(xiàng)指標(biāo)為：有機(jī)質(zhì)減少量是73.1 %，蛋白質(zhì)提取率是60.4 %

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2721655