预处理方法对污泥蛋白质种类、分子量及构型的影响规律及机理研究

Anaerobic digestion and dewatering of sludge were important for its reduction, stabilization, and harmless disposal. However, the conventional anaerobic digestion and dewatering of sludge were limited with the low efficiency. There have been increasing studies on applying pretreatment methods to improve the efficiencies of sludge anaerobic digestion and dewatering recently. The efficiencies of sludge anaerobic digestion and dewatering were closely related with the changes of dissolved organic matter, especially soluble protein. Different pretreatments may change the related soluble protein type, molecular weight and conformation, thus affecting the quality of soluble protein. However, little was known about the mechanism of applied pretreatments on protein solubilization from extracellular polymeric substances. This study would use techniques, i.e. liquid chromatography-organic carbon detection-organic nitrogen detection, Raman spectroscopy and Field Flow Fractionator to investigate the effects of different pretreatments on protein type, molecular weight and conformation. Meanwhile, detailed transformation pathways of nitrogenous species in solid and liquid phases, and the related solubilization mechanism of protein by different pretreatment methods were investigated. Principal component analysis method was used to identify the main protein characteristics, which were related to the improved methane production and sludge dewaterability. The results gained in this study would help to understand the mechanism of protein solubilization during sludge pretreatments. This study would provide theoretical basis for the post-application (i.e. anaerobic digestion and dewatering) of pretreated sludge.

污泥厌氧消化和脱水是实现其减量化、无害化和资源化的关键步骤，但面临效率低的问题。采用预处理，进行高效厌氧消化和污泥深度脱水是近年来研究热点。污泥厌氧消化和脱水效率与预处理后溶解性有机物，尤其是可溶性蛋白质含量密切相关。不同预处理会引起蛋白质种类，构型和分子量的变化，从而影响蛋白质特性。目前有关预处理从胞外聚合物中释放蛋白质机理的系统研究很少。本申请在前期研究基础上，利用液相有机碳有机氮检测仪、拉曼光谱衍射分析仪和Field Flow分离仪分析预处理对蛋白质分子量，构型和种类的影响；分析固液相中含氮物质的变化，揭示预处理过程中蛋白质释放和转变的机理。采用主成分分析法，以污泥厌氧消化或脱水效率为因变量，寻找蛋白质特性中的关键因子，利用多元线性回归的方法，建立评价模型。阐明预处理过程中可溶性蛋白质的迁移转化，对于深入了解预处理的作用机理及其在后续工艺（如厌氧消化或脱水）中的应用提供理论依据。

随着我国城镇化建设的快速发展和生活污水处理量的急剧上升，市政污泥排放量不断攀升,亟需处理处置。污泥脱水可有效减少污泥体积。然而，市政污泥中含有大量胞外聚合物，脱水困难。蛋白质是污泥胞外聚合物的重要组成成分。本项目研究发现，蛋白质降解产物半胱氨酸有提高污泥厌氧消化产甲烷的作用。氨基酸同样也是影响污泥脱水性能的核心指标，通过研究芬顿氧化调理前后污泥中氨基酸的种类和含量的变化，甄别了影响污泥脱水性能的关键性氨基酸，同时分析了关键氨基酸与蛋白质特性（分子量，二级结构，种类和形态）的相关性。通过密度泛函理论计算模拟羟基自由基与蛋白质分子的包含不同氨基酸的肽链之间的氧化反应，分析与不同氨基酸相连的肽键分解难易程度。另外，研究了氧化强度与污泥中蛋白质变化之间的关联性，建立了基于氧化还原电位用于评价预氧化过程中污泥脱水能力的新方法。并提出了以蛋白质去除为核心的靶向污泥脱水新方法，通过添加硫酸铵，脱水后污泥泥饼富含氮素，可以用作一种潜在肥料。同时研发了零价铁-臭氧-酸协同作用以及柠檬酸-空气/纳米零价铁-聚二烯丙基二甲基氯化铵联合使用原位产生双氧水降解污泥中亲水性蛋白质，提高污泥脱水效率新方法。此外，对脱水后的污泥进行热解，以大豆蛋白质作为模型化合物，研究了蛋白质在污泥热解处理过程中气液固三相的变化，提出了在污泥中添加赤泥可有效控制蛋白质热解过程中氮氧化物前驱物的生成。同时采用神经网络模型对蛋白质热解过程中的高位热值进行分析。并对热解后的铁泥用作吸附材料回收厌氧消化沼液中的磷进行了探讨，并采用溶磷菌评价其释放可溶性磷并作为缓释肥料的可行性。最后，本项目对国内外目前从污泥中回收蛋白质以及蛋白质等溶解性有机物在污泥处理处置过程中的迁移转化情况进行了总结。本项目研究研究成果对于推动我国污泥处理处置具有积极意义。