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马铃薯淀粉生产废水资源化处理及综合利用_环保
发布时间:2020-01-17 14:18    来源:    作者:通讯员
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北极星水处理网讯:摘要:介绍了马铃薯淀粉废水的主要来源、组成、性质和特点及其对环境的危害,概述了马铃薯淀粉废水传统处理方法和资源化利用处理方法,分析和总结了马铃薯淀粉废水处理中存在的主要问题;展望了马铃薯淀粉废水处理技术的研发前景,为马铃薯淀粉废水资源化利用和生态环境保护提供参考。

关键词:马铃薯淀粉;废水;处理方法;资源化利用;研究方向;应用前景

我国是马铃薯第一大生产国和第一大消费国。马铃薯营养和经济价值均高,广泛应用于食品、淀粉,饲料和医药等工业,尤其淀粉工业。随着经济的飞速发展,马铃薯淀粉企业生产规模和生产能力都不断提升。甘肃省是马铃薯生产大省,马铃薯加工,尤其马铃薯淀粉生产,是甘肃省经济发展的重要支柱产业。定西市是国内最大的马铃薯产区,有“中国薯都”之美称。马铃薯为本地经济发展和生活水平的提高作出了重要贡献。但马铃薯淀粉在生产过程中,平均约6.5t马铃薯,能够产出1t淀粉,5t薯渣和20t废水。该废水成分复杂,直接排放,既浪费物质资源和水资源,又严重污染生态环境。如何将其绿色化处理,综合开发利用,实现环境效益与社会效益双赢。尤其对于自然资源匮乏,干旱落后,水资源极度短缺的甘肃定西而言,更是意义非凡。

1马铃薯淀粉废水的主要来源、组成、性质和特点及其对环境的危害

1.1马铃薯淀粉废水的主要来源、组成、性质和特点

马铃薯淀粉废水为新闻资讯马铃薯淀粉生产中产生的废水,可分为3类:第1类是马铃薯清洗水,主要含有小马铃薯、根、芽、叶、草和泥沙等;第2类是马铃薯淀粉提取废水,也称蛋白废水,主要由马铃薯锉磨阶段产生,占总废水量的10%~20%,含有大量可溶性蛋白,少量淀粉微粒和纤维等不溶物,浑浊度高,为主要污染源;第3类是淀粉清洗水。其中第1、3类废水可循环利用,仅蛋白废水需要处理。蛋白废水中主要含有淀粉、纤维、蛋白质、氨基酸、有机酸、脂肪、糖类、维生素等高浓度有机物。其中,蛋白质含量约2000~8000mg/L,化学耗氧量(COD)约6000~30000mg/L,固体悬浮物(SS)约8500~10000mg/L,回收利用潜力大。但直接生物降解难度高,且造成其中蛋白质等有用物质流失浪费。故处理淀粉提取废水宜以资源化利用为主,生物处理为辅。

马铃薯淀粉废水的特点在于废水量随马铃薯淀粉生产季节性波动变化大。每年生产期主要集中于当年10月至翌年1月寒冷的秋冬之季,属短周期间歇性生产,同时数目众多的小型企业生产规模较小;废水蛋白质含量高,曝气处理时会产生大量泡沫。因此,废水处理难度大,且先前多数企业污水处理工艺简单,处理后废水仍难达标排放,直接污染地表水体。

1.2马铃薯淀粉废水对环境的危害

马铃薯淀粉废水属高浓度、高污染酸性有机废水,进入环境后,一则其所含有机质会自然发酵产生吲哚、H2S、NH3等气体污染环境;二则其高浓度的有机质引起水体富营养化,致使各种微生物迅速生长繁殖,更有甚者使致病菌或有害微生物极速繁衍,严重侵害水生动物,同时因有机质的氧化反应和微生物大量繁衍,耗尽水中溶解氧,导致水生生物缺氧窒息致死[1],严重污染相关水体及生态环境。甚至可能引起局部地区农田减产或绝收,废水存留过长会发酵产生恶臭气体,严重影响周边居民正常生活生产。

GB8978-1996《综合污染物排放标准》规定的二级排放标准对排放水质的要求为:SS≤70mg/L,pH6.0~9.0,BOD≤30mg/L,COD≤150mg/L。故此类废水必经适当处理,才能达标排放[2]。

2马铃薯淀粉废水传统处理方法

目前,国内外马铃薯淀粉废水常规处理方法,主要有物理化学法和生物法,实际应用中此二者各有利弊。

2.1物理化学法

马铃薯淀粉废水常规处理的物理化学法包括自然处理法、单纯曝气法和絮凝沉淀法。

2.1.1自然处理法

自然处理法是利用自然界生物自身在生长代谢过程,不断净化淀粉废水中的有机污染物。该方法操作简便,投资少。但受诸多自然因素的影响,大面积推广难度较大。杨凤江等[3]首先将玉米淀粉废水经由格栅沉淀之后,再用之于饲养家禽,然后将废水排入氧化塘自然发酵12d,再依次排入水葫芦池和细绿萍池各净化7d,最终达到农田灌溉水质标准,用于灌溉稻田、果树和蔬菜等。

2.1.2单纯曝气法

所谓单纯曝气法指将废水以普通空气或含O3的空气进行短时间曝气,利用空气中O2或O3的氧化及对挥发性物质的吹脱使废水得以净化,一般不单独使用。处理成本高、停留时间长、处理效果一般,推广受限。我国北方一些小型马铃薯淀粉厂,在生产工艺和生产季节等条件不适宜釆取生物处理法的情况下,采用沉淀分离与单纯曝气法组合工艺,先经沉淀分离减轻单纯曝气法的处理负荷,兼调节、稳定水质水量;再经后续单纯曝气以保证出水达标,同时将沉淀分离过程中生成的有机酸吹脱出去,使废水pH值接近7。任燕等[4]在温度20℃、溶液pH10、以5.00g/h通入O32h,可使废水总磷、氨氮、COD及悬浮物去除率分别达62.07%、62.71%、65.89%和84.12%,出水无恶臭味,pH7.05。O3降污中,采用泡沫富集可回收干物质的40.65%,其中蛋白质占66.21%,说明臭氧化处理既能有效去除污染物,又能回收废水中有机质。

2.1.3絮凝沉淀法

所谓絮凝沉淀法指向废水中加入絮凝剂,使其中的分散态有机质脱稳、凝聚,形成聚集态粗颗粒物从中分离。该法操作简便,沉淀时间短、运行成本低、应用广泛。总体上絮凝剂按照其化学组成分为无机和有机絮凝剂。无机絮凝剂包括无机凝聚剂和无机高分子絮凝剂;有机絮凝剂包括天然有机高分子絮凝剂、合成有机高分子絮凝剂和微生物絮凝剂。无机絮凝剂为低分子铝盐和铁盐。铝盐主要有Al2(SO4)3、KAl(SO4)2·12H2O和Na3AlO3。铁盐主要有FeCl3、FeSO4和Fe2(SO4)3。无机絮凝剂的主流产品是无机高分子絮凝剂,主要包括聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铝(PAS)、聚合氯化铁(PFC)、聚合硫酸铁(PFS)等。天然有机高分子改性絮凝剂有:壳聚糖、淀粉、多糖、纤维素和蛋白质等的衍生物[5]。影响絮凝效果的关键因素为絮凝剂种类、性质和品种。实现絮凝过程优化的核心技术是积极探索和研发新型、高效的絮凝剂。絮凝剂种类很多,但适于淀粉废水处理的高效、环保、廉价絮凝剂仍需不断研究探索。

白波[6]以PAC、PFS、PAM(聚丙烯酰胺)等絮凝剂处理高浓度马铃薯淀粉废水。以去除COD为目标,得出PAC为最适合混凝剂,其最佳投药量500mg/L,COD去除率达44%,进一步超滤分离,COD去除率可升至77%。李芳蓉等[7]以天然无机高分子膨润土为原料,以化学改性法制备了膨润土复合无机高分子絮凝剂和自配膨润土复合无机高分子絮凝剂,并应用于淀粉废水处理,效果较为理想,处理后淀粉废水清澈透明。试验表明,废水中SS和COD的去除受溶液pH值影响较大,pH值越低效果越好。张亚群等[8]研究了pH值、混凝剂PAC和助凝剂PAM用量三个因素对复合处理马铃薯淀粉废水混凝效果的影响。结果表明,在pH值约为5,PAC和PAM用量分别是6.0和0.4g/L的条件下效果较理想,COD和蛋白质去除率分别达41.7%和82.8%,减轻了后续处理系统负担。谢安等[9]将PFS与自制的(预干燥法)阳离子变性淀粉絮凝剂复配处理马铃薯淀粉废水,试验表明,相同条件下,高取代度阳离子变性淀粉絮凝剂对废水的絮凝效果更好。取代度0.3903,加入量0.1%,废水初始pH6.0,与PFS复配使用时,COD去除率达61.32%,其絮凝效果比相同投加量的传统PAM絮凝剂平均高约10%。王有乐等[10]使用常规化学絮凝剂AlCl3、Fe2(SO4)3、PAM以及有机和无机之间的相互复配对马铃薯淀粉废水絮凝预处理,确定了较佳絮凝剂AlCl3+PAM组合,其较佳pH值为4,较佳投药量AlCl3+PAM(200+3)mg/L,10%CaCl2助凝剂投加量10ml/L。结果是,浊度、COD和色度去除率分别为95.06%、41.08%和90.63%,其优点为,处理效果好、投药量少、助凝剂投加量少、较佳pH值在原废水pH值范围内、处理成本低(11.05元/t废水)、产生污泥量少(649g/t废水)等。刘玉峰等[11]以PAM作为絮凝剂,在PAM投加量70mg/L,pH5,温度20℃,反应时间40min的最佳工艺条件下,处理马铃薯淀粉加工废水,结果表明,COD、蛋白质、BOD和SS去除率分别为30%~40%、45%~55%、10%~15%和50%~60%,后续处理负担减轻了很多。朱泉雯等[12]采用絮凝法对马铃薯淀粉废水进行预处理后回灌农田,将废水中大量有机营养物质进行回收利用。试验表明,在原水pH值为5,絮凝剂Fe2(SO4)3+PAM的投加量分别为200mg/L和3.5mg/L,静置5min条件下,浊度和COD去除率分别为90.57%和42.35%。预处理后废水直接回灌农田,土壤化学性状和农作物(扬麦12)生长情况都较对照田明显提高。

2.2生物处理法

马铃薯淀粉废水含有大量悬浮态、溶解性或呈胶体状态的有机污染物,不含有毒物质,可生化性良好,采用生物法处理能够取得理想的去除效果。

2.2.1厌氧处理

厌氧法处理淀粉废水的最终产物是可作为能源回收利用的可燃气体(以CH4为主);在低费用运转的处理工艺下,剩余污泥既易于脱水浓缩又数量少,可用作肥料;面临能源日益短缺的形势下,该法属资源回收型的低能耗处理工艺,日益受到全世界重视[13]。厌氧发酵法处理淀粉废水主要有厌氧流化床(AFB)、升流式厌氧污泥床(UASB)和厌氧接触法(ACP),以及厌氧滤池(AF)和两相厌氧消化法(TPAD)等。其中UASB处理法最优,能耗低、剩余污泥少、处理效率高。UASB内水流方向与产气上升方向一致,既减少了堵塞几率,更加强了对污泥床的搅拌混合作用,有利于微生物与进水基质间接触混合及颗粒污泥之形成。该工艺投资省、运行费用低、操作简便,且产生可供利用的沼气,获得较好经济效益和环境效益。黄健平等[14]利用改良USAB作为产CH4反应器处理淀粉废水,试验以低负荷启动方式,利用提高进水COD浓度逐级提高容积负荷和增大处理量,反应器中水力条件采用强制内回流控制,使改良UASB在最佳条件下运行产CH4。产CH4速率高达0.539m3/d,出水CODCr<600mg/L。陈晓燕等[15]通过自行制作的UASB装置,探讨马铃薯淀粉废水厌氧处理过程中温度、pH值优化控制,试验表明,UASB装置去除马铃薯淀粉废水COD的环境优化组合条件是温度约35℃,pH值略大于7.5,COD去除率接近90%,并随处理时间不断提升,出水COD<300mg/L。郑国臣等[16]添加微量元素(Fe、Mn、Zn等)于厌氧折流板反应器(ABR)处理废水过程中,进水COD6000mg/L,碱度1900mg/L的条件下,ABR系统后端格室产CH4由0.68m3/d升高至1.66m3/d。系统对COD的去除率由51%提高到62%。结果表明,微量元素投加可有效刺激ABR发酵联合产、氢产CH4系统中厌氧污泥的活性,产甲烷活性增强,产氢作用受到抑制,系统处理效能明显提高。

2.2.2好氧处理

相较于厌氧法,处理淀粉加工废水时好氧生物法不足之处较多,如需要充氧、无能量回收、微生物所需营养多、动力消耗大和污泥量大等,仅适合低浓度有机废水处理。通常淀粉废水COD较高,故其处理中较少单独应用好氧处理法。好氧处理法主要有生物氧化塘法、接触氧化法和SBR法。好氧生物法多用作淀粉废水处理的后续处理。苏宏等[17]用加压SBR法处理淀粉废水,在进水COD3500~4000mg/L,停留时间8~12h时,COD去除率94%~96.7%,出水COD<150mg/L,可达标排放。加压SBR法较普通SBR法,生化反应速度快、耐负荷冲击能力更强,且有机物去除率高。

2.2.3厌氧、好氧联合处理

因淀粉废水有机负荷高,处理难度大,仅单一生物处理较难达到理想效果,故多采用厌、好氧联合处理。毛海亮等[18]以UASB-SBR工艺处理淀粉废水。针对其有机负荷高、可生化性好之特性,先以UASB工艺处理,降解淀粉废水中大部分有机物,之后再于SBR段好氧生物处理,使废水中有机物进一步降解。结果表明,经颗粒化UASB稳定处理后,出水COD<500mg/L,又经SBR处理后,出水清澈且COD<100mg/L。该处理系统具有处理效果稳定、耐冲击负荷、运行费用低且管理简单等优点。廖立钦等[19]使用霉菌(黑根霉、黑曲霉、青霉、白地霉)和酵母菌(拟内孢霉酵母、产朊假丝酵母)两类菌种对马铃薯废水进行处理,确定效果最佳菌株为青霉菌和拟内孢霉酵母菌,发酵时间5d。由正交试验得,在马铃薯废水中分别接入2%青霉菌和3%拟内孢霉酵母菌后处理6d,最终废水COD由16286mg/L降至6216mg/L,去除率62.38%。

3马铃薯淀粉废水资源化利用处理

针对淀粉工业废水的特点,研究者一直在寻找一种快捷、高效、低能耗的淀粉废水处理方法。但迄今为止仍未找到一种特别经济有效的处理和回收利用的技术方法,因此,废水的资源化处理成为目前国内外的研究热点。马铃薯淀粉废水主要含有淀粉、蛋白质和有机酸等,资源回收利用,既有经济效益,也能有效降低其中有机污物浓度,使后续处理负担减轻。以下介绍几种主要的马铃薯淀粉废水资源化处理的方法。

3.1蛋白质的回收

回收淀粉废水中的蛋白质主要是将其中溶解性蛋白质提取出来作为饲料蛋白或者它用,为其后续生物处理减轻负荷。当前主要有以下4种方法。

3.1.1絮凝沉淀法

此法通过添加绿色无毒絮凝剂,使蛋白质胶体脱稳沉淀析出,处理成本低,回收效果明显。此类絮凝剂有蒙脱土、海藻酸钠、羧甲基纤维素、生物絮凝剂、壳聚糖等天然絮凝剂,其中中小型企业回收马铃薯蛋白最适合使用羧甲基纤维素[20]。周添红等[21]采用改性方法制备了蒙脱土基絮凝吸附材料,并应用于马铃薯淀粉废水的处理。结果表明,其对COD吸附量最高达245mg/g,浊度去除率最高达93%,处理后废水pH4.7~7.0,因蒙脱土和淀粉废水本身都无毒害作用,故经絮凝后吸附材料和大量蛋白质等营养物质沉淀下来,可用作家禽饲料或有机化肥。裴兆意[22]以壳聚糖为絮凝剂处理马铃薯淀粉废水,回收蛋白质,结果表明,pH4.5,壳聚糖投加量0.05g/L时,蛋白质回收率达62.7%。壳聚糖无毒、无二次污染,故絮凝得到的蛋白质可作为动物饲料。也可按蛋白质遇热变性沉淀的原理,铺设加热装置于沉淀池中,通过加热升温,使废水中蛋白质沉淀。尽管此法可使蛋白质去除率大大提高,但加热能耗远高于产生的效益,也不可取。陶德录[24]通过加热将废水中的蛋白质絮凝、沉淀,再浓缩,每1t废水可回收蛋白饲料35kg,其粗蛋白质质量分数为24%~40%。客观地讲,加热絮凝法既能耗高又导致蛋白质变性;絮凝过程易发生共沉淀而使杂质包裹于蛋白质絮状物中,直接降低产品纯度。

3.1.2碱提酸沉法

此法利用等电点时蛋白质的溶解度最小而易沉淀析出的性质回收蛋白质。但在投加大量酸和碱调节pH值时既增加了费用,又引入了常用工业酸碱含有的重金属,故回收的蛋白质不宜作饲料。此法渐已淘汰,不宜推广。任琼琼等[23]以碱提酸沉加超滤法提取蛋白质于马铃薯淀粉废水。经响应曲面法和单因素试验优化碱提酸沉工艺,得到最佳工艺参数为:碱提pH9.35,碱提时间59min;酸沉pH3.41,酸沉时间10min。蛋白质提取率达54.24%。酸沉液采用10ku超滤膜进一步提取,最终蛋白质总提取率达93.42%。

3.1.3超滤法

目前超滤技术是回收蛋白质常用的方法。超滤法是依靠半透膜选择透过性,以压力或浓度为驱动力,截留废水中蛋白质。膜分离技术过滤过程简单、易于控制,已广泛应用于各行业。而且兼有分离、浓缩、纯化和精制功能,以及高效、节能、环保和分子级过滤等特征。常用超滤膜有醋酸纤维素膜、聚砜膜、聚酰胺膜等。采用此法处理马铃薯淀粉生产废水,既属处理效果好的纯物理过程,不引入化学试剂,无二次污染,又属环保性水处理方法。高效节能的超滤法,在回收过程中保持常温又不添加药剂,保证了回收蛋白质的质量和安全性。Harmen等[25]利用超滤法回收马铃薯淀粉废水蛋白质,先以渗滤法预浓缩,再以截留相对分子质量为5~150ku的亲水聚醚砜、亲水聚偏氟乙烯和新型再生纤维素3种膜材料,回收废水中的蛋白质,回收率均达82%。陈钰等[26]采用聚砜中空纤维内压式超滤膜组件回收马铃薯废水蛋白质,在室温22℃,pH5.8,操作压力为0.10MPa的条件下,回收率达80.46%。张泽俊等[27]以超滤技术结合泡沫分离技术回收马铃薯蛋白质。在压力0.15MPa,流量30L/h时,证明了截留相对分子质量15ku的醋酸纤维素膜适合蛋白质回收,回收率达85%。吕建国等[28]进行了超滤膜回收马铃薯淀粉废水蛋白质的中试实验,采用截留相对分子质量20ku的聚乙烯膜在25℃、压力0.2MPa、进口流量160L/min时,蛋白质回收率和COD截留率分别高于90%和50%。王应平等[29]采用膜集成技术深度处理马铃薯淀粉废水,以截留分子量10ku的超滤膜+反渗透处理工艺,2次去除已经絮凝沉淀处理后的有机物。结果表明,在25℃,压力0.15MPa条件下,超滤膜对SS的去除率>99%,COD的去除率15%~25%;超滤出水经反渗透膜处理后,COD去除率≥98.8%。系统长期运行稳定,出水BOD5<10mg/L,COD<100mg/L,去除效果好,产水可达标排放。

超滤法设备投资较高,适宜大型企业,且超滤膜易吸附蛋白质、糖类等,造成膜堵塞和膜污染影响持续工作,可通过改变膜特性、渗透条件和料液湍流程度等方式来减轻膜堵塞。

3.1.4单细胞蛋白的回收

某些菌种本身含有丰富蛋白质,又能利用废水中营养物质生产蛋白质,可用来提取单细胞蛋白。张玉斌等[30]利用热带假丝酵母菌发酵处理马铃薯淀粉废水。控制温度28℃,pH5.0,接种量15%(体积比),发酵时间28h,CODCr去除率达75.4%,可回收单细胞蛋白7.43g/L。

3.2利用马铃薯淀粉废水生产能源气体

将高浓度淀粉废水利用产CH4细菌在高效厌氧条件下处理,能生产可作为燃料使用的CH4气体。资源化利用淀粉废水生产CH4气是最好选择之一,可通过在中、大型淀粉加工企业配套CH4气的精制、罐装和运输设备来实现。该内容在2.2节生物处理法,2.2.1节厌氧处理中已有详述,在此不再累述。

3.3利用马铃薯淀粉废水生产微生物絮凝剂

微生物絮凝剂是由微生物产生的具有絮凝活性的有机高分子,可生物降解,降解产物对生态环境无害,以淀粉废水为培养基进行工业化生产可有效降低生产成本。已广泛用于淀粉废水处理,其活性高,絮凝范围广、通常不受pH值、温度及离子强度等影响。颜东方等[31]以马铃薯淀粉废水为培养液,复筛得1株高产絮凝物质的酵母菌F5,试验所得最佳营养条件:以0.05g/100ml(NH4)2SO4为氮源,1ml/100ml甘油为外加碳源,添加0.1g/100mlMgCl2和0.1g/100mlKH2PO4。此条件下发酵,絮凝活性提取物得率1.36g/L,发酵液对高岭土悬浊液絮凝率达94.6%,原废水COD去除率达93.7%。王有乐等[32]研究了根霉M9和M17复配产生复合型微生物絮凝剂的絮凝特性,并优化得到了马铃薯淀粉废水对该复合菌的培养条件:废水COD1600mg/L,0.04g/LKH2PO4,添加0.3g/LCO(NH2)2、无需添加碳源和调节pH值,M9和M17分别接种60ml/L和40ml/L后培养35h。此条件下投加5ml/L发酵液,经培养微生物后的废水COD和浊度去除率分别达93.60%和82.87%。可直接经好氧处理达标排放,也可与净水混合后灌溉种植基地。赵起政等[33]从马铃薯淀粉废水和黄河污水排放口附近污泥中经分离纯化初筛和复筛,得到6株絮凝活性大于60%的细菌,并按照等体积比例复配,絮凝率最高达96.41%。此法生产高活性微生物絮凝剂,成本低,絮凝效果较好,废水COD降幅大。

3.4利用马铃薯淀粉废水生产微生物油脂

淀粉废水中的有机物能够被某些菌株利用于生长繁殖而生产微生物油脂,是以低成本获得生物柴油的重要途径。以马铃薯淀粉废水为培养基,可筛选获取产油真菌,为生物柴油提供廉价油脂来源。钟娜等[34]利用淀粉废水耐高COD梯度驯化粘红酵母菌,并筛选出1株油脂质量分数25.7%,受淀粉废水COD高达75000mg/L的粘红酵母,培养33h后,菌体油脂质量分数29.5%,粘红酵母生物量达25.3g/L,废水COD降至5600mg/L,降解率92.5%。王宏勋等[35]初步研究了马铃薯淀粉废水资源化利用,结果表明,马铃薯淀粉废水能够被刺孢小克银汉霉有效利用生产多不饱和脂肪酸(GLA),GLA含量达到229.72mg/L、生物量达16.31g/L,COD去除率达76.31%。此方法利用微生物既产生了微生物油脂,还有效去除了COD,开辟了一条经济可行的马铃薯淀粉废水资源化利用的新途径。

3.5利用马铃薯淀粉废水生产多糖

普鲁兰多糖是一种由出芽短梗霉发酵所产生的类似葡聚糖、黄原胶的胞外水溶性黏质多糖。因其具有良好成膜、成纤维、阻气、粘接、易加工、无毒性等特性,已广泛应用于医药、食品、化工和石油等领域。Barnetta等[36]研究了利用不同酶水解马铃薯淀粉废水生成普鲁兰多糖的方法。用普鲁兰多糖酶和β-淀粉酶水解废水的普鲁兰产量是用普鲁兰多糖酶和淀粉普糖苷酶水解的2倍,前后二者水解产物主要分别为麦芽糖和葡萄糖,可见酶水解产物可影响普鲁兰的产量。陈洁等[37]不用酶水解而以马铃薯淀粉废水为碳源,发酵培养出芽短梗霉W2003,制得普鲁兰多糖,既简化了发酵工艺,降低了生产成本,又减轻了环境污染。陈洁等[38]还研究了用出芽短梗霉在不用酶水解淀粉废水的条件下的优化处理工艺,考察不同COD淀粉废水对出芽短梗霉的生长影响,废水中有机物总量及COD去除情况的影响。结果表明,淀粉废水COD浓度大小对出芽短梗霉生长无影响,有机物浓度随处理时间增长而降低,但最终代谢物———普鲁兰多糖的量随废水浓度升高而增加,COD去除率随废水浓度升高而增大。用出芽短梗霉对马铃薯淀粉废水进行生物处理,实现了环境保护和经济效益双赢。

3.6利用马铃薯淀粉废水生产乳酸

Jin等[39]利用少根根霉(DAR36017),采用糖化发酵马铃薯淀粉废水和玉米淀粉废水生产L-乳酸,在淀粉废水质量浓度20~60g/L时,发酵40h,乳酸产量达19.5~44.3g/L,此过程无需补充氮源。Huang[40]等利用少根根霉(DAR36017)和米根霉(DAR2062),采用同步糖化发酵方法,以马铃薯淀粉废水为培养基生产乳酸,并研究了其生化动力学和生长pH值、温度和底物。试验结果表明,在pH6.0,温度30℃,马铃薯淀粉质量浓度20g/L时,有利于淀粉糖化和乳酸发酵,发酵36~48h,乳酸产量1.5~3.5g/L。为资源化利用马铃薯淀粉废水和低成本生产乳酸开辟了新途径。

4马铃薯淀粉废水处理主要存在的问题

马铃薯淀粉废水处理存在的难点问题主要有:①废水量大,有机物含量高,COD值高。一般中小型淀粉厂,生产1t淀粉的同时平均排放废水20m3。②生物处理法要求工艺能快速启动且耐低温。但厌氧工艺启动非常慢,一般需要3~6个月。厌氧反应器一般还要保证温度在(35±3)℃。但受马铃薯收获时间限制,淀粉生产和废水的产生具有季节性,该类企业最长的连续生产周期在秋冬季节,且仅约4个月。③处理成本较高。淀粉生产企业利润低,多无力承受高成本处理工艺。现阶段,生化处理对水温要求严格,尤其是厌氧生物处理,冬季低温的不利影响更加明显,必须消耗大量蒸汽来维持温度,处理成本太高,难以承担。化学法回收所得的马铃薯蛋白质已变性,纯度低,且回收的蛋白质在干燥过程中易发生褐变,产品色泽深。要提高品质还需进一步纯化,回收成本增加。尽管目前超滤法处理回收效果最好,无化学物质的添加,与化学处理相比,所得马铃薯蛋白质品质及纯度均较高,但是其设备昂贵,且超滤膜易被堵塞,设备需定期清洗维护方能连续使用。④淀粉提取和浓缩工艺水(第2、3类废水)泡沫严重。此类淀粉废水属于细胞液工艺水,产生于马铃薯淀粉车间淀粉浓缩工序,经由管道流至污水处理车间时,泡沫层体积较大,且泡沫比较稳定,静置5~90min,泡沫体积仅由占总体积的50%降至35%,因此,细胞液废水中泡沫问题常规方法无法解决,妨碍了后续处理单元的正常运行,如初沉池、气浮机、厌氧及好氧反应器等。⑤废水营养源不足。对淀粉废水进行生化处理时,除碳源、氮源外的其它营养物质少,生化反应不易进行[41]。

5马铃薯淀粉废水处理技术研究发展方向和应用前景展望

近年来,国家对马铃薯淀粉废水的处理日趋重视,但对其资源化利用的技术水平仍较低,有待于进一步探索、研发和提高,并加以大规模推广应用,开发应用前景广阔。从资源节约和经济效益的两方面考虑,资源化回收利用,节能减排是马铃薯淀粉废水处理的必然选择。马铃薯淀粉废水资源化回收利用,既节约了资源,减少了废水对环境污染,又减轻了后续处理负担。今后一段时间马铃薯淀粉废水处理研究发展方向主要是:①积极探索和研发能够根本解决马铃薯淀粉废水污染问题的生化处理兼有效成分提取为主的综合利用项目。虽然研究者通过参考和借鉴其他淀粉废水的处理方法,时有新工艺和新方法产生,且室内模拟试验效果很好,但主要为生化及物化处理。对于高浓度有机废水马铃薯淀粉废水的处理而言,传统絮凝法对温度变化适应性强且能耗低,但单一方法去除效率较低,处理效果不理想,故必须选择优缺点互补的多种方法结合,并积极探究回收淀粉、蛋白质等有效成分与生化处理综合利用的项目,切实解决马铃薯淀粉废水污染问题。②力求经济效益与资源节约双赢。传统处理工艺仅限于降解马铃薯淀粉废水中的污染物,忽视其有用成分的回收综合利用,造成资源浪费。故今后的研发重点应为高效节能、回收利用、变废为宝的新工艺,并力求降低成本,低碳环保、节能减排。③优选核心为蛋白质提取的物化-生化处理工艺。尽可能有效提取并回收蛋白液中蛋白质,减少后续处理中泡沫的影响。可有效利用生产过程中的余热提高水温,便于废水中蛋白质的提取和回收。④加强功能性微生物的选育和配套的高效率生物反应器的研究力度。近年来,趋向于研发絮凝效率高、适用范围广的复合絮凝剂和易降解、无二次污染的微生物絮凝剂。生物法处理薯类淀粉废水的主要途径是利用废水中的营养物质生产和回收油脂、多糖、蛋白质等产品,效果虽好,但启动慢、受水温等影响大,且独立厌氧或好氧生物处理效果差,故应着力开发高效的能抗冲击负荷、能快速启动的废水处理方法与回收利用有效成分相结合的综合工艺[42]。目前最好的资源化途径是厌氧处理淀粉废水生产CH4气体。

综上所述,马铃薯淀粉废水来源广泛,利用其回收蛋白质,生产微生物絮凝剂、微生物油脂,多糖以及乳酸皆为高效利用马铃薯淀粉废水,节约资源、变废为宝、环境友好的方法。努力开发科学、经济、高效、绿色环保、综合利用率高的淀粉废水处理方法,彻底解决马铃薯淀粉生产中的废液污染问题,是马铃薯淀粉废水综合利用的重中之重

原标题:马铃薯淀粉生产废水资源化处理及综合利用

 

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