马铃薯淀粉废水处理论文

马铃薯淀粉废水处理论文

1马铃薯淀粉废水水质特点

马铃薯淀粉生产过程中产生的废水分为清洗废水、淀粉提取废水、淀粉清洗废水。马铃薯淀粉废水含有机质多、浓度高且悬浮物大,污染成分主要为淀粉、蛋白质和糖类,废水m(BOD5)/m(CODCr)值较高,可生化性良好。根据淀粉生产工艺不同,废水CODCr的质量浓度为6000~30000mg/L,SS的质量浓度为8500~10000mg/L,pH值为4~6,属酸性高浓度有机废水。马铃薯淀粉废水处理的难点主要有以下4个方面:①CODCr负荷大,废水量大。对于一般中型淀粉厂,平均生产1t淀粉,同时排放20m3废水。②要求工艺能快速启动且耐低温。受马铃薯收获时间的影响,淀粉生产具有季节性,生产周期只有4个月左右且在冬季。③处理成本要低。淀粉生产属于低利润产业,一般企业难以承受高成本的处理工艺。④水量和水质不稳定。中小型淀粉厂受收购原料等因素影响,常间断性生产,导致水量与水质不稳定。

2马铃薯淀粉废水处理方法

马铃薯淀粉生产过程中产生3种废水,即清洗废水、淀粉提取废水、淀粉清洗废水。它们在水量和污染程度上有着很大的差别,因此处理方式也应各不相同。但国内淀粉企业大都将3种废水混合排放,统一处理,这无疑增加了处理难度,同时也很难回收废水中的有用物质。关于淀粉生产中的3种废水分类处理的工艺介绍和工程实例,国内鲜有出现。根据3种废水的各自特点,综述了当前国内外的相关处理工艺,并进行可行性分析。

2.1清洗废水

清洗废水是马铃薯的输送、洗涤废水,主要含泥沙、马铃薯芽、根等杂质。这种废水SS浓度高,水溶性物质较少,CODCr的质量浓度为1500~3000mg/L,SS的质量浓度为2000~2800mg/L。CODCr产生的主要原因是悬浮的泥沙以及马铃薯的残渣。针对清洗废水的水质特点,清洗废水可不经生物处理,经多次沉淀后,CODCr、SS即可大幅去除。同时上清液进行循环使用,从而达到节水减排的目的。

2.2淀粉提取废水

淀粉提取废水,又称蛋白液,主要产生于磋磨马铃薯阶段,在总废水量中仅占10%~20%,含有大量的溶解性蛋白质,少量的纤维和淀粉微粒,是主要污染源。这类废水CODCr的质量浓度高达39000~50000mg/L,SS的质量浓度为17000~22000mg/L。受低温、成本等因素限制,若直接进行生物降解处理,难度较大,且会导致水中蛋白质等经济物质白白流失。因此,针对淀粉提取废水,处理方式宜以资源化回收利用为主,辅以生物法处理。淀粉废水的资源回收利用,主要分为回收蛋白质和利用废水生产经济物质这2个方面。

2.2.1回收蛋白质

回收蛋白质主要是将废水中的溶解性蛋白提取出来作为饲料蛋白或其它用处,为淀粉提取废水的后续生物处理减轻有机负荷。当前回收废水中蛋白质主要有以下4种方法:

(1)絮凝沉淀法。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。用于此类的絮凝剂有蒙脱土、生物絮凝剂、羧甲基纤维素、海藻酸钠、壳聚糖等天然絮凝剂,其中羧甲基纤维素最适合中小型企业回收马铃薯蛋白。周添红等采用改性蒙脱土絮凝吸附材料处理马铃薯淀粉废水,对废水中CODCr的吸附量达到116~245mg/g。经过吸附后的絮凝材料含有大量蛋白质等营养物质,可收集作为有机化肥和家禽饲料的原料。

(2)碱提酸沉法。利用蛋白质在等电点时溶解度最小,易形成沉淀析出的特点。这种方法需要投加大量的酸和碱调节pH值,增加费用,且工业生产的酸碱往往含有重金属,回收的蛋白不宜用作饲料。此方法现已逐渐被淘汰,不宜继续推广。

(3)超滤法。以压力或浓度为驱动力,依靠半透膜选择透过性,截留废水中蛋白质。超滤法具有高效节能的优点,在回收过程不需添加药剂且保持常温,保证了回收的蛋白质的质量和安全性。常用超滤膜有醋酸纤维素膜、聚砜膜、聚酰胺膜等。相关研究指出,经超滤法处理后,马铃薯蛋白回收率可达85%左右。但蛋白质、糖类易吸附在超滤膜表面,造成膜堵塞和膜污染的现象,不能持续工作,且设备投资较大,适宜大型企业应用。目前可通过改变膜特性、渗透条件和料液湍流程度等方式来减轻膜堵塞。

(4)单细胞蛋白。某些菌种本身含有丰富蛋白,且又能利用废水中营养物质生产蛋白,可用来提取单细胞蛋白。张玉斌等利用热带假丝酵母菌对马铃薯淀粉废水进行发酵处理。结果表明:控制pH值为5.0,温度为28℃,发酵时间为28h,接种量为15%(体积比),热带假丝酵母菌对马铃薯淀粉废水可回收单细胞蛋白7.43g/L,CODCr的去除率达75.4%。

2.2.2生产经济物质

利用微生物的多样性,以废水中物质为培养基质,可以生产能源气体、生物油脂、多糖等。颜东方等以马铃薯淀粉废水为培养液,复筛出菌株F5,在最佳营养条件下发酵,可生产絮凝活性物1.36g/L,同时CODCr去除率达到93.7%。产甲烷细菌可在厌氧条件下高效处理淀粉废水,产生甲烷气体,作为能源使用。黄健平等利用改良USAB作为产甲烷反应器处理含淀粉废水,在最佳运行条件下,产甲烷速率高达0.539m3/d,出水CODCr的质量浓度稳定在600mg/L以下。郑国臣等在ABR反应器的基础上研究微量元素对产氢产甲烷菌的影响,投加微量元素后,反应器产甲烷能力由0.68m3/(m3•d)提升至1.66m3/(m3•d),有效刺激了厌氧污泥的活性,效果显著提高。淀粉提取废水的资源化利用目前在国内尚无大规模应用,具有很大的开发前景。今后应在功能性微生物的选育和开发配套的高效率生物反应器这2个领域加强研究力度。就目前而言,利用淀粉废水生产甲烷气体,是最好的资源化途径。

2.3淀粉清洗废水

淀粉清洗废水产生于淀粉洗涤阶段,占总排水量的30%~40%,CODCr的质量浓度一般为2000~3500mg/L,SS的质量浓度为2200~2800mg/L,废水中主要含有淀粉,其它营养物质较少。对于这类废水,传统的处理方法有絮凝沉淀法、生物法等;新型的处理工艺有电催化氧化法、Fenton试剂法、生物酶处理法等等。

2.3.1生物法

生物法可分为好氧处理和厌氧处理。好氧处理存在耗能大、剩余污泥多、运行费用高等诸多不利因素,不适宜处理淀粉废水这类高浓度废水。因而在实际应用中,好氧处理很少单独使用,一般与其它处理方法配合使用或作为后续处理。厌氧处理的主要缺点是反应速率慢,启动时间长,构筑物容积大等。此外,厌氧反应器一般需加热保温,以保证较高的反应速率,不适宜北方地区和冬季运行。若单纯使用厌氧处理,出水CODCr的浓度仍较高,故一般厌氧处理后再经好氧工艺继续处理。在应用中通常采用“厌氧-好氧”的处理工艺,常见的有:USAB-SBR、USAB-SBBR、UASB-CASS等。生物法技术成熟,处理效果好,成本低,仍是当前首选处理方式。目前也出现一批新型的生物处理工艺,例如光合细菌法、酵母菌-MBR法等。其中酵母菌-MBR法具有CODCr容积负荷高,启动时间短,可资源回收等优点,适合气候寒冷地区的淀粉废水处理。李亚峰等在某马铃薯淀粉厂的废水处理中使用UASB-SBBR-混凝-气浮工艺,稳定运行后,对废水CODCr、BOD5、SS、NH3-N的去除率分别达到了99.7%、99.7%、98.8%、91.8%,该工艺运行稳定,耐冲击能力强,运行成本仅为0.63元/m3。王剑秋等在微好氧条件下采用光合细菌法-SBR工艺,将光合细菌法降解淀粉废水与菌体蛋白积累结合起来研究。结果表明:光合细菌法-SBR法对淀粉废水CODCr去除率为70%~90%,处理效果稳定;单细胞蛋白产出率为0.2~0.4kg/kg[CODCr],且均为优质高产蛋白,具有良好的经济效益。俞年丰等筛选分离出6种酵母菌株,分别以马铃薯淀粉废水培养,结果表明各菌株对CODCr的去除率达53.56%~66%。6种菌株混合后对CODCr的处理效率达到77%,且酵母菌体数量多,生物沉降性能较好。

2.3.2电催化氧化法

电催化氧化法是通过修饰电极表面具有催化性能的涂层,改变电极和电解液接触面的微观结构,达到催化氧化降解有机物的目的;或者直接利用电极产生的活性羟基自由基(•OH)氧化废水中的有机物,生成二氧化碳和无机盐,具有设备简单,操作方便等优点。胡万鹏研究钛基氧化物涂层电极对淀粉废水的处理效果。淀粉废水经混凝预处理后,利用DSA电极分别对其进行二维和三维电解试验。结果表明:CODCr的去除率分别为36.8%、55.6%,电流密度是影响CODCr去除效果的主要因素。电催化氧化法处理淀粉废水是可行且有效的,当前的研究方向集中在以下2点:①相关电极研制的理论研究;②提高电极的催化氧化性能及电解槽合理的设计。

2.3.3Fenton试剂法

Fenton试剂是由H2O2和Fe2+组成的混合体系。通过催化分解,H2O2产生的•OH可将大分子有机物转化为小分子有机物或二氧化碳和水等无机物。与其它传统方法相比,Fenton氧化法具有以下特点:①•OH无选择地与有机物反应,且不产生二次污染;②该反应过程属于物理化学处理过程,易控制;③反应放热,温度对其影响较小,适用于北方地区。王颖超等考察了Fenton试剂对马铃薯淀粉废水的处理效果。结果表明:在Fe2+投加量为300mg/L,H2O2投加量为1200mg/L,反应时间为30min,pH值为2的最佳反应条件下,废水中CODCr、浊度的去除率可分别达到68.43%、98.53%,效果明显。Fenton试剂法在应用中主要存在H2O2利用率不高、有机物降解不完全等问题。目前Fenton试剂法处理淀粉废水的研究热点为电-Fenton试剂法和光-Fenton试剂法。

2.3.4生物酶处理法

葡萄糖氧化酶(GOD)是一种需氧脱氢酶,与过氧化氢酶构成一个氧化还原酶系统,在辅基FAD以及氧分子存在的条件下,可专一性催化氧化β-D-葡萄糖为葡萄糖酸、水和氧。黄一洲使用戊二醛交联法固定化酶技术将GOD固定在竹纤维载体上,对预处理过的马铃薯淀粉废水进行深度处理。结果显示,预处理与酶处理联用时,废水中CODCr的去除率约为85%,糖的去除率约为95%,效果显著。关于利用GOD或其它生物酶处理废水的研究鲜有报道。主要是由于酶制剂价格高昂,活性受温度、pH值等众多因素制约。当前利用生物酶处理淀粉废水还停留在实验室阶段,技术尚未成熟。但由于生物酶的高效催化能力、不参与反应和活性可调节等优点,利用生物酶降解废水的研究将越来越受到重视。

3结语

(1)马铃薯淀粉废水由3种工艺废水组成,这3种工艺废水在水质、水量上有着显著差别。应根据各自水质特点,分质处理,降低处理难度,尽可能进行资源回收利用,以达到减排和资源利用的目的。

(2)今后对马铃薯淀粉废水的处理研究应集中在开发高负荷、快启动、耐低温、能回收资源的新型工艺方面。

(3)光合细菌法可将光能利用、废水处理和蛋白质生产三者统一,特别适合马铃薯淀粉废水和其它高浓度有机食品工业废水,是一种非常有前途的技术。

作者:张昊 王三反 李广 周键 单位:兰州交通大学环境与市政工程学院