2004年第2期 矿 产 与 地 质第18卷2004年4月M IN ER A L R ESOU R CES A N D G EOL O GY总第102期淀粉废水资源化利用的现状和前景¹伍婵翠,刘康怀(桂林工学院,广西桂林541004)摘 要:阐述了近年来淀粉废水的资源化利用,着重列举了利用淀粉废水发展生态建设、从淀粉废水中回收蛋白以及利用淀粉废水生产新能源的方法,分析了淀粉废水资源化利用的前景。
关键词:淀粉废水;资源化利用;综述;蛋白质中图分类号:X703 文献标识码:A 文章编号:1001-5663(2004)02-0179-04 淀粉废水是在淀粉以及相关淀粉化工产品的生产过程中产生的废液,是食品工业中污染最严重的废水之一。
广大环境工作者对淀粉废水的处理方法都进行了研究,并常用絮凝沉淀和生物处理两种方法对淀粉废水进行处理。
[1]但是淀粉废水中所含的有机物大多是可以回收利用的宝贵资源,例如玉米淀粉废水中的一般组分:总糖为0.3%～0.7%,粗蛋白为2.1%,固形物为5%～10%,粗纤维为2%～3%,脂肪酸为0.1%～0.3%;薯类淀粉废水中可溶性固形物的一般组成为(以干基计):蛋白质为33%～41%,总糖为35%,有机酸为4%,矿物质为20%。
[2]将这些物质回收起来进行综合利用,既可变废为宝,又能减少废水处理的费用。
目前,淀粉废水的资源化利用技术主要包括利用淀粉废水发展生态农业建设、从淀粉废水中生产回收有用组分以及利用淀粉废水生产新能源等方面。
作者就这些方面的研究现状进行了评述并发表了自己的意见。
1 利用淀粉废水发展生态农业建设目前,国内利用淀粉废水进行生态建设的技术已有下列报道:沈仲韬根据海门县淀粉厂污水的水质特征,设计了以废水治理为主体,结合养鱼、灌溉、沼气、水生植物等的一个综合的“生态工程”实施方案,来实现淀粉废水的资源化处理。
[3]该厂规划建设的“生态系统生物塘”可用作种植水生植物(是良好的猪料和沼气原料),饲养水生动物(鱼、鸭、鹅等)以及季节性灌溉稻田,既可变废为宝,又可充分发挥其经济效益。
杨凤江等将玉米淀粉废水经隔栅沉淀后的沉淀物用于喂猪、鸡等,废水排入氧化塘自然发酵1～2天,排入水葫芦池净化7天,再排入细绿萍池,净化7天,达到农田灌溉水质标准,这部分水用于灌溉稻田、果树和蔬菜等。
[4]通过这一过程实现资源的再利用。
张美华将淀粉废水沉降底泥以适量的化肥调制成复合肥,应用于水稻盆栽试验的增产机理研究。
研究结果表明,该复合肥具有使水稻营养生长和生殖生长间的协调功效。
[5]证实了利用工业废水的资源化产物进行农业生态建设的切实可行性。
由此可见,淀粉废水的资源化利用不但降低了污染物浓度,使废水达标排放,解决了淀粉废水对环境的污染问题,达到了环境保护的目的,而且在处理过程中实现了废水资源化利用,充分实现了环境效益与社会效益的有效结合。
2 从淀粉废水中回收蛋白目前,从淀粉废水中回收蛋白的技术主要有沉淀法、发酵法、气浮法、絮凝法和超滤法五大类。
2.1 沉淀法采用沉淀法从淀粉废水中提取蛋白。
该方法沉淀性能差,特别是在夏天气温高时,废水中的微生物易179¹收稿日期:2004-03-03 作者简介:伍婵翠(1978-),女,广西桂林人,2001级硕士研究生。
发酵酸化,且提取出的蛋白质量差,所以一般很少使用。
2.2 发酵法在发酵法生产蛋白的工艺中采用最多的菌种是白地霉。
如:黑龙江金丰玉米制品有限公司与黑龙江微生物研究所共同研制用淀粉废水生产单细胞蛋白的工艺。
该工艺采用玉米淀粉废水为原料,白地霉为菌种,发酵生产单细胞蛋白,并取得了成功,单细胞蛋白收率可达1.39g/100mL,粗蛋白超过轻工业部QB596-82标准,并含氨基酸16种、维生素8种,完全可替代鱼粉。
[6]另外,尹源明、何国庆[7～8]和许剑秋[9]也利用白地霉作菌种采用发酵法分别对小麦淀粉废水和玉米淀粉黄浆水进行了处理研究。
除了白地霉以外,也有采用其它菌种发酵生产蛋白的报道,例如:孙崇凯、崔有信等以小麦淀粉废水为原料,加入第二代种子酵母菌种,采用双酶法进行了淀粉废水糖化水解后培养面包酵母的试验研究。
结果表明,经该工艺处理的淀粉废水的COD去除率达70%,能成功地培养出面包酵母。
[10]四川的潘红春等对淀粉生产废水培养单细胞蛋白(SCP)作了初步研究,确定了适宜的营养条件。
结果表明,热带假丝酵母(01)是淀粉废水生产SCP的优良菌种,添加0.1%尿素和0.2%磷酸,在32℃条件下发酵14h～20h,可得生物量7.5g/L左右。
成品粗蛋白含量达35%,含有19种氨基酸,是优良的蛋白饲料。
[11]还有报道指出,采用多种菌种混合发酵生产蛋白比采用单一的菌种生产蛋白的收率明显提高。
例如:早在1987～1990年间,于伟君等就分别采用了单种发酵法和混种发酵法进行了淀粉废水生产饲料酵母的研究。
结果表明,3株酵母混合发酵的结果最好,蛋白含量均在70%以上,发酵后废水的粗蛋白去除率为59%,总糖去除率为73%,COD去除率为50%。
且生产一吨酵母可获得利润约1000元。
[12]广西大学的梁智也采用了混种发酵法来处理木薯淀粉废水,培养单细胞蛋白。
他采用A、B两种菌种,A菌的淀粉酶活性极强,可使淀粉转化为葡萄糖,但生育速度慢;B菌不具有淀粉酶,但可以葡萄糖为碳源得以迅速生育,生长速度快。
处理结果:COD去除60%以上,出水pH值就近中性,菌体产率15g/L,菌体蛋白含量达50%以上。
[13]2.2 絮凝法絮凝法是通过加入絮凝剂,降低胶体溶液的稳定性,使之凝聚沉淀的方法。
张佩芳等采用聚-N-乙酰-D-葡萄糖胺(又名甲壳质)作为絮凝剂,在pH 值为3.5的条件下,对淀粉废水进行絮凝处理的试验研究,废水的COD去除率为68%,且得到的沉淀物可作饲料或肥料。
[14]许昭和等采用一种新研制的天然絮凝剂(FN F)对玉米淀粉废水进行了处理以及回收蛋白粉的试验研究,废水的COD去除率为85.1%,BOD去除率为80.8%,水质基本达到国家规定排放标准;每吨废水可回收10kg蛋白粉,粗蛋白含量为36.45%,含16种氨基酸,可作动物蛋白饲料。
[15～16]邓述波等用微生物A-9所产的絮凝剂处理淀粉厂的黄浆废水。
经絮凝沉降处理后,废水的SS和COD去除率分别可达85.5%和68.5%,效果明显优于常用的化学絮凝剂。
且微生物絮凝剂具有无毒,无二次污染的特点,[17]絮凝所得的蛋白可作为动物饲料进行综合利用。
陈益明等采用调节沉淀池和回用池组合的工艺处理常州市饲料公司的玉米淀粉废水,并通过絮凝沉淀回收蛋白粉。
[18]2.3 气浮法郑州的买文宁等采用气浮分离技术能够从1吨淀粉废水中提取5kg蛋白饲料,同时废水中的COD 去除率达30%以上,[19]减轻了后续生物处理的有机负荷。
2.4 超滤法近年来,国内已有采用超滤技术从淀粉废水中提取蛋白的报道。
例如:内蒙古农科院的熊淑芳等采用超滤法从马铃薯淀粉废水中回收蛋白质,所得的粗蛋白干重为14g/L,蛋白含量为65%。
[20]汤利飞等用板式超滤器回收高梁、豌豆为原料的黄浆废水中的蛋白质,选用了分子量为1～2万的PS 膜,使蛋白截留率达到97.8%。
[21]3 利用淀粉废水生产新能源采用厌氧生物技术对淀粉废水进行处理,不但可培养出活性良好的颗粒污泥,还能产生出新能源——沼气。
目前,国内外最常用的厌氧工艺是UASB反应器。
例如:徐州的李燕等采用UASB对面粉厂的淀粉180废水处理进行了试验研究。
结果表明,COD去除率可达90%以上,沼气产量最高可达39.7L/h,沼气中的甲烷含量为60%～70%。
[22]另外,杨景亮,[23]张振家[24],郑平[25]以及荷兰ZBB—Ko og玉米淀粉厂[26]也采用了U ASB工业装置处理淀粉废水并回收沼气。
冯世骥、刘小兵采用了U ASB和AF相结合的工艺——UBF处理海南某淀粉厂的木薯淀粉废水, COD去除率达到90%以上,去除1kgCOD,产沼气0.6m3。
[27]除此之外,Yanagi等在一个两相甲烷发酵膜系统的产酸反应器与产甲烷反应器中间加一个膜组件,将其用于处理小麦淀粉废水。
[28]此装置具有较强的耐冲击负荷能力,且COD去除率高,产气量大,回收所得的甲烷气可用作能源。
佘宗莲、田由芸采用厌氧接触消化技术处理淀粉厂的高浓度废水。
结果表明,中温(32℃)条件下, COD去除率达85.8%,且每去除1kgCOD可产沼气0.34m3～0.38m3。
[29]贺晓红等用纵向折流套筒式厌氧污泥床(VBASB)反应器在常温下处理淀粉废水,使许昌淀粉厂废水出水水质完全达标。
并在反应器中培养出了活性良好的颗粒污泥,每m3废水至少可回收2kg饲料,且每m3废水大约可产沼气0.4m3。
[30]通过对各种不同的厌氧工艺的比较(表1),可以看出,采用U ASB反应器的COD去除率较高,而中温条件下的沼气产量均比常温条件下要高。
表1 不同的厌氧工艺效果比较T able1 Comparison of various anaerobic pro cesses厌氧工艺温度COD去除率(%)沼气产量U ASB常温～中温90以上16.80m3/(m3・d)U BF-900.6m3/kgCOD厌氧接触消化中温85.80.34～0.38m3/k gCOD VBASB常温800.4m3/m3废水4 淀粉废水资源化利用的前景4.1 各种资源化利用方法的优缺点简评(1)利用淀粉废水为原料进行养殖、种植和灌溉,使其能为农业生态建设服务,创造了经济效益。
由于该方法仅限于农业,所以不适合在城市推广使用。
(2)采用发酵法虽然可以回收淀粉废水中的可溶性蛋白,但是COD去除率相对较低,还需进行二次处理。
(3)采用超滤法回收蛋白的效果因膜而异,截留值较高的膜对蛋白质的回收比较彻底,但是其它的非蛋白物质也被截留,从而影响了蛋白质的纯度。
(4)絮凝法回收蛋白的过程中由于加入了絮凝剂,所获得的蛋白含量不高,且其中含有絮凝剂的成分,不能用于生产高品质的蛋白产品。
(5)采用厌氧工艺处理淀粉废水并回收沼气,是一种高效、节能的方法,但是厌氧技术启动慢,且受pH值变化的影响较大,需严格控制其操作条件。
4.2 淀粉废水资源化回收方法的改进建议对于淀粉废水进行资源化利用,建议采用各种方法相结合的多段工艺。
既可以发挥各种方法的优势,弥补其不足之处,又可以使废水中的资源得到最大限度的利用。
4.3 淀粉废水资源化利用的前景淀粉废水资源化利用的各种方法都有各自的优缺点,但这些方法都实现了变害为利、变废为宝。
可见,利用淀粉废水中的有机物质、生物活性物质以及所含的营养物质进行生态资源化处理和综合利用是一条良好的途径,有着广泛的运用前景,值得大力推广。