地瓜,又名甘薯、紅薯。地瓜本身易腐爛,不宜長期存放。地瓜的深加工,可以解決因貯存鮮薯不當(dāng)而導(dǎo)致大量爛薯的現(xiàn)象,地瓜精制淀粉經(jīng)過不同深度的加工,可生產(chǎn)出數(shù)百種有價值的化工產(chǎn)品,增值10-30倍左右,前景可觀,市場潛力巨大。但是地瓜淀粉廢水如果不經(jīng)處理就排放,既會造成環(huán)境嚴(yán)重污染,也會造成資源浪費(fèi)。
2廢水處理方法
地瓜的化學(xué)組成主要有水、淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪、纖維、灰分等,地瓜淀粉的制取就是利用淀粉不溶于冷水、比重大于水、以及與其他成分比重不同而進(jìn)行的物理分離過程。地瓜淀粉廢水是以鮮地瓜或地瓜干為原料,采用酸沉淀法生產(chǎn)淀粉時產(chǎn)生的廢水,其主要成分為水溶性淀粉、可溶性蛋白質(zhì)、多糖、氨基酸、維生素以及無機(jī)鹽等多種有機(jī)和無機(jī)物質(zhì),是一種不含有毒物質(zhì)的高濃度有機(jī)廢水,其COD約為12000mg/L,BOD5為4500mg/L,可生化性很好。
2.1ABR法
厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)是1982年提出的一種新型高效厭氧反應(yīng)器,具有許多比其它厭氧工藝更為優(yōu)越的特性。在反應(yīng)器沿水力流向設(shè)置多層隔板,將反應(yīng)器分隔成若干個串連的反應(yīng)室,每個反應(yīng)室都類似厭氧污泥床的單元。該工藝構(gòu)造設(shè)計(jì)簡單,反應(yīng)器內(nèi)水流的反復(fù)上下折流作用,提高了微生物體與被處理廢水間的混合接觸,穩(wěn)定了處理效果,促進(jìn)了顆粒污泥的形成與生成,發(fā)揮完全混合式承受沖擊負(fù)荷能力,及所有微生物體的作用。由于各隔室營養(yǎng)水平不同,反應(yīng)器的微生物相有明顯的種群差異。其處理工藝流程如下:
1.進(jìn)水箱;2.電磁計(jì)量泵;3.恒溫水浴槽;4.ABR;5.出水箱;6.沼氣
從ABR注入污泥開始,至正常運(yùn)行,先后經(jīng)歷了污泥馴化、反應(yīng)器啟動階段,不同工況下反應(yīng)器的運(yùn)行階段和反應(yīng)器的酸化恢復(fù)三個階段。在污泥馴化、反應(yīng)器啟動階段,進(jìn)水投加NaHCO3調(diào)節(jié)pH,并投加一定量的微量營養(yǎng)元素,使進(jìn)水COD從1200mg/L逐步提高到4000mg/L。第21~95d為在不同HRT和不同容積負(fù)荷下反應(yīng)器處理地瓜淀粉廢水的COD去除率,找出ABR的zui佳處理效果所需的運(yùn)行條件;反應(yīng)器的酸化及恢復(fù)階段,包括酸化初期、完全酸化期和恢復(fù)期。酸化試驗(yàn)進(jìn)水COD為12000mg/L左右,進(jìn)水中沒有添加任何化學(xué)物質(zhì)提供堿度,HRT控制在24h,連續(xù)動態(tài)培養(yǎng)馴化,待反應(yīng)器酸化后,研究酸化過程中各隔室的pH、COD的變化規(guī)律?;謴?fù)階段采用調(diào)整堿度和進(jìn)水負(fù)荷的方式,研究反應(yīng)器酸化恢復(fù)的有效方法。此外,厭氧池污泥(污泥顆?;^好),污泥濃度為10.4g(VSSPL),VSS/TSS約為25.0%。
2.2產(chǎn)油真菌發(fā)酵法
研究表明,利用地瓜淀粉廢水中的有機(jī)物可獲取食用菌菌絲體、單細(xì)胞蛋白、天然色素、食用菌多糖等物質(zhì)。以地瓜淀粉廢水為培養(yǎng)基質(zhì),還可篩選獲取產(chǎn)油真菌,低成本生產(chǎn)微生物油脂,為生物柴油提供廉價油脂來源。
通過模擬工業(yè)地瓜淀粉廢水可發(fā)現(xiàn),不同批次的模擬地瓜淀粉廢水水質(zhì)特征存在差異,地瓜儲藏期的不同也會導(dǎo)致廢水水質(zhì)的差異。廢水含糖量在9%左右,可以滿足微生物油脂發(fā)酵合成的需要。
以地瓜淀粉廢水為發(fā)酵基質(zhì)培養(yǎng)15株產(chǎn)油菌,發(fā)酵7d,可篩選出zui佳產(chǎn)油菌F7。該菌株F7生物量在第11d~13d達(dá)到zui大,此時發(fā)酵液中的殘?zhí)橇空孟陆档搅?;粗脂肪在?1d達(dá)到zui大,隨后快速下降;含油量則在第9d達(dá)到zui大,此后亦呈下降趨勢;發(fā)酵液的COD亦在第11d達(dá)到zui低,在培養(yǎng)后期,生物量和粗脂肪均呈現(xiàn)下降趨勢,但是生物量的下降幅度較小,粗脂肪的下降速度要高于生物量。在后期營養(yǎng)耗盡,菌體利用自身的油脂來維持新陳代謝,隨著培養(yǎng)時間的延長,殘?zhí)橇亢虲OD均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢,說明在利用微生物產(chǎn)生微生物油脂的同時,可以有效去除地瓜淀粉廢水的COD負(fù)荷。
在不增加體系負(fù)荷的情況下,添加離子可以有效促進(jìn)微生物的發(fā)酵和產(chǎn)油。在廢水中加入不同濃度的NaAc和KH2PO4,對菌株F7在廢水中發(fā)酵后的生物量、粗脂肪、含油量均有促進(jìn)作用,其中NaAc添加后的效果更為明顯。在廢水體系中添加金屬離子對產(chǎn)油真菌發(fā)酵進(jìn)行調(diào)節(jié),可增加其產(chǎn)油脂的能力,降低體系出水負(fù)荷。
2.3復(fù)合微生物絮凝法
微生物絮凝處理就是利用微生物代謝產(chǎn)生的多糖、糖蛋白以及菌體等形成絮凝沉淀,達(dá)到凈化廢水的作用。微生物絮凝與其他絮凝劑相比,具有良好的絮凝沉淀性能,安全、無毒,且不產(chǎn)生二次污染。有研究表明,多種微生物的共生、協(xié)同作用具有比單一菌種有更好的絮凝效果。
每批淀粉廢水因生產(chǎn)原料和沉淀時間等因素的不同,其COD有所不同。處理這樣高濃度酸性有機(jī)廢水用微生物絮凝處理,不受季節(jié)溫度的影響。直接用淀粉廢水?dāng)U大培養(yǎng)釀酒酵母和膠質(zhì)芽孢桿菌,制備成復(fù)合微生物絮凝菌液對地瓜淀粉廢水進(jìn)行絮凝處理,在少量氯化鈣助絮凝下,絮凝率達(dá)到97%。經(jīng)復(fù)合菌液絮凝處理的廢水的出水,pH值在8.0左右,COD去除率達(dá)95%。處理后的出水可以用于淀粉生產(chǎn),也可以用于水產(chǎn)養(yǎng)殖,還可以用于農(nóng)田灌溉。經(jīng)復(fù)合菌液絮凝處理得到的沉淀物富含蛋白質(zhì)和多種營養(yǎng)物質(zhì),干燥后可以制備成飼料。
絮凝過程中,影響絮凝率的主要因素是所加入絮凝菌液的量和pH值。當(dāng)加入的絮凝菌液在2.5%~10%時,絮凝率并不隨絮凝菌液的增加而增大。當(dāng)絮凝菌液加入量為10%時,其絮凝率要比2.5%的下降10%左右;而絮凝菌液加入量為2.5%和5%時絮凝率相差不多,考慮到絮凝處理淀粉廢水的成本問題,以絮凝菌液加入量2.5%為佳。選擇溶液pH值9.5時,在適量氯化鈣的助絮凝下zui大絮凝率可達(dá)97%。
釀酒酵母和膠質(zhì)芽孢桿菌既能在地瓜淀粉廢水中生長繁殖,也可以與廢水中其他微生物共同絮凝處理廢水。當(dāng)向廢水中加入絮凝菌液時,有沉淀慢慢析出,加入10%氯化鈣,沉淀析出量增大,且析出速度加快,說明CaCl2有助絮凝的作用。當(dāng)調(diào)節(jié)溶液pH值變?yōu)閴A性后,生成的沉淀絮團(tuán)大且結(jié)實(shí),沉降的速度也明顯加快,待一定時間后,上清液清澈。一般靜置30min后,絮凝沉淀已基本結(jié)束,但靜置2-3h,沉淀更加結(jié)實(shí),易于過濾。
2.4氣浮UASB-SBR工藝
中國淀粉生產(chǎn)工藝相對落后,資源的利用率較低,淀粉生產(chǎn)過程中大量的植物蛋白未加利用而隨生產(chǎn)廢水排放。在淀粉廢水處理過程中,如果能夠同時回收植物蛋白,做到廢水的資源化利用,將具有廣闊的應(yīng)用前景.
地瓜淀粉生產(chǎn)廢水含有機(jī)質(zhì)多、濃度高且懸浮物含量大,BOD5/COD達(dá)0.53,氣浮UASB-SBR工藝對出水水質(zhì)要求較高,所以物理與生化處理相結(jié)合的方式是很好的選擇。
氣浮池出水流入UASB厭氧反應(yīng)器,由于淀粉廢水呈酸性,會使后續(xù)厭氧處理過程受到抑制,產(chǎn)甲烷菌不能承受低pH值的環(huán)境,因此,UASB反應(yīng)器運(yùn)行的zui佳pH值為6.8-7.2。氣浮UASB-SBR工藝采用出水回流的方法,用出水堿度調(diào)節(jié)pH值,雖然進(jìn)水pH值有波動,但并不影響反應(yīng)器的正常運(yùn)行。
在產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的作用下,大部分的有機(jī)物分解為無機(jī)小分子物質(zhì)和甲烷,剩余污泥進(jìn)入污泥濃縮池,甲烷通過三向分離器收集凈化處理后可以作為能源供生產(chǎn)、生活使用,出水則流入預(yù)曝氣沉淀池。
預(yù)曝沉淀池是厭氧處理單元和好氧處理單元之間的重要構(gòu)筑物,其功能主要是去除厭氧出水的懸浮物和H2S等有害氣體,增加水中的溶解氧,為好氧處理創(chuàng)造有利的條件。預(yù)曝沉淀池的出水自流進(jìn)入SBR進(jìn)行好氧生物處理,以進(jìn)一步降解水中的有機(jī)物。
調(diào)節(jié)沉淀池,UASB,預(yù)曝沉淀池,SBR等處理單元產(chǎn)生的污泥排入污泥濃縮池進(jìn)行濃縮,提高污泥的含固率,使污泥含水率低于95%。污泥經(jīng)濃縮后進(jìn)入污泥脫水間進(jìn)行機(jī)械脫水,產(chǎn)生的泥餅外運(yùn),污泥濃縮池上清液及機(jī)械壓濾液回流至調(diào)節(jié)沉淀池再繼續(xù)處理。
絮凝氣浮法能有效地去除淀粉廢水中的懸浮物、降低廢水COD,同時能獲得較高的蛋白飼料回收率。絮凝劑的投加比例及投加量對COD的去除率有很大的影響。如果能夠更確定絮凝劑的zui優(yōu)投加比和投加量,不僅可以得到更好的出水水質(zhì),而且能夠減少運(yùn)行費(fèi)用,提高經(jīng)濟(jì)效益。
厭氧菌對溫度比較敏感,在溫度較低時,活性降低甚至死亡,因此冬季運(yùn)行時需對UASB反應(yīng)器進(jìn)行加溫,可以利用反應(yīng)器產(chǎn)生的沼氣作為能源提供UASB所需的溫度,使資源得到充分利用。
氣浮UASB-SBR工藝出水水質(zhì)較好,可對出水進(jìn)行深度處理,處理水可用于廠區(qū)綠化、澆灑道路以及廁所用水。
3減少地瓜淀粉生產(chǎn)廢水的措施
3.1改進(jìn)加工技術(shù)
通過地瓜加工技術(shù)的改進(jìn),可減少廢水的產(chǎn)生量。選料上,為降低淀粉加工成本,首先選用淀粉含量高的脫毒的品種,清洗過程中,分浸泡、淘洗和清洗3個工序,每個池水的水可循環(huán)使用一方面可減少用水,另一方面可減少污水產(chǎn)生。打漿、分離、沉淀進(jìn)料口注入一定量的清水,可提高淀粉的提取率。
3.2發(fā)展綠色產(chǎn)業(yè)
地瓜加工產(chǎn)生的污染不是化學(xué)污染,主要是由于廢水中殘存的少量淀粉在微生物的作用下腐化變質(zhì),致使水質(zhì)變黑變臭,對環(huán)境造成污染。因此,應(yīng)該從治理和排放兩個環(huán)節(jié)入手。針對地瓜加工過程中產(chǎn)生的污水性質(zhì)開展技術(shù)攻關(guān),探索出既簡便又有效且成本低廉的治污途徑,解決地瓜加工產(chǎn)生的廢水中淀粉因微生物作用而變質(zhì)發(fā)臭問題。更重要的是,對廢水排放進(jìn)行規(guī)范管理,所有地瓜淀粉加工點(diǎn)都必須實(shí)行洗滌水和淀粉廢水分流排放,并配套建設(shè)防滲的淀粉廢水沉淀池,嚴(yán)禁隨意排放。
3.4地瓜深加工
地瓜具有抗癌作、修復(fù)肝損傷、減肥、減緩人體機(jī)能的衰老、抗高血壓、抑制膽固醇、增強(qiáng)免疫等功能,因此對地瓜進(jìn)行深加工,開發(fā)紅薯系列食品,對其進(jìn)行深加工,可大幅度減少地瓜淀粉的生產(chǎn)廢水量或廢水中較難處理的成分。
4結(jié)語
地瓜淀粉生產(chǎn)廢水是一種高濃度的有機(jī)廢水,既可直接排入田地,作為有機(jī)肥施用,也可以從中提取諸多有用的成分,是一種很好的生物及工業(yè)原料,利用價值極高,可變廢為寶,既節(jié)約資源又不污染環(huán)境。