馬鈴薯淀粉加工汁水臭氧降污的中試設備設計

鄭 歡 金 毅 秦禮康 安 軍

（1.貴州大學生命科學學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州英特利智能控制工程研究有限責任公司，貴州 貴陽 550009）

馬鈴薯淀粉加工汁水臭氧降污的中試設備設計

鄭 歡1金 毅1秦禮康1安 軍2

（1.貴州大學生命科學學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州英特利智能控制工程研究有限責任公司，貴州 貴陽 550009）

針對馬鈴薯淀粉加工中，大量富含有機質的細胞液廢水處理難度極大的問題，提出一種基于臭氧法處理裝置的方案，通過臭氧與廢水混合反應，再利用氣浮原理達到分離廢水中的有機質。

馬鈴薯；細胞汁液；有機質；臭氧；污染指標

貴州作為馬鈴薯主產大省，馬鈴薯年產量已近900萬t［1］。因馬鈴薯富含淀粉，多被用為淀粉生產原料［2］。馬鈴薯淀粉生產過程中，產生了包括馬鈴薯清洗廢水、淀粉洗滌廢水、細胞汁液、薯渣、生活廢水等多種廢棄物［3］。其中，細胞汁液又稱為蛋白液，為淀粉生產最后工序——汁液分離產生的高濃度有機廢水，富含蛋白質、淀粉、可溶性糖、纖維素等多種有機污染物［4］，BOD、COD、SS等指標極高，呈黑褐色，氣味刺鼻難聞［5］。

目前，國內外現已研究使用多種廢水處理方式［6－10］，主要分為生物法、物理法和化學法三大類。其中較為成熟的有接觸氧化法、生物氧化塘法、序批式活性污泥法（SBR）、厭氧濾池（AF）、升流式厭氧污泥床（UASB）、厭氧流化床（AFB）、沉淀法、吸附法、氣浮法、絮凝法等多種。這些工藝中，均存在不同程度的多種弊端，如應用較多的生物法［7］，利用微生物作用降解廢水中的有機物，廢水中的有機物沒回收，造成了資源浪費，同時還未解決廢水黑褐色與惡臭味難題，而且該工藝處理高濃度有機物廢水，工藝壓力較大，經濟成本較高，且最終濃縮轉化而成的產物是固態污泥。

針對直接處理此高濃度廢水的難題，不少人提出了先回收有機質再進行處理的方案［11－14］，一方面減輕了現有工藝的處理壓力，一方面回收其中的蛋白質等有機質進行深加工延伸利用。目前，已有超濾法、絮凝法、加熱加酸法、發酵法、膜分離法、混凝沉淀法等多種。但是，這些工藝方法的處理效果、經濟成本和實用性均有不足，故多數仍未工業應用。

臭氧法［15－17］是利用臭氧對廢水進行處理，通過化學作用，可以使其中的小分子蛋白顆粒膠粘形成大分子蛋白便于分離；還可利用臭氧的脫色除臭的能力，減輕廢水色澤和異味。任燕等［16］前期已利用5.00g／h的臭氧發生器，對自制馬鈴薯汁液廢水進行處理，在20℃條件下反應2h，可使COD、總磷、氨氮及懸浮物去除率分別65.89%、62.07%、62.71% 和84.12%，干物質回收率40.65%，且干物質中蛋白質占66.21%，顯現出較好的降污效果和經濟效益，具有較大的生產應用價值。本課題組以貴州玖圣綠色科技有限公司生產過程產生的馬鈴薯淀粉廢水作為原料，對其水質特征進行評價，并設計一套基于臭氧法原理處理廢水并回收有機質的裝置，以實現在生產中的應用。

1 馬鈴薯淀粉廢水水質特征

1.1 物理特性

馬鈴薯淀粉加工中的細胞汁液，由旋液工序分離產生［18］，剛從管道排出時，溶液粘度較大，極易產生氣泡。靜置一定時間，廢水和泡沫分離，液體顏色呈黃褐色，較為渾濁，泡沫為白色；繼續靜置，溶液底部產生沉淀，溶液上層出現浮渣。溶液暴露在空氣中很快變成深褐色，最終變為黑色，泡沫也變成黑色，長期放置還會產生惡臭味。

1.2 主要有機物含量

馬鈴薯細胞汁液的主要成分為蛋白質、未提取完全的淀粉、糖類、纖維等物質。根據各物質國標法或使用快速檢測設備，得到細胞汁液中主要物質及含量見表1。

其中，由于細胞汁液易產生氣泡，泡沫細小密實，穩定性好，不易破碎；溶液靜置或離心后產生沉淀，故分別對泡沫、離心（3 000r／min，5min）后沉淀物及懸液中的蛋白質含量進行分別測定。檢測發現，蛋白質在離心后沉淀物中、離心后懸液中、泡沫中的含量分別為45%～55%、40%～45%、45%～55%。

表1 細胞汁液干物質中主要物質及含量Table 1 Main material and content of dry basis in potato wastewater

1.3 各項污染指標

由于馬鈴薯細胞汁液廢水中含有大量的有機物，屬于高濃度有機廢水。通過對目標廢水各項排放指標的檢測與國家二級排放標準進行對比，可看出處理難度極高，見表2。

2 廢水處理重點和難點

根據馬鈴薯汁液廢水的主要成分、性狀、相關污染指標等情況進行分析，廢水在實際處理過程中，有較多需要注意的重點和難點，主要有有機質的分離、泡沫的消除、臭氧的利用率等。

2.1 有機質的分離

分離出廢水中的有機質，不僅減輕了后續處理工藝的壓力，而且可以分離優質蛋白，延伸產業鏈。臭氧處理一方面需要利用氣浮原理使有機質從溶液中分離，另一方面也需要利用臭氧的化學作用，使回收的有機質色澤及氣味較為純正。其中臭氧的使用量和廢水的接觸時間和方法需著重把握。

表2 細胞汁液廢水各檢測指標Table 2 Wastewater monitoring indicators of potato wastewater

2.2 泡沫的消除

由于廢水中有機質含量高，溶液黏度較大，極易產生氣泡，雖然對有機質回收起到一定促進作用，但是對于整個廢水處理過程，卻造成了極大的困難。較多泡沫會導致臭氧與廢水沒有足夠的時間接觸，泡沫會帶走大量的水分，嚴重影響臭氧對廢水的處理效果。故系統設計中需要設計有刮渣板等除泡沫裝置，具體使用參數和方法仍需在生產中檢驗。

2.3 臭氧利用率

在臭氧法處理廢水的過程中，臭氧和廢水的接觸時間和方法是影響處理效果的最重要的指標，較高的臭氧利用率既可提高廢水處理效果，又可增加有機質分離數量與質量，更有利是可降低經濟成本。所以在本課題中，不僅要設計效率更高的曝氣裝置，也需要有對未反應臭氧盡可能回收再利用的功能。

基于NMR測試混凝土微觀結構的試驗樣本，為圖2中隨機切割下來的尺寸為40 mm×40 mm×40 mm的混凝土立方體，盡量保持樣本中的粗骨料基本一致。圖3為 NMR法測試微觀結構的混凝土樣本。

3 工程方案

根據現有技術標準及工藝需求，系統裝置設計見圖1。

圖1 臭氧降污裝置外觀立體圖Figure 1 Ozone drop unclean device appearance drawing

該裝置采用不銹鋼板加工成型，設備包括：控制臺、臭氧發生器、溶氣泵、反應罐（罐1，圖2）廢水處理罐（罐2，圖3）、潛水式曝氣機、渦凹式曝氣機、曝氣盤、換向閥和截止閥等。

各部件通過不銹鋼管道連接，并通過各氣動換向閥向各罐體內注入廢水和臭氧。

設備為間斷性工作型。總體設計思路：廢水和臭氧通過溶氣泵混合進入罐1，在罐1中有大量的臭氧微氣泡和廢水，處于封閉狀態進行反應。混合一段時間后將混合液移入罐2，罐2中含有曝氣裝置持續使用臭氧進行曝氣，氣泡帶動有機質上浮到液面。而液面上使用刮渣裝置將有機質泡沫回收，進行下一步處理。另外，罐1和罐2均可單獨運行。

3.1 反應罐（罐1）工作原理及結構設計

反應罐是臭氧和廢水混合反應的裝置，結構設計見圖2。

圖2 反應罐（罐1）立體圖及設計圖Figure 2 Reaction tanks design drawing（NO.1tanks）

廢水在罐內的液位高度通過安裝在罐體頂部的液位傳感器指示，液位信號輸入計算機，液位到達上液位時，計算機發出指令切斷進廢水的大口徑閥門。

廢水在反應過程中會產生大量的氣泡，氣泡可通過安裝在罐體頂部的排氣管進入后續反應罐內。當罐內的液面低于某個位置以后，計算機打開一個小口徑的電磁閥向罐內通廢水，達到上液面后自動切斷。

在罐子內部可安裝若干曝氣盤，通過曝氣機供氣，使罐內廢水中的物質隨氣泡向上浮，由于液面被控制在一定的高度，氣泡多了會順著排氣管流出。

也可把排氣管插入一個較粗的管道內，該管道水位比罐1高，罐內裝滿水，排氣管插到底，兩邊的壓力幾乎相等，雖然罐1的氣壓較大，但水位低，從罐1出來的大部分為氣泡，在反應中可獲得第一批回收物。

3.2 廢水處理罐（罐2）工作原理及結構設計

廢水處理罐是利用氣浮原理回收有機質的裝置，結構設計見圖3。

廢水通過管道進入罐2，在罐2安裝一臺曝氣機（通過改變可換置渦凹曝氣機或潛水曝氣機或曝氣盤），臭氧管道分別連接到潛水式曝氣機或渦凹式曝氣機的空氣進口。每個罐子配置3個閥門：大口徑進水閥、小口徑進水閥、排水閥。罐2的上蓋與罐體分成兩部分，通過開合便于設備的調換和清洗。上蓋連接泡沫掛渣裝置。

以渦凹式曝氣機為例，在罐2中設置渦凹曝氣機，曝氣機電機部分設置在液面上部，葉輪部分沉入液面底部。曝氣機啟動后，葉輪高速旋轉，在曝氣機管道中形成負壓，從上部進氣口吸入氣體，臭氧管道由此接入，將臭氧在罐底部打散成細小氣泡，通入廢水，臭氧氣泡進入廢水后，一方面與廢水中相關物質發生反應，一方面由于浮力，帶動廢水中的大顆粒蛋白等有機質浮出液面，在液面上形成較厚的泡沫層。在液面上設計有刮渣裝置，將電機通過刮板減速裝置連接刮板，調整并控制刮板轉速，使泡沫渣穩定地轉移到刮渣槽內，刮渣槽通過管道將泡沫浮渣轉移到收集裝置中。

設備內的渦凹式曝氣機可替換為潛水式曝氣機或曝氣盤，通過不同曝氣設備的更換，可檢驗出最佳的處理方式和條件。

廢水在罐內的液位高度通過安裝在罐體頂部的液位傳感器指示，液位信號輸入計算機，液位到達上液位時，計算機發出指令切斷進廢水的大口徑閥門。當液位降低后，通過控制臺的調節，可以使小口徑進水閥打開，使液位上升。

反應時，廢水可通過罐體側面的水嘴取出檢測。反應后的廢水從罐體底部排出。

圖3 廢水處理罐（罐2）立體圖及設計圖Figure 3 Wastewater treatment tanks design drawing（NO.2tanks）

3.3 控制臺

本方案設計有控制臺，使用計算機控制整個設備的運行及各項參數。控制的主要功能包括：各閥門的開關、臭氧發生器的開關及臭氧產生流量、溶氣泵開關、渦凹曝氣機或潛水曝氣機的開關和渦輪轉速、兩個罐體中的液位高度等。使用自動化程度較高的控制設備，一方面使操作更為便捷、直觀，一方面可以使反應過程更為流暢、穩定。

4 小結

該馬鈴薯淀粉加工汁水臭氧降污的中試設備設計方案通過了由環保、機械、自控等方面的專家論證會論證，認為切實可行，現已投料試制設備，將進行生產應用評價。

因本系統設備設計方案是基于實驗室結果的基礎上設計的，還存在一些不足，需要在生產過程中完善或修正。配套的自控體系也需要在實際應用中確證大量工藝參數后方可建立。

此設備亦可以應用到紅薯、玉米、木薯等多種高蛋白農作物的淀粉加工工藝中，具有廣泛的應用范圍。在中試驗證成功后，仍需要繼續設計全自動的控制設備，一體化的反應裝置，降低設備的制造費用，提高設備的處理速率，以適合更廣泛的市場需要。

1 馬曉東，鐘浩.馬鈴薯淀粉的研究及在工業中的應用［J］.農產品加工，2008，2（2）：59～61.

2 鄒磊.馬鈴薯淀粉的研究進展［J］.淀粉工程，2010（5）：82～85.

3 Li X Q，Scanlon M G，Liu Q，et al.Handbook of potato production，improvement，and postharvest management［M］.USA：Food Products Press，2006：523～555.

4 張健.馬鈴薯加工環境保護對策研究［J］.山地農業生物學報，2010，29（4）：374～376.

5 李樹君，謝安，林亞玲，等.馬鈴薯淀粉廢水處理技術［J］.農業機械學報，2010，9（41）：191～194.

6 馬建敏.UASB一生物轉化一接觸氧化法處理淀粉廢水的研究［D］.南京：南京理工大學，2006.

7 王健.UASB工藝在淀粉廢水處理中的應用研究［J］.能源環境保護，2007，21（6）：44～45.

8 郭育鴻，范增華.SBR工藝在馬鈴薯加工廢水處理中的應用［J］.貴州環保科技，2002，8（4）：36～38.

9 Harmen J.Native protein recovery from potato fruit juice by ultrafiltration［J］.Desalination，2002，9（144）：331～334.

10 楊葉輝，許永安.食品生產廢水回收蛋白質方法的研究進展［J］.福建水產，2010，3（1）：94～97.

11 郭曦，蔣立茂，曾祥平，等.馬鈴薯加工廢棄物薯渣和廢液處理工藝及設備技術研究［J］.四川農機，2011（3）：33～35.

12 陳鈺.馬鈴薯淀粉廢水中的蛋白回收及表征［D］.廣州：華南理工大學，2010.

13 Stupar R M，Beaubien K A，Jin W，et al.Structural diversity and differential transcription of the patatin multicopy gene family during potato tuber development［J］.Genetics，2010，172：1 263～1 275.

14 王有樂，張寶茸，范志明.復合型微生物絮凝劑處理馬鈴薯淀粉廢水的研究［J］.水處理技術，2009，35（5）：79～82.

15 馬祥林.馬鈴薯蛋白液中蛋白的提取與廢水處理工藝的研究［D］.蘭州：蘭州大學，2010.

16 任燕，梅勻，曾艷，等.臭氧處理馬鈴薯淀粉加工廢水的白地霉凈化［J］.食品研究與開發，2010（7）：35～38.

17 Gerrit A Van Koningsveld.Effects of protein composition and enzymatic activity on formation and properties of potato protein stabilized emulsions［J］.Agriculture Food Chemistry，2009，54：6 419～6 427.

18 潘牧，陳超，丁海兵，等.貴州省馬鈴薯加工產業的現狀、問題及其發展對策［J］.食品與機械，2011，27（4）：173～176

Design of pilot equipment for reducing pollution of wastewater with ozone in potato starch processing

ZHENG Huan1JIN Yi1QIN Li－kang1AN Jun2

（1.College of Life Science，Guizhou University，Guiyang，Guizhou550025，China；2.Guizhou Intelligent Control Engineering Research Co.Ltd，Guiyang，Guizhou550009，China）

A method was put forward based on on ozone treatment equipment，for a plenty of cell sap wastewater produced in potato starch processing which contains kinds of abundant organic matter and hard to be treated，through the ozone and waste water mixed reaction，and then，to use the gas float principles for the organic wastewater separation.The project had been demonstrated by experts，and feed making，for pilot test.

potato；potato wastewater；organic matter；ozone；pollutional index

10.3969／j.issn.1003－5788.2011.06.047

六盤水市省地科技合作協議馬鈴薯專項（編號：5202020100101）；貴州省重大科技專項［編號：黔科合重大專項字（2008）6009］

鄭歡（1988－），男，貴州大學在讀碩士研究生。E－mail：zhenghuan123＠126.com

秦禮康

2011－08－01