臭氧處理馬鈴薯淀粉加工廢水的白地霉凈化

任燕，梅勻，曾艷，秦禮康,*

（1.貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，貴州貴陽550025；2.貴陽生產(chǎn)力促進(jìn)中心，貴州貴陽550003）

臭氧處理馬鈴薯淀粉加工廢水的白地霉凈化

任燕1，梅勻2，曾艷1，秦禮康1,*

（1.貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，貴州貴陽550025；2.貴陽生產(chǎn)力促進(jìn)中心，貴州貴陽550003）

采用白地霉凈化臭氧預(yù)處理馬鈴薯淀粉加工廢水，并回收菌體蛋白。結(jié)果表明，在單因素篩選基礎(chǔ)上，通過正交試驗(yàn)，白地霉凈化臭氧預(yù)處理馬鈴薯淀粉加工廢水的最佳工藝參數(shù)為：廢水添加(NH4)2HPO40.1%、接種量7.5%、pH5.0、葡萄糖0.3%；此條件下，白地霉培養(yǎng)40 h，化學(xué)需氧量（COD）值為236.600 mg/L達(dá)廢水排放二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)獲得菌體蛋白236.600 mg/L，蛋白含量為25.67%。

馬鈴薯淀粉加工廢水；臭氧預(yù)氧化；白地霉；凈化；菌體蛋白

Abstract：Purification of potato starch wastewaters after ozone preoxidation by Geotrichum candidum were investigated.SCP can be obtained from culturing Geotrichum candidum.Optimzation of process parameters of culturing were studyed to purifify potato starch wastewaters.On the basis of single-factor test,orthogonal designs L9(34)were adopted for optimization of process parameters.The results showed that the optimal parameters were:adding 0.1%(NH4)2HPO4,0.1%glucose into the wastewater and inoculation amount of 7.5%and culturing Geotrichum candidum within pH=5.Under the experimental condition,COD value was 236.600 mg/L and can be permitted to discharge culturing Geotrichum candidum by 40 h.Dry SCP got from wastewater was 236.600 mg/L with 25.67%protein in it.

Key words:potato starch processing wastewater;pre-oxidation;Geotrichum Candidum;purification;single cell protein

馬鈴薯是世界四大糧食作物之一[1]，由于馬鈴薯的淀粉含量豐富，已成為食品淀粉生產(chǎn)工業(yè)的一個(gè)重要物料來源[2]。然而馬鈴薯淀粉加工廢水，富含蛋白質(zhì)、淀粉、糖類、脂肪等有機(jī)物，懸浮物濃度大，化學(xué)需氧量高[3]，并且因多酚類物質(zhì)氧化褐變形成大量的褐色素或黑色素，廢水色澤深，是食品工業(yè)中污染最嚴(yán)重的廢水之一，給環(huán)境帶來極大危害。目前，馬鈴薯淀粉加工業(yè)中常用的廢水處理方法有生物法處理、膜技術(shù)處理、絮凝處理法等，存在著操作復(fù)雜、運(yùn)行成本高、濾膜易被賭塞、有機(jī)物去除率低等缺點(diǎn)[4]，且在上述方法對(duì)廢水色澤的處理都無濟(jì)于事。因此，找尋一種快速、高效、低耗的馬鈴薯淀粉加工廢水處理方法己成當(dāng)務(wù)之急。

臭氧作為一種強(qiáng)氧化劑，具有極強(qiáng)的氧化能力，在處理一些難降解的有機(jī)染料廢水方面，已顯現(xiàn)較好的降解效果[5]。采用臭氧沖泡處理馬鈴薯淀粉廢水，能降低廢水中的有機(jī)物含量，但仍未達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，廢水中還含有一些如蛋白、糖等有機(jī)質(zhì)，需要進(jìn)一步處理。

白地霉（Geotrichum Candidum）是一種很常見的真菌，其菌體蛋白營養(yǎng)價(jià)值高，可供食用及飼料用。白地霉具有對(duì)培養(yǎng)基營養(yǎng)要求低、適應(yīng)性強(qiáng)、生長快、生產(chǎn)方法簡單、宜于工業(yè)化生產(chǎn)等特點(diǎn)，因而是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ墓I(yè)微生物[6]，白地霉處理廢水的研究呈現(xiàn)增多趨勢(shì)，如Nedra及R.Borja等均采用白地霉對(duì)橄欖油廢水進(jìn)行處理，取得較好脫色和降污效果[7-8]；李玉[9]等應(yīng)用白地霉凈化玉米淀粉工業(yè)廢水，其是化學(xué)需氧量（COD）去除率達(dá)90%。鑒于日益增加的馬鈴薯淀粉加工廢水的復(fù)雜性和廣泛性，利用白地霉的生長特點(diǎn)結(jié)合臭氧處理技術(shù)在經(jīng)濟(jì)和節(jié)能方面的優(yōu)點(diǎn)，本研究采用白地霉對(duì)臭氧預(yù)氧化淀粉廢水進(jìn)行生化處理，以期在降低廢水有機(jī)物、減輕環(huán)境污染使淀粉廢水能達(dá)標(biāo)排放，同時(shí)，回收菌體蛋白，實(shí)現(xiàn)淀粉生產(chǎn)廢水的資源化循環(huán)利用，為解決馬鈴薯淀粉加工業(yè)發(fā)展的“瓶頸”問題提供科學(xué)參考。

1 材料

1.1 菌種

白地霉(Geotrichum candidum)：貴州大學(xué)生命科學(xué)院微生物實(shí)驗(yàn)室提供。

1.2 試劑

葡萄糖、硫酸銨、硫酸鎂、磷酸二氫鉀、酵母膏：均國產(chǎn)分析純；重鉻酸鉀為優(yōu)級(jí)純。

1.3 培養(yǎng)基

固體斜面培養(yǎng)基：馬鈴薯培養(yǎng)基；搖瓶種子培養(yǎng)液：葡萄糖10g，硫酸銨5g，硫酸鎂1g，磷酸二氫鉀5g，酵母膏2 g，去離子水1000 mL，pH=6；廢水凈化培養(yǎng)基：實(shí)驗(yàn)室模擬淀粉加工廠生產(chǎn)過程制備馬鈴薯淀粉加工廢水。

1.4 儀器與設(shè)備

HZQ-Q振蕩器：東聯(lián)電子技術(shù)開發(fā)有限公司；FA2004分析天平：上海良平儀器儀表有限公司；LD4-2離心機(jī)：北京醫(yī)用離心機(jī)廠。

2 方法

2.1 微生物培養(yǎng)

固體斜面培養(yǎng)：28℃、培養(yǎng)3 d。

液體菌種：將斜面活化的白地霉接種于搖瓶種子培養(yǎng)液中，28℃、振蕩（150 r/min）培養(yǎng)24 h。

馬鈴薯淀粉廢水凈化培養(yǎng)：28℃下振蕩培養(yǎng)48 h（搖動(dòng)床轉(zhuǎn)速為150 r/min）。

2.2 白地霉凈化臭氧預(yù)處理廢水培養(yǎng)條件研究

采用白地霉凈化臭氧預(yù)處理馬鈴薯淀粉加工廢水，需要補(bǔ)充適量的無機(jī)鹽、碳源。在經(jīng)臭氧預(yù)處理過的馬鈴薯淀粉加工廢水中添加一定量的(NH4)2HPO4和葡萄糖，接入液體菌種，分裝入三角瓶中，裝液量50 mL/250 mL，在28℃下振蕩培養(yǎng)48 h（搖動(dòng)床轉(zhuǎn)速為 150 r/min），分別考察(NH4)2HPO4、葡萄糖添加量、菌種接種量及pH值對(duì)生物量及凈化廢水后的化學(xué)需氧量（COD）值。

2.2.1 單因素試驗(yàn)

2.2.1.1 (NH4)2HPO4添加量對(duì)凈化效果影響

以5%接種量接種于廢水并凈化廢水（28℃、裝液量 50 mL/250 mL、pH＝5）48 h，考察添加 0%～1.5%（NH4）2HPO4對(duì)生物量及COD的影響。

2.2.1.2 葡萄糖添加量對(duì)凈化效果影響

以5%接種量接種于廢水并凈化廢水(28℃、裝液量50 mL/250 mL、pH=5)48 h，考察添加0%～1.5%葡萄糖對(duì)生物量及COD的影響。

2.2.1.3 接種量對(duì)凈化效果影響

分別以3%～15%接種量接種于廢水中，廢水不經(jīng)滅菌處理，白地霉培養(yǎng)并凈化廢水（28℃、裝液量50 mL/250 mL、pH=5）48 h，測(cè)定生物量及 COD。

2.2.1.4 pH對(duì)馬鈴薯淀粉加工廢水凈化的影響

分別調(diào)節(jié)廢水pH值4～7，5%接種量接種于廢水并凈化廢水(28℃、裝液量50 mL/250 mL)48 h，測(cè)定生物量及COD。

2.2.2 正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以菌體生物量及廢水COD值為指標(biāo)，對(duì)(NH4)2HPO4、葡萄糖濃度、接種量及pH 4個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)見表1，確定最佳白地霉凈化廢水液體培養(yǎng)條件。

表1 因素水平設(shè)計(jì)表Table 1 Factors and levels of orthogonal test design

2.2.3 白地霉凈化廢水動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

在上述所得的最佳試驗(yàn)條件下，以菌體生物量及廢水COD值為指標(biāo)，動(dòng)態(tài)考察時(shí)間對(duì)白地霉凈化廢水的效果。從發(fā)酵起點(diǎn)開始計(jì)算，每8 h取樣離心并測(cè)定菌體生物量及廢水COD值。

2.2.4 測(cè)定方法

2.2.4.1 生物量測(cè)定方法

離心培養(yǎng)至終點(diǎn)時(shí)的培養(yǎng)液，離心（4000 r/min）棄上清液，蒸餾水清洗白地霉菌體，烘至恒重。

2.2.4.2 COD值測(cè)定方法

采用重鉻酸鉀法測(cè)定離心上清液及原廢水COD值。

2.3 數(shù)據(jù)分析

本試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS11.5軟件進(jìn)行分析處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗(yàn)

單因素試驗(yàn)見表2。

表2 (NH4)2HPO4對(duì)廢水凈化效果的影響Table 2 Effect of(NH4)2HPO4on purifying wastewater

由表2可知，添加一定量的(NH4)2HPO4可提高菌體生物量及降低COD至廢水排放標(biāo)準(zhǔn)；但當(dāng)(NH4)2HPO4添加量大于1.0%時(shí)，生物量得到大幅度提高，COD值反而增加，其原因可能是多余的(NH4)2HPO4白地霉沒有利用而余留于液體中，增加廢水自身有機(jī)物量，從而增加了COD。因此，(NH4)2HPO4是影響白地霉凈化廢水的因素之一。

表3 葡萄糖對(duì)廢水凈化效果的影響Table 3 Effect of glucose on purifying wastewater

由表3可知，葡萄糖的添加與(NH4)2HPO4加入趨勢(shì)一致，原因也是多余的葡萄糖參與廢水有機(jī)物使得廢水COD值高于初始值。因此，葡萄糖也是影響白地霉凈化廢水重要因素之一。

表4 接種量對(duì)廢水凈化效果的影響Table 4 Effect of inoculation amount on purifying wastewater

由表4可知，5%～15%接種量對(duì)白地霉的生物量沒有太大影響，生物量為僅從1.127 g/L增加到1.167 g/L，分析結(jié)果顯示差異性不顯著，因此考慮經(jīng)濟(jì)因素，以小于5%接種量作進(jìn)一步試驗(yàn)。

表5 pH對(duì)廢水凈化效果的影響Table 5 Effect of pH on purifying wastewater

由表5可知，pH對(duì)馬鈴薯淀粉加工廢水凈化率影響比較大,其中pH在5～6生物量及COD降低效果都較好，因此選擇pH為5～6進(jìn)一步試驗(yàn)。

3.2 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)見表6。

表6 白地霉凈化廢水正交表L9（34）Table 6Results of otrhogonal test L9（34）

表7 正交試驗(yàn)方差分析表（COD）Table 7 Analysis of variance of orthogonal test(COD)

由表6可知，極差結(jié)果顯示影響因素順序?yàn)椋篈＞C＞D＞B。以生物量為指標(biāo)、得到的最佳工藝參數(shù)為A2C3D2B2，而以COD為指標(biāo)最佳工藝參數(shù)為A1C2D1B3；正交試驗(yàn)方差結(jié)果（表7）表明：(NH4)2HPO4、葡萄糖、接種量及pH 4個(gè)因素P＜0.01，即對(duì)COD降低的影響均達(dá)極顯著水平，而表8結(jié)果表明4個(gè)因素中，葡萄糖對(duì)應(yīng)的P＞0.05，說明葡萄糖對(duì)生物量的增大影響不顯著，因此，本試驗(yàn)從COD的降污效果角度考慮，確定A1C2D1B3添加為最佳工藝參數(shù)，即(NH4)2HPO40.1%、接種量7.5%、pH5.0、葡萄糖0.3%。

表8 正交試驗(yàn)方差分析表（生物量）Table 8 Analysis of variance of orthogonal test(biomass)

3.3 白地霉培養(yǎng)時(shí)間對(duì)廢水凈化效果的影響

根據(jù)所得的最佳工藝參數(shù)條件，對(duì)白地霉凈化馬鈴薯淀粉加工原廢水及臭氧預(yù)處理廢水過程中的生物量及COD兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)考察見圖1。

結(jié)果表明：隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，廢水的COD值逐漸降低，菌體生物量增加。尤其在24 h時(shí)，臭氧處理廢水COD降低至788.713 mg/L，較原廢水先達(dá)到廢水排放三級(jí)污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)1000 mg/L（GB8978-96），在40 h時(shí)COD值持續(xù)降低至236.600 mg/L，達(dá)廢水排放二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)300 mg/L，之后的時(shí)間內(nèi)處于平穩(wěn)階段；而原廢水是在48 h達(dá)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，之后COD值反而略升高，這可能是由于菌體自溶所致。就生物量而言，兩類廢水都在逐漸增高，但原廢水要明顯高于臭氧處理廢水，可能是后者中大部分有機(jī)物被破壞不能被白地霉利用而原廢水中存在的有機(jī)物更適合于白地霉發(fā)酵環(huán)境。綜合考濾COD的去除效果，最終確定白地霉培養(yǎng)時(shí)間為40 h，同時(shí)獲得菌體蛋白2.040 g/L，并測(cè)得其蛋白含量為25.67%。

4 結(jié)論

1）通過正交試驗(yàn)，考慮經(jīng)濟(jì)因素及COD的降污效果，白地霉凈化臭氧預(yù)處理馬鈴薯淀粉加工廢水的最佳工藝參數(shù)為：A1C2D1B3，即廢水添加(NH4)2HPO40.1%、接種量7.5%、pH5.0、葡萄糖0.3%。

2）在最佳工藝參數(shù)條件下，白地霉動(dòng)態(tài)發(fā)酵時(shí)間為40 h，COD值為236.600 mg/L達(dá)廢水排放二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)獲得菌體蛋白2.040 g/L，其蛋白含量為25.67%。

3）通過原廢水與臭氧預(yù)處理廢水發(fā)酵時(shí)間對(duì)比分析，預(yù)處理廢水比原廢水少提前8 h達(dá)標(biāo)排放，即臭氧預(yù)處理馬鈴薯淀粉加工廢水對(duì)其降污起關(guān)鍵作用。

4）上述結(jié)果表明，臭氧與微生物法結(jié)合作用對(duì)高濃度馬鈴薯淀粉加工有機(jī)廢水的降污有很好效果。

[1]Mullins E,Milbourne D,Petti C,et al.Potato in the age of biotechnology[J].Trends Plant Science.2006,11(5):254-260

[2]Malene Jorgensen,Guy Bauw,Kareng Welinder.Molecular Properties and Activities of Tuber Proteins from Starch Potato Cv.Kuras[J].Agricure Food Chem.,2006,54(25):9389-9397

[3]Panagiotis Elefsiniotis,David G Wareham,Marcus O Smith.Effect of a Starch-Rich Industrial Wastewater on the Acid-Phase Anaerobic Digestion Process[J].Water Environment Research,2005,77(4):366-371

[4]沈連峰,王謙,高俊紅,等.淀粉廢水處理技術(shù)研究進(jìn)展[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，40(4)：440-443

[5]Jae-Wook Choi,Hyung Keun Song,Whun Lee,et al.Reduction of COD and Colour of Acid and Reactive Dyestuff Wastewater Using Ozone[J].Korean Journal of Chemistry Engineering,2004,21(2):398-403

[6]熊征,劉友勛,顏克亮,等.高濃度肌苷廢水中白地霉發(fā)酵生產(chǎn)研究[J].食品科技,2008(3):41-44

[7]Nedra Asses,Lamia Ayed,Hassib Bouallagui,et al.Biodegradation of different molecular-mass polyphenols derived from olive mill wastewatersbyGeotrichumcandidum[J].InternationalBiodeterioration and Biodegradation,2009,63(4):407-413

[8]R.Borja,A.González.Comparsion of anaerobic filter and anaerobic contact process for olive mill wastewater prevously fermented with Geotrchumcandidum[J].ProcessBiochemistry.1994,29(2):139-144

[9]李玉,李其久,尹依婷,等.白地霉凈化和資源化玉米淀粉工業(yè)廢水的試驗(yàn)條件研究[J].遼寧大學(xué)學(xué)報(bào),2008,35(1):81-84

Purification of Wastewater from Potato Starch Production of Ozone Treatment by Geotrichum Candidum

REN Yan1,MEI Yun2,ZENG Yan1,QIN Li-kang1,*
（1.College of Life Science，Guizhou University，Guiyang 550025，Guizhou,China；2.Guiyang Productivity Promotion Center，Guiyang 550003，Guizhou,China）

2010-03-08

貴州省科技重大專項(xiàng)-(子項(xiàng)目三“)馬鈴薯深精加工關(guān)鍵配套技術(shù)研究”(黔科合重大專項(xiàng)[2008]6009號(hào));六盤水市科技局項(xiàng)目“馬鈴薯產(chǎn)業(yè)化深加工關(guān)鍵配套技術(shù)研究”(52020-07-008)

任燕(1984—)，女（布依），碩士研究生，研究方向：食品安全與質(zhì)量控制。

*通訊作者：秦禮康(1965—)，男，教授，研究方向：食品加工與安全。