淀粉廢水資源化利用現(xiàn)狀與應用前景

郭曉婭，年躍剛，閆海紅，殷勤，高鵬

中國環(huán)境科學研究院水污染控制技術研究中心，北京　100012

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淀粉廢水資源化利用現(xiàn)狀與應用前景

郭曉婭，年躍剛*，閆海紅，殷勤，高鵬

中國環(huán)境科學研究院水污染控制技術研究中心，北京100012

摘要淀粉廢水中含有大量淀粉、蛋白質、糖類、脂肪等具有經(jīng)濟價值的物質，直接進行厭氧-好氧處理不僅浪費資源，也會增加處理成本，因此有必要推進淀粉廢水的資源化利用。在查閱國內外大量文獻的基礎上，闡述了淀粉廢水的資源化利用現(xiàn)狀和主要技術方法；總結了利用淀粉廢水發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)、回收有用組分、培養(yǎng)功能微生物、生產(chǎn)新能源4種方法的技術特點；分析了資源化利用對淀粉廢水處理的作用；提出了淀粉廢水資源化利用的發(fā)展方向。

關鍵詞淀粉廢水；資源化利用；回收蛋白質；功能微生物；新能源

Current Status and Application Prospect of Resource Utilization of Starch Wastewater

GUO Xiaoya, NIAN Yuegang, YAN Haihong, YIN Qin, GAO Peng

Research Center of Water Pollution Control Technology, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

AbstractStarch wastewater contains plenty of starch, protein, sugar, fat and other substances with economic value, and it not only wastes resources but also increases treatment cost when the wastewater is directly treated by anaerobic-aerobic system. So it is necessary to promote the resource utilization of starch wastewater. Based on a review of literatures both at home and abroad, the resource utilization situation of starch wastewater and the main treatment technical methods were expounded, and the technical characteristics of four methods were summarized, including using starch wastewater to develop ecological agriculture, recycling useful components, cultivating functional microorganism and producing new energy. The effect of resource utilization on the treatment of starch wastewater was then analyzed and the development direction of starch wastewater resource utilization was put forward.

Key wordsstarch wastewater; resource utilization; recycling proteins; functional microbes; new energy sources

淀粉分為以谷類、薯類、豆類及各種植物為原料，通過物理方法而產(chǎn)生的原淀粉；以及原淀粉經(jīng)過某種方法處理，改變其原來的物理或化學特性的變性淀粉[1]。作為一種重要的工業(yè)原料，淀粉除供食用與加工食品外，更廣泛地應用于化工、紡織、醫(yī)藥、飼料、造紙、石油等行業(yè)。我國是淀粉生產(chǎn)與消費大國，自改革開放以來，我國淀粉總產(chǎn)量由1978年的28萬t[2]發(fā)展到2013年的2 305萬t[3]，產(chǎn)量僅次于美國，居世界第二位。隨著不斷調整生產(chǎn)格局、引進先進技術，我國淀粉及其深加工產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)水平得到明顯的提升。然而淀粉廢水仍是食品工業(yè)中污染最嚴重的廢水之一[4]。淀粉生產(chǎn)過程中需水量很大，廢水排放量也很大，排放的廢水中含有大量淀粉、蛋白質、糖類、脂肪等有機物，屬于高濃度酸性有機廢水。典型淀粉工業(yè)單位產(chǎn)品廢水產(chǎn)生量如表1所示。典型淀粉廢水水質如表2所示。

表1　典型淀粉工業(yè)單位產(chǎn)品廢水產(chǎn)生量[2]

Table 1　The quantity of wastewater generated by typical starch industry unit product　m3t

表1　典型淀粉工業(yè)單位產(chǎn)品廢水產(chǎn)生量[2]

技術類型玉米淀粉馬鈴薯淀粉木薯淀粉小麥淀粉淀粉糖先進≤3≤4≤4≤3≤2.5平均≤4≤8≤8≤4≤3.0一般≤5≤12≤12≤5≤3.5

表2　典型淀粉廢水水質[2]

目前，國內外普遍采用以厭氧-好氧聯(lián)合生物處理方式處理淀粉廢水[5-9]，其他處理技術還包括電絮凝法[10]、電化學法[11-12]、Fenton-厭氧法[13]等，這些技術面臨的共同問題是投資費用大、運行成本高。如何對淀粉廢水進行資源化處理，降低處理成本成為科研領域和企業(yè)關注的熱點問題之一。目前，國內外關于淀粉廢水的資源化利用技術主要包括：利用淀粉廢水發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)、回收有用組分、培養(yǎng)功能微生物以及生產(chǎn)新能源等。根據(jù)淀粉廢水的特點，回收其中具有經(jīng)濟價值的物質或者將淀粉廢水作為企業(yè)新產(chǎn)品的原材料，可以達到降低廢水處理成本或產(chǎn)品生產(chǎn)成本，減輕企業(yè)排水壓力的目的，因此推進淀粉廢水的資源化利用十分必要。

1利用淀粉廢水發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)

淀粉廢水富含蛋白質、多糖、脂類等有機物，氮和磷含量高，有毒有害成分含量極低，因此經(jīng)過適當?shù)念A處理后，在控制合理用量的前提下，可以用作農(nóng)田灌溉[14]。

Magalh?es等[15-16]以木薯淀粉廢水為肥料，研究了不同廢水用量對玉米生長性狀和營養(yǎng)元素累積量的影響。Ayyasamy等[17]發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)處理的西米淀粉廢水會造成作物減產(chǎn)，而經(jīng)過好氧處理的廢水可以有效用于灌溉，對植物沒有不利影響。

我國固原市環(huán)境保護局同農(nóng)業(yè)技術推廣服務中心一起，經(jīng)過3年的試驗研究與示范，提出了“控制氮肥、增加磷肥、不施鉀肥”的灌溉技術。試驗發(fā)現(xiàn)，利用淀粉廢水灌溉既能改良土壤理化性質，又能增加土壤孔隙度和肥力，使農(nóng)作物增產(chǎn)超過25%[18]。李洪民等[19]考察了土壤對淀粉廢水的降解效果。研究發(fā)現(xiàn)：冬季將廢水排入土壤30 d左右可使絕大部分有機酸分解，80 d左右有機質幾乎完全被分解，并且麥苗長勢良好，表明淀粉廢水用于冬季灌溉不會對環(huán)境和農(nóng)作物造成不良影響。但該法處理效率低，占地面積較大，同時若在薯類重病感染區(qū)采用該法，易使病原物返田，造成病原物積累，形成惡性循環(huán)。

土地播撒法處理淀粉廢水需要大量用于施用的土地面積和大容量的廢水存儲設施，此外還需要專業(yè)的播撒設施以及系統(tǒng)規(guī)范的技術保障[20]，否則將對土壤、地表或地下水體造成污染。因此利用淀粉廢水發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)要因地制宜。

2從淀粉廢水中回收有用組分

2.1回收淀粉

Devereux等[21]利用離心分離法從馬鈴薯加工廢水中回收馬鈴薯淀粉。在工業(yè)規(guī)模上可回收15～28 gL可溶性淀粉和約10 gL的不溶性淀粉。崔雯[22]研究了木薯二次分離廢水中淀粉的回收技術，發(fā)現(xiàn)利用自然沉淀可回收淀粉7.04 gL；利用有機絮凝劑和無機絮凝劑可回收淀粉8.02 gL，COD去除率為50%左右，各絮凝劑處理成本為0.20～1.24元m3；利用胰蛋白酶淀粉回收量為8.72 gL，但處理費用為264元m3，成本過高；利用微生物法回收二次分離廢水中的殘余淀粉，淀粉回收量為9.58 gL，回收效果明顯，所選材料是處理過的木薯淀粉廢水，基本不需要成本投入。綜上可知，從淀粉廢水中回收淀粉可以削減大量COD，減輕后續(xù)處理的壓力。

2.2回收蛋白質

淀粉生產(chǎn)過程中大量的植物蛋白未有效利用而隨生產(chǎn)廢水排放[23]，尤其是甘薯類淀粉廢水中的蛋白質比例可達33%～41%[24]。蛋白質具有較高的經(jīng)濟利用價值，如可作為動物飼料或食品添加劑等。利用淀粉廢水生產(chǎn)蛋白質有2種方法：1)直接從淀粉廢水中回收蛋白質；2)利用發(fā)酵法獲得菌體蛋白?；厥辗椒盎厥章室姳?。

(1)泡沫分離法：根據(jù)表面吸附原理，利用通氣鼓泡在廢水中形成的氣泡為載體，使具有表面活性的蛋白質在氣-液界面發(fā)生吸附，然后分離泡沫并進行破泡處理[25]，達到回收蛋白質的目的。

(2)超濾法：以壓力差為驅動力，促進溶液中不同大小分子的分離，溶液中的膠體顆粒、聚合物和糖類等被膜截留[26]。

(3)酸沉法：蛋白質是帶有正電荷和負電荷基團的兩性電解質，帶電基團的電荷數(shù)量因pH不同而變化。蛋白質處于等電點時，其靜電荷為零，由于相鄰蛋白質分子之間沒有靜電斥力而趨于聚集沉淀[27]。

(4)混凝法：通過添加化學藥劑改變膠態(tài)蛋白質的表面特性，使分散的膠體顆粒聚集形成大顆粒物而沉淀(或上浮)[28]。

(5)發(fā)酵法：以淀粉廢水為原料培養(yǎng)微生物獲得菌體蛋白[29]。

表3　不同淀粉廢水回收蛋白質方法及回收率

注：N.A.表示文獻中未說明。

回收淀粉廢水中蛋白質的研究在國內外已取得一定進展，蛋白質回收率可以達到較高水平，一般可達70%以上，物化法COD去除率為10%～60%，生物法COD去除率較高，可以達到50%～95%。但現(xiàn)有回收技術還存在一些問題，主要優(yōu)缺點如表4所示。

淀粉廢水中蛋白質的回收及開發(fā)利用研究對于增加產(chǎn)品附加值、提高環(huán)保性能、發(fā)展可循環(huán)經(jīng)濟具有十分重要的作用[46]。回收廢水中的蛋白質既可以變廢為寶，又能去除部分污染物，減輕后續(xù)生物處理的壓力。如何改進回收工藝提高蛋白質的純度尚需深入研究和探討。

表4　蛋白質回收方法優(yōu)缺點比較

3淀粉廢水培養(yǎng)功能微生物

淀粉廢水有機物含量高，氮磷及其他營養(yǎng)物充足、毒性小，是培養(yǎng)微生物的理想介質[47]。

Loss等[48]利用玉米淀粉廢水作為平菇培養(yǎng)的碳源、氮源以及潤濕劑。Chang等[49]對比了以甘薯淀粉廢水為原料制成的培養(yǎng)基和商品培養(yǎng)基在培養(yǎng)微生物殺蟲劑——蘇云金桿菌(Bacillusthuringiensis)中的差異。研究表明，以淀粉廢水為原料制成的培養(yǎng)基培養(yǎng)的蘇云金桿菌在活菌數(shù)量和孢子數(shù)量上分別比商品培養(yǎng)基提高72%和107%，且細菌產(chǎn)生的內毒素含量與殺蟲毒效也都明顯優(yōu)于商品培養(yǎng)基。Yezza等[50-52]也發(fā)現(xiàn)淀粉廢水是實現(xiàn)蘇云金桿菌高產(chǎn)量的理想原材料。Yin等[53]利用淀粉廢水培養(yǎng)4種真菌(R.oryzae、R.oligosporus、A.oryzae和R.arrhizus)作為生物吸附劑吸附廢水中的鎘，鎘的吸附量分別為0.28、0.35、0.40和0.56 molg。Xu等[47]利用甘薯淀粉廢水培養(yǎng)多黏類芽孢桿菌(Paenibacilluspolymyxa)作為生物肥料種植有機茶，在最佳培養(yǎng)條件下可獲得最大生物量9.7×109cfumL，茶葉產(chǎn)量、水浸出物以及茶多酚含量均比未經(jīng)施肥的對照組提高了16.7%、6.3%以及10.4%。Pu等[40]利用馬鈴薯淀粉廢水培養(yǎng)出由M9和M17型根霉菌組成的新型混合型微生物絮凝劑MBF917，并用于絮凝處理淀粉廢水。研究發(fā)現(xiàn)：馬鈴薯淀粉廢水適宜培養(yǎng)M9和M17型根霉菌，且無需添加額外碳源以及調整pH；在最佳絮凝條件下，COD去除率為54.09%，濁度去除率為92.11%；此外還可回收1.1 gL蛋白質用于動物飼料。Huang等[54]利用馬鈴薯淀粉廢水培養(yǎng)少根根霉36017(Rhizopusarrhizus36017)和米根霉2062(Rhizopusoryzae2062)獲得乳酸，在最佳培養(yǎng)條件下，經(jīng)36～48 h發(fā)酵，可獲得1.5～3.5 gL生物量以及0.85～0.92 gg乳酸。

利用淀粉廢水培養(yǎng)功能微生物，可大大降低微生物的培養(yǎng)成本，從而降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本?，F(xiàn)有文獻多以微生物的培養(yǎng)結果為主要觀測指標，較少涉及污染物的去除情況，淀粉廢水的后續(xù)處理方式以及經(jīng)濟價值，在今后的研究中應該多加關注。

4利用淀粉廢水生產(chǎn)新能源

以生物方法從污水中回收能源可以最大限度實現(xiàn)污水處理的可持續(xù)發(fā)展[55]。利用淀粉廢水生產(chǎn)新能源的技術主要包括微生物燃料電池、發(fā)酵生物制氫以及微生物油脂。

4.1微生物燃料電池

微生物燃料電池(microbial fuel cells，MFCs)是一種利用微生物的酶將儲存在有機物中的化學能轉化成電能的裝置[56]。MFCs在凈化污水的同時能夠收獲電能，降低了污水的處理成本，近年來受到廣泛關注[57-59]。

Muthukumar等[60]利用合成電解液、未經(jīng)處理的西米淀粉廢水以及接種厭氧污泥的西米淀粉廢水作為陰極電解液，設計了雙室MFCs。通過對比3種電解液的產(chǎn)電性能以及污染物去除率發(fā)現(xiàn)，就產(chǎn)電性能而言，合成電解液效果最佳，但對環(huán)境造成的污染大；就COD、碳水化合物以及淀粉的去除率而言，接種厭氧污泥的西米淀粉廢水作為陰極電解液效果最佳，COD去除率為80.4%，碳水化合物和淀粉去除率為100%，達到了廢水處理和回收電能的雙重效果。

Kim等[61]研究了以淀粉廢水為能源的富集產(chǎn)電MFCs：在30 d的富集期間，當外阻為1 kΩ時，最大電流為0.2 mA，COD可從1 700 mgL降到50 mgL。

Li等[62]研究發(fā)現(xiàn)，以馬鈴薯淀粉廢水為燃料的單室MFCs，陽極微生物主要以變形菌門(Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)和擬桿菌(Bacteroidetes)為主，這種微生物群落特征對以后利用馬鈴薯淀粉廢水設計MFCs具有一定的借鑒意義。

Lu等[63]利用單室空氣陰極MFCs，以玉米淀粉廢水作為接種液和基質，探討了高COD、高氨氮有機廢水處置和產(chǎn)電的可行性。研究發(fā)現(xiàn)，MFCs的性能不受液相基質中懸浮微生物的影響，主要決定于陽極表面形成的生物膜。試驗最高輸出電壓達490.8 mV，最大功率密度達239.4 mWm2，相應的電流密度為893.3 mAm2，內阻約為120 Ω。與此同時，COD和-N也達到較高的去除率，分別為98%和90.6%。

王慧勇等[64]以人工模擬淀粉廢水為底物運行MFCs，分別采用淀粉廢水、生活污水和二者的混合液作為接種液，考察不同來源菌群接種下MFCs產(chǎn)電能力與廢水處理效果。結果表明：采用混合液接種時，MFCs啟動時間最短，產(chǎn)電能力與廢水處理效果最佳，在最優(yōu)培養(yǎng)條件下，產(chǎn)電功率密度達4.63 Wm3，COD去除率為-N去除率為82.6%。

盧娜等[65]以玉米淀粉生產(chǎn)過程中的浸泡液(玉米浸泡液)作為接種液和基質，利用“三合一”膜電極的單室空氣陰極MFCs進行試驗。結果表明：經(jīng)過94 d(1個周期)的連續(xù)運行，最大輸出電壓為525.0 mV，最大輸出功率密度為169.6 mWm2，此時電池相應的電流密度為440.2 mAm2，內阻約為350 Ω，開路電壓619.5 mV，同時COD去除率為-N去除率為25.8%。

4.2發(fā)酵生物制氫

人們普遍認為厭氧消化過程主要分為厭氧水解、產(chǎn)氫產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷3個階段[68]。近年來，越來越多的研究人員關注厭氧發(fā)酵過程中中間產(chǎn)物氫而非最終產(chǎn)物甲烷的獲取[69]。有機廢水存在許多適合光合生物與發(fā)酵型細菌共同利用的底物，理論上可以實現(xiàn)在處理廢水的同時利用光合細菌和發(fā)酵細菌共同制取氫氣。淀粉廢水是較好的厭氧發(fā)酵法生物產(chǎn)氫底物，是目前技術條件下具有很大可能性的原材料[70]。

厭氧產(chǎn)氫微生物是厭氧發(fā)酵制氫過程的核心，大部分研究者主要研究了不同產(chǎn)氫菌株利用不同基質時的比產(chǎn)氫能力[71]。一般來講，由于菌種間的協(xié)同作用，混合菌種產(chǎn)氫能力優(yōu)于純菌種。并且由于混合菌種適應能力較強，來源廣泛，預處理簡單易行，因此具有很強的發(fā)展?jié)摿72]。不同混合菌產(chǎn)氫能力如表5所示。

由表5可以看出：1)不同產(chǎn)氫菌種降解相同有機物的產(chǎn)氫能力不同，一般溫度越高越有利于產(chǎn)氫率的提高；2)除產(chǎn)氫微生物外，pH、溫度、水力停留時間和操作方式等環(huán)境因素也會對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫能力產(chǎn)生影響；3)傳統(tǒng)厭氧生物處理通過產(chǎn)甲烷微生物將中間產(chǎn)物(如乙酸)轉化為甲烷獲得較高的COD去除率[81]，而產(chǎn)氫過程由于組分的不完全轉化以及氫氣的回收，在2.5 molmol葡糖糖的平均氫氣產(chǎn)量水平下，COD去除率通常低于20%[73,82]。但從表5可以看出，一些產(chǎn)氫過程還是可以達到較高的COD去除率，原因可能是產(chǎn)氫過程中還伴隨著甲烷和二氧化碳的生成，甲烷和二氧化碳所占回收氣體比例較高造成COD去除率上升。

制氫的方法很多，如太陽能制氫[83]、水電解制氫[84]、水煤氣轉化制氫[85]以及甲烷裂解制氫[86]等，這些制氫方法均有各自的不足。而正在開發(fā)和研究的各種生物制氫技術，仍處于實驗室研究階段，目前存在的主要問題是反應器效率低、氫氣含量不高，難以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)[87]。然而，采用有機廢水連續(xù)產(chǎn)氫的構思和試驗活動已引起相當廣泛的關注。在回收氫氣的同時，若還想達到較高的COD去除率，可以考慮同時回收氫氣和甲烷，以使經(jīng)濟效益和環(huán)境效益達到最大化。

表5　不同混合菌產(chǎn)氫能力

1)膨脹顆粒污泥床；2)文中未指出是何種淀粉廢水；3)厭氧折流板反應器；4)連續(xù)攪拌釜反應器；5)厭氧序批式反應器；6)上流式厭氧污泥床；7)ASBR的操作條件。

4.3微生物油脂

許多微生物(如酵母、霉菌和藻類等)在一定條件下能將碳水化合物轉化為油脂貯存在菌體內，稱為微生物油脂，又叫單細胞油脂[88]。微生物油脂因其生產(chǎn)周期短、所需勞動力少、不受季節(jié)影響、不占用耕地等優(yōu)點[89]，在油脂工業(yè)市場上具有巨大的潛力。

Muniraj等[90]以馬鈴薯淀粉廢水為培養(yǎng)基培養(yǎng)產(chǎn)油脂絲狀真菌——米曲霉(Aspergillusoryzae)。研究發(fā)現(xiàn)，通過用自來水稀釋淀粉廢水，可以減少因對廢水滅菌處理而產(chǎn)生抑制絲狀菌生長的厚糊化介質。在最優(yōu)稀釋率(25%)條件下，油脂濃度為3.5 gL。與此同時，COD、總溶解性氮和總溶解性磷去除率分別達到91%、98%和97%。

Yang等[91]研究了厭氧消化淀粉廢水和酒精廢水的不同配比對蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)生物量、油脂產(chǎn)量以及污染物去除率的影響：當最佳體積比為0.053∶1時，生物量為(3.01±0.15)gL(干物質量)，油脂產(chǎn)量為(127.71±6.31)mg(L·d)，COD、總氮及總磷的去除率分別為(75.78±3.76)%、(91.64±4.58)%、(90.74±4.62)%。

Xue等[92]利用黏紅酵母(Rhodotorulaglutinis)處理玉米淀粉廢水生產(chǎn)微生物油脂，在300 L反應器中培養(yǎng)30～40 h后菌體生物量為30 gL，其中含油量為35%，COD去除率為80%。

Liu等[93]利用斯達氏油脂酵母(Lipomycesstarkeyi)以馬鈴薯淀粉廢水為培養(yǎng)基，優(yōu)化培養(yǎng)條件后，微生物量為2.59 gL，其中含油量為8.88%。

杜鵑等[94]以甘薯淀粉廢水為培養(yǎng)基培養(yǎng)刺孢小克銀漢霉，在最優(yōu)培養(yǎng)條件下，生物量為18.15 gL，含油量接近60%，粗脂肪可以達到9 gL以上，同時COD去除率為87%。

楊珊[95]通過紫外線和脈沖強磁場復合誘變技術對刺孢小克銀漢霉進行誘變育種，獲得的突變株C108能在甘薯淀粉廢水中良好生長并高效轉化為油脂，最大油脂產(chǎn)量為8.15 gL。

利用淀粉廢水生產(chǎn)微生物油脂，COD去除率一般可達75%以上，但由于淀粉廢水氮、磷濃度較高，直接用于培養(yǎng)產(chǎn)油微生物，往往限制菌體油脂的產(chǎn)量，最大油脂濃度為0.2～10.9 gL。如果采用適當?shù)募夹g脫除部分氮和磷，提高原料的CN和CP，可以使底物更有效地轉化為油脂[96]。

美國國家可再生能源實驗室(NREL)的報告特別指出，微生物油脂可能是生物柴油產(chǎn)業(yè)和生物經(jīng)濟的重要研究方向[97]。我國山東瑞星集團利用高濃度CODCr淀粉廢水通過基因工程菌發(fā)酵合成油脂，年處理廢水60萬t，年產(chǎn)油脂5 154 t，年產(chǎn)生物菌粕7 560 t，每年節(jié)約水資源50萬t。廢水處理運行費用約3 900萬元，生產(chǎn)的油脂和菌粕銷售收入約5 300萬元a。如果將該技術應用于全國淀粉生產(chǎn)企業(yè)，每年可以從淀粉廢水中產(chǎn)出1 260萬t生物油脂，用于生產(chǎn)生物柴油和其他油脂化工產(chǎn)品，15 000萬t菌粕可用于生產(chǎn)動物飼料，可節(jié)約水資源1.5億ta，具有很好的推廣前景[98]。但是，規(guī)?；a(chǎn)微生物油脂，正如規(guī)?；a(chǎn)其他生物燃料產(chǎn)品一樣，仍然面臨諸多困難[99]。隨著現(xiàn)代生物技術和合成生物學以及各種綜合技術的不斷發(fā)展，最終會為生物燃料生產(chǎn)提供可靠的技術支持。

5展望

淀粉廢水資源化處理具有重要的環(huán)境和經(jīng)濟效益，已經(jīng)成為科研領域和相關企業(yè)探索的重要方向。通過對淀粉廢水資源化相關文獻的歸納和分析，總結以下4個方面的淀粉廢水資源化途徑：

(1)利用淀粉廢水發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)雖然是一條可行的方法，但仍需因地制宜，不宜大面積推廣。

(2)從淀粉廢水中回收淀粉和蛋白質等有用組分，不僅可以取得一定的經(jīng)濟效益，更重要的是減少淀粉廢水后續(xù)處理的壓力。目前國內外普遍采用厭氧-好氧工藝處理淀粉廢水，如果在前端進行有用組分的回收，將減少后端厭氧-好氧處理工藝中COD、總氮、總磷的輸入量，降低有機物去除和反硝化脫氮的壓力，避免因前端水質污染物濃度高、波動大對后端達標排放的影響。淀粉分離可采用離心分離法、混凝法，蛋白質分離可采用泡沫分離法、超濾法、酸沉法、混凝法、發(fā)酵法，這些方法相對成熟，如果設計得當，將會在淀粉廢水處理中發(fā)揮重要作用。其次，在注重提高回收率的基礎上，應加大力度研究回收食品藥品等附加值高的淀粉或蛋白產(chǎn)品。

(3)淀粉廢水培養(yǎng)功能微生物和生產(chǎn)新能源處于小試研究階段，到生產(chǎn)應用仍有相當?shù)木嚯x，相關的微生物學研究是該領域研究的關鍵。培養(yǎng)功能微生物、生產(chǎn)新能源都與微生物密不可分。目前微生物技術還存在微生物培養(yǎng)成本高、抗沖擊能力差，受環(huán)境影響大等問題。相信隨著微生物學的發(fā)展，淀粉廢水培養(yǎng)功能微生物和生產(chǎn)新能源將取得更大的進展。

(4)單一利用方式的經(jīng)濟效率有限，建議采用多段工藝對淀粉廢水進行綜合利用，充分發(fā)揮各種技術優(yōu)勢，以達到效益的最大化。

參考文獻

[1]中國商業(yè)聯(lián)合會.淀粉分類：GBT 8887—2009[S].北京:中國標準出版社,2009.

[2]環(huán)境保護部.淀粉廢水治理工程技術規(guī)范：HJ 2043—2014[S].北京:中國環(huán)境科學出版社,2014.

[3]中國淀粉工業(yè)協(xié)會.中國淀粉工業(yè)協(xié)會2006—2013年淀粉匯總表[AOL].(2014-11-05)[2015-03-15].http:www.siacn.orgindex.php?optionid=1051&auto_id=9.

[4]DENG S,BAI R,HU X,et al.Characteristics of a bioflocculant produced byBacillusmucilaginosusand its use in starch wastewater treatment[J].Applied Microbiology and Biotechnology,2003,60(5):588-593.

[5]FETTIG J,PICK V,AUSTERMANN-HAUN U,et al.Treatment of tapioca starch wastewater by a novel combination of physical and biological processes[J].Water Science & Technology,2013,68(6):1264-1270.

[6]SKLYAR V,EPOV A,GLADCHENKO M,et al.Combined biologic (anaerobic-aerobic) and chemical treatment of starch industry wastewater[J].Applied Biochemistry and Biotechnology,2003,109(123):253-262.

[7]WANG R M,WANG Y,MA G P,et al.Efficiency of porous burnt-coke carrier on treatment of potato starch wastewater with an anaerobic-aerobic bioreactor[J].Chemical Engineering Journal,2009,148(1):35-40.

[8]LI X X,XU K,FU W C,et al.Simultaneous in-situ excess sludge reduction and removal of organic carbon and nitrogen by a pilot-scale continuous aerobic-anaerobic coupled (CAAC) process for deeply treatment of soybean wastewater[J].Biochemical Engineering Journal,2014,85(8):30-37.

[9]李克勛,張振家,張揚,等.厭氧-好氧處理變性淀粉生產(chǎn)廢水工程實例[J].工業(yè)水處理,2003,23(6):53-55.

LI K X,ZHANG Z J,ZHANG Y,et al.Engineering example of metamorphic amylum production wastewater treatment by anaerobic biological process and aerobic biological process[J].Industrial Water Treatment,2003,23(6):53-55.

[10]KOBYA M,HIZ H,SENTURK E,et al.Treatment of potato chips manufacturing wastewater by electrocoagulation[J].Desalination,2006,190(1):201-211.

[11]SANGEETHA V,SIVAKUMAR V,SUDHA A,et al.Electrochemical degradation of sago wastewater using TiPbO2electrode:optimisation using response surface methodology[J].International Journal of Electrochem Science,2015,10(2):1506-1516.

[12]INDUMATHI P,CHELLAMMAL S,BASHA C A,et al.Electrochemical treatment of starch effluent using RuO2Ti and PbO2Ti electrodes[J].Bulletin of Electrochemistry,2001,17(12):535-538.

[13]VLYSSIDES Α,BARAMPOUTI E M,MAI S,et al.Hydrolysis of starch using Fenton’s reagents as a key for waste integrated management in a potato processing industry[J].Chemical Engineering Transactions,2009,18:165-170.

[14]馬雙龍.甘薯淀粉廢水厭氧處理制備液態(tài)有機肥及其對蔬菜的促生作用[D].鄭州:河南大學,2014.

[16]BARRETO M T L,MAGALHES A G,ROLIM M M,et al.Growth and accumulation of macronutrients in maize plants biofertilized with cassava wastewater[J].Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental,2014,18(5):487-494.

[17]AYYASAMY P M,BANUREGHA R,VIVEKANANDHAN G,et al.Bioremediation of sago industry effluent and its impact on seed germination (green gram and maize)[J].World Journal of Microbiology and Biotechnology,2008,24(11):2677-2684.

[18]環(huán)境保護部.寧夏固原市馬鈴薯淀粉加工廢水灌溉通過技術認證[AOL].(2009-09-04)[2015-03-15].http:www.zhb.gov.cnzhxxgzdt200909t20090904_160179.htm.

[19]李洪民,徐飛,唐忠厚.土壤對甘薯淀粉加工廢水的降解效果[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學,2010(6):556-557.

[20]劉凌,崔明學,吳娜,等.馬鈴薯淀粉工業(yè)廢水的環(huán)境影響與資源化利用[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2011,37(8):131-135.

LIU L,CUI M X,WU N,et al.The environmental impact and utilization of wastewater from potato starch industry[J].Food and Fermentation Industries,2011,37(8):131-135.

[21]DEVEREUX S,SHUTTLEWORTH P S,MACQUARRIE D J,et al.Isolation and characterization of recovered starch from industrial wastewater[J].Journal of Polymers and the Environment,2011,19(4):971-979.

[22]崔雯.木薯二次分離廢水中淀粉回收技術研究[D].南寧:廣西大學,2013.

[23]李東偉,何曉曼,李斗,等.淀粉廢水的資源化處理[J].水處理技術,2007,33(3):69-71.

LI D W,HE X M,LI D,et al.Starch wastewater treatment for its resource recovery[J].Technology of Water Treatment,2007,33(3):69-71.

[24]張茉莉.甘薯淀粉廢水制備微生物菌劑及其對蔬菜生長的影響[D].北京:中國科學院大學,2013.

[25]BURGHOFF B.Foam fractionation applications[J].Journal of Biotechnology,2012,161(2):126-137.

[26]CASSINI A S,TESSARO I C,MARCZAK L D F,et al.Ultrafiltration of wastewater from isolated soy protein production:a comparison of three UF membranes[J].Journal of Cleaner Production,2010,18(3):260-265.

[27]王鏡巖,朱圣庚,徐長法.生物化學:下冊[M].3版.北京:高等教育出版社,2002:305.

[28]張自杰.排水工程:下冊[M].4版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999:516-520.

[29]劉仲敏,馬德強,常琴.微生物飼料資源的開發(fā)[J].中國飼料,1998(4):36.

[30]MU T H,LIU Y,ZHANG M,et al.Protein recovery from sweet potato starch wastewater by foam separation[J].Separation Science and Technology,2014,49(14):2255-2260.

[31]LIU Z M,WU Z L,LI R,et al.Two-stage foam separation technology for recovering potato protein from potato processing wastewater using the column with the spiral internal component[J].Journal of Food Engineering,2013,114(2):192-198.

[32]KO W C,CHEN W J,LAI T H.Recovery and functional properties of protein from the wastewater of mungbean starch processing by ultrafiltration[M].Springer US:Developments in Food Engineering,1994:665-667.

[33]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.

[34]TIAN X,SHI Y X,LIN G L,et al.Study on environmental materials with treatment of sweet potato starch wastewater by hydrolysis acidification sedimentation process[J].Advanced Materials Research,2013,703:49-52.

[35]鄧國龍,莫創(chuàng)榮,張金蓮,等.酸沉淀法回收木薯黃漿廢水中蛋白質及其影響因素的研究[J].食品工業(yè)科技,2014,35(20):308-311.

DENG G L,MO C R,ZHANG J L,et al.Study on acid precipitation technology of protein in cassava starch wastewater and its influencing factors[J].Science and Technology of Food Industry,2014,35(20):308-311.

[36]魯晶晶.玉米浸泡水蛋白的提純、性質研究及應用[D].齊齊哈爾:齊齊哈爾大學,2011.

[38]GONZALEZ J M,LINDAMOOD J B,DESAI N.Recovery of protein from potato plant waste effluents by complexation with carboxymethylcellulose[J].Food Hydrocolloids,1991,4(5):355-363.

[39]裴兆意.殼聚糖絮凝劑的制備及其在食品工業(yè)上的應用[D].武漢:華中農(nóng)業(yè)大學,2007.

[40]PU S Y,QIN L L,CHE J P,et al.Preparation and application of a novel bioflocculant by two strains ofRhizopussp.using potato starch wastewater as nutrilite[J].Bioresource Technology,2014,162:184-191.

[41]PRACHANURAK P,CHIEMCHAISRI C,CHIEMCHAISRI W,et al.Biomass production from fermented starch wastewater in photo-bioreactor with internal overflow recirculation[J].Bioresource Technology,2014,165:129-136..

[42]JIN B,van LEEUWEN J H,YU Q,et al.Screening and selection of microfungi for microbial biomass protein production and water reclamation from starch processing wastewater[J].Journal of Chemical Technology and Biotechnology,1999,74(2):106-110.

[43]JIN B,van LEEUWEN H J,PATEL B,et al.Production of fungal protein and glucoamylase byRhizopusoligosporusfrom starch processing wastewater[J].Process Biochemistry,1999,34(1):59-65.

[44]高潔.馬鈴薯淀粉廢水中蛋白質的回收及性質研究[D].西安:陜西科技大學,2012.

[45]ZWIJNENBERG H J,KEMPERMAN A J,BOERRIGTER M E,et al.Native protein recovery from potato fruit juice by ultrafiltration[J].Desalination,2002,144(1):331-334.

[46]姚佳.馬鈴薯蛋白高效提取分離技術及其功能特性的研究[D].長春:吉林農(nóng)業(yè)大學,2013.

[47]XU S J,BAI Z H,JIN B,et al.Bioconversion of wastewater from sweet potato starch production toPaenibacilluspolymyxa biofertilizer for tea plants[JOL].2014[2015-03-15].http:www.nature.comsrep2014140228srep04131fullsrep04131. html#.

[48]LOSS E,ROYER A R,BARRETO-RODRIGUES M,et al.Use of maize wastewater for the cultivation of thePleurotusspp. mushroom and optimization of its biological efficiency[J].Journal of Hazardous Materials,2009,166(2):1522-1525.

[49]CHANG M,ZHOU S G,LU N,et al.Starch processing wastewater as a new medium for production ofBacillusthuringiensis[J].World Journal of Microbiology and Biotechnology,2008,24(4):441-447.

[50]YEZZA A,TYAGI R D,VALERO J R,et al.Bioconversion of industrial wastewater and wastewater sludge intoBacillusthuringiensisbased biopesticides in pilot fermentor[J].Bioresource Technology,2006,97(15):1850-1857.

[51]BRAR S K,VERMA M,TYAGI R D,et al.Starch industry wastewater-based stableBacillusthuringiensisliquid formulations[J].Journal of Economic Entomology,2005,98(6):1890-1898.

[52]BRAR S K,VERMA M,TYAGI R D,et al.Efficient centrifugal recovery ofBacillusthuringiensisbiopesticides from fermented wastewater and wastewater sludge[J].Water Research,2006,40(6):1310-1320.

[53]YIN P H,YU Q M,JIN B,et al.Biosorption removal of cadmium from aqueous solution by using pretreated fungal biomass cultured from starch wastewater[J].Water Research,1999,33(8):1960-1963.

[54]HUANG L P,JIN B,LANT P,et al.Simultaneous saccharification and fermentation of potato starch wastewater to lactic acid byRhizopusoryzaeandRhizopusarrhizus[J].Biochemical Engineering Journal,2005,23(3):265-276.

[55]王剛,黃麗萍,張翼峰.微生物燃料電池中生物陰極的研究與應用現(xiàn)狀[J].環(huán)境科學與技術,2008,31(12):101-103.

WANG G,HUANG L P,ZHANG Y F.Study and application of biological cathode in microbial fuel cells[J].Environmental Science & Technology,2008,31(12):101-103.

[56]BOND D R,HOLMES D E,TENDER L M,et al.Electrode-reducing microorganisms that harvest energy from marine sediments[J].Science,2002,295(5554):483-485.

[57]LOGAN B E,HAMELERS B,ROZENDAL R A,et al.Microbial fuel cells:methodology and technology[J].Environmental Science & Technology,2006,40(17):5181-5192.

[58]PANT D,VAN BOGAERT G,DIELS L,et al.A review of the substrates used in microbial fuel cells (MFCs) for sustainable energy production[J].Bioresource Technology,2010,101(6):1533-1543.

[59]LI W W,YU H Q,HE Z.Towards sustainable wastewater treatment by using microbial fuel cells-centered technologies[J].Energy & Environmental Science,2014,7(3):911-924.

[60]MUTHUKUMAR M,SANGEETHA T.The harnessing of bioenergy from a dual chambered microbial fuel cell (MFC) employing sago-processing wastewater as catholyte[J].International Journal of Green Energy,2014,11(2):161-172.

[61]KIM B H,PARK H S,KIM H J,et al.Enrichment of microbial community generating electricity using a fuel-cell-type electrochemical cell[J].Applied Microbiology and Biotechnology,2004,63(6):672-681.

[62]LI Z,HAYNES R,SATO E,et al.Microbial community analysis of a single chamber microbial fuel cell using potato wastewater[J].Water Environment Research,2014,86(4):324-330.

[63]LU N,ZHOU S G,ZHUANG L,et al.Electricity generation from starch processing wastewater using microbial fuel cell technology[J].Biochemical Engineering Journal,2009,43(3):246-251.

[64]王慧勇,呼喚,梁鵬.不同來源菌群接種微生物燃料電池處理淀粉廢水的研究[J].工業(yè)水處理,2012,32(7):60-63.

WANG H Y,HU H,LIANG P.Study on the treatment of starch processing wastewater using microbial fuel cell inoculated from different bacterial community[J].Industrial Water Treatment,2012,32(7):60-63.

[65]盧娜,周順桂,張錦濤,等.利用玉米浸泡液產(chǎn)電的微生物燃料電池研究[J].環(huán)境科學,2009,30(2):563-567.

LU N,ZHOU S G,ZHANG J T,et al.Electricity generation from corn steep water using microbial fuel cell technology [J].Environmental Science,2009,30(2):563-567.

[66]梁鵬,范明志,曹效鑫,等.微生物燃料電池表觀內阻的構成和測量[J].環(huán)境科學,2007,28(8):1894-1898.

LIANG P,FAN M Z,CAO X X,et al.Composition and measurement of the apparent internal resistance in microbial fuel cell[J].Environmental Science,2007,28(8):1894-1898.

[67]康峰,伍艷輝,李佟茗.生物燃料電池研究進展[J].電源技術,2005,28(11):723-727.

KANG F,WU Y H,LI T M.Research process in biofuel cell[J].Chinese Journal of Power Sources,2005,28(11):723-727.

[68]DENAC M,MIGUEL A,DUNN I J.Modeling dynamic experiments on the anaerobic degradation of molasses wastewater[J].Biotechnology and Bioengineering,1988,31(1):1-10.

[69]ZHANG T,LIU H,FANG H H P.Biohydrogen production from starch in wastewater under thermophilic condition[J].Journal of Environmental Management,2003,69(2):149-156.

[70]劉敏,任南琪,丁杰,等.糖蜜,淀粉與乳品廢水厭氧發(fā)酵法生物制氫[J].環(huán)境科學,2004,25(5):65-69.

LIU M,REN N Q,DING J,et al.Anaerobic fermentation biohydrogen production from molasses,starch and milk wastewaters[J].Environmental Science,2004,25(5):65-69.

[71]左宜,左劍惡,張薇.利用有機物厭氧發(fā)酵生物制氫的研究進展[J].環(huán)境科學與技術,2004,27(1):97-99.

ZUO Y,ZUO J E,ZHANG W.Review of research on biological hydrogen production by anaerobic fermentation of organic waste[J].Environmental Science & Technology,2004,27(1):97-99.

[72]李玉友,褚春鳳,堆洋平.厭氧發(fā)酵生物制氫微生物及工藝開發(fā)的研究進展[J].環(huán)境科學學報,2009,29(8):1569-1588.

LI Y Y,ZHU C F,AKUTSU Y H.Bacterial community and process development for anaerobic hydrogen fermentation[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2009,29(8):1569-1588.

[73]WEI J,LIU Z T,ZHANG X.Biohydrogen production from starch wastewater and application in fuel cell[J].International Journal of Hydrogen Energy,2010,35(7):2949-2952.

[74]GUO W Q,REN N Q,CHEN Z B,et al.Simultaneous biohydrogen production and starch wastewater treatment in an acidogenic expanded granular sludge bed reactor by mixed culture for long-term operation[J].International Journal of Hydrogen Energy,2008,33(24):7397-7404.

[75]NASR M,TAWFIK A,OOKAWARA S,et al.Continuous biohydrogen production from starch wastewater via sequential dark-photo fermentation with emphasize on maghemite nanoparticles[J].Journal of Industrial and Engineering Chemistry,2015,21:500-506.

[76]SEN B,SUTTAR R R.Mesophilic fermentative hydrogen production from sago starch-processing wastewater using enriched mixed cultures[J].International Journal of Hydrogen Energy,2012,37(20):15588-15597.

[77]ZHU G F,LI J Z,LIU C X,et al.Simultaneous production of bio-hydrogen and methane from soybean protein processing wastewater treatment using anaerobic baffled reactor (ABR)[J].Desalination and Water Treatment,2015,53(10):2675-2685.

[78]O-THONG S,HNIMAN A,PRASERTSAN P,et al.Biohydrogen production from cassava starch processing wastewater by thermophilic mixed cultures[J].International Journal of Hydrogen Energy,2011,36(5):3409-3416.

[79]XIE L,DONG N S,WANG L,et al.Thermophilic hydrogen production from starch wastewater using two-phase sequencing batch fermentation coupled with UASB methanogenic effluent recycling[J].International Journal of Hydrogen Energy,2014,39(36):20942-20949.

[80]HASYIM R,IMAI T,O-THONG S,et al.Biohydrogen production from sago starch in wastewater using an enriched thermophilic mixed culture from hot spring[J].International Journal of Hydrogen Energy,2011,36(21):14162-14171.

[81]LI J Z,LI B K,ZHU G F,et al.Hydrogen production from diluted molasses by anaerobic hydrogen producing bacteria in an anaerobic baffled reactor (ABR)[J].International Journal of Hydrogen Energy,2007,32(15):3274-3283.

[82]ANTONOPOULOU G,GAVALA H N,SKIADAS I V,et al.Biofuels generation from sweet sorghum:fermentative hydrogen production and anaerobic digestion of the remaining biomass[J].Bioresource Technology,2008,99(1):110-119.

[83]STEINFELD A.Solar thermochemical production of hydrogen:a review[J].Solar Energy,2005,78(5):603-615.

[84]ZENG K,ZHANG D K.Recent progress in alkaline water electrolysis for hydrogen production and applications[J].Progress in Energy and Combustion Science,2010,36(3):307-326.

[85]BURCH R.Gold catalysts for pure hydrogen production in the water-gas shift reaction:activity,structure and reaction mechanism[J].Physical Chemistry Chemical Physics,2006,8:5483-5500.

[86]ABBAS H F,DAUD W M A W.Hydrogen production by methane decomposition:a review[J].International Journal of Hydrogen Energy,2010,35(3):1160-1190.

[87]洪天求,郝小龍,俞漢青.有機廢水厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫技術的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].合肥工業(yè)大學學報(自然科學版),2003,26(5):947-952.

HONG T Q,HAO X L,YU H Q.Current status and future development of hydrogen production from organic wastewater through anaerobic fermentation[J].Journal of Hefei University of Technology(Natural Science),2003,26(5):947-952.

[88]趙宗保,華艷艷,劉波.中國如何突破生物柴油產(chǎn)業(yè)的原料瓶頸[J].中國生物工程雜志,2005,25(11):1-6.

ZHAO Z B,HUA Y Y,LIU B.How to secure triacylglycerol supply for Chinese biodiesel industry[J].China Biotechnology,2005,25(11):1-6.

[89]LI Q,DU W,LIU D H.Perspectives of microbial oils for biodiesel production[J].Applied Microbiology and Biotechnology,2008,80(5):749-756.

[90]MUNIRAJ I K,XIAO L W,HU Z H,et al.Microbial lipid production from potato processing wastewater using oleaginous filamentous fungiAspergillusoryzae[J].Water Research,2013,47(10):3477-3483.

[91]YANG L B,TAN X B,LI D Y,et al.Nutrients removal and lipids production byChlorellapyrenoidosacultivation using anaerobic digested starch wastewater and alcohol wastewater[J].Bioresource Technology,2015,181:54-61.

[92]XUE F Y,GAO B,ZHU Y Q,et al.Pilot-scale production of microbial lipid using starch wastewater as raw material[J].Bioresource Technology,2010,101(15):6092-6095.

[93]LIU J X,YUE Q Y,GAO B Y,et al.Research on microbial lipid production from potato starch wastewater as culture medium byLipomycesstarkeyi[J].Water Science and Technology,2013,67(8):1802-1808.

[94]杜娟,詹成雄,王宏勛,等.產(chǎn)油真菌在甘薯淀粉廢水中發(fā)酵的初步研究[J].生物技術,2007,17(2):72-75.

DU J,ZHAN C X,WANG H X,et al.Elementary study on oil production by fungi growing in sweet potato starch processing waste water[J].Biotechnology,2007,17(2):72-75.

[95]楊珊.利用淀粉廢水發(fā)酵產(chǎn)油脂真菌的選育及發(fā)酵工藝研究[D].武漢:華中科技大學,2011.

[96]趙宗保,胡翠敏.能源微生物油脂技術進展[J].生物工程學報,2011,27(3):427-435.

ZHAO Z B,HU C M.Progress in bioenergy-oriented microbial lipid technology[J].Chinese Journal of Biotechnology,2011,27(3):427-435.

[97]TYSON K S,BOZELL J,WALLACE R,et al.Biomass oil analysis:research needs and recommendations[R].Golden, Colorado:National Renewable Energy Lab,2004.

[98]王志勇,杜美玉,陳振偉.利用玉米淀粉廢水生產(chǎn)微生物油脂工程實例[J].工業(yè)用水與廢水,2013(2):62-63.

[99]RICHARD T L.Challenges in scaling up biofuels infrastructure[J].Science,2010,329:793-796. ?

中圖分類號：X703

文章編號:1674-991X(2016)02-0117-10

doi:10.3969j.issn.1674-991X.2016.02.018

作者簡介:郭曉婭(1990—)，女，碩士，xiaoyaguo1990@163.com*責任作者:年躍剛(1963—)，男，研究員，博士，主要從事生態(tài)修復、中水回用研究，nianyg@craes.org.cn

基金項目:國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07202-009-01)

收稿日期:2015-07-01