超高速離心對甘薯淀粉廢水理化特性的影響

孫健++鈕福祥++岳瑞雪++張毅++徐飛++朱紅+王洪云

摘要：采用超高速離心技術(shù)，研究其對甘薯淀粉廢水的處理效果及理化特性的影響。結(jié)果表明，經(jīng)超高速離心處理，甘薯淀粉廢水的pH值高于對照，而總固形物含量、化學(xué)需氧量（COD）低于對照；而隨著處理時(shí)間延長，甘薯淀粉廢水的pH值、總固形物含量和化學(xué)需氧量（COD）均呈現(xiàn)下降趨勢。相關(guān)性分析結(jié)果表明，離心組的總固形物含量與COD、總磷（TP）含量、pH值與COD的相關(guān)性顯著；而對照的總固形物含量與pH值、COD、總氮（TN）含量、pH值與COD、TN含量的相關(guān)性顯著。因此，超高速離心能夠有效去除甘薯淀粉廢水中部分可溶性淀粉、蛋白質(zhì)、纖維素等固形物組分。

關(guān)鍵詞：甘薯；淀粉廢水；超高速離心；理化特性

中圖分類號： X703文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0455-02

收稿日期：2015-04-23

基金項(xiàng)目：國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)（編號：CARS-11-B-20）。

作者簡介：孫健（1979—），男，江蘇徐州人，碩士，副研究員，主要從事甘薯加工研究。E-mail：sjsg9902@126.com。

通信作者：鈕福祥，碩士，研究員，主要從事甘薯深加工和副產(chǎn)物綜合利用。E-mail：niufuxaing@sina.com。我國甘薯種植面積約為460萬hm2，鮮薯總產(chǎn)1.0億 t 左右[1]。淀粉加工是我國農(nóng)戶從事甘薯產(chǎn)后加工的主要方式[2]，據(jù)測算，1 t淀粉需用水20 t左右[3]，由此產(chǎn)生大量的淀粉廢水，其主要成分為可溶性淀粉、蛋白質(zhì)、纖維素、果膠、脂類等物質(zhì)[4-5]，化學(xué)需氧量（CODCr）可達(dá) 8 000 ～10 000 mg/L，懸浮物為2 500 ～ 3 000 mg/L。在農(nóng)戶規(guī)模的加工生產(chǎn)中，這些廢水大多未經(jīng)任何處理直接排入自然水體中，導(dǎo)致環(huán)境污染問題突出，已成為影響我國甘薯淀粉加工業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。目前，甘薯淀粉廢水常用的處理方法有絮凝沉淀法、生物處理法及土地處理法等[6]，但這些處理方法存在二次污染、使用成本高、處理效率低等問題。超高速離心技術(shù)是一種物理分離方法，具有處理效率高、處理量大等特點(diǎn)，本試驗(yàn)通過該技術(shù)對甘薯淀粉廢水理化性質(zhì)變化的研究，探討農(nóng)戶規(guī)?；幚砀适淼矸蹚U水的可行性。

1材料與方法

1.1材料與試劑

甘薯淀粉廢水，自制，所用品種為徐薯22；重鉻酸鉀、硫酸銀、硫酸亞鐵銨、過硫酸鉀、鉬酸銨、硝酸鉀、氫氧化鈉等均為分析純試劑。

1.2儀器設(shè)備

GZX-1高速分離機(jī)中試成套設(shè)備，上海浦東天本離心機(jī)械有限公司；730 pH計(jì)，德國WTW公司；DHG-9246A電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；2450紫外分光光度計(jì)，日本島津公司；LDZX-50KBS蒸汽滅菌鍋，北京陽光斯德生物技術(shù)發(fā)展公司；DK-S26電熱恒溫水浴鍋，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；SB-3200D超聲波清洗機(jī)，浙江省寧波新芝生物科技股份有限公司。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1甘薯淀粉廢水制備在模擬農(nóng)戶甘薯淀粉加工水平上，以淀粉型甘薯品種徐薯22為原料，在料水比1 g ∶ 5 mL的條件下，利用多功能粉碎機(jī)破碎打漿，經(jīng)雙層紗布過濾，淀粉乳濁液室溫靜置24 h，取上清液即為甘薯淀粉廢水。

1.3.2甘薯淀粉廢水超高速離心處理取25 L甘薯淀粉廢水經(jīng)過轉(zhuǎn)速18 000 r/min的管式離心機(jī)處理后，置于室內(nèi)，保持溫度在16～22 ℃，考察甘薯淀粉廢水在存放過程中理化指標(biāo)的變化。同時(shí)，以未經(jīng)超高速離心處理的甘薯淀粉廢水作為對照。

1.3.3甘薯淀粉廢水理化指標(biāo)測定總固形物含量、COD、總氮（TN）含量分別采用GB 5009.3—2010《食品中水分的測定》、GB 11914—1989《化學(xué)需氧量的測定》、HJ 636—2012《水質(zhì) 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》的方法測定。

2結(jié)果與分析

2.1超高速離心對甘薯淀粉廢水pH值的影響

由圖1可知，經(jīng)超高速離心處理后的甘薯淀粉廢水初始pH值高于對照，隨著時(shí)間的延長，對照組略高于離心組；試驗(yàn)期間，離心組與對照組淀粉廢水pH值均呈下降趨勢，而且前期（0～3 d）快速下降，之后變化平緩，這可能與產(chǎn)酸微生物的發(fā)酵作用有關(guān)。

2.2超高速離心對甘薯淀粉廢水總固形物含量的影響

經(jīng)超高速離心處理后，甘薯淀粉廢水的可溶性淀粉、蛋白質(zhì)、纖維素等組分部分被分離出去，其總固形物含量下降 17.26% 以上。與對照相比，離心組的甘薯淀粉廢水的總固形物含量較低（圖2）。隨著時(shí)間的延長，甘薯淀粉廢水的總固形物含量呈緩慢下降趨勢。

2.3超高速離心對甘薯淀粉廢水COD的影響

甘薯淀粉廢水含有蛋白、糖類等有機(jī)物，屬高污染廢水，其COD一般較高。由圖3可知，在試驗(yàn)初期，對照組、離心組COD分別為10 047.0、9 805.6 mg/L，隨著時(shí)間的延長，COD均呈下降趨勢，而且對照組COD始終高于離心組，說明超高速離心處理能夠去除部分蛋白、多糖等有機(jī)物，從而降低甘薯淀粉廢水COD。

2.4超高速離心對甘薯淀粉廢水總氮含量的影響

氮富集是水體富營養(yǎng)化的主要原因和表現(xiàn)之一，一般將TN含量作為水體富營養(yǎng)化程度的指標(biāo)之一[7]。由圖4可知，在試驗(yàn)前期（0～6 d），對照組總氮含量高于離心組；而試驗(yàn)后期（9～12 d），離心組總氮含量卻高于對照組。說明超高速離心能夠去除部分蛋白質(zhì)，而后期變化可能與微生物大量繁殖有關(guān)。

2.5甘薯淀粉廢水理化特性相關(guān)性分析

對離心組和對照組的甘薯淀粉廢水理化特性進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表1和表2所示。由表1可知，結(jié)果離心組的總固形物含量與COD呈顯著正相關(guān)（P<0.05）；pH值與COD呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。而對照組（表2）的總固形物含量與pH值、COD、TN含量分別呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）、顯著正相關(guān)（P<0.05）、顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）；pH值與COD、TN含量分別呈顯著正相關(guān)（P<0.05）、顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）。由此可見，超高速離心能夠有效去除甘薯淀粉廢水中部分可溶性淀粉、蛋白質(zhì)、纖維素等組分。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，甘薯淀粉廢水COD與總固形物含量、pH值關(guān)系密切。

3結(jié)論

經(jīng)超高速離心處理，甘薯淀粉廢水的pH值升高，而總固形物含量、COD下降；而隨著處理時(shí)間延長，甘薯淀粉廢水的pH值、總固形物含量和COD均呈下降趨勢。

甘薯淀粉廢水理化特性相關(guān)性分析結(jié)果顯示，離心組的總固形物含量與COD分別呈顯著正相關(guān)，pH值與COD呈顯著正相關(guān)；而對照組的總固形物含量與pH值、COD、TN含量分別呈極顯著正相關(guān)、顯著正相關(guān)、顯著負(fù)相關(guān)；pH值與COD、TN含量分別呈顯著正相關(guān)、顯著負(fù)相關(guān)。超高速離心能夠有效去除甘薯淀粉廢水中部分可溶性淀粉、蛋白質(zhì)、纖維素等組分，這為應(yīng)用超高速離心技術(shù)規(guī)?；幚砀适淼矸蹚U水提供了試驗(yàn)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬代夫，李強(qiáng)，曹清河，等. 中國甘薯產(chǎn)業(yè)及產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展與展望[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2012，28（5）：969-973.

[2]鈕福祥，馬代夫，戴起偉，等. 我國甘薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況及政策建議——基于全國627戶農(nóng)戶問卷調(diào)查[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（11）：438-441.

[3]王豐，靳艷玲，方揚(yáng)，等. 清潔高效甘薯淀粉加工技術(shù)[J]. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù)·農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)，2013（11）：38-40.

[4]王乾. 甘薯淀粉廢水處理工藝研究及設(shè)計(jì)[D]. 青島：中國海洋大學(xué)，2011.

[5]木泰華，陳井旺. 甘薯淀粉加工副產(chǎn)品綜合利用前景廣闊[J]. 農(nóng)產(chǎn)品加工·綜合刊，2011（1）：10-11.

[6]肖繼波，趙委托，褚淑祎，等. 薯類淀粉廢水處理技術(shù)及資源化利用研究進(jìn)展[J]. 浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，30（2）：292-298.

[7]梅長青，王心源，李文達(dá). BP網(wǎng)絡(luò)模型在巢湖富營養(yǎng)化評價(jià)中的應(yīng)用[J]. 能源與環(huán)境，2008（1）：9-11

孫健 鈕福祥 岳瑞雪 張毅 徐飛 朱紅 王洪云

摘要：采用超高速離心技術(shù)，研究其對甘薯淀粉廢水的處理效果及理化特性的影響。結(jié)果表明，經(jīng)超高速離心處理，甘薯淀粉廢水的pH值高于對照，而總固形物含量、化學(xué)需氧量（COD）低于對照；而隨著處理時(shí)間延長，甘薯淀粉廢水的pH值、總固形物含量和化學(xué)需氧量（COD）均呈現(xiàn)下降趨勢。相關(guān)性分析結(jié)果表明，離心組的總固形物含量與COD、總磷（TP）含量、pH值與COD的相關(guān)性顯著；而對照的總固形物含量與pH值、COD、總氮（TN）含量、pH值與COD、TN含量的相關(guān)性顯著。因此，超高速離心能夠有效去除甘薯淀粉廢水中部分可溶性淀粉、蛋白質(zhì)、纖維素等固形物組分。

關(guān)鍵詞：甘薯；淀粉廢水；超高速離心；理化特性

中圖分類號： X703文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0455-02

收稿日期：2015-04-23

基金項(xiàng)目：國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)（編號：CARS-11-B-20）。

作者簡介：孫健（1979—），男，江蘇徐州人，碩士，副研究員，主要從事甘薯加工研究。E-mail：sjsg9902@126.com。

通信作者：鈕福祥，碩士，研究員，主要從事甘薯深加工和副產(chǎn)物綜合利用。E-mail：niufuxaing@sina.com。我國甘薯種植面積約為460萬hm2，鮮薯總產(chǎn)1.0億 t 左右[1]。淀粉加工是我國農(nóng)戶從事甘薯產(chǎn)后加工的主要方式[2]，據(jù)測算，1 t淀粉需用水20 t左右[3]，由此產(chǎn)生大量的淀粉廢水，其主要成分為可溶性淀粉、蛋白質(zhì)、纖維素、果膠、脂類等物質(zhì)[4-5]，化學(xué)需氧量（CODCr）可達(dá) 8 000 ～10 000 mg/L，懸浮物為2 500 ～ 3 000 mg/L。在農(nóng)戶規(guī)模的加工生產(chǎn)中，這些廢水大多未經(jīng)任何處理直接排入自然水體中，導(dǎo)致環(huán)境污染問題突出，已成為影響我國甘薯淀粉加工業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。目前，甘薯淀粉廢水常用的處理方法有絮凝沉淀法、生物處理法及土地處理法等[6]，但這些處理方法存在二次污染、使用成本高、處理效率低等問題。超高速離心技術(shù)是一種物理分離方法，具有處理效率高、處理量大等特點(diǎn)，本試驗(yàn)通過該技術(shù)對甘薯淀粉廢水理化性質(zhì)變化的研究，探討農(nóng)戶規(guī)?；幚砀适淼矸蹚U水的可行性。

1材料與方法

1.1材料與試劑

甘薯淀粉廢水，自制，所用品種為徐薯22；重鉻酸鉀、硫酸銀、硫酸亞鐵銨、過硫酸鉀、鉬酸銨、硝酸鉀、氫氧化鈉等均為分析純試劑。

1.2儀器設(shè)備

GZX-1高速分離機(jī)中試成套設(shè)備，上海浦東天本離心機(jī)械有限公司；730 pH計(jì)，德國WTW公司；DHG-9246A電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；2450紫外分光光度計(jì)，日本島津公司；LDZX-50KBS蒸汽滅菌鍋，北京陽光斯德生物技術(shù)發(fā)展公司；DK-S26電熱恒溫水浴鍋，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；SB-3200D超聲波清洗機(jī)，浙江省寧波新芝生物科技股份有限公司。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1甘薯淀粉廢水制備在模擬農(nóng)戶甘薯淀粉加工水平上，以淀粉型甘薯品種徐薯22為原料，在料水比1 g ∶ 5 mL的條件下，利用多功能粉碎機(jī)破碎打漿，經(jīng)雙層紗布過濾，淀粉乳濁液室溫靜置24 h，取上清液即為甘薯淀粉廢水。

1.3.2甘薯淀粉廢水超高速離心處理取25 L甘薯淀粉廢水經(jīng)過轉(zhuǎn)速18 000 r/min的管式離心機(jī)處理后，置于室內(nèi)，保持溫度在16～22 ℃，考察甘薯淀粉廢水在存放過程中理化指標(biāo)的變化。同時(shí)，以未經(jīng)超高速離心處理的甘薯淀粉廢水作為對照。

1.3.3甘薯淀粉廢水理化指標(biāo)測定總固形物含量、COD、總氮（TN）含量分別采用GB 5009.3—2010《食品中水分的測定》、GB 11914—1989《化學(xué)需氧量的測定》、HJ 636—2012《水質(zhì) 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》的方法測定。

2結(jié)果與分析

2.1超高速離心對甘薯淀粉廢水pH值的影響

由圖1可知，經(jīng)超高速離心處理后的甘薯淀粉廢水初始pH值高于對照，隨著時(shí)間的延長，對照組略高于離心組；試驗(yàn)期間，離心組與對照組淀粉廢水pH值均呈下降趨勢，而且前期（0～3 d）快速下降，之后變化平緩，這可能與產(chǎn)酸微生物的發(fā)酵作用有關(guān)。

2.2超高速離心對甘薯淀粉廢水總固形物含量的影響

經(jīng)超高速離心處理后，甘薯淀粉廢水的可溶性淀粉、蛋白質(zhì)、纖維素等組分部分被分離出去，其總固形物含量下降 17.26% 以上。與對照相比，離心組的甘薯淀粉廢水的總固形物含量較低（圖2）。隨著時(shí)間的延長，甘薯淀粉廢水的總固形物含量呈緩慢下降趨勢。

2.3超高速離心對甘薯淀粉廢水COD的影響

甘薯淀粉廢水含有蛋白、糖類等有機(jī)物，屬高污染廢水，其COD一般較高。由圖3可知，在試驗(yàn)初期，對照組、離心組COD分別為10 047.0、9 805.6 mg/L，隨著時(shí)間的延長，COD均呈下降趨勢，而且對照組COD始終高于離心組，說明超高速離心處理能夠去除部分蛋白、多糖等有機(jī)物，從而降低甘薯淀粉廢水COD。

2.4超高速離心對甘薯淀粉廢水總氮含量的影響

氮富集是水體富營養(yǎng)化的主要原因和表現(xiàn)之一，一般將TN含量作為水體富營養(yǎng)化程度的指標(biāo)之一[7]。由圖4可知，在試驗(yàn)前期（0～6 d），對照組總氮含量高于離心組；而試驗(yàn)后期（9～12 d），離心組總氮含量卻高于對照組。說明超高速離心能夠去除部分蛋白質(zhì)，而后期變化可能與微生物大量繁殖有關(guān)。

2.5甘薯淀粉廢水理化特性相關(guān)性分析

對離心組和對照組的甘薯淀粉廢水理化特性進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表1和表2所示。由表1可知，結(jié)果離心組的總固形物含量與COD呈顯著正相關(guān)（P<0.05）；pH值與COD呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。而對照組（表2）的總固形物含量與pH值、COD、TN含量分別呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）、顯著正相關(guān)（P<0.05）、顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）；pH值與COD、TN含量分別呈顯著正相關(guān)（P<0.05）、顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）。由此可見，超高速離心能夠有效去除甘薯淀粉廢水中部分可溶性淀粉、蛋白質(zhì)、纖維素等組分。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，甘薯淀粉廢水COD與總固形物含量、pH值關(guān)系密切。

3結(jié)論

經(jīng)超高速離心處理，甘薯淀粉廢水的pH值升高，而總固形物含量、COD下降；而隨著處理時(shí)間延長，甘薯淀粉廢水的pH值、總固形物含量和COD均呈下降趨勢。

甘薯淀粉廢水理化特性相關(guān)性分析結(jié)果顯示，離心組的總固形物含量與COD分別呈顯著正相關(guān)，pH值與COD呈顯著正相關(guān)；而對照組的總固形物含量與pH值、COD、TN含量分別呈極顯著正相關(guān)、顯著正相關(guān)、顯著負(fù)相關(guān)；pH值與COD、TN含量分別呈顯著正相關(guān)、顯著負(fù)相關(guān)。超高速離心能夠有效去除甘薯淀粉廢水中部分可溶性淀粉、蛋白質(zhì)、纖維素等組分，這為應(yīng)用超高速離心技術(shù)規(guī)?；幚砀适淼矸蹚U水提供了試驗(yàn)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬代夫，李強(qiáng)，曹清河，等. 中國甘薯產(chǎn)業(yè)及產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展與展望[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2012，28（5）：969-973.

[2]鈕福祥，馬代夫，戴起偉，等. 我國甘薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況及政策建議——基于全國627戶農(nóng)戶問卷調(diào)查[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（11）：438-441.

[3]王豐，靳艷玲，方揚(yáng)，等. 清潔高效甘薯淀粉加工技術(shù)[J]. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù)·農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)，2013（11）：38-40.

[4]王乾. 甘薯淀粉廢水處理工藝研究及設(shè)計(jì)[D]. 青島：中國海洋大學(xué)，2011.

[5]木泰華，陳井旺. 甘薯淀粉加工副產(chǎn)品綜合利用前景廣闊[J]. 農(nóng)產(chǎn)品加工·綜合刊，2011（1）：10-11.

[6]肖繼波，趙委托，褚淑祎，等. 薯類淀粉廢水處理技術(shù)及資源化利用研究進(jìn)展[J]. 浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，30（2）：292-298.

[7]梅長青，王心源，李文達(dá). BP網(wǎng)絡(luò)模型在巢湖富營養(yǎng)化評價(jià)中的應(yīng)用[J]. 能源與環(huán)境，2008（1）：9-11