薯類淀粉加工廢水資源化利用研究進展

鄭安憲　高飛虎

鄭安憲，高飛虎.薯類淀粉加工廢水資源化利用研究進展[J].南方農(nóng)業(yè)，2023，17（11）：179-182.

摘 要 薯類淀粉加工廢水中富含淀粉、蛋白質(zhì)等物質(zhì)，直接排放會造成水體富營養(yǎng)化、污染環(huán)境等。以回收有效物質(zhì)、利用廢水進行微生物培養(yǎng)、農(nóng)業(yè)灌溉、生產(chǎn)新能源等為切入點，闡述薯類淀粉加工廢水資源化利用研究和開發(fā)趨勢，以期為更好解決薯類淀粉加工廢水污染問題提供理論參考借鑒。

關(guān)鍵詞 薯類；加工廢水；資源化利用；研究進展

中圖分類號：S431.13 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.11.045

薯類作物在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，2021年我國薯類播種面積733.3萬hm2，總產(chǎn)量達3 043.5萬t[1]。薯類淀粉是以薯類作物為原料，經(jīng)破碎、洗滌、干制等加工方法制得的淀粉。薯類淀粉廣泛應(yīng)用于食品、食品配料、醫(yī)藥、飼料、化工、紡織等行業(yè)。隨著先進技術(shù)、先進設(shè)備的引入，我國薯類淀粉加工生產(chǎn)水平得到了顯著提升，但加工產(chǎn)生的廢水一定程度上制約著薯類淀粉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

薯類淀粉加工過程是以水為介質(zhì)的，過程中會產(chǎn)生大量pH值為3～5的廢水，其主要污染在于懸浮物（SS）、化學需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）等。廢水的產(chǎn)生量受加工設(shè)備和加工技術(shù)水平的影響，生產(chǎn)1 t淀粉產(chǎn)生4～14 t廢水[2]。薯類淀粉加工廢水中富含淀粉、蛋白質(zhì)、多糖、脂肪等具有經(jīng)濟價值的物質(zhì)，直接進行污水處理會增加處理成本且浪費資源，而直接排放又會造成周邊水體富營養(yǎng)化。因此，分離提取薯類加工廢水中的蛋白、淀粉物質(zhì)，同時解決廢水污染問題，達到資源合理化利用的目的。

近年來，薯類淀粉在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但濕法制粉中污染問題嚴重，廢水處理技術(shù)及投資成本等成為國內(nèi)外研究的熱點。本文從薯類加工廢水中有效物質(zhì)回收利用、微生物培養(yǎng)、農(nóng)業(yè)灌溉等進行概述，進而為薯類加工廢水的資源化利用研究提供一定的理論支持。

1? 薯類淀粉加工廢水中有用成分回收的研究進展

當前，薯類加工淀粉廢水中回收有用成分的研究主要集中在蛋白質(zhì)、淀粉等方面，不僅可以獲得一定的回收效益，也可以為后續(xù)降低污染物濃度減輕負擔。

1.1? 多糖

崔雯針對木薯淀粉加工中的二次分離廢水（黃漿）開展回收廢水中的淀粉的研究，采用自然沉淀法、水解酶法、混凝實驗法和微生物法，實驗對比結(jié)果顯示，采用微生物法回收淀粉的效果最明顯，回收量可達9.58 g·L-1[3]。Devereux等從馬鈴薯加工廢水中回收馬鈴薯淀粉，利用離心分離法可在工業(yè)規(guī)模上回收的可溶性淀粉和不可溶淀粉為15～28 g·L-1和10 g·L-1[4]。崔春月等通過超濾+納濾雙膜法中試實驗，探討組合工藝對甘薯淀粉加工廢水中多糖的技術(shù)可行性，結(jié)果顯示操作壓力為0.2 MPa、進水流量為550 L·h-1時，超濾（截留分子量為60 ku）對蛋白截留率為94.1%；納濾最佳運行條件為：壓力0.3 MPa、進水流量450 L·h-1，運行時間3 h，透過液多糖濃度低于4.8 mg·L-1，多糖和COD截留率分別為98%、85.2%[5]。

1.2? 蛋白質(zhì)

回收馬鈴薯淀粉廢水中蛋白質(zhì)的辦法主要有超濾法、泡沫分離法、等電點沉淀法、絮凝法、發(fā)酵法等。

呂建國等采用超濾膜對馬鈴薯淀粉生產(chǎn)廢水進行處理并同時回收蛋白，結(jié)果顯示，廢水中COD截留率大于50%，蛋白截留率大于90%，隨后采用0.02 mol·L-1 NaOH溶液清洗超濾膜，可使膜通量恢復率可高達95%[6]。顧春雷等則采用切割分子量為1.5萬的纖維素膜處理馬鈴薯淀粉廢水，COD濃度可達到污水排放標準，回收蛋白質(zhì)可達到90%[7]。劉宗民采用兩級泡沫分離技術(shù)在馬鈴薯淀粉廢水體系回收蛋白，第一級泡沫分離的最佳操作條件為溫度45 ℃，pH值7，裝液量300 mL，氣體體積流量100 mL·min-1，第二級泡沫分離只改變氣體體積流量，最終蛋白質(zhì)富集比為4.69，回收率為85.3%[8]。高潔等以羧甲基纖維素、殼聚糖、海藻酸鈉、聚丙烯酰胺為絮凝劑回收馬鈴薯淀粉廢水中蛋白質(zhì)，結(jié)果表明，在殼聚糖添加量7 mg/100 mL、pH值4.5±0.2、溫度為（70±2）℃、保持時間40 min；蛋白質(zhì)的回收率為73.90%，純度為78.55%[9]。通過對工藝條件進行優(yōu)化，得到高純度馬鈴薯蛋白回收最優(yōu)工藝為：pH值4.5±0.2、溫度（60±2）℃、保持時間40 min，蛋白質(zhì)回收率為51.19%，純度為84.49%[9]。B?RTA等采用硫酸亞鐵、氯化鐵、氯化鋅等3種絮凝劑提取馬鈴薯淀粉廢水中的蛋白質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)，0 ℃時氯化鐵對蛋白質(zhì)的回收效果最好，蛋白質(zhì)的產(chǎn)量為86.4%，高于22 ℃時的80.6%[10]。BARTOVA等從馬鈴薯淀粉廢液中分離蛋白的研究表明，氯化鐵絮凝蛋白的濃度在20 mmol·L-1時最佳，其蛋白沉淀率高達82.7%[11]。熊星瀅的研究在馬鈴薯淀粉廢水中添加一定量的營養(yǎng)物質(zhì)后作為黑曲霉的培養(yǎng)基，再用產(chǎn)生的絮凝物質(zhì)處理馬鈴薯淀粉廢水，可得到的蛋白物質(zhì)回收量為0.165 g·L-1[12]。鄧國龍等以木薯黃漿廢水為研究對象，以pH、沉淀時間、溫度和黃漿廢水蛋白質(zhì)濃度為變量，優(yōu)化木薯黃漿廢水蛋白質(zhì)酸沉淀工藝，結(jié)果表明，蛋白質(zhì)濃度1 400 mg·L-1、pH值4.0、溫度35 ℃及提取時間3.0 h條件下，木薯黃漿廢水中蛋白質(zhì)沉淀率可達到98.3%[13]。梁春禮的研究在提取蛋白作飼料的基礎(chǔ)上，經(jīng)進一步分離純化得到蛋白酶抑制劑，其對胰蛋白酶活力的抑制率可達到76.82%[14]。劉偉聰以絮凝法、酸熱法和超濾法3種方法回收馬鈴薯淀粉廢水中的蛋白質(zhì)，其中：酸熱法回收的最優(yōu)條件為液料比2.0 mL·g-1、pH值4.0±0.2、沉降時間為25 min、沉降溫度為（30±2）℃，在此工藝條件下蛋白的回收率為74.09%，純度為70.27%；超濾法最優(yōu)回收條件為操作壓力0.05 MPa、溫度（25±2）℃、pH4.0±0.2，此條件下馬鈴薯蛋白的回收率為70.12%，純度為76.28%；絮凝法最優(yōu)回收條件為殼聚糖添加量6 mg/100 mL，廢水pH值4.0，溫度40.0 ℃，處理時間40 min，蛋白質(zhì)回收率可達77.31%，純度為80.36%[15]。陳鈺模擬加工廠采用熱處理工藝和超濾技術(shù)提取馬鈴薯蛋白，研究結(jié)果：熱處理2.5 h，pH值5.2，此時粗蛋白沉淀量為7.00 mg·mL-1，蛋白質(zhì)回收率為43.95%，廢水COD去除率為42.14%；超濾處理條件為廢水的pH值5.8、室溫22 ℃、操作壓力為0.10 MPa，蛋白質(zhì)回收率可達到80.46%，廢水COD去除率可達57.99%；0.05%堿性蛋白酶清洗超濾膜效果最佳，恢復系數(shù)可達99.55%[16]。

2? 薯類淀粉加工廢水培養(yǎng)微生物的研究進展

薯類加工淀粉廢水中含有大量有機物，N、P等營養(yǎng)物質(zhì)豐富，是培養(yǎng)微生物的理想介質(zhì)，利用淀粉加工廢水培養(yǎng)微生物，可降低微生物的培養(yǎng)成本，同時可以去除廢水中的污染物。王馨蔚等從厭氧廢水中篩選出兩株對木薯淀粉廢水具有高絮凝活性的乳酸菌——干酪乳桿菌和植物乳桿菌，用以培養(yǎng)復合菌體產(chǎn)絮凝劑，試驗表明最佳營養(yǎng)條件為：在原濃度木薯淀粉廢水中，采用葡萄糖為廢水培養(yǎng)基的補充碳源，酵母膏和蛋白胨按1∶2配比添加作為復配氮源，補充碳氮總量為4.5%，碳氮比為1.5，此條件下發(fā)酵液對淀粉廢水和高嶺土懸液的絮凝率最高可達89.2%和91.4%[17]。生晶晶以米根霉為主要菌株，魚粉廢水和淀粉為培養(yǎng)基發(fā)酵制備乳酸，研究發(fā)現(xiàn)：淀粉作為碳源是最主要的影響因素，其次是pH值，然后是魚粉廢水和接菌量；發(fā)酵24 h時，脫氮率最高達72.7%；發(fā)酵72 h后，乳酸產(chǎn)量可達76 g·L-1，COD去除率達95%以上[18]。梁春禮同樣采用米根霉結(jié)合馬鈴薯淀粉廢水和廢渣發(fā)酵生產(chǎn)乳酸，其間采用發(fā)酵和分離耦合的方法來消除乳酸對米根霉生長和發(fā)酵的抑制作用，產(chǎn)酸量達12.59 g·L-1，發(fā)酵前后總糖含量由19.6%降至3.8%[14]。黃勇蘭采用固定化霉菌處理木薯淀粉廢水，研究表明，固定化黑曲霉和深紅酵母菌處理新鮮木薯淀粉可大大降低廢水COD，同時回收的酵母菌體生產(chǎn)單細胞蛋白，可以用作動物飼料產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益[19]?；葜伪纫择R鈴薯淀粉廢水為菌源，培養(yǎng)獲得一株降解COD功能的菌株——解淀粉芽孢桿菌（PWF015），當pＨ值為8.07、溫度29.81 ℃、接種量1.95%（體積分數(shù)）時，COD降解率達到71.65%[20]。劉浩等利用馬鈴薯淀粉廢水培養(yǎng)植物促生菌，優(yōu)化馬鈴薯淀粉廢水培養(yǎng)Paenibacillus polymyxa菌株的適宜生長條件，研究表明：馬鈴薯淀粉廢水培養(yǎng)菌株的最佳條件為廢水COD為13.7 g·L-1，初始pH值為7.17，培養(yǎng)溫度為31.4 ℃，培養(yǎng)21 h后，微生物活菌數(shù)達到國家標準《農(nóng)用微生物菌劑》（GB 20287—2006）要求，從而實現(xiàn)其資源化利用[21]。

3? 薯類淀粉加工廢水用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的研究進展

淀粉廢水富含多糖、蛋白質(zhì)、脂類等有機物質(zhì)，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)業(yè)生產(chǎn)，如制備肥料、改土、灌溉等。馬雙龍在室溫條件下利用厭氧折流板（ABR）工藝處理甘薯淀粉加工企業(yè)產(chǎn)生的廢水，同時探討ABR出水作為液體肥料的可行性，研究表明：ABR出水是一種可取代化肥的綠色液體肥料，其不僅能夠提高蔬菜的產(chǎn)量、質(zhì)量，并且經(jīng)其處理的土壤也具有較低的氮淋失風險，可替代部分化肥[22]。徐騰研究了凹凸棒土吸附處理、聚合硫酸鐵混凝處理、Fenton氧化處理及組合工藝等對馬鈴薯淀粉廢水的處理效果，發(fā)現(xiàn)采用“氧化+吸附+混凝”組合工藝的處理效果最佳。研究還發(fā)現(xiàn)，廢水經(jīng)過“混凝+吸附+消毒”預處理后可制成水溶肥產(chǎn)品或直接灌溉農(nóng)田，產(chǎn)品適合玉米、大豆等喜氮喜鉀作物，但施用后的農(nóng)田2年內(nèi)不宜種植馬鈴薯等茄科作物[23]。唐曉春等研究了造紙黑液和馬鈴薯淀粉廢水混合廢液對砂性土壤的改良作用，研究表明：將馬鈴薯淀粉廢水與造紙黑液以體積比2∶1比例混合后常溫發(fā)酵15 d，可獲得pH接近中性的混合廢液；將其以質(zhì)量比1∶4施入砂性土壤，可降低土壤干容重，增加土壤有機質(zhì)含量，提高土壤pH值，并能有效提升土壤持水力[24]。李洪民等研究表明：將甘薯淀粉廢水排入冬閑田，30 d左右可使絕大部分有機酸分解，80 d左右有機質(zhì)也幾乎完全被分解；冬麥灌溉試驗結(jié)果顯示麥苗長勢良好；但在薯類重病感染區(qū)不適宜采用此法，因為病原物返田會造成病原物積累，形成惡性循環(huán)[25]。

4? 薯類淀粉加工廢水生產(chǎn)新能源的研究進展

利用淀粉廢水生產(chǎn)新能源的技術(shù)主要集中在生產(chǎn)微生物燃料電池、發(fā)酵制備氫、制備微生物油脂等方面。Li等研究發(fā)現(xiàn)，以馬鈴薯淀粉廢水為燃料的單室微生物燃料電池，陽極微生物主要以厚壁菌門、變形菌門和擬桿菌為主，其微生物群落特征對未來馬鈴薯淀粉廢水微生物燃料電池的設(shè)計具有較好的借鑒意義[26]。朱國慶將調(diào)節(jié)池廢水和厭氧淀粉廢水兩種工段淀粉廢水按1∶2混合進行微藻培養(yǎng)，每天最高可獲得油脂產(chǎn)率61.9 mg·L-1；變形菌門和擬桿菌門可與小球藻共生，且藻菌共培養(yǎng)時的微藻生物量可達1.25 g·L-1；結(jié)合微藻培養(yǎng)、光條件優(yōu)化，在混合藍紅光2∶1時獲得最高油脂產(chǎn)率109.0 mg·L-1，這為微藻生物柴油的工業(yè)化生產(chǎn)提供了理論支撐[27]。Ren等利用甘薯淀粉廢水和厭氧污泥培養(yǎng)微藻生產(chǎn)氫和油脂，研究表明：最優(yōu)培養(yǎng)條件為淀粉廢水和厭氧污泥混合比率30∶1，淀粉濃度6 g·L-1，初始pH值為8，此時可得到氫和油脂分別為1 508.3 mL·L-1和0.36 g·L-1，同時廢水中COD、N和P的最大去除率分別達到80.5%、88.7%和80.1%[28]。

5? 薯類淀粉加工廢水資源化利用展望

薯類是我國主糧供應(yīng)的重要補充、食物多樣化的重要品類、工業(yè)用糧的替代資源，是我國糧食安全的底線作物，目前薯類主要用于提取淀粉，加工廢水污染處理是制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題，對薯類加工廢水進行資源化利用，回收廢水中的有效物質(zhì)、制備肥料、灌溉改土等，不僅可以減輕對環(huán)境污染的破壞，而且可以變廢為寶，成為推動產(chǎn)業(yè)良好發(fā)展的重要抓手。當前薯類淀粉加工廢水的處理和利用過程中還存在耗時、耗能、貯存池（罐）占用地場大等問題，未來的研究方向?qū)②呄蛴谘h(huán)利用、在線處理、智能控制等方面。

參考文獻：

[1]? 國家統(tǒng)計局.中國統(tǒng)計年鑒—2022[Ｍ].北京：中國統(tǒng)計出版社，2022.

[2]? 環(huán)境保護部科技標準司.淀粉廢水治理工程技術(shù)規(guī)范：HJ 2013-2014[S].北京：中國環(huán)境科學出版社，2014.

[3]? 崔雯.木薯二次分離廢水中淀粉回收技術(shù)研究[D].南寧：廣西大學，2013.

[4]? Devereux S， Shuttleworth P S， Macquarrie D J， et al. Isolation and characterization of recovered starch from industrial wastewater [J]. Joumal of Polymers and the Environment，2011，19（4）：971-979.

[5]? 崔春月，劉仁長，鄭慶柱.超濾+納濾回收甘薯淀粉加工廢水中多糖的中試研究[J].食品工業(yè)科技，2016，37（5）：238-241，247.

[6]? 呂建國，安興才.膜技術(shù)回收馬鈴薯淀粉廢水中蛋白質(zhì)的中試研究[J].中國食物與營養(yǎng)，2008（4）：37-40.

[7]? 顧春雷，楊剛，邢衛(wèi)紅，等.膜技術(shù)處理馬鈴薯加工廢水實驗研究[C]//中國化工學會，化學工程專業(yè)委員會，生物化工專業(yè)委員會.第一屆全國化學工程與生物化工年會論文摘要集（下）.2004：72.

[8]? 劉宗民.泡沫分離回收馬鈴薯淀粉廢水中蛋白質(zhì)的工藝[D].天津：河北工業(yè)大學，2013.

[9]? 高潔.馬鈴薯淀粉廢水中蛋白質(zhì)的回收及性質(zhì)研究[D].西安：陜西科技大學，2012.

[10] B?RTA J， HE?MANOV? V， DIVI? J. Effect of low-molecular additives on percipitation of potato fruit juice proteins under different temperature regimes[J].Journal of Food Process Engineering，2008，31（4）：533-547.

[11] BARTOVA V， BARTA J. Chemical composition and nutritional value of protein concentrates isolated from potato（Solanum tuberosum L.）fruit Juice by precipitation with ethanol or ferric chloride[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry，2009，57（19）：9028-9034.

[12] 熊星瀅.淀粉廢水培養(yǎng)黑曲霉產(chǎn)微生物絮凝劑及應(yīng)用研究[D].成都：成都理工大學，2016.

[13] 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(zhì)及其影響因素的研究[J].食品工業(yè)科技，2014，35（20）：308-311.

[14] 梁春禮.馬鈴薯淀粉生產(chǎn)廢棄物的回收利用[D].北京：北京化工大學，2010.

[15] 劉偉聰.生產(chǎn)馬鈴薯淀粉廢水中蛋白質(zhì)回收方法研究及工藝設(shè)計[D].哈爾濱：黑龍江東方學院，2022.

[16] 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.

[17] 王馨蔚，莫創(chuàng)榮，梁敏，等.木薯淀粉廢水培養(yǎng)復合微生物絮凝劑產(chǎn)生菌的營養(yǎng)條件優(yōu)化[J].食品工業(yè)科技，2016，37（4）：211-216.

[18] 生晶晶.米根霉利用魚粉廢水和淀粉廢水直接發(fā)酵產(chǎn)L-乳酸的研究[D].大連：大連理工大學，2008.

[19] 黃勇蘭.霉菌—酵母菌復合處理木薯淀粉生產(chǎn)廢水研究[D].南寧：廣西民族大學，2013.

[20] 惠治兵，畢江濤，李文兵，等.馬鈴薯淀粉廢水降解功能菌株的篩選及其降解條件優(yōu)化[J].環(huán)境污染與防治，2021，43（9）：1118-1123.

[21] 劉浩，李瑞，包麗君，等.馬鈴薯淀粉廢水資源化制備Paenibacillus polymyxa農(nóng)用菌劑[J].環(huán)境工程學報，2020，14（9）：2406-2415.

[22] 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[J].鄭州：河南大學，2014.

[23] 徐騰.馬鈴薯淀粉廢水處理與資源化利用的實驗研究[D].蘭州：蘭州大學，2017.

[24] 唐曉春，石輝文，馮澤民，等.造紙黑液與馬鈴薯淀粉廢水對沙性土壤的改良作用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2009，37（24）：11690-11692.

[25] 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.

[26] 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.

[27] 朱國慶.基于淀粉廢水培養(yǎng)小球藻的油脂產(chǎn)量提升過程研究[D].無錫：江南大學，2022.

[28] Ren H Y， Liu B F， Kong F y， et al. Hydrogen and lipid production from starch wastewater by co-culture of anaerobic sludge and oleaginous microalgae with simultaneous COD， nitrogen and phosphorus removal[J]. Water Research，2015，85（15）：404-412.

（責任編輯：敬廷桃）