馬鈴薯淀粉加工中的清潔生產(chǎn)方案探討

袁　泉

（長城（天津）質(zhì)量保證中心天津300074）

馬鈴薯淀粉加工中的清潔生產(chǎn)方案探討

袁泉

（長城（天津）質(zhì)量保證中心天津300074）

針對我國馬鈴薯淀粉加工業(yè)廢水無法達標排放的問題，從清潔生產(chǎn)角度出發(fā)，由源頭提出增加蛋白質(zhì)回收系統(tǒng)，提高資源利用效率、降低廢水處理難度，并提出化學法和生物法聯(lián)用處理廢水，使其達標排放。

馬鈴薯淀粉；清潔生產(chǎn)；方案

近年來馬鈴薯淀粉產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢良好，根據(jù)國家政策導向，未來馬鈴薯淀粉有著廣闊的發(fā)展前景，但目前馬鈴薯淀粉在生產(chǎn)過程中存在著嚴重的資源浪費和環(huán)境污染問題，僅依靠末端治理無法解決這些問題，因此本文對以馬鈴薯淀粉加工中的清潔生產(chǎn)方案進行探索，以期解決上述問題。

1　馬鈴薯淀粉的發(fā)展概況

農(nóng)業(yè)部數(shù)據(jù)顯示，2014年，我國馬鈴薯種植面積達8000多畝，鮮薯產(chǎn)量9500多萬噸，種植面積和產(chǎn)量約占世界的1/4。根據(jù)農(nóng)業(yè)部2016年2月公布的《關(guān)于推進馬鈴薯產(chǎn)業(yè)開發(fā)的指導意見》，“到2020年，馬鈴薯種植面積擴大到1億畝以上，適宜主食加工的品種種植比例達到30%，主食消費占馬鈴薯總消費量的30%”[1]，未來馬鈴薯種植面積和產(chǎn)量還會繼續(xù)增加，根據(jù)馬鈴薯淀粉作為食品加工的基本原料，有著廣闊的市場應用前景。

2012年我國淀粉產(chǎn)量為2253×104t，其中馬鈴薯淀粉約占5%，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，馬鈴薯淀粉深加工產(chǎn)品正發(fā)揮著越來越廣泛的用處，淀粉及淀粉制品行業(yè)發(fā)展良好[2]。但我國馬鈴薯深加工工業(yè)技術(shù)水平仍存在許多問題[3]：行業(yè)整體技術(shù)水平不高，生產(chǎn)技術(shù)落后，管理粗放，資源利用率低，產(chǎn)品收率低，同時馬鈴薯淀粉加工過程中，會產(chǎn)生大量的含有豐富蛋白質(zhì)、淀粉、纖維、多糖等有機營養(yǎng)物的工藝水（分離汁水），其COD值高達30000 mg/L～40000 mg/L，直接排放就變成廢水，導致嚴重的環(huán)境污染。但隨著我國環(huán)境法律法規(guī)的日益嚴格，馬鈴薯淀粉加工企業(yè)難以達標排放而被迫停止生產(chǎn)，傳統(tǒng)的末端治理不能滿足生產(chǎn)和環(huán)境保護的需要。

2　馬鈴薯淀粉的性能

相比于玉米淀粉、木薯淀粉等，馬鈴薯淀粉具有以下特性[4]：（1）高粘度、易膨脹，粘度約比玉米淀粉高4.3倍，作為食品擴充劑或增稠劑，可減少淀粉用量；（2）顆粒大、糊化溫度低、透明度高，可廣泛用于各種方便食品中；（3）馬鈴薯淀粉由于含有天然的磷酸基團，能夠很好地延長食品的使用期限；（4）可通過物理或化學方法將其加工成變性淀粉，主要有酶化淀粉、交聯(lián)淀粉、降解淀粉、醚化淀粉?；谝陨咸匦?，馬鈴薯淀粉在食品加工中被用作增稠劑、凝膠劑、乳化穩(wěn)定劑、保水劑、填充劑、膨松劑、改良劑外，還可廣泛應用于醫(yī)藥、化工、石油鉆探、紡織、飼料加工、造紙等行業(yè)。

3　馬鈴薯淀粉的加工過程

新鮮馬鈴薯先進行預處理，通過篩分去除馬鈴薯中混有的砂石、粉塵、樹枝等，由帶式輸送機送至清洗機器，清洗附在馬鈴薯表皮上的泥土，清洗干凈后送至銼磨機將新鮮馬鈴薯磨成漿狀，進行分離，分離工序分為粗分與精分。洗滌篩分一級篩上的渣到第二級篩上篩分，繼續(xù)由二級至三級，四級，四級篩上的渣即外排，篩下的漿水返回三級，與三級漿水一道返回二級，二級漿水與以及漿水混合后送往精分工序。精分采用碟片機，分二級洗滌和濃縮，將淀粉從水中分離出來，分離出的濃粉漿送往脫水工序進行脫水，廢水則進入廢水處理工序進行處理。

圖1　馬鈴薯淀粉生產(chǎn)工藝流程圖

4　馬鈴薯淀粉加工過程產(chǎn)生的廢棄物

馬鈴薯淀粉的加工過程中主要產(chǎn)生廢水、廢氣、廢渣，其中廢水對環(huán)境產(chǎn)生較大影響。在清潔生產(chǎn)進行中，要求在源頭控制污染的產(chǎn)生、減少排污量，在末端治理上推廣新技術(shù)對“三廢”進行資源化處理。

4.1廢水的產(chǎn)生及治理

廢水來自于馬鈴薯淀粉生產(chǎn)過程中的洗滌、浸漬、精分工序及地面沖洗，這些廢水中主要含有淀粉、蛋白質(zhì)、糖類等有機物[5]，還有部分懸浮物、氰化物、氨氮等有害物質(zhì)。其中清洗馬鈴薯的廢水中主要含有泥沙、小馬鈴薯、芽、草、葉、根等；清洗和提取淀粉的廢水，主要為可溶解有機化合物—蛋白質(zhì)，少量的不溶解物質(zhì)，如淀粉為例、纖維等。

表1　淀粉廢水成分

馬鈴薯淀粉廢水常用的處理方法有生物法、絮凝法[6]，常規(guī)處理措施以生物法為主，厭氧處理+好氧處理，常見的問題是生物處理法成本過高，企業(yè)難以承擔，馬鈴薯淀粉生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)期僅3個月，且集中的冬季，氣溫低，生物法日常維護及啟動費用高。目前許多馬鈴薯淀粉企業(yè)采用傳統(tǒng)的氧化塘處理或直接排放，造成嚴重的環(huán)境污染。

4.2廢氣的產(chǎn)生及治理

馬鈴薯淀粉加工過程中產(chǎn)生的廢氣主要是污水在厭氧工序產(chǎn)生沼氣，還有少部分熱風爐煙囪外排氣、干燥旋風器后的外排氣。產(chǎn)生的沼氣完全回收，用管道輸送至熱風爐作為補充燃料使用。

4.3固體廢棄的產(chǎn)生及治理

馬鈴薯淀粉加工過程中產(chǎn)生的廢渣主要是預處理過程中產(chǎn)生的泥土、植物莖葉，馬鈴薯渣、廢水處理中產(chǎn)生的污泥。廢渣可外售用作養(yǎng)豬飼料、復合肥原料，廢水處理中產(chǎn)生的污泥可外售作為肥料。

5　清潔生產(chǎn)方案

馬鈴薯淀粉加工過程中存在的主要問題是耗水量大、污水不達標排放、蛋白質(zhì)浪費，針對這些問題，本文提出以下三種清潔生產(chǎn)方案。

5.1洗薯機廢水回收利用

目前，清洗馬鈴薯表皮泥土的廢水主要含有泥土、馬鈴薯表皮、莖葉、及少量較小的馬鈴薯，采用的處理方式為與后期處理的廢水混合在一起，直接進入廢水處理系統(tǒng)進行處理。建議將此處建立小型沉沙池，可將清洗廢水直接沉降后回用，繼續(xù)清洗馬鈴薯表皮，每次補充少量的新鮮水即可，也可用于車間地面清洗，沉降的泥土可用于后續(xù)廢水處理的快速絮凝沉淀。

5.2蛋白質(zhì)回收系統(tǒng)

馬鈴薯淀粉廢水中含有大量的蛋白質(zhì)成分，其中必要氨基酸占32%。大部分企業(yè)沒有進行回收，直接將廢水排放或進入處理流程，這就造成蛋白質(zhì)浪費，并且廢水COD高、難處理、排放后廢水容易造成農(nóng)田病毒感染。因此，需要增加蛋白質(zhì)回收系統(tǒng)，其主要原理是：選擇天然陽離子多糖殼聚糖配制成一定濃度的溶液，按一定的蛋白/多糖比例加入到廢水中進行復凝聚；復凝聚所得蛋白殼聚糖復合物沉淀經(jīng)過復合物分離，再經(jīng)蛋白質(zhì)干燥，得到馬鈴薯糖蛋白產(chǎn)品[7]。整套工藝的蛋白質(zhì)回收率可達70%以上，并且降低了COD含量，降低廢水末端治理費用。

圖2　蛋白質(zhì)回收系統(tǒng)工藝流程圖

蛋白回收系統(tǒng)的處理步驟：（1）馬鈴薯淀粉加工廢液經(jīng)過0.45μm微孔濾膜過濾；（2）向過濾后的廢水中加入質(zhì)量濃度為1%的殼聚糖溶液；并添加石灰調(diào)節(jié)pH為5～7，攪拌10min，靜置30min，25℃下以2500g～4000g的速度離心10min～15min，過濾后上層清液排入絮凝沉淀工藝，沉淀物為糖蛋白；（3）復合物分離：在步驟（2）所得的蛋白殼聚糖復合物沉淀中添加水進行復溶，其固液比為1：5，充分攪拌后得到懸浮液，用pH調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)pH至7.5～9.0，繼續(xù)攪拌1h～2h，以2500g～4000g的速度離心10min～15min，過濾；所得上清液為馬鈴薯糖蛋白溶液，所得沉淀為殼聚糖，殼聚糖干燥后回用；（4）蛋白質(zhì)干燥：將蛋白溶液在在10 Pa～25Pa、-50℃～65℃條件下真空冷凍干燥48h～60h，即得回收的馬鈴薯糖蛋白產(chǎn)品。

5.3廢水處理工藝

經(jīng)過蛋白回收系統(tǒng)處理后排除的廢水COD可降低60%～70%，處理前廢水處理系統(tǒng)進水COD為20000 mg/L～40000mg/L，經(jīng)過蛋白回收系統(tǒng)處理后進水COD約為8000 mg/L～15000 mg/L，極大的降低了廢水處理系統(tǒng)的負荷。

圖3　廢水處理工藝流程圖

采用絮凝沉淀法進行前處理，采用甘肅某科研所研究的復合型高分子絮凝劑，其COD去除率約為60%～80%，經(jīng)過絮凝沉淀后廢水進入生物處理工藝，處理步驟為：（1）使用石灰對廢水進行調(diào)節(jié)，使pH為7～9；（2）開啟攪拌設(shè)備并添加廢水含量約0.5%的復合型高分子絮凝劑，同時將表皮清洗廢水處理過程中產(chǎn)生的部分泥土回流至絮凝沉淀池，泥土顆?？梢栽黾优鲎玻玫男纬纱髩K顆粒向下沉淀，沉淀速度比平流沉淀池速度快，效率高，表面負荷高；（3）經(jīng)過絮凝沉淀處理后廢水COD可降低至5000 mg/L～10000mg/L，此時通過厭氧+好氧處理工藝進行處理，最終處理后廢水達到GB25461-2010《淀粉工業(yè)水污染物排放標準》中間接排放標準要求。

6　結(jié)語

馬鈴薯淀粉作為國家未來大力發(fā)展的行業(yè)，目前面臨嚴峻的環(huán)境污染問題，本文通過增加蛋白質(zhì)回收系統(tǒng)，提高資源利用效率，并對廢水處理系統(tǒng)進行調(diào)整和改進，減少用水量，使廢水達標排放。清潔生產(chǎn)就是“發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題”，從源頭上控制污染，通過清潔生產(chǎn)提高馬鈴薯淀粉生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟效益、減少污染、實現(xiàn)節(jié)能減排[8]。

[1]王華藝.農(nóng)發(fā)行支持馬鈴薯主糧化研究[J].農(nóng)業(yè)發(fā)展與金融, 2016,01:42-44.

[2]周慶鋒.馬鈴薯淀粉產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展分析[A].中國作物學會馬鈴薯專業(yè)委員會.馬鈴薯產(chǎn)業(yè)與小康社會建設(shè)[C].中國作物學會馬鈴薯專業(yè)委員會:,2014:6.

[3]刁殿桐.玉米淀粉清潔生產(chǎn)技術(shù)研究[D].山東大學,2008.

[4]于天峰,夏平.馬鈴薯淀粉特性及其利用研究[J].中國農(nóng)學通報, 2005,01:55-58.

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

[6]俞年豐,唐運平,許丹宇,等.高濃度馬鈴薯淀粉廢水處理工藝研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J].工業(yè)水處理,2011,01:5-8.

[7]華欲飛,孔令知,孔祥珍,等.一種從馬鈴薯淀粉加工廢水中回收糖蛋白的方法[P].江蘇：CN103864888A,2014-06-18.

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