絮凝法提取木薯黃漿廢水中植物蛋白質(zhì)的效果研究

萬(wàn)思杰李小麗彭小玉

(1.廣西南寧高級(jí)技工學(xué)校，廣西 南寧 530000；2.中國(guó)貿(mào)易促進(jìn)委員會(huì)廣西分會(huì)，廣西 南寧 530000；3.中國(guó)科技開(kāi)發(fā)院廣西分院，廣西 南寧 530022)

絮凝法提取木薯黃漿廢水中植物蛋白質(zhì)的效果研究

萬(wàn)思杰1李小麗2彭小玉3

(1.廣西南寧高級(jí)技工學(xué)校，廣西 南寧 530000；2.中國(guó)貿(mào)易促進(jìn)委員會(huì)廣西分會(huì)，廣西 南寧 530000；3.中國(guó)科技開(kāi)發(fā)院廣西分院，廣西 南寧 530022)

文章采用混凝技術(shù)提取木薯黃漿廢水中的植物蛋白質(zhì)物質(zhì)，實(shí)驗(yàn)通過(guò)選取最佳的混凝劑和助凝劑種類及其最佳用量，并研究 pH、沉淀時(shí)間對(duì)混凝效果的影響，為木薯黃漿廢水的資源化利用提供科學(xué)依據(jù)。單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：分別以1%的PAC、1%的氯化鐵和1%的改性玉米淀粉處理木薯黃漿廢水，三種絮凝劑的最佳投加量分別為0.133g/L、0.133g/L和0.05g/L，最佳絮凝pH分別為9、2和8，三種絮凝劑的沉淀時(shí)間均大于15min時(shí)處理效果較佳，此時(shí)木薯黃漿淀粉廢水的濁度去除率均到達(dá)80%以上，COD去除率達(dá)到50%。復(fù)配實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：PAC與PAM的復(fù)配投加后，PAC投加量為0.02g/L，PAM投加量為0.002g/L，濁度去除率從80%左右上升至98.2%，COD去除率上升至51.8%，復(fù)配絮凝劑相比單一絮凝劑提取植物蛋白效果更好。

絮凝劑；絮凝配比條件；黃漿廢水；植物蛋白質(zhì)

1 木薯淀粉廢水特性

薯類淀粉廢水均具有有機(jī)污染物濃度高，懸浮物濃度高，pH低，負(fù)荷變化大（即水質(zhì)和水量變化大）的特點(diǎn)，給治理帶來(lái)諸多困難。薯類淀粉廢水通常可根據(jù)生產(chǎn)工藝分為洗薯廢水和黃漿水[1]。洗薯廢水主要含有泥沙、碎薯塊和雜草等，這些污染物(或懸浮物)約為薯類重量的l%～5%，另一種廢水是黃漿廢水，它含有大量的淀粉微粒、蛋白質(zhì)、纖維素、有機(jī)酸和無(wú)機(jī)酸等物質(zhì)，多呈懸浮狀、膠狀，部分呈溶解狀，它們處于有機(jī)物轉(zhuǎn)化的過(guò)渡階段，具有酸度大、不穩(wěn)定和耗氧量很高的特點(diǎn)。一般CODcr在10000～25000mg/L范圍，且隨木薯品種、氣溫、存放時(shí)間和工人操作的熟練程度而變化[2]，這些廢水若直接排放，將導(dǎo)致農(nóng)作物枯死和水生生物死亡，嚴(yán)重污染環(huán)境。此外，廢水中的懸浮物沉積在水體后會(huì)腐爛，釋放出硫化氫和硫醇一類的有害氣體，惡化水質(zhì)，臭氣難聞。

黃漿廢水直接處理難度大、成本高，且處理后其中含有的淀粉微粒、蛋白質(zhì)、纖維素、有機(jī)酸和無(wú)機(jī)酸等物質(zhì)直接作為廢渣處置，造成了很大程度上的資源浪費(fèi)。以絮凝法進(jìn)行黃漿廢水中蛋白質(zhì)的水質(zhì)分離，以分離提取的黃漿廢水中蛋白質(zhì)、有機(jī)酸等作為土壤有機(jī)肥、飼料，不僅直接實(shí)現(xiàn)了黃漿廢水的資源化利用，還減少了黃漿廢水處理設(shè)施的水力負(fù)荷，提取的蛋白質(zhì)、有機(jī)酸等資源化利用后也能降低黃漿廢水的處理成本，因此本文將從此方面進(jìn)行研究，探討絮凝法提取黃漿水中植物蛋白質(zhì)的工藝條件，為黃漿廢水的綜合資源化利用提供科學(xué)依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)藥劑

2.1.1 木薯黃漿淀粉廢水來(lái)源及水質(zhì)分析

實(shí)驗(yàn)廢水來(lái)自廣西某淀粉廠。廢水呈白色，有刺激性氣味氣體，含有大量細(xì)小懸浮顆粒，渾濁而不易澄清。主要水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 木薯黃漿廢水的主要水質(zhì)指標(biāo)

經(jīng)過(guò)測(cè)定，發(fā)現(xiàn)原水的COD和SS過(guò)高，在實(shí)驗(yàn)中觀察到使用原水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，投加量大，且效果不明顯，不利于蛋白質(zhì)提取的進(jìn)行。因此，采用稀釋50倍的黃漿廢水進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn)。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)用絮凝劑種類及濃度

（1）聚合氯化鋁（PAC），濃度為1%，即10g/L；

（2）改性玉米淀粉，白色顆粒，濃度為1%，即10g/L；

（3）氯化鐵溶液，濃度為1%，即10g/L；

（4）聚丙烯酰胺（PAM），白色顆粒，陽(yáng)離子型，濃度為0.1%，即1g/L。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

2.2.1 絮凝實(shí)驗(yàn)

取300ml實(shí)驗(yàn)廢水于500ml的燒杯中，投加一定量的絮凝劑，置于程控混凝實(shí)驗(yàn)攪拌儀的平臺(tái)上，快速攪拌30s(轉(zhuǎn)速280r/min），中速攪拌5min(轉(zhuǎn)速90r/min），慢速攪拌5min(轉(zhuǎn)速30r/min），靜置15min。在液面下2～3cm處取上清液測(cè)定濁度、CODcr進(jìn)行分析。

2.2.2 復(fù)配實(shí)驗(yàn)

選取確定的最佳絮凝劑與陰離子型聚丙烯酰胺（PAM）復(fù)配使用，通過(guò)改變PAM的投加量進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn)，考察絮凝劑與PAM的劑量配比對(duì)絮凝效果的影響，確定最佳絮凝劑與PAM的復(fù)配比。

2.2.3 水質(zhì)分析指標(biāo)與方法

pH：采用玻璃電極測(cè)定法，用pH計(jì)直接測(cè)定。

化學(xué)需氧量（CODcr）：采用重鉻酸鉀法。

濁度（RT）：采用分光光度法，用濁度儀直接測(cè)定。

濁度去除率（%）=（原水濁度-處理后上清液濁度)/原水濁度

COD去除率(%)=(原水COD-處理后上清液COD)/原水COD

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 絮凝劑對(duì)絮凝效果的影響

3.1.1 絮凝劑投加量對(duì)濁度的影響

改變絮凝劑的投加量，在原水的pH和沉淀時(shí)間（15min）不變的條件下，進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖1。

圖1 絮凝劑投加量對(duì)濁度的影響

如圖 1所示，經(jīng)改性玉米淀粉和氯化鐵處理后的廢水濁度去除率都是先增加后減小的趨勢(shì)，其中改性玉米淀粉在投加量為1.5ml即0.05g/L時(shí)除濁率達(dá)到最高的77.3%，而氯化鐵和PAC投加4ml即0.133g/L時(shí)效果最好，除濁率分別達(dá)到81.7%和89.2%。

3.1.2 絮凝劑投加量對(duì)CODcr的影響

由于懸浮物的去除能有效的降低出水的COD，從而可以減小后續(xù)廢水處理工序的水力負(fù)荷及處理成本，因此，本文在研究濁度去除率的基礎(chǔ)上還考察了絮凝劑投加量對(duì)出水COD變化的影響。如圖2所示，以改性玉米淀粉為絮凝劑時(shí)，隨著投加量的增加，COD去除率呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，但在投加量達(dá)到2ml后，COD開(kāi)始增加，可能是由于絮凝劑過(guò)量，殘留在上清液中，導(dǎo)致COD增加。氯化鐵在絮凝過(guò)程中，隨著投加量的增加，COD去除效果緩慢增加，但在投加量達(dá)到4ml后下降。PAC的投加量對(duì)COD的影響相對(duì)較小，COD去除率的變化也是呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在投加量為4ml時(shí)COD最小，達(dá)到了243.2mg·L-1。

圖2 絮凝劑投加量與COD的影響

3.1.3 分析與討論

絮凝劑的最佳投加量一般處在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，隨著投加量的增加，絮凝作用越來(lái)越明顯，在某一個(gè)投加量時(shí)絮凝效果達(dá)到最佳，當(dāng)投加量大于這個(gè)最佳值時(shí)，絮凝效果會(huì)基本保持不變或者變差[3-5]。

以PAC和氯化鐵作為絮凝劑處理300ml黃漿廢水，當(dāng)投加量為4ml時(shí)，上清液的濁度和COD都達(dá)到最小，PAC的除濁率為89.8%，COD去除率為36.9%，而氯化鐵的除濁率為81.7%，COD去除率為61.0%。以改性淀粉作為絮凝劑，當(dāng)投加量為1.5ml時(shí)，除濁率為78.0%，COD去除率為48.7%，絮凝效果最好。

因此，確定PAC和氯化鐵的最佳投加量為4ml，即0.133g/L，改性玉米淀粉的最佳投加量為1.5ml，即0.05g/L。在各絮凝劑的最佳投加量下，PAC的除濁效果最好。

3.2 pH對(duì)絮凝效果的影響

以5%氫氧化鈉和5%鹽酸作為pH調(diào)節(jié)劑，改變實(shí)驗(yàn)廢水的pH，以絮凝劑的最佳投加量進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn)，考察黃漿廢水pH對(duì)絮凝效果的影響。

3.2.1 pH對(duì)濁度的影響

改變廢水的pH，在各絮凝劑最佳投加量和沉淀時(shí)間（15min）不變的條件下，進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3。

從圖3中可見(jiàn)，廢水酸堿度對(duì)絮凝劑的絮凝效果影響很大。以PAC為絮凝劑時(shí)，在pH對(duì)PAC的絮凝效果影響很大，濁度去除率在75%～95%之間浮動(dòng)。在pH為9時(shí)，濁度達(dá)到1.53NTU，濁度去除率為93.5%，絮凝效果最好。

以氯化鐵為絮凝劑時(shí)，在pH為2時(shí)濁度去處率達(dá)到55.1%，之后去除率不斷降低。

以改性淀粉為絮凝劑，pH5～9時(shí)，濁度去除率浮動(dòng)不大，在pH為8時(shí)除濁率為76.6%，可見(jiàn)改性淀粉對(duì)廢水pH的適應(yīng)能力更好。

圖3 pH對(duì)濁度的影響

3.2.2 pH對(duì)COD的影響

由圖4可見(jiàn)，改性玉米淀粉的COD去除效果最好，PAC的COD去除效果總體上不如氯化鐵。以PAC為絮凝劑，在pH為6時(shí)絮凝效果最差，細(xì)小懸浮顆粒較多且不沉淀，因此導(dǎo)致COD較高，在pH為9時(shí)絮凝效果最好，COD去除率達(dá)到40.2%。以改性淀粉為絮凝劑，在pH5～8時(shí)COD去除效果浮動(dòng)不大，其中pH為8是效果最好，COD去除率達(dá)到了55.1%。以氯化鐵為絮凝劑時(shí)，在pH為2時(shí)絮凝效果最好，生成了較大的礬花，沉降速度快，COD去除率達(dá)到了55.1%，但隨著原水pH的增大，COD去除效果越來(lái)越差。

圖4 pH對(duì)COD的影響

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看，除氯化鐵外，堿性條件下更有利于木薯黃漿廢水的絮凝沉淀，其中改性玉米淀粉絮凝性能受廢水pH影響最小。因此，提高廢水pH有利于絮凝作用的發(fā)揮。

確定PAC的最佳pH為9，改性玉米淀粉的最佳pH為8，氯化鐵的最佳pH為2。在各絮凝劑的最佳pH下，PAC的除濁效果最好。

3.2.3 分析與討論

一般認(rèn)為，通過(guò)加入酸、堿調(diào)節(jié)pH可以改變膠體或微粒表面電荷大小，從而決定顆粒表面負(fù)電荷與介質(zhì)中的反電荷的離子在膠體顆粒表面形成的離子吸附層厚度，升高或降低膠體或微粒表面電位[6-7]。同時(shí)，pH直接影響混凝劑的水解過(guò)程，尤其是對(duì)金屬鋁鹽混凝劑。因此，不同的pH條件下會(huì)產(chǎn)生不同的水解聚合產(chǎn)物，從而影響絮凝效果。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看，除氯化鐵外，堿性條件下更有利于木薯黃漿廢水的絮凝沉淀，其中改性玉米淀粉所受 pH影響最小。因此，提高原水的pH有利于絮凝作用的發(fā)揮。

確定PAC的最佳pH為9，改性玉米淀粉的最佳pH為8，氯化鐵的最佳pH為2。在各絮凝劑的最佳pH下，PAC的除濁效果最好。

3.3 沉淀時(shí)間對(duì)絮凝效果的影響

3.3.1 沉淀時(shí)間對(duì)濁度的影響

由圖5可知，隨著沉淀時(shí)間的延長(zhǎng)，上清液的濁度逐漸降低。聚合氯化鋁和氯化鐵的除濁效果最好，改性玉米淀粉相對(duì)較差。三種絮凝劑都在10分鐘后除濁率達(dá)到平衡。其中氯化鐵沉淀效果非常好，1分鐘時(shí)就能沉降完全，COD去除率能達(dá)到94.7%。改性淀粉由于其本身難溶于水，所配制的絮凝劑懸浮物和膠體較多，導(dǎo)致絮凝后水樣上清液濁度較高。

圖5 沉淀時(shí)間對(duì)濁度的影響

3.3.2 沉淀時(shí)間對(duì)COD的影響

由圖6可知，隨著沉淀時(shí)間的延長(zhǎng)，上清液的COD逐漸降低。其中，PAC的COD去除效果受沉淀時(shí)間的影響不大，COD去除率保持在43%左右。氯化鐵的COD去除率隨著沉淀時(shí)間的延長(zhǎng)，上升很快，最高達(dá)到了 57.4%，在時(shí)間為 5分鐘時(shí)出現(xiàn)濁度增大，可能是由于取上清液操作不當(dāng)，晃動(dòng)導(dǎo)致絮體上浮。改性淀粉對(duì)于COD的去除效果，隨著沉淀時(shí)間的不斷增加，COD緩慢減小，當(dāng)沉淀時(shí)間到達(dá)15min后，COD的變化趨勢(shì)不明顯。

圖6 沉淀時(shí)間對(duì)COD的影響

3.4 復(fù)配實(shí)驗(yàn)

無(wú)機(jī)、有機(jī)高分子絮凝劑復(fù)配后可以通過(guò)結(jié)合無(wú)機(jī)絮凝劑的電中和吸附作用和有機(jī)高分子長(zhǎng)鏈上官能團(tuán)的架橋能力，大大強(qiáng)化絮凝效果。選取PAC最佳投加量的一半，即2ml與聚丙烯酰胺(PAM)進(jìn)行復(fù)配使用，通過(guò)改變聚丙烯酰胺的投加量進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn)，考察聚丙烯酰胺與聚合氯化鋁復(fù)配比對(duì)絮凝效果的影響，確定聚丙烯酰胺與聚合氯化鋁最佳復(fù)配比。

3.4.1 復(fù)配比對(duì)濁度的影響

由圖7可知，PAM的投加對(duì)PAC的絮凝效果影響很大，只投加2mlPAC時(shí)，除濁率為80.5%，但當(dāng)PAM投加量開(kāi)始增加時(shí)，絮凝效果突然增大，且隨著投加量的增大，除濁率逐漸增大，當(dāng)PAM投加2ml時(shí)絮凝效果最好，剩余濁度為0.442NTU，除濁率達(dá)到98.2%，之后絮凝效果有所下降。

圖7 復(fù)配體積比對(duì)濁度的影響

3.4.2 復(fù)配比對(duì)CODcr的影響

由圖8發(fā)現(xiàn)，隨著PAM投加量的增加，廢水COD逐漸降低，COD去除率呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，在PAM投加量達(dá)到2ml時(shí)，COD去除效果最好，COD剩余量為185.6mg/L，COD去除率達(dá)到51.8%。

圖8 復(fù)配體積比對(duì)COD的影響

4 結(jié)論

（1）氯化鐵能生成大而密實(shí)的絮體顆粒，沉降快，絮凝效果明顯，但出水殘留色度較大，顏色泛黃。PAC生成的絮體顆粒相對(duì)細(xì)小，沉降速度略慢，但絮凝效果良好。改性玉米淀粉生成的絮體較大，沉降速度一般，絮凝效果較好。

（2）0.1%的聚合氯化鋁最佳工藝條件為 pH=9，投加量為4ml，即0.133g/L，沉淀時(shí)間20min；1%的改性玉米淀粉的最佳工藝條件為pH=8，投加量為1.5ml，即0.05g/L，沉淀時(shí)間 15min；1%的氯化鐵的最佳工藝條件為 pH=2，投加量為4ml，即0.133g/L，沉淀時(shí)間15min，此時(shí)濁度去除率在80%左右，COD去除率為50%。

（3）當(dāng)PAM和PAC投加量均為2ml即PAC投加量為0.02g/L，PAM投加量為0.002g/L，PAC在pH為9的條件下進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn)，沉淀時(shí)間15min，發(fā)現(xiàn)絮凝效果有了較大的提高，濁度去除率達(dá)到98.2%，COD去除率達(dá)到51.8%，且PAC用量較單獨(dú)投加減少了一倍。說(shuō)明PAC與PAM進(jìn)行復(fù)配使用，能夠達(dá)到更好的提取黃漿水中植物蛋白的效果，并大大減少了絮凝劑的藥劑投加量。

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The study of flocculation extracted starch of cassava yellow pulp wastewater

The purpose of this study is trying to use technology for cassava starch production coagulation pretreatment of wastewater, which includes selecting the best coagulant type, determine coagulant, the optimum coagulant dosage, pH studies on mixed coagulation effect for the comprehensive management of cassava starch wastewater to provide some design parameters. Experimental results that the single factor, 0.1%PAC and 1%ferric chloride dosage 0.133g/L, 1% modified corn starch dosage0.05g/L, ferric chloride optimum pH was 2, PAC and corn starch optimal pH were 9 and 8, the settling time process is effective when more than 15min. Through traditional flocculants in yellow cassava pulp wastewater to determine the cationic polyacrylamide (PAM) and aluminum chloride (PAC) compound used better. PAM and the PAM complex volume ratio is 10:1. PAC dosage can be reduced twice, turbidity removal efficiency rise to 98.2% from 80%, showing that not only enhances the compound flocculant flocculation effect, but also reduces the pharmaceutical dosage.

Flocculant; compounded; flocculation conditions; plant protein

TQ03

A

1008-1151(2016)07-0053-04

2016-06-12

萬(wàn)思杰（1982－），男，江西南昌人，廣西南寧高級(jí)技工學(xué)校教師；李小麗（1983－），女，湖北云夢(mèng)人，供職于中國(guó)貿(mào)易促進(jìn)委員會(huì)廣西分會(huì)，從事法律管理工作。