鄭 歡 金 毅 秦禮康 安 軍

（1.貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州英特利智能控制工程研究有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550009）

馬鈴薯淀粉加工汁水臭氧降污的中試設(shè)備設(shè)計(jì)

鄭 歡1金 毅1秦禮康1安 軍2

（1.貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州英特利智能控制工程研究有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550009）

針對(duì)馬鈴薯淀粉加工中，大量富含有機(jī)質(zhì)的細(xì)胞液廢水處理難度極大的問(wèn)題，提出一種基于臭氧法處理裝置的方案，通過(guò)臭氧與廢水混合反應(yīng)，再利用氣浮原理達(dá)到分離廢水中的有機(jī)質(zhì)。

馬鈴薯；細(xì)胞汁液；有機(jī)質(zhì)；臭氧；污染指標(biāo)

貴州作為馬鈴薯主產(chǎn)大省，馬鈴薯年產(chǎn)量已近900萬(wàn)t［1］。因馬鈴薯富含淀粉，多被用為淀粉生產(chǎn)原料［2］。馬鈴薯淀粉生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)生了包括馬鈴薯清洗廢水、淀粉洗滌廢水、細(xì)胞汁液、薯渣、生活廢水等多種廢棄物［3］。其中，細(xì)胞汁液又稱為蛋白液，為淀粉生產(chǎn)最后工序——汁液分離產(chǎn)生的高濃度有機(jī)廢水，富含蛋白質(zhì)、淀粉、可溶性糖、纖維素等多種有機(jī)污染物［4］，BOD、COD、SS等指標(biāo)極高，呈黑褐色，氣味刺鼻難聞［5］。

目前，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)已研究使用多種廢水處理方式［6－10］，主要分為生物法、物理法和化學(xué)法三大類。其中較為成熟的有接觸氧化法、生物氧化塘法、序批式活性污泥法（SBR）、厭氧濾池（AF）、升流式厭氧污泥床（UASB）、厭氧流化床（AFB）、沉淀法、吸附法、氣浮法、絮凝法等多種。這些工藝中，均存在不同程度的多種弊端，如應(yīng)用較多的生物法［7］，利用微生物作用降解廢水中的有機(jī)物，廢水中的有機(jī)物沒回收，造成了資源浪費(fèi)，同時(shí)還未解決廢水黑褐色與惡臭味難題，而且該工藝處理高濃度有機(jī)物廢水，工藝壓力較大，經(jīng)濟(jì)成本較高，且最終濃縮轉(zhuǎn)化而成的產(chǎn)物是固態(tài)污泥。

針對(duì)直接處理此高濃度廢水的難題，不少人提出了先回收有機(jī)質(zhì)再進(jìn)行處理的方案［11－14］，一方面減輕了現(xiàn)有工藝的處理壓力，一方面回收其中的蛋白質(zhì)等有機(jī)質(zhì)進(jìn)行深加工延伸利用。目前，已有超濾法、絮凝法、加熱加酸法、發(fā)酵法、膜分離法、混凝沉淀法等多種。但是，這些工藝方法的處理效果、經(jīng)濟(jì)成本和實(shí)用性均有不足，故多數(shù)仍未工業(yè)應(yīng)用。

臭氧法［15－17］是利用臭氧對(duì)廢水進(jìn)行處理，通過(guò)化學(xué)作用，可以使其中的小分子蛋白顆粒膠粘形成大分子蛋白便于分離；還可利用臭氧的脫色除臭的能力，減輕廢水色澤和異味。任燕等［16］前期已利用5.00g／h的臭氧發(fā)生器，對(duì)自制馬鈴薯汁液廢水進(jìn)行處理，在20℃條件下反應(yīng)2h，可使COD、總磷、氨氮及懸浮物去除率分別65.89%、62.07%、62.71% 和84.12%，干物質(zhì)回收率40.65%，且干物質(zhì)中蛋白質(zhì)占66.21%，顯現(xiàn)出較好的降污效果和經(jīng)濟(jì)效益，具有較大的生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值。本課題組以貴州玖圣綠色科技有限公司生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的馬鈴薯淀粉廢水作為原料，對(duì)其水質(zhì)特征進(jìn)行評(píng)價(jià)，并設(shè)計(jì)一套基于臭氧法原理處理廢水并回收有機(jī)質(zhì)的裝置，以實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)中的應(yīng)用。

1 馬鈴薯淀粉廢水水質(zhì)特征

1.1 物理特性

馬鈴薯淀粉加工中的細(xì)胞汁液，由旋液工序分離產(chǎn)生［18］，剛從管道排出時(shí)，溶液粘度較大，極易產(chǎn)生氣泡。靜置一定時(shí)間，廢水和泡沫分離，液體顏色呈黃褐色，較為渾濁，泡沫為白色；繼續(xù)靜置，溶液底部產(chǎn)生沉淀，溶液上層出現(xiàn)浮渣。溶液暴露在空氣中很快變成深褐色，最終變?yōu)楹谏?，泡沫也變成黑色，長(zhǎng)期放置還會(huì)產(chǎn)生惡臭味。

1.2 主要有機(jī)物含量

馬鈴薯細(xì)胞汁液的主要成分為蛋白質(zhì)、未提取完全的淀粉、糖類、纖維等物質(zhì)。根據(jù)各物質(zhì)國(guó)標(biāo)法或使用快速檢測(cè)設(shè)備，得到細(xì)胞汁液中主要物質(zhì)及含量見表1。

其中，由于細(xì)胞汁液易產(chǎn)生氣泡，泡沫細(xì)小密實(shí)，穩(wěn)定性好，不易破碎；溶液靜置或離心后產(chǎn)生沉淀，故分別對(duì)泡沫、離心（3 000r／min，5min）后沉淀物及懸液中的蛋白質(zhì)含量進(jìn)行分別測(cè)定。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)在離心后沉淀物中、離心后懸液中、泡沫中的含量分別為45%～55%、40%～45%、45%～55%。

表1 細(xì)胞汁液干物質(zhì)中主要物質(zhì)及含量Table 1 Main material and content of dry basis in potato wastewater

1.3 各項(xiàng)污染指標(biāo)

由于馬鈴薯細(xì)胞汁液廢水中含有大量的有機(jī)物，屬于高濃度有機(jī)廢水。通過(guò)對(duì)目標(biāo)廢水各項(xiàng)排放指標(biāo)的檢測(cè)與國(guó)家二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，可看出處理難度極高，見表2。

2 廢水處理重點(diǎn)和難點(diǎn)

根據(jù)馬鈴薯汁液廢水的主要成分、性狀、相關(guān)污染指標(biāo)等情況進(jìn)行分析，廢水在實(shí)際處理過(guò)程中，有較多需要注意的重點(diǎn)和難點(diǎn)，主要有有機(jī)質(zhì)的分離、泡沫的消除、臭氧的利用率等。

2.1 有機(jī)質(zhì)的分離

分離出廢水中的有機(jī)質(zhì)，不僅減輕了后續(xù)處理工藝的壓力，而且可以分離優(yōu)質(zhì)蛋白，延伸產(chǎn)業(yè)鏈。臭氧處理一方面需要利用氣浮原理使有機(jī)質(zhì)從溶液中分離，另一方面也需要利用臭氧的化學(xué)作用，使回收的有機(jī)質(zhì)色澤及氣味較為純正。其中臭氧的使用量和廢水的接觸時(shí)間和方法需著重把握。

表2 細(xì)胞汁液廢水各檢測(cè)指標(biāo)Table 2 Wastewater monitoring indicators of potato wastewater

2.2 泡沫的消除

由于廢水中有機(jī)質(zhì)含量高，溶液黏度較大，極易產(chǎn)生氣泡，雖然對(duì)有機(jī)質(zhì)回收起到一定促進(jìn)作用，但是對(duì)于整個(gè)廢水處理過(guò)程，卻造成了極大的困難。較多泡沫會(huì)導(dǎo)致臭氧與廢水沒有足夠的時(shí)間接觸，泡沫會(huì)帶走大量的水分，嚴(yán)重影響臭氧對(duì)廢水的處理效果。故系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要設(shè)計(jì)有刮渣板等除泡沫裝置，具體使用參數(shù)和方法仍需在生產(chǎn)中檢驗(yàn)。

2.3 臭氧利用率

在臭氧法處理廢水的過(guò)程中，臭氧和廢水的接觸時(shí)間和方法是影響處理效果的最重要的指標(biāo)，較高的臭氧利用率既可提高廢水處理效果，又可增加有機(jī)質(zhì)分離數(shù)量與質(zhì)量，更有利是可降低經(jīng)濟(jì)成本。所以在本課題中，不僅要設(shè)計(jì)效率更高的曝氣裝置，也需要有對(duì)未反應(yīng)臭氧盡可能回收再利用的功能。

基于NMR測(cè)試混凝土微觀結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)樣本，為圖2中隨機(jī)切割下來(lái)的尺寸為40 mm×40 mm×40 mm的混凝土立方體，盡量保持樣本中的粗骨料基本一致。圖3為 NMR法測(cè)試微觀結(jié)構(gòu)的混凝土樣本。

3 工程方案

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及工藝需求，系統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 臭氧降污裝置外觀立體圖Figure 1 Ozone drop unclean device appearance drawing

該裝置采用不銹鋼板加工成型，設(shè)備包括：控制臺(tái)、臭氧發(fā)生器、溶氣泵、反應(yīng)罐（罐1，圖2）廢水處理罐（罐2，圖3）、潛水式曝氣機(jī)、渦凹式曝氣機(jī)、曝氣盤、換向閥和截止閥等。

各部件通過(guò)不銹鋼管道連接，并通過(guò)各氣動(dòng)換向閥向各罐體內(nèi)注入廢水和臭氧。

設(shè)備為間斷性工作型。總體設(shè)計(jì)思路：廢水和臭氧通過(guò)溶氣泵混合進(jìn)入罐1，在罐1中有大量的臭氧微氣泡和廢水，處于封閉狀態(tài)進(jìn)行反應(yīng)?；旌弦欢螘r(shí)間后將混合液移入罐2，罐2中含有曝氣裝置持續(xù)使用臭氧進(jìn)行曝氣，氣泡帶動(dòng)有機(jī)質(zhì)上浮到液面。而液面上使用刮渣裝置將有機(jī)質(zhì)泡沫回收，進(jìn)行下一步處理。另外，罐1和罐2均可單獨(dú)運(yùn)行。

3.1 反應(yīng)罐（罐1）工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

反應(yīng)罐是臭氧和廢水混合反應(yīng)的裝置，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 反應(yīng)罐（罐1）立體圖及設(shè)計(jì)圖Figure 2 Reaction tanks design drawing（NO.1tanks）

廢水在罐內(nèi)的液位高度通過(guò)安裝在罐體頂部的液位傳感器指示，液位信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，液位到達(dá)上液位時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)出指令切斷進(jìn)廢水的大口徑閥門。

廢水在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的氣泡，氣泡可通過(guò)安裝在罐體頂部的排氣管進(jìn)入后續(xù)反應(yīng)罐內(nèi)。當(dāng)罐內(nèi)的液面低于某個(gè)位置以后，計(jì)算機(jī)打開一個(gè)小口徑的電磁閥向罐內(nèi)通廢水，達(dá)到上液面后自動(dòng)切斷。

在罐子內(nèi)部可安裝若干曝氣盤，通過(guò)曝氣機(jī)供氣，使罐內(nèi)廢水中的物質(zhì)隨氣泡向上浮，由于液面被控制在一定的高度，氣泡多了會(huì)順著排氣管流出。

也可把排氣管插入一個(gè)較粗的管道內(nèi)，該管道水位比罐1高，罐內(nèi)裝滿水，排氣管插到底，兩邊的壓力幾乎相等，雖然罐1的氣壓較大，但水位低，從罐1出來(lái)的大部分為氣泡，在反應(yīng)中可獲得第一批回收物。

3.2 廢水處理罐（罐2）工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

廢水處理罐是利用氣浮原理回收有機(jī)質(zhì)的裝置，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖3。

廢水通過(guò)管道進(jìn)入罐2，在罐2安裝一臺(tái)曝氣機(jī)（通過(guò)改變可換置渦凹曝氣機(jī)或潛水曝氣機(jī)或曝氣盤），臭氧管道分別連接到潛水式曝氣機(jī)或渦凹式曝氣機(jī)的空氣進(jìn)口。每個(gè)罐子配置3個(gè)閥門：大口徑進(jìn)水閥、小口徑進(jìn)水閥、排水閥。罐2的上蓋與罐體分成兩部分，通過(guò)開合便于設(shè)備的調(diào)換和清洗。上蓋連接泡沫掛渣裝置。

以渦凹式曝氣機(jī)為例，在罐2中設(shè)置渦凹曝氣機(jī)，曝氣機(jī)電機(jī)部分設(shè)置在液面上部，葉輪部分沉入液面底部。曝氣機(jī)啟動(dòng)后，葉輪高速旋轉(zhuǎn)，在曝氣機(jī)管道中形成負(fù)壓，從上部進(jìn)氣口吸入氣體，臭氧管道由此接入，將臭氧在罐底部打散成細(xì)小氣泡，通入廢水，臭氧氣泡進(jìn)入廢水后，一方面與廢水中相關(guān)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，一方面由于浮力，帶動(dòng)廢水中的大顆粒蛋白等有機(jī)質(zhì)浮出液面，在液面上形成較厚的泡沫層。在液面上設(shè)計(jì)有刮渣裝置，將電機(jī)通過(guò)刮板減速裝置連接刮板，調(diào)整并控制刮板轉(zhuǎn)速，使泡沫渣穩(wěn)定地轉(zhuǎn)移到刮渣槽內(nèi)，刮渣槽通過(guò)管道將泡沫浮渣轉(zhuǎn)移到收集裝置中。

設(shè)備內(nèi)的渦凹式曝氣機(jī)可替換為潛水式曝氣機(jī)或曝氣盤，通過(guò)不同曝氣設(shè)備的更換，可檢驗(yàn)出最佳的處理方式和條件。

廢水在罐內(nèi)的液位高度通過(guò)安裝在罐體頂部的液位傳感器指示，液位信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，液位到達(dá)上液位時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)出指令切斷進(jìn)廢水的大口徑閥門。當(dāng)液位降低后，通過(guò)控制臺(tái)的調(diào)節(jié)，可以使小口徑進(jìn)水閥打開，使液位上升。

反應(yīng)時(shí)，廢水可通過(guò)罐體側(cè)面的水嘴取出檢測(cè)。反應(yīng)后的廢水從罐體底部排出。

圖3 廢水處理罐（罐2）立體圖及設(shè)計(jì)圖Figure 3 Wastewater treatment tanks design drawing（NO.2tanks）

3.3 控制臺(tái)

本方案設(shè)計(jì)有控制臺(tái)，使用計(jì)算機(jī)控制整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行及各項(xiàng)參數(shù)?？刂频闹饕δ馨ǎ焊鏖y門的開關(guān)、臭氧發(fā)生器的開關(guān)及臭氧產(chǎn)生流量、溶氣泵開關(guān)、渦凹曝氣機(jī)或潛水曝氣機(jī)的開關(guān)和渦輪轉(zhuǎn)速、兩個(gè)罐體中的液位高度等。使用自動(dòng)化程度較高的控制設(shè)備，一方面使操作更為便捷、直觀，一方面可以使反應(yīng)過(guò)程更為流暢、穩(wěn)定。

4 小結(jié)

該馬鈴薯淀粉加工汁水臭氧降污的中試設(shè)備設(shè)計(jì)方案通過(guò)了由環(huán)保、機(jī)械、自控等方面的專家論證會(huì)論證，認(rèn)為切實(shí)可行，現(xiàn)已投料試制設(shè)備，將進(jìn)行生產(chǎn)應(yīng)用評(píng)價(jià)。

因本系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)方案是基于實(shí)驗(yàn)室結(jié)果的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，還存在一些不足，需要在生產(chǎn)過(guò)程中完善或修正。配套的自控體系也需要在實(shí)際應(yīng)用中確證大量工藝參數(shù)后方可建立。

此設(shè)備亦可以應(yīng)用到紅薯、玉米、木薯等多種高蛋白農(nóng)作物的淀粉加工工藝中，具有廣泛的應(yīng)用范圍。在中試驗(yàn)證成功后，仍需要繼續(xù)設(shè)計(jì)全自動(dòng)的控制設(shè)備，一體化的反應(yīng)裝置，降低設(shè)備的制造費(fèi)用，提高設(shè)備的處理速率，以適合更廣泛的市場(chǎng)需要。

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Design of pilot equipment for reducing pollution of wastewater with ozone in potato starch processing

ZHENG Huan1JIN Yi1QIN Li－kang1AN Jun2

（1.College of Life Science，Guizhou University，Guiyang，Guizhou550025，China；2.Guizhou Intelligent Control Engineering Research Co.Ltd，Guiyang，Guizhou550009，China）

A method was put forward based on on ozone treatment equipment，for a plenty of cell sap wastewater produced in potato starch processing which contains kinds of abundant organic matter and hard to be treated，through the ozone and waste water mixed reaction，and then，to use the gas float principles for the organic wastewater separation.The project had been demonstrated by experts，and feed making，for pilot test.

potato；potato wastewater；organic matter；ozone；pollutional index

10.3969／j.issn.1003－5788.2011.06.047

六盤水市省地科技合作協(xié)議馬鈴薯專項(xiàng)（編號(hào)：5202020100101）；貴州省重大科技專項(xiàng)［編號(hào)：黔科合重大專項(xiàng)字（2008）6009］

鄭歡（1988－），男，貴州大學(xué)在讀碩士研究生。E－mail：zhenghuan123＠126.com

秦禮康

2011－08－01