李友明，葛廣德，胡松青，侯軼,

（1.華南理工大學(xué)制漿造紙國家重點實驗室，廣東廣州 510640）（2.華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州 510640）

我國酵母工業(yè)主要是利用廢糖蜜（甜菜糖蜜和甘蔗糖蜜）作為酵母的生長碳源，工業(yè)上一般以蔗糖、葡萄糖或其它淀粉糖為原料，并以硫酸銨、氯化鈉、硫酸鎂和磷酸銨等作營養(yǎng)鹽生產(chǎn)酵母。由于酵母不能完全利用廢糖蜜中的有機(jī)物質(zhì)，剩余的有機(jī)物質(zhì)以及酵母在生長代謝過程中產(chǎn)生的有機(jī)物都進(jìn)入到廢水中，產(chǎn)生大量高濃度的且難以降解的酵母廢水。高濃度有機(jī)物給酵母廢水帶來了極大的治理難度，同時隨著酵母工業(yè)的飛速發(fā)展，酵母工業(yè)廢水直接排放對環(huán)境的污染問題日益突出，已成為制約國內(nèi)酵母企業(yè)發(fā)展的瓶頸[1]。研究表明，酵母廢水外觀呈現(xiàn)出深褐色，色度一般高達(dá)數(shù)萬度，CODCr高達(dá) 200000～800000 mg/L，廢水中含有大量難降解的有機(jī)物，導(dǎo)致廢水的可生化性能一般，直接進(jìn)入生化處理環(huán)節(jié)后，出水COD和色度濃度較高難以達(dá)標(biāo)排放[2]。

國外一般實行濃淡分開方法處理酵母工業(yè)廢水，高濃度廢水經(jīng)蒸發(fā)濃縮后，用作肥料和飼料，而低濃度廢水直接進(jìn)入生物處理系統(tǒng)，或者與處理后的城市廢水以一定比例混合，用于農(nóng)業(yè)灌溉，農(nóng)灌法投資少、操作方便，且非常適合于干旱地區(qū)的農(nóng)田灌溉[3]，但是農(nóng)灌法受土地類型、施用量、容納能力等條件限制。如果盲目濫用則會燒死植物、破壞土壤，污染地下水，甚至破壞整個生態(tài)系統(tǒng)。國內(nèi)酵母生產(chǎn)企業(yè)較少實現(xiàn)濃淡分開，則廢水直接進(jìn)入生化處理階段，由于酵母工業(yè)廢水硫含量高，其中的焦糖色素等大分子物質(zhì)難以被微生物徹底降解，制約了應(yīng)用成本較低的厭氧/好氧生化處理該類型廢水的工藝。

另外，焦糖色素是食品工業(yè)常用的一種食用色素，具有廣闊的應(yīng)用市場和較高的經(jīng)濟(jì)價值。不同的食品需要添加不同特性的焦糖色素，在食品配方中，主要根據(jù)焦糖色素的色率、紅色指數(shù)、pH值及膠體電荷等來選取不同的焦糖色素。其使用范圍包括糖果、果汁飲料、餅干、醬油、食醋、醋酸飲料和調(diào)味醬等，更由于焦糖色素具有水溶性好、著色能力強(qiáng)、性質(zhì)穩(wěn)定及安全無毒等特點，它在食品工業(yè)中的應(yīng)用更加廣泛。酵母廢水中焦糖色素成分含量較高，開展酵母工業(yè)廢水中焦糖色素的高值化回收利用及廢水有效治理，對發(fā)酵工業(yè)節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展具有重要的應(yīng)用價值。

因此，本文探討采用超濾膜分離高濃酵母廢水工藝的機(jī)理及可行性，回收焦糖色素，凈化廢水水質(zhì)，為后續(xù)生化處理提供可能性，為實現(xiàn)酵母廢水的綜合利用和達(dá)標(biāo)排放開辟新的途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 廢水的來源

廢水來自廣東某藥業(yè)有限公司，該公司以甘蔗糖蜜為原料，發(fā)酵生產(chǎn)藥用酵母，主要產(chǎn)品有干酵母片、食母生片。該企業(yè)產(chǎn)生的酵母廢水主要為生產(chǎn)過程中的一級分離廢水和二級分離廢水，混合后進(jìn)入廢水處理系統(tǒng)。本論文水樣為該企業(yè)產(chǎn)生的一級分離廢水，廢水呈酸性，pH值在4.5左右，CODCr濃度為19185.00 mg/L，BOD5濃度為 4796.00 mg/L，SO42-濃度為1438.00 mg/L，色度為11060.00度，現(xiàn)場取樣后廢水送到實驗室后保存在0～4 ℃的環(huán)境下備用。

1.1.2 主要儀器設(shè)備與試劑

儀器：DR6000分光光度儀器，美國HACH公司；TrakⅡBOD檢測儀，美國HACH公司；LRH-250BOD恒濕恒溫培養(yǎng)箱，廣東省醫(yī)療器械廠；PB-10 pH計，德國Sartorius公司；DZF-6020真空干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；TDL-40B高速離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠；RGB15/10二級膜分離試驗機(jī)，山東博納膜分離集團(tuán)有限公司；3 ku中空纖維超濾膜，山東博納膜分離集團(tuán)有限公司；C-MAG HP10加熱電動攪拌機(jī)，IKA儀器設(shè)備有限公司；7890GC-5975MS分析儀，美國Agilent Technology公司。

試劑：重鉻酸鉀、濃硫酸、硝酸銀、硫酸汞、氫氧化鈉、乙酸乙酯、無水硫酸鈉、氫氧化鋰皆為分析純；BOD營養(yǎng)液；哈希水質(zhì)檢測試劑和99%純度的焦糖色素。

1.2 實驗方法

1.2.1 超濾膜處理廢水

取一定量的酵母廢水，用高速離心機(jī)對酵母廢水離心處理，轉(zhuǎn)速為4000 r/min，時間為5 min，取上清液。調(diào)節(jié)二級膜分離試驗機(jī)，安裝截留分子量為3 ku的中空纖維超濾膜，安裝完畢后，啟動試驗機(jī)，將上清液置于二級膜分離試驗機(jī)中超濾分離。實驗完成后，超濾截留的濃縮液進(jìn)行高溫蒸煮，真空干燥，回收焦糖色素，透析液則進(jìn)行水質(zhì)檢測和分析，考察廢水中有機(jī)物種類及含量的變化。

1.2.2 焦糖色素的提取

超濾的濃縮液首先采用高溫蒸煮的方法，加熱電動攪拌機(jī)中水浴100 ℃持續(xù)蒸煮至黏膠狀，后在真空干燥箱中進(jìn)行真空干燥，絕對壓力為0 Pa，恒溫80 ℃干燥24 h得到焦糖色素的干粉樣品。此后對焦糖色素干粉樣品的品質(zhì)和超濾透過液的各項水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行檢測。焦糖色素的品質(zhì)包括色度、純度、耐酸度、耐鹽度及黃色指數(shù)、紅色指數(shù)等。

1.2.3 檢測分析

廢水水質(zhì)分析：CODCr濃度采用重鉻酸鉀消解比色法[4]，BOD5采用5日生化培養(yǎng)法[5]，氨氮采用水楊酸法[6]，SO42-測定采用USEPA標(biāo)準(zhǔn)方法，總磷（PO43-）、硫酸鹽（SO42-)、總鐵（Fe）、硅（SiO2)測定采用哈希檢測方法[7]，色度測定采用鉑鈷比色法[8]。

焦糖色素品質(zhì)檢測：色度采用侯振建的焦糖色素色度測定新方法，測定其EBC色度[9]；純度采用GB 1886.64所提供的方法進(jìn)行測定，紅色指數(shù)采用比色分析法測定[10]；黃色指數(shù)采用比色分析法測定[11]；耐酸性和耐鹽性采用濁度儀法測定[12]。

1.2.4 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）分析

1.2.4.1 預(yù)處理方法

廢水樣品需經(jīng)液-液萃取預(yù)處理步驟后，進(jìn)行氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)分析檢測，樣品萃取步驟介紹如下：

（a）分別取在4000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心10 min后的上清液水樣3份，每份50 mL，分別調(diào)節(jié)pH至4、7、12。靜置30 min后，在分液漏斗中對三份水樣分別進(jìn)行萃取。

（b）在水樣中加入50 mL乙酸乙酯，用力振蕩15 min，使廢水樣品和萃取劑充分混合均勻、進(jìn)行萃取，靜置30 min，使有機(jī)相和水相能夠充分分離，分離出有機(jī)相。

（c）對分離的水相加入50 mL乙酸乙酯進(jìn)行二次萃取，分離有機(jī)相。

（d）合并上述三種pH值水樣萃取分離出的有機(jī)相，加入無水硫酸鈉脫水后進(jìn)行干燥，直到剩余約10 mL，待GC-MS分析用。

1.2.4.2 分析方法

EI電離源，電子轟擊能量 70 eV，離子源溫度250 ℃，全掃描方式，掃描速度 500 u/s，掃描范圍33～500 u；載氣：高純氦，流量1 mL/min；色譜柱：DB-5石英毛細(xì)管柱，30 m×0.25 mm（內(nèi)徑）×0.25 mm（膜厚）；采用7683B系統(tǒng)進(jìn)樣器（Agilent Technology；美國）自動進(jìn)樣，進(jìn)樣口溫度為250 ℃，四級桿溫度為 150 ℃，傳輸線溫度為 280 ℃，程序升溫：初始60 ℃，保持2 min；再以10 ℃/min升至280 ℃，保持6 min；溶劑延遲4 min。分流比：2：1；進(jìn)樣量：1 μL。檢測出的有機(jī)物經(jīng)NIST和Wiley標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜譜庫進(jìn)行分析，最后采用合適積分進(jìn)行篩選記錄。

1.2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

檢測分析所得到的數(shù)據(jù)，整理分組后應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。每項指標(biāo)設(shè)3～5五個平行樣數(shù)據(jù)，計算數(shù)學(xué)期望，方差及標(biāo)準(zhǔn)偏差，確定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及統(tǒng)計學(xué)意義之后，取數(shù)學(xué)期望為實驗檢測最終數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)分析

酵母廢水和超濾后透析液的各項水質(zhì)指標(biāo)如表 1所示。

表1 酵母廢水的水質(zhì)污染分析Table 1 Analysis of the yeast wastewater quality

從表1可以看出，比對《酵母工業(yè)水污染排放標(biāo)準(zhǔn)》中的9項水質(zhì)控制指標(biāo)，該酵母廢水具有高COD、高色度、高SO42-含量，可生化性低BOD5/COD=0.25的特征，且外觀呈棕黑色，表明廢水中存在大量的發(fā)色基團(tuán)和助色基團(tuán)，導(dǎo)致了廢水較難直接進(jìn)行生化處理。分析實驗數(shù)據(jù)，超濾分離對于降低酵母廢水污染負(fù)荷效果比較明顯，表觀濁度及色度明顯下降，其中廢液中CODCr濃度下降了21.8%，色度下降了37.1%，CODCr總量下降了 35.0%，有機(jī)物負(fù)荷明顯下降，BOD5/CODCr由0.24升高至0.30，改善了廢水的可生化性能。另外，超濾工藝每次進(jìn)水體積為1 L，透析出水體積為0.83 L，其余濃縮液可經(jīng)高溫蒸煮等方法提取焦糖色素，提高了酵母廢水的回收利用價值，且透析液各項水質(zhì)特性得到提高，為后續(xù)廢水處理系統(tǒng)中生物處理工藝段的高效運行提供了保障。

2.2 廢水和透析液GC-MS分析

圖1 酵母原水超濾前后總離子流圖Fig.1 TIC of organic compound before and after ultrafiltration of yeast wastewater

酵母廢水和透析液中有機(jī)組分的定性分析采用氣相色譜/質(zhì)譜（GC/MS）聯(lián)用分析方法。廢水萃取物經(jīng)GC/MS石英毛細(xì)管柱程序升溫分離，采集總離子流圖如圖1所示。

其中有機(jī)成分較為復(fù)雜，將主要的各色譜吸收峰質(zhì)譜圖經(jīng)計算機(jī)檢索NIST和Wiley標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜譜庫，并參考保留時間及相關(guān)文獻(xiàn)資料，人工解析確定含量，結(jié)果列于表2。由圖1和GC-MS分析譜庫可以看出，酵母廢水中有機(jī)污染物主要為酚類、醇類、酮烴和脂類等，其中相對含量大于5%的有機(jī)物有3,4-二甲氧基苯酚、苯乙醇、3,4,5-三甲氧基苯酚、苯酚、2,5二甲氧基-1,4對苯二酚和鄰苯二甲酸二戊酯，總和占到有機(jī)物含量的69.80%。

同時含量最高的酚類化合物占58.44%，這是因為酚類物質(zhì)來源于糖蜜原料甘蔗當(dāng)中，在制糖和酵母發(fā)酵生產(chǎn)過程中，經(jīng)過一系列的加熱化學(xué)反應(yīng)，甘蔗中的酚類物質(zhì)經(jīng)轉(zhuǎn)化或降解后仍存在于廢水中，使得廢水污染負(fù)荷增大，顏色加深，難于降解，同時部分有機(jī)物（例如苯酚）可對自然環(huán)境造成毒害作用，對廢水中的生物處理形成抑制甚至是毒害作用，是酵母廢水難以達(dá)標(biāo)處理的重要原因所在。另外，結(jié)合水質(zhì)特性分析結(jié)果和圖譜中離子峰數(shù)量的減少及強(qiáng)度的減弱表明，廢水經(jīng)超濾膜分離處理后，總有機(jī)物含量下降了約35%，存在的大量有機(jī)物種類及含量得到了有效去除，其中苯酚、苯乙醇和蝶呤-6-羧酸等被完全去除，3,4二甲氧基苯酚和3,4,5三甲氧基苯酚等物質(zhì)含量大幅度減少，降低了廢水中難降解有機(jī)物的含量，減輕了對環(huán)境及生物的危害，提高了廢水的可生化性，利于后續(xù)凈化處理工藝的進(jìn)行。

表2 酵母廢水原水中GC/MS分析的主要有機(jī)物Table 2 The main organic compounds detected by GC/MS in yeast wastewater

2.3 焦糖色素品質(zhì)分析

圖2 焦糖色素干粉樣品Fig.2 The dry powder sample of caramel color

焦糖色素干粉的色度，純度紅色指數(shù)，黃色指數(shù)等理化性質(zhì)如表3所示。

從圖2和表3中可以看出，提取出的樣品焦糖色顏色較深，具有較高的色度，干粉樣品純度為53.50%，色度為 6.21×104EBC單位，紅色指數(shù)和黃色指數(shù)為3.19和5.31，且具有良好的耐鹽性和耐酸性。樣品外觀為粉狀顆粒，黑褐色且具有明顯的焦香味，綜合結(jié)果表明所得焦糖色素感官指標(biāo)符合食品添加劑焦糖色素的國家標(biāo)準(zhǔn)GB 8817-2001的相關(guān)要求，且廢水中焦糖干粉提取率為6.71 g/L，其中99%純度焦糖色素提取率為3.59 g/L。

因此，超濾膜分離高濃酵母廢水，不僅能顯著降低廢水的有機(jī)物污染負(fù)荷，同時可有效截留焦糖色素等大分子物質(zhì)，得到水溶性和質(zhì)量較好的焦糖色素產(chǎn)品，具有一定回收價值和經(jīng)濟(jì)效益。

表3 焦糖色素干粉理化性質(zhì)Table 3 Physical and chemical properties of caramel color dry powder

3 結(jié)論

3.1 酵母廢水中的有機(jī)物成分十分復(fù)雜，其中有機(jī)污染物主要為酚類、醇類、酮烴和脂類等，相對含量大于5%的有機(jī)物有3,4-二甲氧基苯酚、苯乙醇、3,4,5-三甲氧基苯酚、苯酚、2,5二甲氧基-1,4對苯二酚和鄰苯二甲酸二戊酯，總和占到有機(jī)物含量的 69.8%，同時含量最高的酚類化合物占58.44%。廢水中大部分有機(jī)物難于降解，且具有發(fā)色助色基團(tuán)，使得廢水污染負(fù)荷大，可生化性低，顏色加深，呈黑褐色，不利于生化工藝直接處理廢水。

3.2 超濾膜分離法能夠有效去除酵母廢水中的大量有機(jī)物，如苯酚、苯乙醇、3,4二甲氧基苯酚、吡喃酮和 3,4,5-三甲氧基苯酚等。超濾截留的濃縮液可資源化利用，回收焦糖色素，品質(zhì)優(yōu)良，純度較高，各項感官指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，具有一定的市場應(yīng)用價值。同時濾后的透析液濁度和色度明顯降低，各項水質(zhì)指標(biāo)均得到優(yōu)化，改善了廢水的可生化性，為后續(xù)生物處理廢水提供了良好的保障。

[1]周旋,劉慧.酵母廢水處理技術(shù)進(jìn)展[J].工業(yè)水處理,2007,27(7)：8-11 ZHOU Xuan, LIU Hui. Advances in yeast wastewater treatment technology [J]. Industrial Water Treatment, 2007,27(7)：8-11

[2]方學(xué)興.糖蜜酵母廢水的焦糖色素提取及厭氧工藝處理[D].廣州：華南理工大學(xué),2016 FANG Xue-xing. The extraction of caramel color with high concentration of yeast wastewater and anaerobic treatment process [D]. Guangzhou：South China University of Technology, 2016

[3]齊爍.高濃度酵母廢水生化處理技術(shù)的試驗研究[D].廣州：華南理工大學(xué),2011 QI Shuo. Test and research about biochemistry technique disposing high concentration yeast wastewater [D].Guangzhou：South China University of Technology, 2011

[4]孔彩云.淺談 COD與工業(yè)廢水的檢測[J].河北企業(yè),2015,9：154 KONG Cai-yun. Introduction to COD and industrial waste water [J]. Hebei Enterprise, 2015, 9：154

[5]李國剛,王德龍.生活需氧量測定方法綜述[J].中國環(huán)境監(jiān)測,2004,20(2)：55-57 LI Guo-gang, WANG De-long. Review on determination methods of Biological Oxygen Demand (BOD) [J].Environmental Monitoring in China, 2004, 20(2)：55-57

[6]倪林.工業(yè)廢水中氨氮測定預(yù)處理的新法探討[J].干旱環(huán)境監(jiān)測,2004,18(3)：188-190 NI Lin. New pretreatment method of determining NH3- N in industry sewage [J]. The Drought Environment Monitoring,2004, 18(3)：188-190

[7]余景芝.酵母生產(chǎn)與應(yīng)用手冊[M].北京：中國輕工業(yè)出版社,2005 YU Jing-zhi. Handbook of yeast production and application[M]. Beijing：China Light Industry Press, 2005

[8]錢飛躍.工業(yè)廢水色度的測定方法研究[J].工業(yè)水處理,2011,31(9)：72-75 QIAN Fei-yue. Research on the chroma measurement of industrial wastewater [J]. Advances in Yeast Wastewater Treatment Technology, 2011, 31(9)：72-75

[9]侯振建,岳春,王可.焦糖色素色度測定新方法研究[J].食品科學(xué),2002,3(11)：114-115 HOU Zhen-jian, YUE Chun, WANG Ke. Caramel color plain rate of new measuring method [J]. Food Science, 2002,23(11)：114-115

[10]鄭海燕.醬油中紅色指數(shù)的測定方法[J].中國調(diào)味品,1999,1：29-30 ZHENG Hai-yan. Soy sauce in red index method [J]. China Condiment, 1999, 1：29-30

[11]秦祖贈,陳永梅,粟春富.焦糖色素黃色指數(shù)的測定[J].中國調(diào)味品,2003,7：37-39 QIN Zu-zeng, CHEN Yong-mei, LI Chun-fu. Soy sauce in yellow index method [J]. China Condiment, 2003, 7：37-39

[12]謝長興.焦糖色素的耐鹽性及檢測方法[J].中國調(diào)味品,2004,12：35-36 XIE Chang-xing. The salt resistance of caramel pigment and testing methods [J]. China Condiment, 2004, 12：35-36