郑 欢 金 毅 秦礼康 安 军

（1.贵州大学生命科学学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州英特利智能控制工程研究有限责任公司，贵州 贵阳 550009）

马铃薯淀粉加工汁水臭氧降污的中试设备设计

郑 欢1金 毅1秦礼康1安 军2

（1.贵州大学生命科学学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州英特利智能控制工程研究有限责任公司，贵州 贵阳 550009）

针对马铃薯淀粉加工中，大量富含有机质的细胞液废水处理难度极大的问题，提出一种基于臭氧法处理装置的方案，通过臭氧与废水混合反应，再利用气浮原理达到分离废水中的有机质。

马铃薯；细胞汁液；有机质；臭氧；污染指标

贵州作为马铃薯主产大省，马铃薯年产量已近900万t［1］。因马铃薯富含淀粉，多被用为淀粉生产原料［2］。马铃薯淀粉生产过程中，产生了包括马铃薯清洗废水、淀粉洗涤废水、细胞汁液、薯渣、生活废水等多种废弃物［3］。其中，细胞汁液又称为蛋白液，为淀粉生产最后工序——汁液分离产生的高浓度有机废水，富含蛋白质、淀粉、可溶性糖、纤维素等多种有机污染物［4］，BOD、COD、SS等指标极高，呈黑褐色，气味刺鼻难闻［5］。

目前，国内外现已研究使用多种废水处理方式［6－10］，主要分为生物法、物理法和化学法三大类。其中较为成熟的有接触氧化法、生物氧化塘法、序批式活性污泥法（SBR）、厌氧滤池（AF）、升流式厌氧污泥床（UASB）、厌氧流化床（AFB）、沉淀法、吸附法、气浮法、絮凝法等多种。这些工艺中，均存在不同程度的多种弊端，如应用较多的生物法［7］，利用微生物作用降解废水中的有机物，废水中的有机物没回收，造成了资源浪费，同时还未解决废水黑褐色与恶臭味难题，而且该工艺处理高浓度有机物废水，工艺压力较大，经济成本较高，且最终浓缩转化而成的产物是固态污泥。

针对直接处理此高浓度废水的难题，不少人提出了先回收有机质再进行处理的方案［11－14］，一方面减轻了现有工艺的处理压力，一方面回收其中的蛋白质等有机质进行深加工延伸利用。目前，已有超滤法、絮凝法、加热加酸法、发酵法、膜分离法、混凝沉淀法等多种。但是，这些工艺方法的处理效果、经济成本和实用性均有不足，故多数仍未工业应用。

臭氧法［15－17］是利用臭氧对废水进行处理，通过化学作用，可以使其中的小分子蛋白颗粒胶粘形成大分子蛋白便于分离；还可利用臭氧的脱色除臭的能力，减轻废水色泽和异味。任燕等［16］前期已利用5.00g／h的臭氧发生器，对自制马铃薯汁液废水进行处理，在20℃条件下反应2h，可使COD、总磷、氨氮及悬浮物去除率分别65.89%、62.07%、62.71% 和84.12%，干物质回收率40.65%，且干物质中蛋白质占66.21%，显现出较好的降污效果和经济效益，具有较大的生产应用价值。本课题组以贵州玖圣绿色科技有限公司生产过程产生的马铃薯淀粉废水作为原料，对其水质特征进行评价，并设计一套基于臭氧法原理处理废水并回收有机质的装置，以实现在生产中的应用。

1 马铃薯淀粉废水水质特征

1.1 物理特性

马铃薯淀粉加工中的细胞汁液，由旋液工序分离产生［18］，刚从管道排出时，溶液粘度较大，极易产生气泡。静置一定时间，废水和泡沫分离，液体颜色呈黄褐色，较为浑浊，泡沫为白色；继续静置，溶液底部产生沉淀，溶液上层出现浮渣。溶液暴露在空气中很快变成深褐色，最终变为黑色，泡沫也变成黑色，长期放置还会产生恶臭味。

1.2 主要有机物含量

马铃薯细胞汁液的主要成分为蛋白质、未提取完全的淀粉、糖类、纤维等物质。根据各物质国标法或使用快速检测设备，得到细胞汁液中主要物质及含量见表1。

其中，由于细胞汁液易产生气泡，泡沫细小密实，稳定性好，不易破碎；溶液静置或离心后产生沉淀，故分别对泡沫、离心（3 000r／min，5min）后沉淀物及悬液中的蛋白质含量进行分别测定。检测发现，蛋白质在离心后沉淀物中、离心后悬液中、泡沫中的含量分别为45%～55%、40%～45%、45%～55%。

表1 细胞汁液干物质中主要物质及含量Table 1 Main material and content of dry basis in potato wastewater

1.3 各项污染指标

由于马铃薯细胞汁液废水中含有大量的有机物，属于高浓度有机废水。通过对目标废水各项排放指标的检测与国家二级排放标准进行对比，可看出处理难度极高，见表2。

2 废水处理重点和难点

根据马铃薯汁液废水的主要成分、性状、相关污染指标等情况进行分析，废水在实际处理过程中，有较多需要注意的重点和难点，主要有有机质的分离、泡沫的消除、臭氧的利用率等。

2.1 有机质的分离

分离出废水中的有机质，不仅减轻了后续处理工艺的压力，而且可以分离优质蛋白，延伸产业链。臭氧处理一方面需要利用气浮原理使有机质从溶液中分离，另一方面也需要利用臭氧的化学作用，使回收的有机质色泽及气味较为纯正。其中臭氧的使用量和废水的接触时间和方法需着重把握。

表2 细胞汁液废水各检测指标Table 2 Wastewater monitoring indicators of potato wastewater

2.2 泡沫的消除

由于废水中有机质含量高，溶液黏度较大，极易产生气泡，虽然对有机质回收起到一定促进作用，但是对于整个废水处理过程，却造成了极大的困难。较多泡沫会导致臭氧与废水没有足够的时间接触，泡沫会带走大量的水分，严重影响臭氧对废水的处理效果。故系统设计中需要设计有刮渣板等除泡沫装置，具体使用参数和方法仍需在生产中检验。

2.3 臭氧利用率

在臭氧法处理废水的过程中，臭氧和废水的接触时间和方法是影响处理效果的最重要的指标，较高的臭氧利用率既可提高废水处理效果，又可增加有机质分离数量与质量，更有利是可降低经济成本。所以在本课题中，不仅要设计效率更高的曝气装置，也需要有对未反应臭氧尽可能回收再利用的功能。

基于NMR测试混凝土微观结构的试验样本，为图2中随机切割下来的尺寸为40 mm×40 mm×40 mm的混凝土立方体，尽量保持样本中的粗骨料基本一致。图3为 NMR法测试微观结构的混凝土样本。

3 工程方案

根据现有技术标准及工艺需求，系统装置设计见图1。

图1 臭氧降污装置外观立体图Figure 1 Ozone drop unclean device appearance drawing

该装置采用不锈钢板加工成型，设备包括：控制台、臭氧发生器、溶气泵、反应罐（罐1，图2）废水处理罐（罐2，图3）、潜水式曝气机、涡凹式曝气机、曝气盘、换向阀和截止阀等。

各部件通过不锈钢管道连接，并通过各气动换向阀向各罐体内注入废水和臭氧。

设备为间断性工作型。总体设计思路：废水和臭氧通过溶气泵混合进入罐1，在罐1中有大量的臭氧微气泡和废水，处于封闭状态进行反应。混合一段时间后将混合液移入罐2，罐2中含有曝气装置持续使用臭氧进行曝气，气泡带动有机质上浮到液面。而液面上使用刮渣装置将有机质泡沫回收，进行下一步处理。另外，罐1和罐2均可单独运行。

3.1 反应罐（罐1）工作原理及结构设计

反应罐是臭氧和废水混合反应的装置，结构设计见图2。

图2 反应罐（罐1）立体图及设计图Figure 2 Reaction tanks design drawing（NO.1tanks）

废水在罐内的液位高度通过安装在罐体顶部的液位传感器指示，液位信号输入计算机，液位到达上液位时，计算机发出指令切断进废水的大口径阀门。

废水在反应过程中会产生大量的气泡，气泡可通过安装在罐体顶部的排气管进入后续反应罐内。当罐内的液面低于某个位置以后，计算机打开一个小口径的电磁阀向罐内通废水，达到上液面后自动切断。

在罐子内部可安装若干曝气盘，通过曝气机供气，使罐内废水中的物质随气泡向上浮，由于液面被控制在一定的高度，气泡多了会顺着排气管流出。

也可把排气管插入一个较粗的管道内，该管道水位比罐1高，罐内装满水，排气管插到底，两边的压力几乎相等，虽然罐1的气压较大，但水位低，从罐1出来的大部分为气泡，在反应中可获得第一批回收物。

3.2 废水处理罐（罐2）工作原理及结构设计

废水处理罐是利用气浮原理回收有机质的装置，结构设计见图3。

废水通过管道进入罐2，在罐2安装一台曝气机（通过改变可换置涡凹曝气机或潜水曝气机或曝气盘），臭氧管道分别连接到潜水式曝气机或涡凹式曝气机的空气进口。每个罐子配置3个阀门：大口径进水阀、小口径进水阀、排水阀。罐2的上盖与罐体分成两部分，通过开合便于设备的调换和清洗。上盖连接泡沫挂渣装置。

以涡凹式曝气机为例，在罐2中设置涡凹曝气机，曝气机电机部分设置在液面上部，叶轮部分沉入液面底部。曝气机启动后，叶轮高速旋转，在曝气机管道中形成负压，从上部进气口吸入气体，臭氧管道由此接入，将臭氧在罐底部打散成细小气泡，通入废水，臭氧气泡进入废水后，一方面与废水中相关物质发生反应，一方面由于浮力，带动废水中的大颗粒蛋白等有机质浮出液面，在液面上形成较厚的泡沫层。在液面上设计有刮渣装置，将电机通过刮板减速装置连接刮板，调整并控制刮板转速，使泡沫渣稳定地转移到刮渣槽内，刮渣槽通过管道将泡沫浮渣转移到收集装置中。

设备内的涡凹式曝气机可替换为潜水式曝气机或曝气盘，通过不同曝气设备的更换，可检验出最佳的处理方式和条件。

废水在罐内的液位高度通过安装在罐体顶部的液位传感器指示，液位信号输入计算机，液位到达上液位时，计算机发出指令切断进废水的大口径阀门。当液位降低后，通过控制台的调节，可以使小口径进水阀打开，使液位上升。

反应时，废水可通过罐体侧面的水嘴取出检测。反应后的废水从罐体底部排出。

图3 废水处理罐（罐2）立体图及设计图Figure 3 Wastewater treatment tanks design drawing（NO.2tanks）

3.3 控制台

本方案设计有控制台，使用计算机控制整个设备的运行及各项参数。控制的主要功能包括：各阀门的开关、臭氧发生器的开关及臭氧产生流量、溶气泵开关、涡凹曝气机或潜水曝气机的开关和涡轮转速、两个罐体中的液位高度等。使用自动化程度较高的控制设备，一方面使操作更为便捷、直观，一方面可以使反应过程更为流畅、稳定。

4 小结

该马铃薯淀粉加工汁水臭氧降污的中试设备设计方案通过了由环保、机械、自控等方面的专家论证会论证，认为切实可行，现已投料试制设备，将进行生产应用评价。

因本系统设备设计方案是基于实验室结果的基础上设计的，还存在一些不足，需要在生产过程中完善或修正。配套的自控体系也需要在实际应用中确证大量工艺参数后方可建立。

此设备亦可以应用到红薯、玉米、木薯等多种高蛋白农作物的淀粉加工工艺中，具有广泛的应用范围。在中试验证成功后，仍需要继续设计全自动的控制设备，一体化的反应装置，降低设备的制造费用，提高设备的处理速率，以适合更广泛的市场需要。

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18 潘牧，陈超，丁海兵，等.贵州省马铃薯加工产业的现状、问题及其发展对策［J］.食品与机械，2011，27（4）：173～176

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

六盘水市省地科技合作协议马铃薯专项（编号：5202020100101）；贵州省重大科技专项［编号：黔科合重大专项字（2008）6009］

郑欢（1988－），男，贵州大学在读硕士研究生。E－mail：zhenghuan123＠126.com

秦礼康

2011－08－01