臭氧處理馬鈴薯淀粉加工廢水的白地霉凈化

任燕，梅勻，曾艷，秦禮康,*

（1.貴州大學生命科學學院，貴州貴陽550025；2.貴陽生產力促進中心，貴州貴陽550003）

臭氧處理馬鈴薯淀粉加工廢水的白地霉凈化

任燕1，梅勻2，曾艷1，秦禮康1,*

（1.貴州大學生命科學學院，貴州貴陽550025；2.貴陽生產力促進中心，貴州貴陽550003）

采用白地霉凈化臭氧預處理馬鈴薯淀粉加工廢水，并回收菌體蛋白。結果表明，在單因素篩選基礎上，通過正交試驗，白地霉凈化臭氧預處理馬鈴薯淀粉加工廢水的最佳工藝參數為：廢水添加(NH4)2HPO40.1%、接種量7.5%、pH5.0、葡萄糖0.3%；此條件下，白地霉培養40 h，化學需氧量（COD）值為236.600 mg/L達廢水排放二級標準，同時獲得菌體蛋白236.600 mg/L，蛋白含量為25.67%。

馬鈴薯淀粉加工廢水；臭氧預氧化；白地霉；凈化；菌體蛋白

Abstract：Purification of potato starch wastewaters after ozone preoxidation by Geotrichum candidum were investigated.SCP can be obtained from culturing Geotrichum candidum.Optimzation of process parameters of culturing were studyed to purifify potato starch wastewaters.On the basis of single-factor test,orthogonal designs L9(34)were adopted for optimization of process parameters.The results showed that the optimal parameters were:adding 0.1%(NH4)2HPO4,0.1%glucose into the wastewater and inoculation amount of 7.5%and culturing Geotrichum candidum within pH=5.Under the experimental condition,COD value was 236.600 mg/L and can be permitted to discharge culturing Geotrichum candidum by 40 h.Dry SCP got from wastewater was 236.600 mg/L with 25.67%protein in it.

Key words:potato starch processing wastewater;pre-oxidation;Geotrichum Candidum;purification;single cell protein

馬鈴薯是世界四大糧食作物之一[1]，由于馬鈴薯的淀粉含量豐富，已成為食品淀粉生產工業的一個重要物料來源[2]。然而馬鈴薯淀粉加工廢水，富含蛋白質、淀粉、糖類、脂肪等有機物，懸浮物濃度大，化學需氧量高[3]，并且因多酚類物質氧化褐變形成大量的褐色素或黑色素，廢水色澤深，是食品工業中污染最嚴重的廢水之一，給環境帶來極大危害。目前，馬鈴薯淀粉加工業中常用的廢水處理方法有生物法處理、膜技術處理、絮凝處理法等，存在著操作復雜、運行成本高、濾膜易被賭塞、有機物去除率低等缺點[4]，且在上述方法對廢水色澤的處理都無濟于事。因此，找尋一種快速、高效、低耗的馬鈴薯淀粉加工廢水處理方法己成當務之急。

臭氧作為一種強氧化劑，具有極強的氧化能力，在處理一些難降解的有機染料廢水方面，已顯現較好的降解效果[5]。采用臭氧沖泡處理馬鈴薯淀粉廢水，能降低廢水中的有機物含量，但仍未達到排放標準，廢水中還含有一些如蛋白、糖等有機質，需要進一步處理。

白地霉（Geotrichum Candidum）是一種很常見的真菌，其菌體蛋白營養價值高，可供食用及飼料用。白地霉具有對培養基營養要求低、適應性強、生長快、生產方法簡單、宜于工業化生產等特點，因而是一種極具發展潛力的工業微生物[6]，白地霉處理廢水的研究呈現增多趨勢，如Nedra及R.Borja等均采用白地霉對橄欖油廢水進行處理，取得較好脫色和降污效果[7-8]；李玉[9]等應用白地霉凈化玉米淀粉工業廢水，其是化學需氧量（COD）去除率達90%。鑒于日益增加的馬鈴薯淀粉加工廢水的復雜性和廣泛性，利用白地霉的生長特點結合臭氧處理技術在經濟和節能方面的優點，本研究采用白地霉對臭氧預氧化淀粉廢水進行生化處理，以期在降低廢水有機物、減輕環境污染使淀粉廢水能達標排放，同時，回收菌體蛋白，實現淀粉生產廢水的資源化循環利用，為解決馬鈴薯淀粉加工業發展的“瓶頸”問題提供科學參考。

1 材料

1.1 菌種

白地霉(Geotrichum candidum)：貴州大學生命科學院微生物實驗室提供。

1.2 試劑

葡萄糖、硫酸銨、硫酸鎂、磷酸二氫鉀、酵母膏：均國產分析純；重鉻酸鉀為優級純。

1.3 培養基

固體斜面培養基：馬鈴薯培養基；搖瓶種子培養液：葡萄糖10g，硫酸銨5g，硫酸鎂1g，磷酸二氫鉀5g，酵母膏2 g，去離子水1000 mL，pH=6；廢水凈化培養基：實驗室模擬淀粉加工廠生產過程制備馬鈴薯淀粉加工廢水。

1.4 儀器與設備

HZQ-Q振蕩器：東聯電子技術開發有限公司；FA2004分析天平：上海良平儀器儀表有限公司；LD4-2離心機：北京醫用離心機廠。

2 方法

2.1 微生物培養

固體斜面培養：28℃、培養3 d。

液體菌種：將斜面活化的白地霉接種于搖瓶種子培養液中，28℃、振蕩（150 r/min）培養24 h。

馬鈴薯淀粉廢水凈化培養：28℃下振蕩培養48 h（搖動床轉速為150 r/min）。

2.2 白地霉凈化臭氧預處理廢水培養條件研究

采用白地霉凈化臭氧預處理馬鈴薯淀粉加工廢水，需要補充適量的無機鹽、碳源。在經臭氧預處理過的馬鈴薯淀粉加工廢水中添加一定量的(NH4)2HPO4和葡萄糖，接入液體菌種，分裝入三角瓶中，裝液量50 mL/250 mL，在28℃下振蕩培養48 h（搖動床轉速為 150 r/min），分別考察(NH4)2HPO4、葡萄糖添加量、菌種接種量及pH值對生物量及凈化廢水后的化學需氧量（COD）值。

2.2.1 單因素試驗

2.2.1.1 (NH4)2HPO4添加量對凈化效果影響

以5%接種量接種于廢水并凈化廢水（28℃、裝液量 50 mL/250 mL、pH＝5）48 h，考察添加 0%～1.5%（NH4）2HPO4對生物量及COD的影響。

2.2.1.2 葡萄糖添加量對凈化效果影響

以5%接種量接種于廢水并凈化廢水(28℃、裝液量50 mL/250 mL、pH=5)48 h，考察添加0%～1.5%葡萄糖對生物量及COD的影響。

2.2.1.3 接種量對凈化效果影響

分別以3%～15%接種量接種于廢水中，廢水不經滅菌處理，白地霉培養并凈化廢水（28℃、裝液量50 mL/250 mL、pH=5）48 h，測定生物量及 COD。

2.2.1.4 pH對馬鈴薯淀粉加工廢水凈化的影響

分別調節廢水pH值4～7，5%接種量接種于廢水并凈化廢水(28℃、裝液量50 mL/250 mL)48 h，測定生物量及COD。

2.2.2 正交試驗

在單因素試驗基礎上，以菌體生物量及廢水COD值為指標，對(NH4)2HPO4、葡萄糖濃度、接種量及pH 4個因素進行正交試驗見表1，確定最佳白地霉凈化廢水液體培養條件。

表1 因素水平設計表Table 1 Factors and levels of orthogonal test design

2.2.3 白地霉凈化廢水動態試驗

在上述所得的最佳試驗條件下，以菌體生物量及廢水COD值為指標，動態考察時間對白地霉凈化廢水的效果。從發酵起點開始計算，每8 h取樣離心并測定菌體生物量及廢水COD值。

2.2.4 測定方法

2.2.4.1 生物量測定方法

離心培養至終點時的培養液，離心（4000 r/min）棄上清液，蒸餾水清洗白地霉菌體，烘至恒重。

2.2.4.2 COD值測定方法

采用重鉻酸鉀法測定離心上清液及原廢水COD值。

2.3 數據分析

本試驗數據采用SPSS11.5軟件進行分析處理。

3 結果與分析

3.1 單因素試驗

單因素試驗見表2。

表2 (NH4)2HPO4對廢水凈化效果的影響Table 2 Effect of(NH4)2HPO4on purifying wastewater

由表2可知，添加一定量的(NH4)2HPO4可提高菌體生物量及降低COD至廢水排放標準；但當(NH4)2HPO4添加量大于1.0%時，生物量得到大幅度提高，COD值反而增加，其原因可能是多余的(NH4)2HPO4白地霉沒有利用而余留于液體中，增加廢水自身有機物量，從而增加了COD。因此，(NH4)2HPO4是影響白地霉凈化廢水的因素之一。

表3 葡萄糖對廢水凈化效果的影響Table 3 Effect of glucose on purifying wastewater

由表3可知，葡萄糖的添加與(NH4)2HPO4加入趨勢一致，原因也是多余的葡萄糖參與廢水有機物使得廢水COD值高于初始值。因此，葡萄糖也是影響白地霉凈化廢水重要因素之一。

表4 接種量對廢水凈化效果的影響Table 4 Effect of inoculation amount on purifying wastewater

由表4可知，5%～15%接種量對白地霉的生物量沒有太大影響，生物量為僅從1.127 g/L增加到1.167 g/L，分析結果顯示差異性不顯著，因此考慮經濟因素，以小于5%接種量作進一步試驗。

表5 pH對廢水凈化效果的影響Table 5 Effect of pH on purifying wastewater

由表5可知，pH對馬鈴薯淀粉加工廢水凈化率影響比較大,其中pH在5～6生物量及COD降低效果都較好，因此選擇pH為5～6進一步試驗。

3.2 正交試驗

正交試驗見表6。

表6 白地霉凈化廢水正交表L9（34）Table 6Results of otrhogonal test L9（34）

表7 正交試驗方差分析表（COD）Table 7 Analysis of variance of orthogonal test(COD)

由表6可知，極差結果顯示影響因素順序為：A＞C＞D＞B。以生物量為指標、得到的最佳工藝參數為A2C3D2B2，而以COD為指標最佳工藝參數為A1C2D1B3；正交試驗方差結果（表7）表明：(NH4)2HPO4、葡萄糖、接種量及pH 4個因素P＜0.01，即對COD降低的影響均達極顯著水平，而表8結果表明4個因素中，葡萄糖對應的P＞0.05，說明葡萄糖對生物量的增大影響不顯著，因此，本試驗從COD的降污效果角度考慮，確定A1C2D1B3添加為最佳工藝參數，即(NH4)2HPO40.1%、接種量7.5%、pH5.0、葡萄糖0.3%。

表8 正交試驗方差分析表（生物量）Table 8 Analysis of variance of orthogonal test(biomass)

3.3 白地霉培養時間對廢水凈化效果的影響

根據所得的最佳工藝參數條件，對白地霉凈化馬鈴薯淀粉加工原廢水及臭氧預處理廢水過程中的生物量及COD兩個參數進行動態考察見圖1。

結果表明：隨著培養時間的增加，廢水的COD值逐漸降低，菌體生物量增加。尤其在24 h時，臭氧處理廢水COD降低至788.713 mg/L，較原廢水先達到廢水排放三級污水綜合排放標準1000 mg/L（GB8978-96），在40 h時COD值持續降低至236.600 mg/L，達廢水排放二級標準300 mg/L，之后的時間內處于平穩階段；而原廢水是在48 h達二級標準，之后COD值反而略升高，這可能是由于菌體自溶所致。就生物量而言，兩類廢水都在逐漸增高，但原廢水要明顯高于臭氧處理廢水，可能是后者中大部分有機物被破壞不能被白地霉利用而原廢水中存在的有機物更適合于白地霉發酵環境。綜合考濾COD的去除效果，最終確定白地霉培養時間為40 h，同時獲得菌體蛋白2.040 g/L，并測得其蛋白含量為25.67%。

4 結論

1）通過正交試驗，考慮經濟因素及COD的降污效果，白地霉凈化臭氧預處理馬鈴薯淀粉加工廢水的最佳工藝參數為：A1C2D1B3，即廢水添加(NH4)2HPO40.1%、接種量7.5%、pH5.0、葡萄糖0.3%。

2）在最佳工藝參數條件下，白地霉動態發酵時間為40 h，COD值為236.600 mg/L達廢水排放二級標準，同時獲得菌體蛋白2.040 g/L，其蛋白含量為25.67%。

3）通過原廢水與臭氧預處理廢水發酵時間對比分析，預處理廢水比原廢水少提前8 h達標排放，即臭氧預處理馬鈴薯淀粉加工廢水對其降污起關鍵作用。

4）上述結果表明，臭氧與微生物法結合作用對高濃度馬鈴薯淀粉加工有機廢水的降污有很好效果。

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Purification of Wastewater from Potato Starch Production of Ozone Treatment by Geotrichum Candidum

REN Yan1,MEI Yun2,ZENG Yan1,QIN Li-kang1,*
（1.College of Life Science，Guizhou University，Guiyang 550025，Guizhou,China；2.Guiyang Productivity Promotion Center，Guiyang 550003，Guizhou,China）

2010-03-08

貴州省科技重大專項-(子項目三“)馬鈴薯深精加工關鍵配套技術研究”(黔科合重大專項[2008]6009號);六盤水市科技局項目“馬鈴薯產業化深加工關鍵配套技術研究”(52020-07-008)

任燕(1984—)，女（布依），碩士研究生，研究方向：食品安全與質量控制。

*通訊作者：秦禮康(1965—)，男，教授，研究方向：食品加工與安全。