紫薯色素生產廢水的生化處理研究

譚鈺 余中山

湖北師范學院城市與環境學院 （中國黃石 435002）

Tan Yu Yu Zhongshan

環境保護

紫薯色素生產廢水的生化處理研究

譚鈺 余中山

湖北師范學院城市與環境學院 （中國黃石 435002）

高紫色素品種的紫薯加工出的天然食用色素可以代替人工合成色素，在食品工業中已得到廣泛的應用。但從紫薯中提取色素所產生的廢水具有化學需氧量（COD）質量濃度高、色度大等特點，必須處理達標后才能排放。通過對特定微生物的馴化，使其降解該類廢水，探討其生化降解特性。實驗結果表明，在好氧反應器內pH值約為5、COD的初始質量濃度約為1600 mg/L條件下，利用好氧生物接觸氧化法處理6 h后，廢水的COD質量濃度可降至200 mg/L以下。

紫薯色素 COD 生物接觸氧化

0 前言

隨著經濟的發展、人們生活水平的提高以及對健康生活理念的推崇，食品添加劑的安全性越來越被重視。據了解，天然色素以其安全性高、色彩自然而受到廣大消費者的歡迎，已在食品工業中得到廣泛的應用，從植物中提取天然色素作為著色劑已成為研究熱點[1]。紫薯色素作為一種天然的食用色素，安全、無毒、無異味、色彩鮮艷、資源豐富，與其他同類色素相比，性質較穩定，而且具有一定的營養和藥理作用，在食品、飲料、化妝品、醫藥等方面有著較大的應用潛力。紫薯提取色素后具有有效活性物質的殘渣還可以生產紫薯食品及飲料，具有較高的綜合利用價值。紫薯中的紫色素為以花色苷為基礎的多酚類物質，具有很強的抗氧化作用。

高紫色素品種的紫薯加工生產出的天然食用色素可以代替人工合成色素，但隨之而來的是加工該類產品的廢水會對環境造成一定的負面影響。因此，研究該類廢水的性質以及處理工藝具有重要意義，對該行業的發展起著必要的推動作用。

從紫薯中提取色素的加工過程產生的廢水主要特點為化學需氧量（COD）質量濃度高、色素含量大。本實驗通過接種某生活污水處理廠的污泥，馴化微生物，利用好氧生物接觸氧化法將實際廢水降解。原生動物體積較細菌大，便于觀察，對環境條件改變比細菌更加敏感，周圍環境發生變化時也會很快地在種群、個體形態、代謝活力等方面發生相應變化。因此可根據微生物的生長情況與COD值的變化情況，判斷廢水的可生化性。

1 實驗部分

1.1 實驗材料、儀器與化學試劑

材料、試劑：實驗廢水取自黃石某生物科技公司，廢水呈酸性（pH=2～3），COD值約為12000 mg/L；微生物營養液；填料若干；重鉻酸鉀、硫酸銀、濃硫酸、硫酸亞鐵氨、試亞鐵靈指示劑、硫酸汞等，均為分析純。

儀器設備：小型塑料桶（2 L）2個、電磁式充氧設備、JH-12型COD恒溫加熱儀、顯微鏡等。

1.2 分析方法

COD的測定使用重鉻酸鉀法[2]。

1.3 實驗方法

（1）微生物馴化方法

將某運行中的生活污水處理廠活性污泥接種至實驗桶中，在向實驗桶加入營養液的同時，持續加入用氫氧化鈉（NaOH）調節pH值至近中性的待處理廢水，通過加入廢水量的遞增，使微生物不斷適應該種廢水，同時大量繁殖。

（2）好氧生物處理法：好氧生物接觸氧化法具有填料比表面積大、充氧條件好、無需污泥回流、生物固體量多、有機容積負荷高等特點，是一種介于活性污泥法和生物濾池兩者之間的生物處理技術，也可以說是具有活性污泥法特點的生物膜法，兼具兩者的優點[3-4]。

2 結果與討論

2.1 好氧微生物降解特點

將某正在運行的生活污水處理廠的好氧菌裝入2只小型塑料桶中，編號為1、2。每只桶內加入適量填料和適量的微生物營養液，開始培養使填料掛膜。待微生物生長狀況良好后，開始加入高濃度的紫薯色素廢水，并以該時間作為實驗的時間起點。

2.1.1 未經馴化的微生物降解廢水的效果

在實驗開始第一天，未投入廢水時，先取適量1號桶水樣，用作檢測微生物降解廢水效果的對照樣。然后立即向1號桶中加入用NaOH調節、pH值為7的該廠廢水50 mL，待廢水在桶中混合均勻5 min后取出適量水樣，然后在好氧曝氣2、4、6、8、10 h時分別取適量水樣，測定該7個水樣的COD值（結果見圖1），同時觀察微生物的生長情況。

圖1 1號桶COD質量濃度隨時間的變化曲線（第一天）

1號桶在加入廢水前，水質清澈，桶內含有的微生物中，纖毛類的豆形蟲、漫游蟲、草履蟲等數量較多且活躍，說明生長狀況良好。加入廢水后，桶中的微生物種類和數量明顯減少，活動變得遲鈍，且生物膜變得松散、水質變得渾濁。廢水經10 h生化處理后，桶中COD值從1197 mg/L降為1102 mg/L。

上述實驗結果表明，未經馴化的微生物處理效果不佳，COD降解率僅為7.94%。直接將該種廢水加入桶中，桶中的微生物不能馬上適應。因此，需對微生物進行馴化，使桶中的微生物能在該種廢水中生長、繁殖。

2.1.2 經馴化后的微生物降解廢水的效果

從實驗第一天開始，向2號桶中加入該種廢水馴化微生物。馴化過程如下：第一天，向2號桶中加入10 mL該種廢水和適量微生物培養液，同時觀察微生物的生長情況；第二天和第三天，重復第一天的操作；第四天，改為加入20 mL該廢水和適量微生物培養液，同時觀察微生物的生長情況；第五天至第十天重復以上操作。此后每天該廢水的加入量都比前一天增加20 mL，直至每次加入100 mL，同時觀察微生物的生長情況和pH值的變化。在馴化過程中，第二天很多物種消失，其余微生物數量減少，也不活躍；第三天之后產生了一些纖毛類的草履蟲、線蟲，少量鐘蟲、輪蟲等原生、后生微生物，這些新產生的微生物活性漸漸增強，數量漸漸增多，桶中的水質也逐漸變得清澈，說明微生物生長狀況良好[5-6]。

微生物馴化過程中，廢水pH值的變化見表1。

表1 pH值的變化情況

由表1可知，該種廢水在處理過程中，其pH值會增加。這是由于廢水中的弱酸性有機物能被微生物利用降解，而中和廢水時，使用了NaOH，其Na+會留存在水中，從而引起pH值的升高，不利于微生物生長。為消除這一不利影響，第十天后，實驗加入廢水時，pH值調整至5，可保持2號桶內微生物生長的適宜pH值。

在第16天選取2號桶測定廢水COD，用NaOH調節廢水pH值為5之后，再向2號桶中加入廢水100 mL，待曝氣混勻5 min后，取適量水樣待測。此后2、4、6、8 h各取桶中適量水樣待測。5個水樣的COD值測定結果見圖2。

圖2 2號桶COD質量濃度隨時間的變化曲線（第16天）

通過對微生物的觀察發現，微生物的數量從開始加入廢水時的大量減少、活性降低，到馴化過程中不斷增多、活性不斷增強，再到后來的大量繁殖，說明馴化能改變微生物的適應性，使其優勝劣汰。

再經過一周后（每天加入100 mL廢水），2號桶中水質清澈。第23天，分時段取2號桶中的水進行測定（取樣方法同上），結果見圖3。該廢水經適當中和處理后能利用微生物進行降解，其COD降解率高達77%～92%。

圖3 2號桶COD質量濃度隨時間的變化曲線

2.2 實驗室馴化后的菌種投入廢水處理站對廢水的降解效果

在實驗期間，產生該類廢水的公司新建的廢水處理站進入調試階段，于是將實驗室馴化完成后的微生物投入該污水站的好氧池。每隔一段時間取好氧池出水口的水樣，測定其COD值，結果見圖4。

圖4 投產后COD質量濃度隨時間的變化曲線

結果表明廢水處理站運行良好，當好氧池進水量為450 t/d時，且控制廢水進入好氧生化反應器的COD質量濃度約為400 mg/L的條件下，出水口的COD值可達到100 mg/L以下。經過兩個多月的連續運行，出口水質的COD值可以穩定達到國家《污水綜合排放標準》規定的一級標準，且水質清澈，好氧池中微生物生長狀況良好。

3 結論

（1）經馴化的微生物對紫薯色素生產廢水具有顯著的降解作用。

（2）通過對該種廢水水質的連續監測發現，實驗室馴化的微生物在該廠廢水處理設施中繁殖迅速，并能長期、穩定、高效地降解廢水中的有機物。

[1] 沈勇根,上官新晨,徐明生,等.紫紅薯色素的提取和精制[J].江西農業大學學報,2004,26(6):912-916.

[2] 奚旦立,孫裕生,劉秀英.環境監測[M].北京:高等教育出版社,2007:562-564.

[3] 劉雨,趙慶良,鄭興燦.生物膜法污水處理技術[M].北京:中國建筑工業出版社,1996.

[4] 張自杰.排水工程(下冊)[M].3版.北京:中國建筑工業出版社,1996.

[5] 周群英,王士芬.環境工程微生物學[M].3版.北京:高等教育出版社,2008:302-303.

[6] 高廷耀,顧國維,周琪.水污染控制工程(下冊)[M].北京:高等教育出版社,2007:192-193.

Study on Biological Treatment of Wastewater from the Production of Purple Sweet Potato Pigment

The natural edible pigment from purple sweet potatoes with high purple pigment content,which can replace the artificial synthetic pigment,has been widely used in food industry.But the wastewater produced from pigment extraction has the characteristics of high chemical oxygen demand(COD)concentration and high chromaticity,so it must be discharged after treatment and the quality should up to the standard.Degrades the wastewater through the domestication of specific microorganisms,and discusses the biochemical degradation characteristics.The experimental results show that when the pH value of the wastewater in aerobic reactor is about 5 and the initial concentration of COD is about 1600 mg/L,the COD concentration can be reduced to below 200 mg/L after six hours treatment with aerobic contact oxidation.

Purple sweet potato pigment;Chemical oxygen demand;Biological contact oxidation

X703

2014年7月

Tan Yu Yu Zhongshan

湖北師范學院本科生科研項目（2013079）

譚鈺女1994年生本科現就讀于湖北師范學院環境工程專業研究方向為水污染控制工程