馬鈴薯淀粉廢水、廢渣處理及農田利用途徑

李雅豪 李長青 賈夢楊 王激清 孔祥宇 張 梅

（1.河北北方學院農林科技學院 張家口075000；2.張家口市土壤肥料工作站 河北張家口075000；3.沽源縣百順源淀粉有限公司 河北沽源076550）

馬鈴薯是第三大淀粉原料作物，我國是世界上最大的馬鈴薯生產國，種植面積和產量均居世界前列，為提高農產品的附加價值，我國50%～70%的馬鈴薯被用于馬鈴薯淀粉加工[1]。但是，我國馬鈴薯淀粉加工以中小型企業為主，加工設備和技術陳舊，淀粉的轉化率較低，僅在14%左右，每生產1 t淀粉，會產生1 t左右的廢渣和9 t左右的廢水[2]。馬鈴薯淀粉加工的廢水和廢渣中含有大量糖類、蛋白質、纖維素等有機物質，不易保存、易腐壞、易變質，直接排放不僅會造成嚴重的環境污染，還會導致資源的嚴重浪費。

目前，對馬鈴薯淀粉加工的廢水和廢渣資源化利用研究較多，主要集中于采用物理、化學和生物的方式，但是這些處理工藝普遍存在著成本高、效果差、推廣困難的問題，尋求簡單高效的馬鈴薯淀粉加工廢水、廢渣處理方式，成為制約我國馬鈴薯淀粉加工行業可持續發展的重要環節。馬鈴薯淀粉廢水、廢渣農田利用可以顯著地增強地力、改善土壤質量和增加作物產量，并且成本低廉，在高產的前提下減少化學肥料使用量，控制成本，改善環境。因此本文作者對馬鈴薯淀粉廢水、廢渣的特性，常規處理技術和農田利用途徑進行綜述，為馬鈴薯淀粉廢棄物的資源化利用提供參考依據。

1 馬鈴薯淀粉廢水、廢渣特性

馬鈴薯淀粉加工的高能耗、低資源利用率的特性，導致生產過程中出現大量工業副產品，主要包括廢水和廢渣。為降低處理難度和成本，常將廢水、廢渣分開處理。馬鈴薯淀粉廢水主要來源于馬鈴薯的清潔、淀粉制備過程中的銼磨、沖洗3個環節，主要成分是蛋白質、淀粉、纖維懸浮物和泥沙等，如果不對其進行處理，排入水體會使水體富營養化并使其酸化，排入土壤會在土壤中發酵產生不良氣體，給排放區域居民造成困擾，產生不良的社會效應。馬鈴薯淀粉廢渣是鮮薯研磨過后產生的工業副產品，主要成分為膳食纖維，次要成分為蛋白質、淀粉等，廢渣含水率較高，在88%～95%之間[3]，導致其極易腐敗變質，不適合長途運輸；存放占用土地量大，存放期間易腐敗變質污染土壤，加大了薯渣的利用難度。

2 馬鈴薯淀粉廢水、廢渣處理技術

馬鈴薯淀粉廢水、廢渣主要通過物理、化學和生物手段來進行處理，其中廢水的處理方法主要有物理化學法和生物法；廢渣的處理方法主要有物理化學法、發酵處理法和混合法，在實際生產過程中上述處理方法各有利弊。

2.1 廢水處理

物理化學法，主要是根據蛋白質自然凝結沉淀、分散態有機質可以凝聚成聚集態粗顆粒物的原理和現代膜分離技術，來達到凈化廢水的目的，主要包括自然沉淀法、膜過濾法、絮凝沉淀法等。呂建國等[4]研究表明，超濾膜可截留馬鈴薯淀粉生產廢水中50%以上的化學需氧量（COD）、90%以上的蛋白質，凈化效果好，處理過程中沒有化學試劑的參與，不會造成二次污染，更符合環保的需要。白波[5]通過對馬鈴薯淀粉廢水常用的絮凝劑進行對比，發現聚合氯化鋁對廢水處理的效果最好，經過稀釋后的廢水回田，土壤中的有機質明顯增加，作物長勢和產量表現良好，與對照田相比有明顯提高。

生物法處理是利用微生物的代謝功能來凈化廢水中的有害膠體粒子和有機污染物，主要包括厭氧處理、好氧處理和厭氧、好氧聯合處理3種。厭氧生物處理主要有厭氧流化床（AFB）、升流式厭氧污泥床（UASB）、厭氧接觸法（ACP）、厭氧濾池（AF）和兩相厭氧消化法（tPAD）等，好氧處理法主要有生物氧化塘法、接觸氧化法和序批式活性污泥法（SBR）等。因淀粉廢水有機物負荷高，處理難度大，僅單一生物處理較難達到理想效果，故多采用厭、好氧聯合處理。李東偉等[6]研究表明，采用升流式厭氧污泥-序批式活性污泥法（UASB-SBR）相結合的工藝處理馬鈴薯淀粉加工廢水，能夠有效地去除淀粉廢水中的有機污染物和懸浮物，同時還能獲得較高的植物蛋白回收率。

2.2 廢渣處理

馬鈴薯廢渣可提取一些功能性成分，如膳食纖維和果膠等。凈化廢渣中的有機物，常采用物理化學法、發酵法相結合的方式進行提取。物理化學法通常是通過為細胞降解酶提供適宜生存溫度，來提升酶制劑活性和穩定性或直接對薯渣干燥滅菌，保留營養價值，制備成動物飼料。發酵法通常利用馬鈴薯廢渣中復雜的營養成分培養微生物、有機物等，其優點為培養效果好、價格低廉、取材便利等，根據牛嘉[7]的研究，多種菌劑結合在28℃的條件下144 h后可去除71%的COD，0.1 vvm的條件下144 h后COD去除率達到55%，此法價格上更具優勢。混合法就是將理化法和發酵法混合，共同作用凈化廢渣中的有機物，祝英等[8]以黑曲霉、米曲霉、綠色木霉為研究對象，就蛋白提取率和菌體回收率進行了試驗，結果表明，米曲霉可提高廢渣中粗蛋白2.4倍，且投資小，技術難度低，不會造成二次污染。

總之，馬鈴薯淀粉的生產加工布局受到種植區域影響，加工地多分布于我國西北、東北、華北，這些地區多受季風氣候控制，冬季寒冷，夏季炎熱，氣溫在0～20℃，不能滿足廢水、廢渣的工業化處理對溫度的需求（25～35℃）；原料儲備不足的企業受馬鈴薯成熟時間的制約，處理淀粉廢水、廢渣也被迫中斷，不能連續生產，處理過程中需要保持恒溫狀態下持續供熱，所以成本居高不下。在此情況下，發揮土地的凈化功能并結合廢水、廢渣“還田模式”，是探索馬鈴薯淀粉加工廢水、廢渣問題的有效途徑。

3 馬鈴薯淀粉廢水、廢渣農田利用途徑

3.1 馬鈴薯淀粉廢水、廢渣直接利用

馬鈴薯加工成淀粉后，廢棄物中依然保留著作物生長所需的多種元素，在進行簡單處理后，可以直接應用在農業生產中，達到廢棄物資源化利用的目的。目前，對馬鈴薯淀粉廢棄物的直接利用的方式主要有利用廢水進行農田灌溉、利用廢水和廢渣生產肥料。

3.1.1 馬鈴薯淀粉廢水農田灌溉 馬鈴薯淀粉廢水可為土壤補充氮、磷、鉀元素，同時可直接或間接補充水分，提升土壤保水保墑的能力，促使土壤形成團粒結構，增加作物營養，為提高抵抗力打下了良好的基礎。何進勤等[9]經過長期試驗，研究表明，經過3年連續灌溉廢水，在原有基礎上控制化肥施用量，0～20 cm的土層有機質增長3.1%～8.3%。方海軍等[10]發現，冬季來臨前灌溉淀粉廢水可以更好地增加土壤有機質，土壤質量和孔隙度都有所改善，來年種植作物生長勢頭良好，產量提升。但是，廢水直接還田也存在一些缺陷，馬鈴薯淀粉廢水果膠含量高，色素沉淀多，存在著大量的懸浮物和有機污染物，不利于農田灌溉；再加上生產技術手段的限制，有些馬鈴薯材料中的重金屬和病原體未被徹底清除，存在隱患，可以隨水灌溉重新回到田間，造成惡性循環，因此在灌溉之前需要進行預處理。Ayyasamy等[11]的研究表明，未經過處理的廢水直接灌溉會造成作物減產，好氧處理過的廢水可以促進作物生長。何進勤等[9]發現，廢水通過24 h的靜置可大量減少重金屬、COD等的含量，施用土壤后明顯增加植物所需大量元素和有機物。

3.1.2 馬鈴薯淀粉廢水、廢渣制作肥料 馬鈴薯淀粉廢水、廢渣中含有大量的養分，通過簡單加工可以制作成肥料，因廢水和廢渣中本身還含有大量的蛋白質、淀粉等有機物質，使其施入土壤后，既可以為作物的生長提供必需的營養元素，還可以改善土壤的理化性狀。馬鈴薯淀粉廢水主要成分是水分，可以制成水溶肥，為作物提供營養元素的同時可以為土壤補充水分，促進養分的吸收轉化，解決了馬鈴薯淀粉廢水的資源利用問題，還可以促進農作物安全高效生產，同時保護了農業種植地的生態環境。陳開陸等[12]通過以馬鈴薯淀粉廢液為載體加入氮、磷、鉀元素制備而成的液體肥料，較添加同等劑量的固體肥料在水稻上做對比試驗，結果表明，水稻的分蘗結實產量較固體廢料提升3.8%。馬鈴薯淀粉廢渣中還因纖維、淀粉、果膠含量高，制成肥料施入土壤，有利于土壤形成團粒結構，增加土壤孔隙度，避免因施用單一化肥而造成土壤板結。

3.2 馬鈴薯淀粉廢水、廢渣間接利用

地膜因保墑保溫功能被廣泛使用，覆膜技術的推廣在作物的生長發育期間產生了積極作用，實際生產中使用的地膜多為高分子化合物聚乙烯材料，自然條件下不易降解、存留時間長、使用量大，“白色污染”的風險日益增加。曹龍奎[13]開展了馬鈴薯淀粉廢渣轉化為可降解地膜技術研發，通過田間試驗證明，所研發地膜更易在自然狀態下降解，比傳統聚乙烯地膜在增加土壤肥力、保持水土水分、固定土壤等方面更具優勢。包鴻慧等[14]以交聯羧甲基馬鈴薯淀粉廢渣為材料，制備可降解地膜，在試驗中表現良好，土壤溫度較對照升高0.8～1.6℃，水分增長6.4%～17.9%，氮、磷、鉀含量在土壤中的增長量為5.1%～15.3%，微生物生長繁殖速度加快，孔隙度最大增加36.1%，容重最多減少26.9%，為作物生長提供了良好的土壤條件。

此外，隨著我國人口快速增長和城市化的進程加快，致使我國人均耕地面積不足世界平均水平的40%，廢渣制成耕地土壤改良劑的想法也孕育而生，為馬鈴薯廢渣的資源化利用和市場化推廣提供了新思路。

4 小結

近年來馬鈴薯淀粉加工產生的廢水、廢渣引起的污染和資源利用率低的問題受到廣泛關注，目前對馬鈴薯淀粉加工廢水和廢渣的物理、化學和生物的處理方式普遍存在著成本高、效果差、推廣困難的問題。對廢水、廢渣的農田利用可顯著地增強地力、改善土壤質量和增加作物產量，并且成本低廉，可控制成本，改善環境。但馬鈴薯淀粉廢水中營養元素不均衡，長期施用會造成氮磷元素的富營養化，在推廣前因考慮所在地區的土壤、水源、氣候等環境差異，對噴施地區的環境質量進行風險評估，根據評估結果因地制宜地推廣此項技術；廢渣水分含量高、運輸困難、易變質等特點使其商品轉化率低，所制地膜可替代一部分不宜降解的塑料薄膜，將其制成土壤改良劑可提升沙化土的利用，但對使用地監測力度還非常薄弱，今后應加強監測力度和手段。