絮凝法提取木薯黄浆废水中植物蛋白质的效果研究

万思杰李小丽彭小玉

(1.广西南宁高级技工学校，广西 南宁 530000；2.中国贸易促进委员会广西分会，广西 南宁 530000；3.中国科技开发院广西分院，广西 南宁 530022)

絮凝法提取木薯黄浆废水中植物蛋白质的效果研究

万思杰1李小丽2彭小玉3

(1.广西南宁高级技工学校，广西 南宁 530000；2.中国贸易促进委员会广西分会，广西 南宁 530000；3.中国科技开发院广西分院，广西 南宁 530022)

文章采用混凝技术提取木薯黄浆废水中的植物蛋白质物质，实验通过选取最佳的混凝剂和助凝剂种类及其最佳用量，并研究 pH、沉淀时间对混凝效果的影响，为木薯黄浆废水的资源化利用提供科学依据。单因素实验结果表明：分别以1%的PAC、1%的氯化铁和1%的改性玉米淀粉处理木薯黄浆废水，三种絮凝剂的最佳投加量分别为0.133g/L、0.133g/L和0.05g/L，最佳絮凝pH分别为9、2和8，三种絮凝剂的沉淀时间均大于15min时处理效果较佳，此时木薯黄浆淀粉废水的浊度去除率均到达80%以上，COD去除率达到50%。复配实验结果表明：PAC与PAM的复配投加后，PAC投加量为0.02g/L，PAM投加量为0.002g/L，浊度去除率从80%左右上升至98.2%，COD去除率上升至51.8%，复配絮凝剂相比单一絮凝剂提取植物蛋白效果更好。

絮凝剂；絮凝配比条件；黄浆废水；植物蛋白质

1 木薯淀粉废水特性

薯类淀粉废水均具有有机污染物浓度高，悬浮物浓度高，pH低，负荷变化大（即水质和水量变化大）的特点，给治理带来诸多困难。薯类淀粉废水通常可根据生产工艺分为洗薯废水和黄浆水[1]。洗薯废水主要含有泥沙、碎薯块和杂草等，这些污染物(或悬浮物)约为薯类重量的l%～5%，另一种废水是黄浆废水，它含有大量的淀粉微粒、蛋白质、纤维素、有机酸和无机酸等物质，多呈悬浮状、胶状，部分呈溶解状，它们处于有机物转化的过渡阶段，具有酸度大、不稳定和耗氧量很高的特点。一般CODcr在10000～25000mg/L范围，且随木薯品种、气温、存放时间和工人操作的熟练程度而变化[2]，这些废水若直接排放，将导致农作物枯死和水生生物死亡，严重污染环境。此外，废水中的悬浮物沉积在水体后会腐烂，释放出硫化氢和硫醇一类的有害气体，恶化水质，臭气难闻。

黄浆废水直接处理难度大、成本高，且处理后其中含有的淀粉微粒、蛋白质、纤维素、有机酸和无机酸等物质直接作为废渣处置，造成了很大程度上的资源浪费。以絮凝法进行黄浆废水中蛋白质的水质分离，以分离提取的黄浆废水中蛋白质、有机酸等作为土壤有机肥、饲料，不仅直接实现了黄浆废水的资源化利用，还减少了黄浆废水处理设施的水力负荷，提取的蛋白质、有机酸等资源化利用后也能降低黄浆废水的处理成本，因此本文将从此方面进行研究，探讨絮凝法提取黄浆水中植物蛋白质的工艺条件，为黄浆废水的综合资源化利用提供科学依据。

2 实验部分

2.1 实验药剂

2.1.1 木薯黄浆淀粉废水来源及水质分析

实验废水来自广西某淀粉厂。废水呈白色，有刺激性气味气体，含有大量细小悬浮颗粒，浑浊而不易澄清。主要水质指标见表1。

表1 木薯黄浆废水的主要水质指标

经过测定，发现原水的COD和SS过高，在实验中观察到使用原水进行实验，投加量大，且效果不明显，不利于蛋白质提取的进行。因此，采用稀释50倍的黄浆废水进行絮凝实验。

2.1.2 实验用絮凝剂种类及浓度

（1）聚合氯化铝（PAC），浓度为1%，即10g/L；

（2）改性玉米淀粉，白色颗粒，浓度为1%，即10g/L；

（3）氯化铁溶液，浓度为1%，即10g/L；

（4）聚丙烯酰胺（PAM），白色颗粒，阳离子型，浓度为0.1%，即1g/L。

2.2 实验步骤

2.2.1 絮凝实验

取300ml实验废水于500ml的烧杯中，投加一定量的絮凝剂，置于程控混凝实验搅拌仪的平台上，快速搅拌30s(转速280r/min），中速搅拌5min(转速90r/min），慢速搅拌5min(转速30r/min），静置15min。在液面下2～3cm处取上清液测定浊度、CODcr进行分析。

2.2.2 复配实验

选取确定的最佳絮凝剂与阴离子型聚丙烯酰胺（PAM）复配使用，通过改变PAM的投加量进行絮凝实验，考察絮凝剂与PAM的剂量配比对絮凝效果的影响，确定最佳絮凝剂与PAM的复配比。

2.2.3 水质分析指标与方法

pH：采用玻璃电极测定法，用pH计直接测定。

化学需氧量（CODcr）：采用重铬酸钾法。

浊度（RT）：采用分光光度法，用浊度仪直接测定。

浊度去除率（%）=（原水浊度-处理后上清液浊度)/原水浊度

COD去除率(%)=(原水COD-处理后上清液COD)/原水COD

3 实验结果分析

3.1 絮凝剂对絮凝效果的影响

3.1.1 絮凝剂投加量对浊度的影响

改变絮凝剂的投加量，在原水的pH和沉淀时间（15min）不变的条件下，进行絮凝实验，结果如图1。

图1 絮凝剂投加量对浊度的影响

如图 1所示，经改性玉米淀粉和氯化铁处理后的废水浊度去除率都是先增加后减小的趋势，其中改性玉米淀粉在投加量为1.5ml即0.05g/L时除浊率达到最高的77.3%，而氯化铁和PAC投加4ml即0.133g/L时效果最好，除浊率分别达到81.7%和89.2%。

3.1.2 絮凝剂投加量对CODcr的影响

由于悬浮物的去除能有效的降低出水的COD，从而可以减小后续废水处理工序的水力负荷及处理成本，因此，本文在研究浊度去除率的基础上还考察了絮凝剂投加量对出水COD变化的影响。如图2所示，以改性玉米淀粉为絮凝剂时，随着投加量的增加，COD去除率呈现先下降后上升的趋势，但在投加量达到2ml后，COD开始增加，可能是由于絮凝剂过量，残留在上清液中，导致COD增加。氯化铁在絮凝过程中，随着投加量的增加，COD去除效果缓慢增加，但在投加量达到4ml后下降。PAC的投加量对COD的影响相对较小，COD去除率的变化也是呈现先增大后减小的趋势，在投加量为4ml时COD最小，达到了243.2mg·L-1。

图2 絮凝剂投加量与COD的影响

3.1.3 分析与讨论

絮凝剂的最佳投加量一般处在一个较小的范围内，随着投加量的增加，絮凝作用越来越明显，在某一个投加量时絮凝效果达到最佳，当投加量大于这个最佳值时，絮凝效果会基本保持不变或者变差[3-5]。

以PAC和氯化铁作为絮凝剂处理300ml黄浆废水，当投加量为4ml时，上清液的浊度和COD都达到最小，PAC的除浊率为89.8%，COD去除率为36.9%，而氯化铁的除浊率为81.7%，COD去除率为61.0%。以改性淀粉作为絮凝剂，当投加量为1.5ml时，除浊率为78.0%，COD去除率为48.7%，絮凝效果最好。

因此，确定PAC和氯化铁的最佳投加量为4ml，即0.133g/L，改性玉米淀粉的最佳投加量为1.5ml，即0.05g/L。在各絮凝剂的最佳投加量下，PAC的除浊效果最好。

3.2 pH对絮凝效果的影响

以5%氢氧化钠和5%盐酸作为pH调节剂，改变实验废水的pH，以絮凝剂的最佳投加量进行絮凝实验，考察黄浆废水pH对絮凝效果的影响。

3.2.1 pH对浊度的影响

改变废水的pH，在各絮凝剂最佳投加量和沉淀时间（15min）不变的条件下，进行絮凝实验，结果如图3。

从图3中可见，废水酸碱度对絮凝剂的絮凝效果影响很大。以PAC为絮凝剂时，在pH对PAC的絮凝效果影响很大，浊度去除率在75%～95%之间浮动。在pH为9时，浊度达到1.53NTU，浊度去除率为93.5%，絮凝效果最好。

以氯化铁为絮凝剂时，在pH为2时浊度去处率达到55.1%，之后去除率不断降低。

以改性淀粉为絮凝剂，pH5～9时，浊度去除率浮动不大，在pH为8时除浊率为76.6%，可见改性淀粉对废水pH的适应能力更好。

图3 pH对浊度的影响

3.2.2 pH对COD的影响

由图4可见，改性玉米淀粉的COD去除效果最好，PAC的COD去除效果总体上不如氯化铁。以PAC为絮凝剂，在pH为6时絮凝效果最差，细小悬浮颗粒较多且不沉淀，因此导致COD较高，在pH为9时絮凝效果最好，COD去除率达到40.2%。以改性淀粉为絮凝剂，在pH5～8时COD去除效果浮动不大，其中pH为8是效果最好，COD去除率达到了55.1%。以氯化铁为絮凝剂时，在pH为2时絮凝效果最好，生成了较大的矾花，沉降速度快，COD去除率达到了55.1%，但随着原水pH的增大，COD去除效果越来越差。

图4 pH对COD的影响

从实验结果上看，除氯化铁外，碱性条件下更有利于木薯黄浆废水的絮凝沉淀，其中改性玉米淀粉絮凝性能受废水pH影响最小。因此，提高废水pH有利于絮凝作用的发挥。

确定PAC的最佳pH为9，改性玉米淀粉的最佳pH为8，氯化铁的最佳pH为2。在各絮凝剂的最佳pH下，PAC的除浊效果最好。

3.2.3 分析与讨论

一般认为，通过加入酸、碱调节pH可以改变胶体或微粒表面电荷大小，从而决定颗粒表面负电荷与介质中的反电荷的离子在胶体颗粒表面形成的离子吸附层厚度，升高或降低胶体或微粒表面电位[6-7]。同时，pH直接影响混凝剂的水解过程，尤其是对金属铝盐混凝剂。因此，不同的pH条件下会产生不同的水解聚合产物，从而影响絮凝效果。

从实验结果上看，除氯化铁外，碱性条件下更有利于木薯黄浆废水的絮凝沉淀，其中改性玉米淀粉所受 pH影响最小。因此，提高原水的pH有利于絮凝作用的发挥。

确定PAC的最佳pH为9，改性玉米淀粉的最佳pH为8，氯化铁的最佳pH为2。在各絮凝剂的最佳pH下，PAC的除浊效果最好。

3.3 沉淀时间对絮凝效果的影响

3.3.1 沉淀时间对浊度的影响

由图5可知，随着沉淀时间的延长，上清液的浊度逐渐降低。聚合氯化铝和氯化铁的除浊效果最好，改性玉米淀粉相对较差。三种絮凝剂都在10分钟后除浊率达到平衡。其中氯化铁沉淀效果非常好，1分钟时就能沉降完全，COD去除率能达到94.7%。改性淀粉由于其本身难溶于水，所配制的絮凝剂悬浮物和胶体较多，导致絮凝后水样上清液浊度较高。

图5 沉淀时间对浊度的影响

3.3.2 沉淀时间对COD的影响

由图6可知，随着沉淀时间的延长，上清液的COD逐渐降低。其中，PAC的COD去除效果受沉淀时间的影响不大，COD去除率保持在43%左右。氯化铁的COD去除率随着沉淀时间的延长，上升很快，最高达到了 57.4%，在时间为 5分钟时出现浊度增大，可能是由于取上清液操作不当，晃动导致絮体上浮。改性淀粉对于COD的去除效果，随着沉淀时间的不断增加，COD缓慢减小，当沉淀时间到达15min后，COD的变化趋势不明显。

图6 沉淀时间对COD的影响

3.4 复配实验

无机、有机高分子絮凝剂复配后可以通过结合无机絮凝剂的电中和吸附作用和有机高分子长链上官能团的架桥能力，大大强化絮凝效果。选取PAC最佳投加量的一半，即2ml与聚丙烯酰胺(PAM)进行复配使用，通过改变聚丙烯酰胺的投加量进行絮凝实验，考察聚丙烯酰胺与聚合氯化铝复配比对絮凝效果的影响，确定聚丙烯酰胺与聚合氯化铝最佳复配比。

3.4.1 复配比对浊度的影响

由图7可知，PAM的投加对PAC的絮凝效果影响很大，只投加2mlPAC时，除浊率为80.5%，但当PAM投加量开始增加时，絮凝效果突然增大，且随着投加量的增大，除浊率逐渐增大，当PAM投加2ml时絮凝效果最好，剩余浊度为0.442NTU，除浊率达到98.2%，之后絮凝效果有所下降。

图7 复配体积比对浊度的影响

3.4.2 复配比对CODcr的影响

由图8发现，随着PAM投加量的增加，废水COD逐渐降低，COD去除率呈现先增长后降低的趋势，在PAM投加量达到2ml时，COD去除效果最好，COD剩余量为185.6mg/L，COD去除率达到51.8%。

图8 复配体积比对COD的影响

4 结论

（1）氯化铁能生成大而密实的絮体颗粒，沉降快，絮凝效果明显，但出水残留色度较大，颜色泛黄。PAC生成的絮体颗粒相对细小，沉降速度略慢，但絮凝效果良好。改性玉米淀粉生成的絮体较大，沉降速度一般，絮凝效果较好。

（2）0.1%的聚合氯化铝最佳工艺条件为 pH=9，投加量为4ml，即0.133g/L，沉淀时间20min；1%的改性玉米淀粉的最佳工艺条件为pH=8，投加量为1.5ml，即0.05g/L，沉淀时间 15min；1%的氯化铁的最佳工艺条件为 pH=2，投加量为4ml，即0.133g/L，沉淀时间15min，此时浊度去除率在80%左右，COD去除率为50%。

（3）当PAM和PAC投加量均为2ml即PAC投加量为0.02g/L，PAM投加量为0.002g/L，PAC在pH为9的条件下进行絮凝实验，沉淀时间15min，发现絮凝效果有了较大的提高，浊度去除率达到98.2%，COD去除率达到51.8%，且PAC用量较单独投加减少了一倍。说明PAC与PAM进行复配使用，能够达到更好的提取黄浆水中植物蛋白的效果，并大大减少了絮凝剂的药剂投加量。

[1] 黄志雄,游卫强.广东,广西薯类淀粉废水处理技术研究与发展[J].化学工程与装备,2008,8(8):121-123.

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[7] 王红宇.高浓度聚合氯化铁絮凝剂的应用基础研究[D].杭州:浙江大学,2004.

The study of flocculation extracted starch of cassava yellow pulp wastewater

The purpose of this study is trying to use technology for cassava starch production coagulation pretreatment of wastewater, which includes selecting the best coagulant type, determine coagulant, the optimum coagulant dosage, pH studies on mixed coagulation effect for the comprehensive management of cassava starch wastewater to provide some design parameters. Experimental results that the single factor, 0.1%PAC and 1%ferric chloride dosage 0.133g/L, 1% modified corn starch dosage0.05g/L, ferric chloride optimum pH was 2, PAC and corn starch optimal pH were 9 and 8, the settling time process is effective when more than 15min. Through traditional flocculants in yellow cassava pulp wastewater to determine the cationic polyacrylamide (PAM) and aluminum chloride (PAC) compound used better. PAM and the PAM complex volume ratio is 10:1. PAC dosage can be reduced twice, turbidity removal efficiency rise to 98.2% from 80%, showing that not only enhances the compound flocculant flocculation effect, but also reduces the pharmaceutical dosage.

Flocculant; compounded; flocculation conditions; plant protein

TQ03

A

1008-1151(2016)07-0053-04

2016-06-12

万思杰（1982－），男，江西南昌人，广西南宁高级技工学校教师；李小丽（1983－），女，湖北云梦人，供职于中国贸易促进委员会广西分会，从事法律管理工作。