臭氧处理马铃薯淀粉加工废水的白地霉净化

任燕，梅匀，曾艳，秦礼康,*

（1.贵州大学生命科学学院，贵州贵阳550025；2.贵阳生产力促进中心，贵州贵阳550003）

臭氧处理马铃薯淀粉加工废水的白地霉净化

任燕1，梅匀2，曾艳1，秦礼康1,*

（1.贵州大学生命科学学院，贵州贵阳550025；2.贵阳生产力促进中心，贵州贵阳550003）

采用白地霉净化臭氧预处理马铃薯淀粉加工废水，并回收菌体蛋白。结果表明，在单因素筛选基础上，通过正交试验，白地霉净化臭氧预处理马铃薯淀粉加工废水的最佳工艺参数为：废水添加(NH4)2HPO40.1%、接种量7.5%、pH5.0、葡萄糖0.3%；此条件下，白地霉培养40 h，化学需氧量（COD）值为236.600 mg/L达废水排放二级标准，同时获得菌体蛋白236.600 mg/L，蛋白含量为25.67%。

马铃薯淀粉加工废水；臭氧预氧化；白地霉；净化；菌体蛋白

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

马铃薯是世界四大粮食作物之一[1]，由于马铃薯的淀粉含量丰富，已成为食品淀粉生产工业的一个重要物料来源[2]。然而马铃薯淀粉加工废水，富含蛋白质、淀粉、糖类、脂肪等有机物，悬浮物浓度大，化学需氧量高[3]，并且因多酚类物质氧化褐变形成大量的褐色素或黑色素，废水色泽深，是食品工业中污染最严重的废水之一，给环境带来极大危害。目前，马铃薯淀粉加工业中常用的废水处理方法有生物法处理、膜技术处理、絮凝处理法等，存在着操作复杂、运行成本高、滤膜易被赌塞、有机物去除率低等缺点[4]，且在上述方法对废水色泽的处理都无济于事。因此，找寻一种快速、高效、低耗的马铃薯淀粉加工废水处理方法己成当务之急。

臭氧作为一种强氧化剂，具有极强的氧化能力，在处理一些难降解的有机染料废水方面，已显现较好的降解效果[5]。采用臭氧冲泡处理马铃薯淀粉废水，能降低废水中的有机物含量，但仍未达到排放标准，废水中还含有一些如蛋白、糖等有机质，需要进一步处理。

白地霉（Geotrichum Candidum）是一种很常见的真菌，其菌体蛋白营养价值高，可供食用及饲料用。白地霉具有对培养基营养要求低、适应性强、生长快、生产方法简单、宜于工业化生产等特点，因而是一种极具发展潜力的工业微生物[6]，白地霉处理废水的研究呈现增多趋势，如Nedra及R.Borja等均采用白地霉对橄榄油废水进行处理，取得较好脱色和降污效果[7-8]；李玉[9]等应用白地霉净化玉米淀粉工业废水，其是化学需氧量（COD）去除率达90%。鉴于日益增加的马铃薯淀粉加工废水的复杂性和广泛性，利用白地霉的生长特点结合臭氧处理技术在经济和节能方面的优点，本研究采用白地霉对臭氧预氧化淀粉废水进行生化处理，以期在降低废水有机物、减轻环境污染使淀粉废水能达标排放，同时，回收菌体蛋白，实现淀粉生产废水的资源化循环利用，为解决马铃薯淀粉加工业发展的“瓶颈”问题提供科学参考。

1 材料

1.1 菌种

白地霉(Geotrichum candidum)：贵州大学生命科学院微生物实验室提供。

1.2 试剂

葡萄糖、硫酸铵、硫酸镁、磷酸二氢钾、酵母膏：均国产分析纯；重铬酸钾为优级纯。

1.3 培养基

固体斜面培养基：马铃薯培养基；摇瓶种子培养液：葡萄糖10g，硫酸铵5g，硫酸镁1g，磷酸二氢钾5g，酵母膏2 g，去离子水1000 mL，pH=6；废水净化培养基：实验室模拟淀粉加工厂生产过程制备马铃薯淀粉加工废水。

1.4 仪器与设备

HZQ-Q振荡器：东联电子技术开发有限公司；FA2004分析天平：上海良平仪器仪表有限公司；LD4-2离心机：北京医用离心机厂。

2 方法

2.1 微生物培养

固体斜面培养：28℃、培养3 d。

液体菌种：将斜面活化的白地霉接种于摇瓶种子培养液中，28℃、振荡（150 r/min）培养24 h。

马铃薯淀粉废水净化培养：28℃下振荡培养48 h（摇动床转速为150 r/min）。

2.2 白地霉净化臭氧预处理废水培养条件研究

采用白地霉净化臭氧预处理马铃薯淀粉加工废水，需要补充适量的无机盐、碳源。在经臭氧预处理过的马铃薯淀粉加工废水中添加一定量的(NH4)2HPO4和葡萄糖，接入液体菌种，分装入三角瓶中，装液量50 mL/250 mL，在28℃下振荡培养48 h（摇动床转速为 150 r/min），分别考察(NH4)2HPO4、葡萄糖添加量、菌种接种量及pH值对生物量及净化废水后的化学需氧量（COD）值。

2.2.1 单因素试验

2.2.1.1 (NH4)2HPO4添加量对净化效果影响

以5%接种量接种于废水并净化废水（28℃、装液量 50 mL/250 mL、pH＝5）48 h，考察添加 0%～1.5%（NH4）2HPO4对生物量及COD的影响。

2.2.1.2 葡萄糖添加量对净化效果影响

以5%接种量接种于废水并净化废水(28℃、装液量50 mL/250 mL、pH=5)48 h，考察添加0%～1.5%葡萄糖对生物量及COD的影响。

2.2.1.3 接种量对净化效果影响

分别以3%～15%接种量接种于废水中，废水不经灭菌处理，白地霉培养并净化废水（28℃、装液量50 mL/250 mL、pH=5）48 h，测定生物量及 COD。

2.2.1.4 pH对马铃薯淀粉加工废水净化的影响

分别调节废水pH值4～7，5%接种量接种于废水并净化废水(28℃、装液量50 mL/250 mL)48 h，测定生物量及COD。

2.2.2 正交试验

在单因素试验基础上，以菌体生物量及废水COD值为指标，对(NH4)2HPO4、葡萄糖浓度、接种量及pH 4个因素进行正交试验见表1，确定最佳白地霉净化废水液体培养条件。

表1 因素水平设计表Table 1 Factors and levels of orthogonal test design

2.2.3 白地霉净化废水动态试验

在上述所得的最佳试验条件下，以菌体生物量及废水COD值为指标，动态考察时间对白地霉净化废水的效果。从发酵起点开始计算，每8 h取样离心并测定菌体生物量及废水COD值。

2.2.4 测定方法

2.2.4.1 生物量测定方法

离心培养至终点时的培养液，离心（4000 r/min）弃上清液，蒸馏水清洗白地霉菌体，烘至恒重。

2.2.4.2 COD值测定方法

采用重铬酸钾法测定离心上清液及原废水COD值。

2.3 数据分析

本试验数据采用SPSS11.5软件进行分析处理。

3 结果与分析

3.1 单因素试验

单因素试验见表2。

表2 (NH4)2HPO4对废水净化效果的影响Table 2 Effect of(NH4)2HPO4on purifying wastewater

由表2可知，添加一定量的(NH4)2HPO4可提高菌体生物量及降低COD至废水排放标准；但当(NH4)2HPO4添加量大于1.0%时，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白地霉没有利用而余留于液体中，增加废水自身有机物量，从而增加了COD。因此，(NH4)2HPO4是影响白地霉净化废水的因素之一。

表3 葡萄糖对废水净化效果的影响Table 3 Effect of glucose on purifying wastewater

由表3可知，葡萄糖的添加与(NH4)2HPO4加入趋势一致，原因也是多余的葡萄糖参与废水有机物使得废水COD值高于初始值。因此，葡萄糖也是影响白地霉净化废水重要因素之一。

表4 接种量对废水净化效果的影响Table 4 Effect of inoculation amount on purifying wastewater

由表4可知，5%～15%接种量对白地霉的生物量没有太大影响，生物量为仅从1.127 g/L增加到1.167 g/L，分析结果显示差异性不显著，因此考虑经济因素，以小于5%接种量作进一步试验。

表5 pH对废水净化效果的影响Table 5 Effect of pH on purifying wastewater

由表5可知，pH对马铃薯淀粉加工废水净化率影响比较大,其中pH在5～6生物量及COD降低效果都较好，因此选择pH为5～6进一步试验。

3.2 正交试验

正交试验见表6。

表6 白地霉净化废水正交表L9（34）Table 6Results of otrhogonal test L9（34）

表7 正交试验方差分析表（COD）Table 7 Analysis of variance of orthogonal test(COD)

由表6可知，极差结果显示影响因素顺序为：A＞C＞D＞B。以生物量为指标、得到的最佳工艺参数为A2C3D2B2，而以COD为指标最佳工艺参数为A1C2D1B3；正交试验方差结果（表7）表明：(NH4)2HPO4、葡萄糖、接种量及pH 4个因素P＜0.01，即对COD降低的影响均达极显著水平，而表8结果表明4个因素中，葡萄糖对应的P＞0.05，说明葡萄糖对生物量的增大影响不显著，因此，本试验从COD的降污效果角度考虑，确定A1C2D1B3添加为最佳工艺参数，即(NH4)2HPO40.1%、接种量7.5%、pH5.0、葡萄糖0.3%。

表8 正交试验方差分析表（生物量）Table 8 Analysis of variance of orthogonal test(biomass)

3.3 白地霉培养时间对废水净化效果的影响

根据所得的最佳工艺参数条件，对白地霉净化马铃薯淀粉加工原废水及臭氧预处理废水过程中的生物量及COD两个参数进行动态考察见图1。

结果表明：随着培养时间的增加，废水的COD值逐渐降低，菌体生物量增加。尤其在24 h时，臭氧处理废水COD降低至788.713 mg/L，较原废水先达到废水排放三级污水综合排放标准1000 mg/L（GB8978-96），在40 h时COD值持续降低至236.600 mg/L，达废水排放二级标准300 mg/L，之后的时间内处于平稳阶段；而原废水是在48 h达二级标准，之后COD值反而略升高，这可能是由于菌体自溶所致。就生物量而言，两类废水都在逐渐增高，但原废水要明显高于臭氧处理废水，可能是后者中大部分有机物被破坏不能被白地霉利用而原废水中存在的有机物更适合于白地霉发酵环境。综合考滤COD的去除效果，最终确定白地霉培养时间为40 h，同时获得菌体蛋白2.040 g/L，并测得其蛋白含量为25.67%。

4 结论

1）通过正交试验，考虑经济因素及COD的降污效果，白地霉净化臭氧预处理马铃薯淀粉加工废水的最佳工艺参数为：A1C2D1B3，即废水添加(NH4)2HPO40.1%、接种量7.5%、pH5.0、葡萄糖0.3%。

2）在最佳工艺参数条件下，白地霉动态发酵时间为40 h，COD值为236.600 mg/L达废水排放二级标准，同时获得菌体蛋白2.040 g/L，其蛋白含量为25.67%。

3）通过原废水与臭氧预处理废水发酵时间对比分析，预处理废水比原废水少提前8 h达标排放，即臭氧预处理马铃薯淀粉加工废水对其降污起关键作用。

4）上述结果表明，臭氧与微生物法结合作用对高浓度马铃薯淀粉加工有机废水的降污有很好效果。

[1]Mullins E,Milbourne D,Petti C,et al.Potato in the age of biotechnology[J].Trends Plant Science.2006,11(5):254-260

[2]Malene Jorgensen,Guy Bauw,Kareng Welinder.Molecular Properties and Activities of Tuber Proteins from Starch Potato Cv.Kuras[J].Agricure Food Chem.,2006,54(25):9389-9397

[3]Panagiotis Elefsiniotis,David G Wareham,Marcus O Smith.Effect of a Starch-Rich Industrial Wastewater on the Acid-Phase Anaerobic Digestion Process[J].Water Environment Research,2005,77(4):366-371

[4]沈连峰,王谦,高俊红,等.淀粉废水处理技术研究进展[J].河南农业大学学报，2006，40(4)：440-443

[5]Jae-Wook Choi,Hyung Keun Song,Whun Lee,et al.Reduction of COD and Colour of Acid and Reactive Dyestuff Wastewater Using Ozone[J].Korean Journal of Chemistry Engineering,2004,21(2):398-403

[6]熊征,刘友勋,颜克亮,等.高浓度肌苷废水中白地霉发酵生产研究[J].食品科技,2008(3):41-44

[7]Nedra Asses,Lamia Ayed,Hassib Bouallagui,et al.Biodegradation of different molecular-mass polyphenols derived from olive mill wastewatersbyGeotrichumcandidum[J].InternationalBiodeterioration and Biodegradation,2009,63(4):407-413

[8]R.Borja,A.González.Comparsion of anaerobic filter and anaerobic contact process for olive mill wastewater prevously fermented with Geotrchumcandidum[J].ProcessBiochemistry.1994,29(2):139-144

[9]李玉,李其久,尹依婷,等.白地霉净化和资源化玉米淀粉工业废水的试验条件研究[J].辽宁大学学报,2008,35(1):81-84

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

贵州省科技重大专项-(子项目三“)马铃薯深精加工关键配套技术研究”(黔科合重大专项[2008]6009号);六盘水市科技局项目“马铃薯产业化深加工关键配套技术研究”(52020-07-008)

任燕(1984—)，女（布依），硕士研究生，研究方向：食品安全与质量控制。

*通讯作者：秦礼康(1965—)，男，教授，研究方向：食品加工与安全。