紫薯色素生产废水的生化处理研究

谭钰 余中山

湖北师范学院城市与环境学院 （中国黄石 435002）

Tan Yu Yu Zhongshan

环境保护

紫薯色素生产废水的生化处理研究

谭钰 余中山

湖北师范学院城市与环境学院 （中国黄石 435002）

高紫色素品种的紫薯加工出的天然食用色素可以代替人工合成色素，在食品工业中已得到广泛的应用。但从紫薯中提取色素所产生的废水具有化学需氧量（COD）质量浓度高、色度大等特点，必须处理达标后才能排放。通过对特定微生物的驯化，使其降解该类废水，探讨其生化降解特性。实验结果表明，在好氧反应器内pH值约为5、COD的初始质量浓度约为1600 mg/L条件下，利用好氧生物接触氧化法处理6 h后，废水的COD质量浓度可降至200 mg/L以下。

紫薯色素 COD 生物接触氧化

0 前言

随着经济的发展、人们生活水平的提高以及对健康生活理念的推崇，食品添加剂的安全性越来越被重视。据了解，天然色素以其安全性高、色彩自然而受到广大消费者的欢迎，已在食品工业中得到广泛的应用，从植物中提取天然色素作为着色剂已成为研究热点[1]。紫薯色素作为一种天然的食用色素，安全、无毒、无异味、色彩鲜艳、资源丰富，与其他同类色素相比，性质较稳定，而且具有一定的营养和药理作用，在食品、饮料、化妆品、医药等方面有着较大的应用潜力。紫薯提取色素后具有有效活性物质的残渣还可以生产紫薯食品及饮料，具有较高的综合利用价值。紫薯中的紫色素为以花色苷为基础的多酚类物质，具有很强的抗氧化作用。

高紫色素品种的紫薯加工生产出的天然食用色素可以代替人工合成色素，但随之而来的是加工该类产品的废水会对环境造成一定的负面影响。因此，研究该类废水的性质以及处理工艺具有重要意义，对该行业的发展起着必要的推动作用。

从紫薯中提取色素的加工过程产生的废水主要特点为化学需氧量（COD）质量浓度高、色素含量大。本实验通过接种某生活污水处理厂的污泥，驯化微生物，利用好氧生物接触氧化法将实际废水降解。原生动物体积较细菌大，便于观察，对环境条件改变比细菌更加敏感，周围环境发生变化时也会很快地在种群、个体形态、代谢活力等方面发生相应变化。因此可根据微生物的生长情况与COD值的变化情况，判断废水的可生化性。

1 实验部分

1.1 实验材料、仪器与化学试剂

材料、试剂：实验废水取自黄石某生物科技公司，废水呈酸性（pH=2～3），COD值约为12000 mg/L；微生物营养液；填料若干；重铬酸钾、硫酸银、浓硫酸、硫酸亚铁氨、试亚铁灵指示剂、硫酸汞等，均为分析纯。

仪器设备：小型塑料桶（2 L）2个、电磁式充氧设备、JH-12型COD恒温加热仪、显微镜等。

1.2 分析方法

COD的测定使用重铬酸钾法[2]。

1.3 实验方法

（1）微生物驯化方法

将某运行中的生活污水处理厂活性污泥接种至实验桶中，在向实验桶加入营养液的同时，持续加入用氢氧化钠（NaOH）调节pH值至近中性的待处理废水，通过加入废水量的递增，使微生物不断适应该种废水，同时大量繁殖。

（2）好氧生物处理法：好氧生物接触氧化法具有填料比表面积大、充氧条件好、无需污泥回流、生物固体量多、有机容积负荷高等特点，是一种介于活性污泥法和生物滤池两者之间的生物处理技术，也可以说是具有活性污泥法特点的生物膜法，兼具两者的优点[3-4]。

2 结果与讨论

2.1 好氧微生物降解特点

将某正在运行的生活污水处理厂的好氧菌装入2只小型塑料桶中，编号为1、2。每只桶内加入适量填料和适量的微生物营养液，开始培养使填料挂膜。待微生物生长状况良好后，开始加入高浓度的紫薯色素废水，并以该时间作为实验的时间起点。

2.1.1 未经驯化的微生物降解废水的效果

在实验开始第一天，未投入废水时，先取适量1号桶水样，用作检测微生物降解废水效果的对照样。然后立即向1号桶中加入用NaOH调节、pH值为7的该厂废水50 mL，待废水在桶中混合均匀5 min后取出适量水样，然后在好氧曝气2、4、6、8、10 h时分别取适量水样，测定该7个水样的COD值（结果见图1），同时观察微生物的生长情况。

图1 1号桶COD质量浓度随时间的变化曲线（第一天）

1号桶在加入废水前，水质清澈，桶内含有的微生物中，纤毛类的豆形虫、漫游虫、草履虫等数量较多且活跃，说明生长状况良好。加入废水后，桶中的微生物种类和数量明显减少，活动变得迟钝，且生物膜变得松散、水质变得浑浊。废水经10 h生化处理后，桶中COD值从1197 mg/L降为1102 mg/L。

上述实验结果表明，未经驯化的微生物处理效果不佳，COD降解率仅为7.94%。直接将该种废水加入桶中，桶中的微生物不能马上适应。因此，需对微生物进行驯化，使桶中的微生物能在该种废水中生长、繁殖。

2.1.2 经驯化后的微生物降解废水的效果

从实验第一天开始，向2号桶中加入该种废水驯化微生物。驯化过程如下：第一天，向2号桶中加入10 mL该种废水和适量微生物培养液，同时观察微生物的生长情况；第二天和第三天，重复第一天的操作；第四天，改为加入20 mL该废水和适量微生物培养液，同时观察微生物的生长情况；第五天至第十天重复以上操作。此后每天该废水的加入量都比前一天增加20 mL，直至每次加入100 mL，同时观察微生物的生长情况和pH值的变化。在驯化过程中，第二天很多物种消失，其余微生物数量减少，也不活跃；第三天之后产生了一些纤毛类的草履虫、线虫，少量钟虫、轮虫等原生、后生微生物，这些新产生的微生物活性渐渐增强，数量渐渐增多，桶中的水质也逐渐变得清澈，说明微生物生长状况良好[5-6]。

微生物驯化过程中，废水pH值的变化见表1。

表1 pH值的变化情况

由表1可知，该种废水在处理过程中，其pH值会增加。这是由于废水中的弱酸性有机物能被微生物利用降解，而中和废水时，使用了NaOH，其Na+会留存在水中，从而引起pH值的升高，不利于微生物生长。为消除这一不利影响，第十天后，实验加入废水时，pH值调整至5，可保持2号桶内微生物生长的适宜pH值。

在第16天选取2号桶测定废水COD，用NaOH调节废水pH值为5之后，再向2号桶中加入废水100 mL，待曝气混匀5 min后，取适量水样待测。此后2、4、6、8 h各取桶中适量水样待测。5个水样的COD值测定结果见图2。

图2 2号桶COD质量浓度随时间的变化曲线（第16天）

通过对微生物的观察发现，微生物的数量从开始加入废水时的大量减少、活性降低，到驯化过程中不断增多、活性不断增强，再到后来的大量繁殖，说明驯化能改变微生物的适应性，使其优胜劣汰。

再经过一周后（每天加入100 mL废水），2号桶中水质清澈。第23天，分时段取2号桶中的水进行测定（取样方法同上），结果见图3。该废水经适当中和处理后能利用微生物进行降解，其COD降解率高达77%～92%。

图3 2号桶COD质量浓度随时间的变化曲线

2.2 实验室驯化后的菌种投入废水处理站对废水的降解效果

在实验期间，产生该类废水的公司新建的废水处理站进入调试阶段，于是将实验室驯化完成后的微生物投入该污水站的好氧池。每隔一段时间取好氧池出水口的水样，测定其COD值，结果见图4。

图4 投产后COD质量浓度随时间的变化曲线

结果表明废水处理站运行良好，当好氧池进水量为450 t/d时，且控制废水进入好氧生化反应器的COD质量浓度约为400 mg/L的条件下，出水口的COD值可达到100 mg/L以下。经过两个多月的连续运行，出口水质的COD值可以稳定达到国家《污水综合排放标准》规定的一级标准，且水质清澈，好氧池中微生物生长状况良好。

3 结论

（1）经驯化的微生物对紫薯色素生产废水具有显著的降解作用。

（2）通过对该种废水水质的连续监测发现，实验室驯化的微生物在该厂废水处理设施中繁殖迅速，并能长期、稳定、高效地降解废水中的有机物。

[1] 沈勇根,上官新晨,徐明生,等.紫红薯色素的提取和精制[J].江西农业大学学报,2004,26(6):912-916.

[2] 奚旦立,孙裕生,刘秀英.环境监测[M].北京:高等教育出版社,2007:562-564.

[3] 刘雨,赵庆良,郑兴灿.生物膜法污水处理技术[M].北京:中国建筑工业出版社,1996.

[4] 张自杰.排水工程(下册)[M].3版.北京:中国建筑工业出版社,1996.

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

[6] 高廷耀,顾国维,周琪.水污染控制工程(下册)[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

湖北师范学院本科生科研项目（2013079）

谭钰女1994年生本科现就读于湖北师范学院环境工程专业研究方向为水污染控制工程