农村红薯淀粉低污染生产模式探讨

农村红薯淀粉低污染生产模式探讨作者：方降龙 海子彬 谢显传郑志侠 来源：现代农业科技2014年第 18期摘要 针对目前农村红薯淀粉加工对水体环境造成严重污染的现状，通过分析现有农村红 薯淀粉生产技术工艺存在的不足，提出了一套包含红薯淀粉清洁生产技术与设备、淀粉废水处 理和资源化利用技术、淀粉废水尾水还田灌溉利用、市场经济调节和环境政策保障的农村红薯 淀粉低污染生产模式。关键词 红薯；淀粉生产；低污染模式；环境补贴中图分类号TS234文献标识码A文章编号1007-5739 (2014) 18-0213-02Discussion on a Less Polluting Mode of Rural Sweet Potato Starch ProductionFANG Xiang-long 1 HAI Zi-bin 1 XIE Xian-chuan 2 ZHENG Zhi-xia 1(1 Anhui Academy of Environmental Science Research，Hefei Anhui 230071； 2 Nanjing University)Abstrct In view of the severe situation of water pollution caused by rural production of sweet potato starch，a less polluting mode comprising of technique and equipment of sweet potato starch cleaner production，starch waste water treatment and resource utilization，irrigation use of starch tail water，market regulation and environmental policies guarantee was discussed after analyzing the shortages in the present rural sweet potato starch production.Key words sweet potato； starch production； less polluting mode； environmental allowance红薯，又叫番薯、甘薯，块根和茎叶营养非常丰富，富含淀粉、可溶性糖、蛋白质、粗纤 维、果胶、氨基酸、维生素以及多种矿物质，其独特的保健作用正引起国内外农业和医学界的 重视1。红薯是天然保持杂交优势的作物，抗旱耐瘠，高产稳产，是世界主要粮食作物之 一，也是重要的饲料作物和工业原料。红薯可加工成淀粉、糖、酒精、柠檬酸等多种产品 2，目前，在广大的农村以红薯淀粉加工最为普遍，是农民增收致富的重要手段。1 农村红薯淀粉加工存在的问题与技术需求农村红薯淀粉加工带来了严重的环境污染问题。以红薯种植和加工相对比较集中的的八里 河流域为例，该流域每年种植红薯约5 800 hm2,年产红薯约18万t,当地农村红薯淀粉加工 大多是家庭作坊式，生产方式粗放落后，淀粉出粉率低，品质较差，生产耗水量大，每1 t 鲜 薯耗水量达10 t以上，淀粉废水排放量大。该流域每年912月淀粉集中加工季节约有180万 t 高浓度淀粉废水未经过任何污水处理措施直接排入河流水体。红薯淀粉废水有机负荷高，COD浓度高达5 00010 000 mg/L，氨氮含量达到30100 mg/L, SS达到2 0003 000 mg/L。据估算，该流域淀粉废水的COD排放量达14 400 t,氨氮为270 t,总氮750 t,总磷76 t。大量淀粉废水排放造成八里河流域水体发黑发臭，COD、氨氮等水质指标超标严重，水体 缺氧还导致鱼虾灭绝,水生态系统完全崩溃。家庭作坊式红薯淀粉加工废水排放呈分散特点，一家一户淀粉废水处理成本过高，难以进 行集中有效的治理；另一方面家庭作坊淀粉加工设备简易、技术落后，淀粉产率、淀粉质量难 以保证。因此，亟待改变农村家庭作坊式红薯淀粉的高污染生产方式，迫切需要研发适用于农 村规模化红薯淀粉加工的清洁生产技术与设备，大幅降低淀粉废水的产生；实现淀粉废水尾水 的灌溉回田利用，大幅削减淀粉废水的排放；提升红薯淀粉的产率与质量，提高淀粉生产的经 济效益，增加农民的收入，使低污染红薯淀粉生产模式得以推广。2 红薯淀粉清洁生产技术与设备红薯淀粉加工行业的自动化程度较低，生产形式以家庭作坊和小规模加工厂为主。相比于 占全部淀粉产量 90%的玉米淀粉和马铃薯淀粉产业，红薯淀粉清洁生产技术与设备研发比较落 后，没有形成产业清洁生产标准。过去农村红薯淀粉家庭作坊采用机械化程度很低的酸浆重力 沉降法。近年来，红薯淀粉加工机械逐渐兴起，但仍未实现完全机械化，中小规模的加工厂仍 大多采用部分机械化加酸浆沉淀法结合的生产方式，其生产效率低、废水排放量大。工艺流程 如下：鲜薯-洗涤-破碎磨浆-浆渣筛分-酸浆沉淀提取淀粉-脱水干燥-淀粉成品。因此， 具有耗水量小、出粉率和出粉品质高以及技术经济性的农村红薯淀粉清洁生产技术与设备是现 阶段的迫切需要。针对淀粉生产工艺流程中主要用水和淀粉废水排放环节，通过对清洁生产关 键技术研究以及设备改进升级，以解决水耗、物耗、能耗、排放高的问题，实现红薯加工生产 源头的污染物削减。2.1 红薯清洗目前，农村红薯淀粉加工中洗薯通常采用清水淋冲或桨叶式清洗机，洗薯的耗水量约占红 薯淀粉加工总水量的50%，并且没有水的循环再用，每1 t鲜薯用水量在4 t以上。目前，比较 先进的是“鼠笼式清洗机+毛辊清洗机”两段式洗薯工艺。鼠笼式洗薯机预洗处理能够浸泡剥离 红薯表面大块泥土，毛辊洗薯机利用毛刷与红薯摩擦洗净红薯坑凹处泥沙，使用此组合洗薯工 艺可以使耗水量降低至1 t鲜薯1 t水。不仅如此，通过调节毛辊洗薯机的毛刷硬度可以实现红 薯去皮，有利于提升淀粉品质。考虑到洗薯水主要含有泥、沙等非溶解性固体悬浮杂质，经过 简易沉淀工艺处理可以实现工艺水的回用。2.2 破碎磨浆破碎磨浆的目的就是破坏红薯块根的组织结构，使微小的淀粉颗粒能够顺利地从块根中解 体分离出来。磨浆的要求如下：一是尽可能地使物料的细胞破裂，释放出更多的游离淀粉颗粒；二是渣粉要易于分离，碎皮渣不能过细，皮渣纤维过细不利于淀粉与其他成分筛滤分离， 会增加分离难度以及筛滤的用水量。目前，农村红薯淀粉加工使用低速单向粉碎机或螺旋锉磨 机破碎磨浆，经过粗磨的红薯淀粉颗粒不够均匀，含有未完全分离的纤维和蛋白质等，使得淀 粉质量不高。而滤出的薯渣中仍含有一定比例的淀粉，造成了淀粉资源的浪费。刺辊磨浆法是 节水、高效的破碎磨浆方法，辊上布满了钉刺，高速旋转的刺辊将红薯刨碎成丝状，粉碎均匀 且细渣较少，不堵塞滤筛网孔，有利于淀粉从纤维素中游离。2.3 浆渣分离浆渣分离的目的是为了从薯浆中提取淀粉，其技术水平会直接影响红薯淀粉的提取率和淀 粉质量。现有农村红薯淀粉加工使用传统自制曲筛（固定筛网+转动刷）进行浆渣分离，利用 水流把薯浆中的淀粉洗至筛下。该方法存在浆渣分离效率低、耗水量大等缺点，此法每生产1 t淀粉，废水排放量可达淀粉质量的1520倍3。针对这一问题，采用具有两级淘洗的卧式离 心锥形筛过滤淀粉，分离部件采用连通器原理，保证一级淘洗室有足够的水位，使磨碎的浆渣 得到充分淘洗，向上溢流进入二级淘洗过滤甩干，克服了采用一次洗滤难以滤净的缺陷。淀粉 滤净率大大提高，用水量大幅度减少。2.4 淀粉提取“重力沉降法+酸浆沉淀法”是农村红薯淀粉加工采用的淀粉提取工艺，磨碎后的薯浆加入 大量水冲洗后在重力的作用下使淀粉沉降，特制的酸浆中能够提高淀粉颗粒的沉淀速率，但是 沉降后淀粉的表层会存在一层泥沙等杂质，因此会造成淀粉的浪费。这类方法具有出粉品质 低、耗水量大、生产用时长等缺点。旋流淀粉提取法已经在玉米淀粉清洁生产中广泛应用，其 原理是物料颗粒因各自密度、形态大小差异，沉降速度不同，在离心力作用下分离。在此基础 上研制改进旋流器的结构，考虑红薯淀粉颗粒和蛋白质颗粒的密度和细度等具体的因素，使其 适合于红薯淀粉清洁生产。采用上述清洁生产技术与设备后，淀粉生产用水量可以减少30%，淀粉废水排放量可减少 40%。3 淀粉废水的微生物絮凝处理与资源化利用红薯淀粉废水含有大量有机污染物，如蛋白质、糖类、溶解性淀粉、微细纤维素等，直接 排放会造成严重的水体污染，也造成了资源浪费。因此，需要一种经济、高效的技术手段处理 红薯淀粉废水，同时资源化回收废水中蛋白等有用组分，大幅削减废水的排放。3.1 淀粉废水的微生物絮凝处理目前，国内外经常采用的淀粉废水处理工艺有厌氧好氧串联工艺或两段好氧串联工艺， 厌氧部分一般采用厌氧滤池、UASB反应器，好氧部分采用生物接触氧化、循环式活性污泥 法、氧化沟等工艺，此类工艺处理高浓度淀粉废水存在能耗大、费用高、污泥产生量大等问题4-5。化学絮凝法也被广泛应用于高浓度淀粉废水的处理，常用的絮凝剂有聚铝无机物(PAC)、聚丙烯酸(PAM)、季铵盐，由于化学絮凝剂对人畜存在毒性，该法存在絮凝物无 法饲料化或肥料化回收利用红薯蛋白的问题6。微生物絮凝剂具有高效、无毒、安全、环境友好等特点，可以解决一般化学絮凝剂的二次 污染问题。李琳等7利用酿酒酵母和胶质芽孢杆菌制成的复合微生物絮凝剂对红薯淀粉废水 进行絮凝处理，絮凝率达到97%, COD去除率达95%。淀粉废水中污染物主要是细小的固体 悬浮物，对于比重接近于水的蛋白等物质，传统沉淀法难以去除，气浮技术可以很好地解决这 一问题，其利用高度分散的微小气泡作为载体去除黏附废水中的悬浮物3。 “微生物絮凝气 浮”组合工艺用于处理红薯淀粉废水有机物，去除率高，基建投资少，处理费用低。絮凝回收 物因不含有毒有害化学絮凝剂，可以进行饲料或肥料的资源化利用。3.2 淀粉废水的资源化高值利用淀粉废水絮凝沉淀后的回收物中含有蛋白质、多糖、纤维素等有用组分，干基中蛋白质含 量占35%40%,具有很高的潜在利用价值。利用淀粉废水回收固形物接种光合细菌进行固体 湿态发酵制备高级蛋白饲料是一条适合农村红薯淀粉规模化加工的途径8，其工艺简单、生 产成本低，废水回收固形物含水70%80%，加入菜籽粕、麸皮、啤酒酵母泥等混合，接种光 合细菌进行固体发酵，经过一段时间后，蛋白质含量和生物学效价大幅提高，同时省却了对湿 固形物脱水的工艺。此外，也可以对淀粉回收蛋白等组分进行真空干燥或冷冻干燥，制备高分 子复合物中间产品用以高级蛋白饲料、食品或医药的生产。3.3 淀粉废水尾水的回田灌溉利用经过生物处理和生态净化后的淀粉尾水COD、氨氮等主要污染物浓度虽然有大幅度降 低，但远高于河流的目标水质，而尾水中污染成分主要是氮、磷等营养物质，基本没有重金 属、有毒有机物、病原菌等毒害污染物，非常适用于农田灌溉。因此，淀粉尾水的农业安全灌 溉处理技术既可以安全消纳淀粉尾水的营养物质，一定程度上减少了农田化肥的用量，又提高 了水资源的利用效率。经过农田灌溉后的淀粉尾水水质指标COD和氨氮预期可以达到城镇污水处理厂污染物排 放一级B标准，实现安全入河。4 市场经济调节和环境政策保障农村红薯淀粉清洁生产的技术经济性也是一项技术难点，决定其是否能被市场接受并得以 推广。因此，相应的经济政策手段也是农村低污染红薯淀粉加工方式的重要环节。4.1 市场经济调节目前，红薯淀粉加工是农民增收的一个重要途径，相比于直接出售鲜薯，收益可提高 10%15%。利用市场价格调节手段，农村低污染红薯淀粉加工合作社可以将红薯收购价格提 高 10% ，鼓励农民出售鲜薯，从而大幅削减家庭作坊式红薯淀粉加工排放的污染。红薯淀粉加 工合作社通过提高淀粉产率和质量增加效益来弥补这部分额外支出。此外，考虑到低污染红薯加工合作社在淀粉废水处理减排方面的贡献，地方政府可以出台 一些税收减免等优惠政策，增强其经济竞争力，使低污染红薯淀粉生产方式能够易于推广。4.2 环境政策保障近几十年来，我国农业快速发展很大程度上是依靠牺牲生态环境所取得的，农业生产与环 境保护的矛盾日益突出，农业环境难以持续发展。我国农业面源污染控制面临的最大问题是农 业环境政策的缺失与环境管理的失灵，因此亟需制订农村红薯淀粉规模化生产与污染治理的农 业环境补贴政策，形成农业红薯淀粉清洁生产技术规范与标准。为了改变农村家庭作坊式红薯淀粉高污染生产方式，实现红薯淀粉清洁生产与污染集中治 理，研究针对某一流域红薯淀粉规模化清洁生产与淀粉废水集中治理的环境补贴政策，推动红 薯淀粉产业升级与产品质量提高，实现红薯淀粉生产经济效益与农业环境效益之间的统一。通 过估算规模化红薯淀粉生产外部环境成本，统筹考虑农民与红薯淀粉加工合作社接受补贴的意 愿，确定补贴标准量值范围与合理补贴方式，保障红薯淀粉低污染生产模式的实施推广。5 结论该文分析了农村红薯淀粉生产带来的水环境污染问题与其科技需求，提出了一套红薯淀粉 低污染生产模式，通过在红薯清洗、破碎磨浆、渣浆筛滤、淀粉提取几个用水和废水生产关键 环节对农村红薯淀粉加工方式进行清洁生产技术升级和设备改进，减少淀粉废水的产生，提高 淀粉产率与质量；通过“微生物絮凝+气浮”组合工艺，能大幅降低淀粉废水有机物浓度，回收 红薯蛋白等有用组分，提高红薯淀粉加工经济效益；通过淀粉废水的生物净化处理回田灌溉， 实现大幅削减淀粉废水的入河污染负荷；通过市场经济调节和环境政策的导向，保障农村红薯 淀粉低污染生产模式的顺利推广，这对红薯淀粉产业的优化升级、控制和治理农村水环境污染 具有很重要的意义。6 参考文献1 张松树，刘兰服河北省甘薯发展优势及产业化对策J.河北农业科学，2004，8(1)：86-88.2 孙艳丽，李庆鹏，孙君茂鲜甘薯淀粉加工工艺现状分析及其建议J中国食物与营养， 2009 (4)： 25-27.3 孙红娟，贠建民，颜东方，等.气浮-絮凝-厌氧好氧处理马铃薯淀粉废水工艺探索J.农 产品加工学刊， 2012（12）：20-23.4 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