膜技術(shù)回收馬鈴薯淀粉廢水中蛋白質(zhì)的中試研究
2014-05-14 18:33:27
admin
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據中國食品科技網(wǎng)2009年3月26日訊 淀粉在食品與發(fā)酵領(lǐng)域中有非常廣泛的用途，馬鈴薯是生產(chǎn)淀粉的主要原料，在生產(chǎn)工藝中需要大量的水，經(jīng)過(guò)分離淀粉后將產(chǎn)生大量的廢水，而廢水中會(huì )溶解馬鈴薯中的有機物和無(wú)機物，使廢水中的化學(xué)需氧量（COD）可達10000mg/L以上，將會(huì )導致大面積的污染。
由于中國淀粉生產(chǎn)工藝相對落后，資源的利用率較低，淀粉生產(chǎn)過(guò)程中大量的植物蛋白未加利用而隨生產(chǎn)廢水排放，這不僅影響了環(huán)境，同時(shí)還造成了大量的浪費。而馬鈴薯蛋白是一種極其優(yōu)良的飼料添加劑，它的營(yíng)養價(jià)值高于大豆蛋白。因此回收馬鈴薯淀粉廢水中的蛋白既可充分利用廢棄資源，又能改善環(huán)境污染。目前國內采用膜技術(shù)回收馬鈴薯淀粉廢水中蛋白質(zhì)研究很少，只發(fā)現少數實(shí)驗室的研究報道。
本課題采用超濾膜對馬鈴薯淀粉廢水進(jìn)行了回收蛋白質(zhì)的中試實(shí)驗，研究了超濾膜在回收工藝中的溫度、壓力、流速、濃度與通量之間的關(guān)系，同時(shí)也研究了超濾膜在回收工藝中的溫度、壓力、流速、濃度與蛋白質(zhì)截留率之間的關(guān)系。結果表明，超濾膜對馬鈴薯淀粉生產(chǎn)廢水中的蛋白質(zhì)的截留率大于90%，COD 的截留率大于50%，清洗效果好。
1 材料與設備
1.1 設備
中試設備采用的是平板超濾膜設備，膜面積為1m2，膜材料為PE，超濾膜相對切割分子量為20KD。
1.2 原水來(lái)源
試驗場(chǎng)地為甘肅省西市某淀粉生產(chǎn)廠(chǎng)，廢水取自該廠(chǎng)淀粉生產(chǎn)工藝中濃縮分離旋流器溢流水，原水水質(zhì)情況如表1。
由實(shí)驗數據可以看出，原水水質(zhì)波動(dòng)非常大，給預處理增加了難度。
1.3 數據分析
原液、濃縮液及透過(guò)液由蘭州交通大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院分析測試中心檢測。
1.4 工藝流程路線(xiàn)
1.5 超濾工藝流程
當超濾膜設備工作時(shí)，打開(kāi)進(jìn)料閥門(mén)開(kāi)大調壓閥門(mén)，然后開(kāi)啟供水泵，此時(shí)可以通過(guò)調節進(jìn)水閥門(mén)調進(jìn)水流量，進(jìn)行流量與膜通量關(guān)系的試驗。通過(guò)調節調壓閥調節操作壓力，進(jìn)行操作壓力與膜通量關(guān)系的試驗研究。通過(guò)熱交換器調節系統運行溫度，進(jìn)行溫度與通量關(guān)系的試驗研究。
1.6 系統運行過(guò)程
中試試驗過(guò)程中，原水在循環(huán)泵的作用下平行流過(guò)平板式超濾膜表面，根據錯流過(guò)濾原理，平板式超濾膜將原水分離為濃縮液和透過(guò)液。透過(guò)液通過(guò)平板式超濾膜，由透過(guò)液出口流出。濃縮液流過(guò)平板膜表面進(jìn)行循環(huán)，同時(shí)也以較高的流速沖刷膜表面，控制超濾膜面的污染及濃差極化現象，當原水被濃縮到一定的倍數時(shí)送到后續工藝進(jìn)行干燥處理。
1.7 系統運行條件
pH：3～9
溫度（℃）： 5～50
切割分子量： 2萬(wàn)
膜面積： 1m2
工作壓力： 0～0.4MPa
2 結果討論
2.1 廢水的預處理
由于廢水中固形物含量較高，容易堵塞超濾膜。為了防止超濾膜的污染，我們分別采用1μm的袋式過(guò)濾器與澄清分離進(jìn)行了預處理試驗對比。
從分析測試結果可以看出，采用澄清分離法比過(guò)袋式過(guò)濾器的結果要好。其一是蛋白質(zhì)含量沒(méi)有減少，經(jīng)袋式過(guò)濾器后蛋白質(zhì)有損失。其二是澄清分離去除溶解性總固和濁度都優(yōu)于袋式過(guò)濾器，SS的去除效果基本相同。因此在試驗中我們選用了沉淀澄清分離進(jìn)行膜前預處理。
2.2 超濾膜孔徑大小的選擇
表3是采用不同孔徑大小的超濾膜在同一運行條件下進(jìn)行取樣分析測試數據，根據表中數據分析，采用相對切割分子量為2萬(wàn)的超濾膜進(jìn)行試驗較為合理。因此在中試中我們選用了相對切割分子量為2萬(wàn)的超濾膜對廢水中蛋白質(zhì)進(jìn)行回收試驗。
2.3 工作壓力與蛋白質(zhì)截留率和膜通量之間的關(guān)系
實(shí)驗操作溫度控制在25℃，進(jìn)料流速控制在160L/min的條件下進(jìn)行的工作壓力與蛋白質(zhì)截留率和膜通量之間關(guān)系的試驗。從實(shí)驗數據中可以看出，隨著(zhù)工作壓力的升高，膜通量從110L/h上升到320L/h，說(shuō)明膜通量隨壓力有一定的變化。壓力與膜通量變化比較明顯的階段在0.05～0.2MPa之間，當工作壓力超過(guò)0.2MPa之后，膜通量的變化并不大，此時(shí)說(shuō)明壓力在0.05～0.2MPa之間時(shí)對膜通量的影響較大，再升工作壓力高操作壓力時(shí)對膜通量影響就不大了。隨著(zhù)工作壓力的升高超濾膜對蛋白質(zhì)的截留率有所下降，但是下降的幅度并不大，在0.2MPa以下時(shí)對蛋白質(zhì)的截留率基本沒(méi)有發(fā)生變化，超過(guò)0.2MPa以后截留率有相對明顯的變化，當壓力超過(guò)0.35MPa時(shí)，超濾膜對蛋白質(zhì)量截留率已經(jīng)降低到90%以下。對COD的截留率基本在56%左右。對實(shí)驗數據的結果進(jìn)行分析，我們認為采用0.2MPa的工作壓力較為合理。
2.4 進(jìn)料液流量與膜通量的關(guān)系
控制水溫在25℃，操作壓力在0.2MPa的運行條件下進(jìn)行了進(jìn)口流量與膜通量關(guān)系的試驗。從實(shí)驗數據中可以看出，當進(jìn)口流量不斷加大時(shí)，超濾膜的通量也在不斷升高，當進(jìn)口流量超過(guò)去160L/min之后，膜通量也就不再升高了，這說(shuō)明當進(jìn)口流量超過(guò)160L/min后以加大流量提高膜通量已經(jīng)沒(méi)有任何意義了。因此，進(jìn)口流量選擇160L/min較為合適。
2.5 運行溫度對膜通量的影響
控制操作壓力在0.2MPa，進(jìn)料流速為160L/min，不同溫度條件下考察膜通量與截留率的關(guān)系。從實(shí)驗數據中可以看出溫度對膜通量和截留率都有一定的影響，膜通量隨著(zhù)溫度的升高，通量不斷增加，截留率不斷下降，但是在20～25℃之間時(shí)膜通量與截留率較為合理，因為過(guò)此點(diǎn)后膜通量上升減慢而截留率下降卻加快。
2.6 超濾膜連續運行膜通量隨時(shí)間的變化
在壓力保持0.2MPa不變，溫度保持在25℃不變，膜進(jìn)口流量保持在160L/min不變時(shí)考察膜通量與時(shí)間的關(guān)系，運行方式采用的是錯流式過(guò)濾方式。從實(shí)驗數據中可以看出設備運行相當穩定，經(jīng)過(guò)15h運行時(shí)，膜通量才有明顯下降。當膜通量下降明顯時(shí)說(shuō)明超濾膜已經(jīng)被污染，此時(shí)必需進(jìn)行化學(xué)清洗。從實(shí)驗數據中可以看到，經(jīng)過(guò)化學(xué)清洗后膜通量恢復很好，這說(shuō)明清洗方法正確。在長(cháng)期運行的狀態(tài)下，每隔一段時(shí)間就會(huì )出現膜通量下降的現象，所以每隔一段時(shí)間都要進(jìn)行一次化學(xué)清洗以保證設備長(cháng)期穩定的運行。
2.7 超濾膜對廢水中蛋白質(zhì)的濃縮試驗
對實(shí)驗數據進(jìn)行分析可以得出這樣一個(gè)結論，隨著(zhù)超濾濃縮馬鈴薯廢水倍數的增加，蛋白質(zhì)的濃縮倍數和蛋白質(zhì)含量也在不斷升高，蛋白質(zhì)的濃縮倍數與含量的升高與廢水的濃縮倍數呈直線(xiàn)關(guān)系，可以看出，蛋白質(zhì)的濃縮倍數與含量的增加與濃縮倍數成正比關(guān)系。當超濾濃縮馬鈴薯廢水的倍數達到20倍。蛋白質(zhì)的含量已達到3%左右，從而有效地實(shí)現了濃縮馬鈴薯淀粉生產(chǎn)工藝廢水中的收蛋白質(zhì)，可以有效進(jìn)行回收利用。
2.8 超濾膜污染的清洗試驗
由于馬鈴薯淀粉生產(chǎn)廢水中含有大量的有機物，超濾膜在運行一段時(shí)間后由于膜孔徑的堵塞和吸附作用造成了膜的污染，如果不進(jìn)行化學(xué)清洗繼續運行會(huì )造成膜不可逆損害。因此必需進(jìn)行化學(xué)清洗才能保證超濾的正常運行。根據料液的特性我們選擇了先用0.02mol/L的NaOH進(jìn)行循環(huán)運行清洗，清洗時(shí)間5min，再用純凈水沖洗10min。清洗效果從實(shí)驗數據中可以看到，膜通量恢復率達到95%。說(shuō)明采用此清洗方法清洗效果是較好的，清洗恢復率較高。
3 結論
?。?）采用平板式超濾膜回收馬鈴薯淀粉生產(chǎn)廢水中的蛋白質(zhì)技術(shù)上是可行的，蛋白質(zhì)截留率高，濃縮效果明顯，經(jīng)平板式超濾膜濃縮可將廢水中的馬鈴薯蛋白質(zhì)濃縮至半固形物狀態(tài)，非常有利于冷凍或烘干干燥。
?。?）采用平板式超濾膜系統回收馬鈴薯淀粉生產(chǎn)廢水中的蛋白質(zhì)具有運行溫度低、生產(chǎn)效率高、可實(shí)現自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)。
?。?）污染后的平板式超濾膜的清洗方法簡(jiǎn)單，清洗效果較好，通量恢復率高。
根據試驗研究可以認為采用平板式超濾膜工藝回收馬鈴薯淀粉生產(chǎn)廢水中的蛋白質(zhì)是一種穩定、濃縮度高、濃縮效果好、安全、可靠、自動(dòng)化程度高的馬鈴薯淀粉生產(chǎn)廢水中蛋白質(zhì)回收的新工藝。