Введение в очистку сточных вод при производстве сапонина куркумы 

I. Процесс производства сапонина куркумы

1.Метод прямого кислотного гидролиза

Обработка сырья: промойте и измельчите имбирь с содержанием влаги 63–70% и поместите его в бродильный чан. Нагревайте паром, периодически подавая водяной пар, чтобы поддерживать температуру 40°C. Поддерживайте эту температуру в течение 3–5 дней для ферментации.

Кислотный гидролиз: переложите ферментированный имбирь в сосуд для гидролиза, добавьте примерно вдвое больше (вдвое больше количества добавленного имбиря, по объему/весу) 10–15%-ного раствора соляной кислоты, закройте, нагрейте до 110 °C, гидролизуйте в течение примерно 8 часов, периодически выпуская газ в ходе процесса, затем охладите, дайте постоять и профильтруйте.

Нейтрализация: Медленно добавьте 4–5% раствор гидроксида натрия к остатку на фильтре, чтобы довести значение pH до 7, дайте отстояться, отфильтруйте методом отсасывания и высушите полученный гидролизат при температуре 95 °C для получения сухого гидролизата.

Экстракция: Гидролизат поместили в экстрактор, добавили белый бензин, смесь перемешали и нагрели, после 10 часов экстракции смесь охладили, сконцентрировали и перегнали для получения твердого дистиллята, который затем высушили при температуре 95°С для получения сырого сапонина.

Перекристаллизация: сырой продукт перекристаллизовывают в петролейный эфир. Количество петролейного эфира в 2–3 раза превышает вес сырого продукта (по массе/объему). Смесь перемешивают и нагревают с обратным холодильником около 2 часов. После этого смесь охлаждают, дают отстояться, фильтруют и сушат при 95 °C для получения чистого продукта.

2.Метод биоферментной ферментации-кислотного гидролиза

Ферментация: промойте и измельчите куркуму, добавьте 1–10% (по массе) биологических ферментов от веса куркумы, тщательно перемешайте, закройте и ферментируйте при температуре от 20 до 40 °C в течение 1–3 дней. В качестве биологических ферментов можно использовать амилазу, целлюлазу, гемицеллюлазу, пектиназу, протеазу или смесь нескольких ферментов.

Кислотный гидролиз: добавьте ферментированный имбирь в 10–15% раствор соляной кислоты, нагрейте до 100–110 °C, гидролизуйте в течение 7,5–8,5 часов, охладите, дайте настояться и профильтруйте.

Нейтрализация и последующая обработка: к остатку на фильтре медленно добавляли раствор гидроксида натрия для доведения значения pH до 7. После отстаивания и фильтрации осадок высушивали для получения сухого гидролизата. Затем гидролизат помещали в экстрактор, добавляли белый бензин, перемешивали, нагревали и экстрагировали, охлаждали, концентрировали и перегоняли для получения твёрдого дистиллята. Твёрдый дистиллят высушивали для получения сырого сапонина. Затем сырой продукт добавляли в петролейный эфир для перекристаллизации для получения чистого продукта.

3.Новый процесс экстракции

Предварительная обработка сырья: После промывки, дробления и измельчения имбирь механически разделяется на мякоть и остаток. Из мякоти извлекается крахмал, а крахмальная суспензия после осаждения используется вместе с остатком для последующей ферментации.

Ферментация и кислотный гидролиз: Обработанные выше материалы ферментируются и подвергаются кислотному гидролизу для получения гидролизованного сухого продукта. Этот процесс позволяет повысить степень извлечения сапонина, обеспечить полное использование крахмала, снизить ХПК производственных сточных вод и уменьшить загрязнение окружающей среды.

II.Источники сточных вод от производства сапонина куркумы

1.Процесс предварительной обработки сырья

Процесс очистки: Перед началом производства куркуму необходимо очистить от таких загрязнений, как грязь, песок, остатки пестицидов и микроорганизмы. В результате образуются сточные воды, содержащие большое количество грязи, взвешенных частиц и небольшое количество органических веществ (таких как сахара и белки), растворенных в самой куркуме. Эти органические вещества повышают химическое потребление кислорода (ХПК) сточных вод, превращаясь в загрязняющие вещества.

Процесс измельчения: После промывки куркума измельчается. В ходе этого процесса структура клеток куркумы разрушается, и из клеток вытекает сок. Этот сок содержит большое количество органических веществ, таких как крахмал, пектин и целлюлоза, которые попадают в сточные воды, образующиеся при промывке оборудования. При этом в сточных водах могут оставаться остатки смазочных материалов или охлаждающей жидкости из измельчающего оборудования, что также приводит к ухудшению их состава.

2.Процесс гидролиза

Гидролиз – важнейший этап производства сапонинов куркумы. В процессе гидролиза в качестве катализаторов обычно используются кислоты или щелочи. При кислотном гидролизе большое количество кислоты делает сточные воды сильно кислыми; при щелочном гидролизе сточные воды становятся щелочными. Одновременно с этим крупные молекулы куркумы, такие как целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин, разлагаются в процессе гидролиза с образованием различных низкомолекулярных органических соединений, включая моносахариды и органические кислоты. Эти низкомолекулярные органические соединения в больших количествах попадают в сточные воды, что приводит к чрезвычайно высокому уровню ХПК. Кроме того, реакция гидролиза может сопровождаться побочными реакциями, приводящими к образованию трудно поддающихся обработке органических соединений, что ещё больше усложняет очистку сточных вод.

3.Стадия экстракции и разделения

Экстракция органическими растворителями: При использовании органических растворителей (таких как петролейный эфир, этанол и т.д.) для извлечения сапонинов часть органических растворителей остаётся в сточных водах, что повышает их токсичность. В то же время, сапонины не могут быть полностью извлечены в процессе экстракции, и небольшое количество сапонинов и других примесей остаётся в сточных водах.

Операции сепарации: После операций сепарации, таких как фильтрация и центрифугирование, при очистке оборудования также образуются сточные воды, содержащие остаточные вещества. Например, твердые примеси и органические вещества, оставшиеся на фильтрующем оборудовании, а также остатки экстракта, оставшиеся на центрифугировании, и т.д., смываются и попадают в сточные воды во время очистки этих устройств.

4.Процесс ферментации (если присутствует)

Если производственный процесс включает ферментацию, то метаболическая активность микроорганизмов во время ферментации приводит к образованию побочных продуктов, таких как органические кислоты и спирты. Кроме того, ферментационный бульон содержит неиспользованные компоненты питательной среды, включая сахара и источники азота (например, аминокислоты). После ферментации эти вещества попадают в систему сточных вод в ходе таких процессов, как очистка ферментационного чана, что приводит к повышению концентрации органических веществ в сточных водах. Кроме того, рост и метаболизм микроорганизмов во время ферментации изменяют pH ферментационного бульона, вызывая изменение pH сточных вод.

5.Процесс очистки оборудования

В процессе производства различные реакционные сосуды, трубопроводы и разделительное оборудование требуют регулярной очистки. В этих устройствах задерживаются остатки сырья, промежуточных продуктов и готовых продуктов. Например, в реакционных сосудах могут оставаться гидролизованные органические остатки, а на внутренних стенках трубопроводов могут накапливаться сапонины или органические растворители. В процессе очистки эти остатки смываются и попадают в сточные воды, в результате чего сточные воды содержат целый ряд сложных загрязняющих веществ, включая органические вещества, неорганические вещества и органические растворители.

III. Характеристики сточных вод производства сапонина куркумы

Высокая кислотность и высокая соленость: значение pH сточных вод, содержащих сапонины куркумы, обычно составляет около 1,0, что указывает на высокую кислотность. Кроме того, сточные воды содержат большое количество сульфат-ионов, что приводит к высокой солености.

Высокое содержание органических веществ: сточные воды характеризуются высокой концентрацией органических веществ, при этом химическое потребление кислорода (ХПК) в сточных водах составляет от 20 000 мг/л до 40 000 мг/л. ХПК в растворе гидролизованной кислоты ещё выше и достигает 90 000 мг/л–100 000 мг/л.

Высокая степень загрязнения: сточные воды, содержащие сапонин куркумы, имеют высокую степень загрязнения, в них содержится большое количество стойких органических веществ и поверхностно-активных веществ.

Плохая биоразлагаемость: из-за воздействия высокой кислотности и высокой солености сточные воды обладают плохой биоразлагаемостью и их трудно разложить напрямую посредством биологической очистки.

Другие характеристики: Сточные воды имеют тёмно-коричневый цвет и содержат большое количество денатурированных пигментов и коллоидных веществ. В процессе очистки наблюдается сильное пенообразование.

IV. Процесс очистки сточных вод для производства сапонина куркумы

1.Этап предварительной обработки

Целью предварительной очистки является корректировка качества и количества воды, снижение концентрации взвешенных веществ и токсичных веществ, а также создание условий для последующей биологической очистки. Этап предварительной очистки включает в себя следующие основные процессы:

Усреднительный резервуар: обеспечивает баланс качества сточных вод (например, pH и ХПК) и расхода, предотвращая воздействие на последующие очистные сооружения. Время задержки обычно составляет 8–12 часов. Резервуар оснащен перемешивающим устройством для предотвращения осаждения взвешенных частиц.

Нейтрализация: в сточные воды добавляют щелочные реагенты, такие как известь (Ca(OH)₂) и гидроксид натрия (NaOH), для поддержания значения pH в нейтральном диапазоне 6–9. В процессе нейтрализации образуется большое количество осадка (например, сульфата кальция), что требует последующего разделения на жидкую и твёрдую фазы.

Коагуляция и осаждение/флотация: удаляет взвешенные частицы, коллоиды и некоторые органические вещества, снижая содержание взвешенных веществ и ХПК в сточных водах. Коагулянты (например, полиалюминийхлорид PAC, полиферриксульфат PFS) и коагулянты (полиакриламид PAM) добавляются для образования крупных хлопьев посредством коагуляции и флокуляции, которые затем разделяются осаждением или флотацией. Степень удаления взвешенных веществ может достигать более 80%, а степень удаления ХПК составляет примерно 20–30%.

Предварительная гидролизно-кислотная очистка: В анаэробных условиях под действием гидролитических и подкисляющих бактерий стойкие макромолекулы органического вещества разлагаются на более мелкие органические молекулы (например, летучие жирные кислоты), что повышает биоразлагаемость сточных вод. Используется гидролизно-кислотный резервуар, время выдержки в котором обычно составляет 12–24 часа, что позволяет поддерживать концентрацию растворенного кислорода (РК) < 0,5 мг/л. Индекс биоразлагаемости (БПК₅/ХПК) может быть увеличен с менее 0,2 до 0,3–0,4.

2.Этап биохимической очистки

Биохимическая очистка является основным этапом удаления органических веществ из сточных вод и обычно представляет собой комбинацию анаэробных и аэробных процессов биологической очистки.

Анаэробная биологическая очистка в основном использует анаэробные реакторы UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) и IC (Internal Circulation). Реактор UASB использует анаэробные микроорганизмы (такие как метаногены) для разложения органического вещества на метан и углекислый газ, одновременно производя высококонцентрированный анаэробный ил. Он отличается высокой объемной нагрузкой (нагрузка ХПК может достигать 5–15 кг/(м³・д)), низким потреблением энергии и способностью извлекать биогаз (CH₄) в качестве источника энергии. Температура поддерживается на уровне 30–35 ℃ (мезофильная анаэробная), pH поддерживается на уровне 6,8–7,2, а гидравлическое время задержания (HRT) составляет 12–24 часа. Степень удаления ХПК может достигать 60–80%, при этом ХПК сточных вод снижается до 2000–10000 мг/л.

Анаэробный реактор IC имеет более высокую скорость восходящего потока и эффективность очистки, чем реактор UASB, а также более устойчив к ударным нагрузкам, что делает его пригодным для органических сточных вод с высокой концентрацией.

Аэробная биологическая очистка в основном использует контактное окисление и активный ил. Контактное окисление подразумевает заполнение аэротенка наполнителем, к поверхности которого прикрепляются микроорганизмы, образуя биопленку. Органические вещества разлагаются в результате метаболизма этих микроорганизмов. Этот метод характеризуется высокой объемной нагрузкой, низким образованием ила и удобством управления. Содержание растворенного кислорода (РК) контролируется на уровне 2–4 мг/л, нагрузка на ил составляет 0,2–0,5 кг БПК₅/(кг мл СС·сут), а время удерживания составляет 12–24 часа.

В процессе обработки активным илом в основном используются методы A/O (анаэробно-аэробный) или A²/O (анаэробно-аноксично-аэробный). При удалении органического вещества происходит удаление азота посредством биологической нитрификации и денитрификации, а также удаление фосфора посредством высвобождения и поглощения фосфора полифосфатаккумулирующими бактериями. После аэробной очистки ХПК может быть снижен до уровня ниже 500 мг/л, а БПК₅ — до < 100 мг/л.

3. Этап глубокой очистки: Для достижения более высоких стандартов сброса (например, для поверхностных вод класса IV или класса А для городских очистных сооружений) требуется глубокая очистка.
Коагуляция и осаждение/фильтрация: Высокоэффективные коагулянты добавляются для дальнейшего удаления остаточных взвешенных твердых частиц и некоторых органических веществ. Затем стоки фильтруются через песок или активированный уголь для снижения содержания взвешенных веществ и ХПК. Передовые технологии окисления: Например, технология окисления Фентона и технология окисления методом пробоотбора, использующие реакцию Fe⁺ и H₂O₂ для образования гидроксильных радикалов (・OH) для окисления и разложения трудно поддающихся обработке органических веществ.