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  對于盛産馬鈴薯的我國西部農村地區,馬鈴薯既是“救命薯”“溫飽薯”,又是“脫貧薯”“致富薯”。僅甘肅一省馬鈴薯種植面積接近1000萬畝,農業産值120億元以上,通過加工增值後産值可以提高2-7倍。目前具有一定規模的馬鈴薯加工企業就有100多家,每年消耗馬鈴薯鮮薯200多萬噸。在實現加工增值的同時,還拉動了整個馬鈴薯産業的發展。然而,馬鈴薯加工造成的廢水汙染卻一度成爲這些企業長期難以跨越的發展痛點。特別是隨著環評標准越來越高,一些馬鈴薯澱粉加工企業陷入進退維谷甚至被取締關門的窘境。 

    为了攻破马铃薯加工废水处理的难题,中國科學院兰州化学物理研究所劉剛研究員带领团队,用十余年青春岁月,书写一曲“科技惠民”之歌,不仅解決了馬鈴薯澱粉加工廢水蛋白提取回收的技術難題,將汙染環境水體的“廢水”,變成了灌溉農田的“肥水”,惠及馬鈴薯種植農戶,成爲綠色循環工業的典範;還以科學的論證推動了國家政策標准的制定,救活了一大批馬鈴薯加工企業。 

    

   劉剛(圖片來源:蘭州化物所提供)

  結緣“土豆夢” 

   “馬鈴薯就是老百姓家裏常吃的土豆,甘肅這邊也叫洋芋。”提起馬鈴薯,劉剛就像在介紹自家的孩子,“一斤土豆,在市場上賣不了幾個錢,且儲存、物流成本極高,如果加工成澱粉,不僅價值翻翻,而且用途更廣,更易存儲和運輸。年輕人喜歡的薯片、餅幹、冰淇淋、方便面和各大超市的半成品冷凍食品等都離不開馬鈴薯澱粉,我們平常能夠見到的高檔紙張、身上穿著鮮亮的衣服等在加工印染過程中都離不開馬鈴薯澱粉。在他眼裏,馬鈴薯簡直就是一個“百寶薯”。 

  據了解,我國馬鈴薯種植面積和産量均居世界首位,總面積達8000余萬畝。然而,我國90%以上的馬鈴薯是直接用于鮮食、留種和作爲飼料等,只有約5%用于薯條、薯片、全粉和澱粉加工;而在美國這個數據幾乎相反,它們僅有32%的馬鈴薯直接鮮食,其余大部分會被加工增值。僅馬鈴薯澱粉的延伸産品就有2000多種,用于食品、藥品、造紙、紡織印染、化工等不同領域。 

   另一方面,中國馬鈴薯主産區大多是貧困地區,有調查顯示,馬鈴薯主産區與貧困地區的區域分布重合度達80%左右在有“薯都”之稱的甘肅定西,更是自古以“苦甲天下”聞名。馬鈴薯以耐旱、耐寒和耐瘠薄能力超過其他糧食和經濟作物。所以,馬鈴薯産業在像定西這樣生態條件較差的貧困地區就成爲脫貧致富的支柱産業。 

    

(圖片來源:蘭州化物所提供)

    如何突破馬鈴薯深加工的技術瓶頸,如何讓廣大農民通過馬鈴薯發家致富,成爲劉剛與馬鈴薯“結緣”的理由。 

   “所謂靠山吃山,靠水吃水。我們靠著土豆,就必須吃好土豆這碗飯。要真正吃好土豆這碗飯,就必須把土豆産業做強、做大!”經過多年發展,馬鈴薯産業已經成爲我國衆多西部省份的支柱産業之一僅甘肅一省在馬鈴薯澱粉及其制品加工業鼎盛期的年産值就超過了30億元。在甘肅定西,更是從1996年起就啓動了“洋芋工程”,希望通過轉型升級,把馬鈴薯産業打造成爲當地脫貧攻堅的支柱産業。 

   然而,劉剛在調研中發現,馬鈴薯澱粉加工耗水極大對于本就幹旱缺水的西部地區來說,水的重要性不言而喻。同時,馬鈴薯澱粉加工過程中,會産生大量的富含蛋白質、澱粉、多糖和膳食纖維素等有機營養物的工藝水,其COD(化学需氧量)值高达40000 mg/L,是国家规定排放标准的400倍,直接排放容易造成相关地区水域富营养化、鱼虾死亡、土地酸化以及臭味滋扰周边居民等环境污染2005年以後,一系列環保政策出台,不少馬鈴薯澱粉企業陷入經營困境甚至被迫關停,這對馬鈴薯生産大省甘肅來說,幾乎是一個致命的打擊——劉剛憂慮道,“這幾乎斷送了農民的財富路”。 

  
 

  在雲南澱粉企業指導廢水處理技術(圖片來源:蘭州化物所提供)


   從那時起,劉剛就致力于馬鈴薯澱粉加工工藝汁水淨化技術的研發。他的夢想就是要實現甘肅人常說的那句話——“洋芋開花賽牡丹”。 

  
 

  廢水變“肥水” 

    理論上,工業廢水處理並不是沒有辦法。 

    在其他工業領域,常用“預處理+厭氧生物處理+好氧生物處理+深度處理”工藝處理。然而這是一套技術條件有限制且成本很高的工藝,並不適用于馬鈴薯加工企業。一方面,馬鈴薯主産區的甘肅、甯夏等北方地區秋冬季氣溫較低,無法維持傳統工藝所需要的32℃以上的高溫,使其在馬鈴薯加工企業那裏經常“不靈”。 

    另一方面,馬鈴薯加工是個季節性很強的工作,一般就在土豆成熟後的那幾個月以內才能生産。如何維護傳統生化處理系統在非生産季節的運行問題,不僅是技術問題,更重要的是澱粉企業要承擔昂貴的成本。因此,很多馬鈴薯澱粉加工企業只能對這套技術望而卻步,靠偷排偷放,勉強維持生計。 

    傳統處理工藝無法解決現實問題,那就從頭做起,在思想上要首先“把自己否定一下”。 

    劉剛的“自我否定”,就是追求創新。 

    2008年,劉剛擔任農業部國家馬鈴薯産業技術體系崗位專家和馬鈴薯産業技術體系的研究室主任,他從循環利用的視角提出了一個大膽的設想:既要廢水達標,又要廢水肥田。在農業部國家馬鈴薯産業技術體系項目的持續支持下,他將馬鈴薯加工藝汁水中有用的蛋白質、小顆粒澱粉和細纖維等顆粒物質提取出來,變成比澱粉價值還要高的食品級和飼料級蛋白等。同時,還大幅度降低了工藝汁水中的生物質濃度,保留可溶性的小分子有機質和氮、磷、鉀等有益成分,變成了“有機碳肥水”,使其真正變廢爲寶,實現可持續性利用。 

  
 

  (圖片來源:蘭州化物所提供) 

    這個想法很有創意,但真正操作起來卻困難重重一來當時國內研究尚處空白,二來壓根沒有專門適合馬鈴薯加工汁水蛋白提取分離的專用設備。于是,劉剛帶領團隊在做好基礎研究的同時,設計研發馬鈴薯澱粉分離汁水蛋白分離的工業裝備。“這一下子就把實驗室和加工廠連接了起來”。 

    經過持續試驗,2013年,國內第一套馬鈴薯澱粉分離汁水提取蛋白現代化生産線投産運行。提取蛋白後的馬鈴薯廢水中含有多種小分子有機物及氮、鉀、磷等營養成分,它們是非常好的有機碳液體複合肥料,按照“以氮定量”的還田利用原則,可直接作爲肥水返還農田進行灌溉。于是,“變廢爲寶”的願望終于變成了現實。 

  

  

   在北大荒集團檢查馬鈴薯澱粉廢水還田情況(圖片來源:蘭州化物所提供)
 

    這個一舉兩得的創意終于實現了。然而,“這僅僅是一個階段性成果,要做到大面積推廣,還有比科學研究更難的任務等著我們去完成”。當他們准備把這項新技術在更大範圍推廣時,遇到了環評標准的新瓶頸——國家有關澱粉工業廢水排放政策中並無明確的廢水資源化處理標准,尤其是廢水直接還田利用的技術尚未被明確。 

    由于標准不明確,一些企業不得不頂著極大的“風險”:“光專家說達標不頂用,得政府說達標才能算啊!”如果不把標准明確下來,“企業還是死路一條”。 

    標准“救”企業 

    “必須救活這些企業!”劉剛笃定地說。 

    “要讓國家標准認可,關鍵還得靠科學數據”。爲了證明自己的研究成果符合國家標准,特別是廢水還田不存在任何化學汙染問題,劉剛團隊在甘肅臨洮、甯夏固原等地進行廢水還田實驗,實驗結果證明馬鈴薯澱粉廢水對土壤環境與水體沒有汙染,重金屬不超標,土壤結構明顯改善,土壤肥力從Ⅴ-Ⅵ級提高到Ⅱ-Ⅲ級,甚至于達到Ⅰ級標准。而且農作物每年還能增産10%以上、少施化肥60%以上。 

    僅有實驗數據還遠遠不夠,劉剛還親力親爲、力所能及地開展各種幕後推動工作:邀請領導專家參觀調研,撰寫研究咨詢報告,組織企業座談交流,同時不斷向政府主管部門建言獻策,鼓勵他們向國家申請試驗示範政策。只要有機會,劉剛就積極宣傳他的研究成果。從此,劉剛多了一個角色——政策建言人。 

    2016年劉剛遇到了与他有着共同观点的中国环境科学研究院的潘涔轩研究員,两人一拍结合,迅速组成了中國科學院和中国环境科学研究院共同推进马铃薯淀粉加工废水还田利用技术的战略联盟。然而,這個工作比他從事科學研究還要困難。劉剛他們往返于多省區各部門,大都吃了閉門羹。由于缺乏政策和法律的支持,即使有幾個支持他想法的領導,也不太願意做“第一個吃螃蟹”的人。 

    這期間,劉剛心中有過猶豫,有過苦悶,做科學研究才是科研人員的專長,大量時間投入市場推廣、政策改進,已經遠遠超出了一個科研人員的專業範圍然而徘徊之際,劉剛的那股子“剛勁”卻執拗了起來,“遇到困難就退縮,這不是一個科研人的風格! 

    轉機出現了!2016年底,劉剛他們獲得甯夏固原市政府支持,率先在固原建立馬鈴薯廢水還田試點。2017年1月13日,環保部發文支持甯夏固原市開展馬鈴薯澱粉廢水還田利用試驗示範,給固原市澱粉加工企業帶來了信心。廢水還田利用不僅降低了處理成本,還省了化肥,使我們種植的玉米每年增産20%-30%”,固原市西吉縣萬裏澱粉有限公司工程師梁繼烈告訴記者,劉剛團隊的研究成果對企業而言,是一舉兩得的大好事。 

  

   (圖片來源:蘭州化物所提供) 

    固原首個示範點的成功,讓劉剛看到希望。与此同时,他和中国环境科学研究院的潘涔轩研究員带领团队成员,在黑龙江、河北、内蒙、陕西、甘肃六大主产省区相继开展马铃薯淀粉废水资源化与肥水还田利用技术的推广,通过多种渠道协调推进各省分片区开展废水还田利用试点工作,并針對各個省區市氣候條件、地質結構、土壤肥力、企業水質情況和種植作物等因素,爲各省各企業制定地方性還田技術規範和技術指南,規範企業生産。 

    2017年12月,國家生態環境部出台《排汙許可證申請與核發技術規範農副食品加工工業-澱粉工業》新標准,明確指出“薯類澱粉廢水進行土地利用時,應符合國家和地方有關法律法規、標准及技術規範文件要求”。這項新標准于2018年6月30日起正式實施,這意味著薯類澱粉廢水只要達到國家和地方標准(技術指南或技術規範等)即可進行土地還田利用。 

  至此,劉剛團隊研發的廢水資源化利用終于被國家標准認可,真正“合法”了。 

   “這是一個充滿綠色前景的創新之舉!”談起這件事,56歲的劉剛興奮的像個孩子。他說,新標准幫助一大批馬鈴薯澱粉加工企業度過了危機,這是解決馬鈴薯企業增産和農戶增收的重大技術性突破,“總算是爲馬鈴薯澱粉産業做了一件實實在在的事情,也許還能爲將來我國食品(農産品)加工企業的非化學汙染類有機廢水資源化利用闖出了一條新的途徑”。 

   截至目前,劉剛团队研究的马铃薯淀粉加工废弃物资源化利用先后于2015年、2016年获得中国产学研促进会创新成果二等奖、甘肃省技术发明一等奖,马铃薯淀粉加工废弃物资源化利用和污染控制技术与装备已经获得9项国家发明專利授权,并在全国各地推广应用,其科技创新成果直接惠及马铃薯加工企业已经超过36家。 

  

  馬鈴薯澱粉加工廢棄物資源化利用與汙染控制技術獲得2016年甘肅省技術發明一等獎(圖片來源:蘭州化物所提供)
   另據估算,劉剛團隊關于馬鈴薯澱粉加工廢水處理還田利用的研究技術及成果推動,可爲一個年加工萬噸級的薯類澱粉企業創收180余萬元,節省成本350余萬元;可帶動企業周邊種植馬鈴薯的農戶增收2800元以上。同時,爲農業生産節水7萬噸,免除10萬噸左右澱粉廢水排放造成的環境汙染,最終實現經濟、社會和環保效益多贏。 

  用十年時間做一件有意義的事。对劉剛研究員来说,他的科研工作最大的成果,就是帮老百姓解决脱贫致富的实际困难。馬鈴薯澱粉加工是目前拉動馬鈴薯産業發展最明顯的支柱産業。近年來,甘肅定西、甯夏固原和內蒙烏蘭察布三個國家級貧困地級市的馬鈴薯種植面積波動與馬鈴薯澱粉加工量基本一致。因爲馬鈴薯澱粉企業消耗了當地1/4的馬鈴薯和幾乎全部分級篩選下來的小薯和殘次薯。沒有市場,農民種的土豆不值錢,依靠土豆脫貧之路也就成爲一句空話;馬鈴薯加工産業要發展,必須攻克加工廢水處理的難題。劉剛的研究,不僅讓馬鈴薯産業走上一條高值化的發展道路,也讓他找到了一條科技富民的成功之道。 

  

  劉剛 

  博士,研究員,博士生导师。中國科學院兰州化学物理研究所环境材料与生态化学研究发展中心副主任,国家马铃薯产业技术体系贮藏加工研究室主任,加工副产品综合利用岗位专家。科技部科技型中小企业技术创新基金评审专家。中国作物学会马铃薯专业委员会第六届理事,加工利用学部副主任。中国能源学会第二届理事会理事。中国化学学会永久会员。中国环境科学学会高级会员。民盟甘肃省委副主委,甘肃省政协常委。甘肃省跨世纪人才“333工程”一、二层人选。甘肃省重大项目建设管理咨询专家,甘肃省工程决策咨询专家委员会委员。

  撰稿人:毛可丽 赵玉琴 刘晓程 

  審核:宋华龙 段立斌 王晶 张慧玲  

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