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他突破了这个技术，救活了一大批马铃薯加工企业
来源：互联网
2024-11-12 23:20:55 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们
作者：中国科学院兰州分院 中国科学院兰州化学物理研究所
文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）
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对于盛产马铃薯的我国西部农村地区，马铃薯既是“救命薯”“温饱薯”，又是“脱贫薯”“致富薯”。仅甘肃一省马铃薯种植面积接近1000万亩，农业产值120亿元以上，通过加工增值后产值可以提高2-7倍。目前具有一定规模的马铃薯加工企业就有100多家，每年消耗马铃薯鲜薯200多万吨。在实现加工增值的同时，还拉动了整个马铃薯产业的发展。然而，马铃薯加工造成的废水污染却一度成为这些企业长期难以跨越的发展痛点。特别是随着环评标准越来越高，一些马铃薯淀粉加工企业陷入进退维谷甚至被取缔关门的窘境。
为了攻破马铃薯加工废水处理的难题，中国科学院兰州化学物理研究所刘刚研究员带领团队，用十余年青春岁月，书写一曲“科技惠民”之歌，不仅解决了马铃薯淀粉加工废水蛋白提取回收的技术难题，将污染环境水体的“废水”，变成了灌溉农田的“肥水”，惠及马铃薯种植农户，成为绿色循环工业的典范；还以科学的论证推动了国家政策标准的制定，救活了一大批马铃薯加工企业。
刘刚（图片来源：兰州化物所提供）
结缘“土豆梦”
“马铃薯就是老百姓家里常吃的土豆，甘肃这边也叫洋芋。”提起马铃薯，刘刚就像在介绍自家的孩子，“一斤土豆，在市场上卖不了几个钱，且储存、物流成本极高，如果加工成淀粉，不仅价值翻翻，而且用途更广，更易存储和运输。年轻人喜欢的薯片、饼干、冰淇淋、方便面和各大超市的半成品冷冻食品等都离不开马铃薯淀粉，我们平常能够见到的高档纸张、身上穿着鲜亮的衣服等在加工印染过程中都离不开马铃薯淀粉。”在他眼里，马铃薯简直就是一个“百宝薯”。
据了解，我国马铃薯种植面积和产量均居世界首位，总面积达8000余万亩。然而，我国90％以上的马铃薯是直接用于鲜食、留种和作为饲料等，只有约5％用于薯条、薯片、全粉和淀粉加工；而在美国这个数据几乎相反，它们仅有32％的马铃薯直接鲜食，其余大部分会被加工增值。仅马铃薯淀粉的延伸产品就有2000多种，用于食品、药品、造纸、纺织印染、化工等不同领域。
另一方面，中国马铃薯主产区大多是贫困地区，有调查显示，马铃薯主产区与贫困地区的区域分布重合度达80%左右。在有“薯都”之称的甘肃定西，更是自古以“苦甲天下”闻名。马铃薯以耐旱、耐寒和耐瘠薄能力超过其他粮食和经济作物。所以，马铃薯产业在像定西这样生态条件较差的贫困地区就成为脱贫致富的支柱产业。
（图片来源：兰州化物所提供）
如何突破马铃薯深加工的技术瓶颈，如何让广大农民通过马铃薯发家致富，成为刘刚与马铃薯“结缘”的理由。
“所谓靠山吃山，靠水吃水。我们靠着土豆，就必须吃好土豆这碗饭。要真正吃好土豆这碗饭，就必须把土豆产业做强、做大！”经过多年发展，马铃薯产业已经成为我国众多西部省份的支柱产业之一。仅甘肃一省在马铃薯淀粉及其制品加工业鼎盛期的年产值就超过了30亿元。在甘肃定西，更是从1996年起就启动了“洋芋工程”，希望通过转型升级，把马铃薯产业打造成为当地脱贫攻坚的支柱产业。
然而，刘刚在调研中发现，马铃薯淀粉加工耗水极大。对于本就干旱缺水的西部地区来说，水的重要性不言而喻。同时，马铃薯淀粉加工过程中，会产生大量的富含蛋白质、淀粉、多糖和膳食纤维素等有机营养物的工艺水，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年以后，一系列环保政策出台，不少马铃薯淀粉企业陷入经营困境甚至被迫关停，这对马铃薯生产大省甘肃来说，几乎是一个致命的打击——刘刚忧虑道，“这几乎断送了农民的财富路”。
在云南淀粉企业指导废水处理技术（图片来源：兰州化物所提供）
从那时起，刘刚就致力于马铃薯淀粉加工工艺汁水净化技术的研发。他的梦想就是要实现甘肃人常说的那句话——“洋芋开花赛牡丹”。
废水变“肥水”
理论上，工业废水处理并不是没有办法。
在其他工业领域，常用“预处理 厌氧生物处理 好氧生物处理 深度处理”工艺处理。然而这是一套技术条件有限制且成本很高的工艺，并不适用于马铃薯加工企业。一方面，马铃薯主产区的甘肃、宁夏等北方地区秋冬季气温较低，无法维持传统工艺所需要的32℃以上的高温，使其在马铃薯加工企业那里经常“不灵”。
另一方面，马铃薯加工是个季节性很强的工作，一般就在土豆成熟后的那几个月以内才能生产。如何维护传统生化处理系统在非生产季节的运行问题，不仅是技术问题，更重要的是淀粉企业要承担昂贵的成本。因此，很多马铃薯淀粉加工企业只能对这套技术望而却步，靠偷排偷放，勉强维持生计。
传统处理工艺无法解决现实问题，那就从头做起，在思想上要首先“把自己否定一下”。
刘刚的“自我否定”，就是追求创新。
2008年，刘刚担任农业部国家马铃薯产业技术体系岗位专家和马铃薯产业技术体系的研究室主任，他从循环利用的视角提出了一个大胆的设想：既要废水达标，又要废水肥田。在农业部国家马铃薯产业技术体系项目的持续支持下，他将马铃薯加工艺汁水中有用的蛋白质、小颗粒淀粉和细纤维等颗粒物质提取出来，变成比淀粉价值还要高的食品级和饲料级蛋白等。同时，还大幅度降低了工艺汁水中的生物质浓度，保留可溶性的小分子有机质和氮、磷、钾等有益成分，变成了“有机碳肥水”，使其真正变废为宝，实现可持续性利用。
（图片来源：兰州化物所提供）
这个想法很有创意，但真正操作起来却困难重重：一来当时国内研究尚处空白，二来压根没有专门适合马铃薯加工汁水蛋白提取分离的专用设备。于是，刘刚带领团队在做好基础研究的同时，设计研发马铃薯淀粉分离汁水蛋白分离的工业装备。“这一下子就把实验室和加工厂连接了起来”。
经过持续试验，2013年，国内第一套马铃薯淀粉分离汁水提取蛋白现代化生产线投产运行。提取蛋白后的马铃薯废水中含有多种小分子有机物及氮、钾、磷等营养成分，它们是非常好的有机碳液体复合肥料，按照“以氮定量”的还田利用原则，可直接作为肥水返还农田进行灌溉。于是，“变废为宝”的愿望终于变成了现实。
在北大荒集团检查马铃薯淀粉废水还田情况（图片来源：兰州化物所提供）
这个一举两得的创意终于实现了。然而，“这仅仅是一个阶段性成果，要做到大面积推广，还有比科学研究更难的任务等着我们去完成”。当他们准备把这项新技术在更大范围推广时，遇到了环评标准的新瓶颈——国家有关淀粉工业废水排放政策中并无明确的废水资源化处理标准，尤其是废水直接还田利用的技术尚未被明确。
由于标准不明确，一些企业不得不顶着极大的“风险”：“光专家说达标不顶用，得政府说达标才能算啊！”如果不把标准明确下来，“企业还是死路一条”。
标准“救”企业
“必须救活这些企业！”刘刚笃定地说。
“要让国家标准认可，关键还得靠科学数据”。为了证明自己的研究成果符合国家标准，特别是废水还田不存在任何化学污染问题，刘刚团队在甘肃临洮、宁夏固原等地进行废水还田实验，实验结果证明马铃薯淀粉废水对土壤环境与水体没有污染，重金属不超标，土壤结构明显改善，土壤肥力从Ⅴ-Ⅵ级提高到Ⅱ-Ⅲ级，甚至于达到Ⅰ级标准。而且农作物每年还能增产10%以上、少施化肥60%以上。
仅有实验数据还远远不够，刘刚还亲力亲为、力所能及地开展各种幕后推动工作：邀请领导专家参观调研，撰写研究咨询报告，组织企业座谈交流，同时不断向政府主管部门建言献策，鼓励他们向国家申请试验示范政策。只要有机会，刘刚就积极宣传他的研究成果。从此，刘刚多了一个角色——政策建言人。
2016年刘刚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员，两人一拍结合，迅速组成了中国科学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，这个工作比他从事科学研究还要困难。刘刚他们往返于多省区各部门，大都吃了闭门羹。由于缺乏政策和法律的支持，即使有几个支持他想法的领导，也不太愿意做“第一个吃螃蟹”的人。
这期间，刘刚心中有过犹豫，有过苦闷，做科学研究才是科研人员的专长，大量时间投入市场推广、政策改进，已经远远超出了一个科研人员的专业范围。然而徘徊之际，刘刚的那股子“刚劲”却执拗了起来，“遇到困难就退缩，这不是一个科研人的风格！”
转机出现了！2016年底，刘刚他们获得宁夏固原市政府支持，率先在固原建立马铃薯废水还田试点。2017年1月13日，环保部发文支持宁夏固原市开展马铃薯淀粉废水还田利用试验示范，给固原市淀粉加工企业带来了信心。“废水还田利用不仅降低了处理成本，还省了化肥，使我们种植的玉米每年增产20%-30%”，固原市西吉县万里淀粉有限公司工程师梁继烈告诉记者，刘刚团队的研究成果对企业而言，是一举两得的大好事。
（图片来源：兰州化物所提供）
固原首个示范点的成功，让刘刚看到希望。与此同时，他和中国环境科学研究院的潘涔轩研究员带领团队成员，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，并针对各个省区市气候条件、地质结构、土壤肥力、企业水质情况和种植作物等因素，为各省各企业制定地方性还田技术规范和技术指南，规范企业生产。
2017年12月，国家生态环境部出台《排污许可证申请与核发技术规范农副食品加工工业-淀粉工业》新标准，明确指出“薯类淀粉废水进行土地利用时，应符合国家和地方有关法律法规、标准及技术规范文件要求”。这项新标准于2018年6月30日起正式实施，这意味着薯类淀粉废水只要达到国家和地方标准（技术指南或技术规范等）即可进行土地还田利用。
至此，刘刚团队研发的废水资源化利用终于被国家标准认可，真正“合法”了。
“这是一个充满绿色前景的创新之举！”谈起这件事，56岁的刘刚兴奋的像个孩子。他说，新标准帮助一大批马铃薯淀粉加工企业度过了危机，这是解决马铃薯企业增产和农户增收的重大技术性突破，“总算是为马铃薯淀粉产业做了一件实实在在的事情，也许还能为将来我国食品（农产品）加工企业的非化学污染类有机废水资源化利用闯出了一条新的途径”。
截至目前，刘刚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项国家发明专利授权，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。
马铃薯淀粉加工废弃物资源化利用与污染控制技术获得2016年甘肃省技术发明一等奖（图片来源：兰州化物所提供）
另据估算，刘刚团队关于马铃薯淀粉加工废水处理还田利用的研究技术及成果推动，可为一个年加工万吨级的薯类淀粉企业创收180余万元，节省成本350余万元；可带动企业周边种植马铃薯的农户增收2800元以上。同时，为农业生产节水7万吨，免除10万吨左右淀粉废水排放造成的环境污染，最终实现经济、社会和环保效益多赢。
用十年时间做一件有意义的事。对刘刚研究员来说，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。马铃薯淀粉加工是目前拉动马铃薯产业发展最明显的支柱产业。近年来，甘肃定西、宁夏固原和内蒙乌兰察布三个国家级贫困地级市的马铃薯种植面积波动与马铃薯淀粉加工量基本一致。因为马铃薯淀粉企业消耗了当地1/4的马铃薯和几乎全部分级筛选下来的小薯和残次薯。没有市场，农民种的土豆不值钱，依靠土豆脱贫之路也就成为一句空话；马铃薯加工产业要发展，必须攻克加工废水处理的难题。而刘刚的研究，不仅让马铃薯产业走上一条高值化的发展道路，也让他找到了一条科技富民的成功之道。
刘刚
博士，研究员，博士生导师。中国科学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
审核：宋华龙 段立斌 王晶 张慧玲
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