面向中小型乳品厂的集成UF-NF-RO-UV系统处理干酪乳清：水质提升与经济可行性评估

《Food and Bioprocess Technology》：Processing Cheese Whey from Dairy Plants Using an Integrated System of UF-NF-RO-UV and Its Impact on Enhancing Water Quality and Economic Feasibility

　　

本研究设计并评估了一种集成膜过滤系统，该系统由超滤（ultrafiltration, UF）、纳滤（nanofiltration, NF）、反渗透（reverse osmosis, RO）和紫外（ultraviolet, UV）处理组成，用于处理中小型乳品厂的干酪乳清并评估其技术可行性。对三种乳清类型——Mozzarella、Karish和Domiati——在处理前后进行了表征。UF主要充当预处理阶段，适度去除悬浮固体和有机物（20–50%），同时保持pH稳定。NF显著改善水质，实现浊度降低超过98%，并使生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand, BOD₅）和化学需氧量（Chemical Oxygen Demand, COD）降低至多96%。RO提供最高净化效率，浊度去除率大于99%，有机负荷显著降低；依乳清类型不同，BOD₅降至150–214 mg L^?1，COD降至350–550 mg L^?1。营养物质和溶解性离子被有效截留，总体去除效率常超过80–97%。在NF和RO之后观察到菌落总数（Total plate count, TPC）、总大肠菌群（total coliforms）和粪大肠菌群（fecal coliforms）的完全消除，证实了强微生物截留能力。感官特性显著改善，产生清澈、无味的渗透液，适合回用或环境安全排放。总体而言，集成UF–NF–RO–UV系统展示出作为可扩展且可持续的乳清废水处理方法的强大潜力，支持乳品行业的水资源保护、污染减少和资源回收。

研究背景：干酪乳清是奶酪生产的副产物，具有高有机负荷，含乳糖、蛋白质、脂肪、维生素和矿物盐，导致生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand, BOD₅）通常为30,000–50,000 mg L^?1，化学需氧量（Chemical Oxygen Demand, COD）为40,000–60,000 mg O₂ L^?1。全球乳清产量估计超过10 billion ton year^?1，仅约50%被加工为环境安全产品。许多地区尤其是小规模生产者缺乏基础设施和技术，导致未处理乳清排放，例如墨西哥约50%乳清未处理排放。传统生物法（活性污泥、序批式反应器、厌氧消化）和物化法（混凝-絮凝、溶气气浮）存在生物质抑制、酸败、占地大、二次污泥、高化学品消耗、二次污染及难去除溶解性有机物等问题。膜技术因紧凑、高效、无大量化学添加剂、污染物截留强并可回收有价值副产物而受到关注。活性炭（activated carbon, AC）可作为预处理降低溶解性有机物和膜污染，紫外（ultraviolet, UV）作为最终消毒。研究人员旨在为埃及村庄中小型乳品生产者设计可持续、零废弃废水处理单元，评估不同乳清回收处理以应对气候变化导致的水压力，并对处理原型进行可行性研究及放大应用。

研究开展与结论意义：研究人员设计并评估了集成膜过滤系统，比较Mozzarella、Karish和Domiati三种干酪乳清处理前后特征。结果表明，UF主要作为预处理，NF显著改善水质，RO净化效率最高，NF和RO后微生物完全消除，产生清澈、无味渗透液，适合回用或安全排放。该系统具有可扩展和可持续潜力，有助于节水、减污和乳品行业资源回收。

关键技术方法（≤250字）：研究人员采用来自埃及Cairo University农学院乳品单元的三种干酪乳清样本，按APHA方法于4 °C保存并在24 h内分析。集成系统包括活性炭、超滤（ultrafiltration, UF）、纳滤（nanofiltration, NF）、反渗透（reverse osmosis, RO）和紫外（ultraviolet, UV）。UF膜为聚偏氟乙烯（PVDF），NF膜为聚醚砜/聚酰胺11（PES/PA11），RO膜为聚醚砜/二氧化钛（PES/TiO₂）混合基质膜；螺旋卷式膜尺寸为29.85 cm×4.57 cm，UV置于RO后。评价各单元及整体去除效率，测定色度、气味、浊度、总固体（TS）、pH、总溶解固体（TDS）、BOD₅、COD、总氮（TN）、总磷（TP）、Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^?及菌落总数（TPC）、总大肠菌群和粪大肠菌群；用扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征膜污染；采用裂区设计方差分析、Duncan最小显著差法和MSTAT分析；并进行年总成本与电耗经济可行性分析。

研究结果：Mozzarella干酪乳清处理前后理化与微生物特征中，Changes in Organoleptic Characteristics显示原乳清淡黄透明、微弱乳味，UF无改善，NF和RO后清澈无味，约100%去除；Turbidity and Solids Removal显示浊度从1600 NTU降至UF 1254 NTU（21.6%）、NF 8.90 NTU（99.4%）、RO 1.79 NTU（99.9%），TS从5.80%降至UF 3.70%（36.2%）、NF 0.80%（86.2%）、RO 0.004%（99.9%）；pH Variation显示pH从6.30至UF 6.30、NF 6.00、RO 5.60；Reduction of Organic Load (BOD₅ and COD)显示原BOD₅和COD均为50,500 mg L^?1，UF降至12,900和31,500 mg L^?1（50.2%和38.8%），NF降至900和2200 mg L^?1（96.5%和95.7%），RO降至150和550 mg L^?1（99.4%和98.9%）；Total Dissolved Solids and Nutrient Removal显示TDS从3500降至UF 3410（2.6%）、NF 995（71.6%）、RO 800 mg L^?1（77.1%），TN降至UF 310（13.9%）、NF 55（84.7%）、RO 8 mg L^?1（97.8%），TP去除率UF、NF、RO分别为18.0%、58.0%、82.0%；Ionic Composition显示UF对主要离子去除可忽略（<2–3%），RO对Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺和Cl^?去除率分别为92.3%、97.1%、94.3%、82.4%和89.4%；Microbiological Quality显示UF为0%，NF和RO对TPC、总大肠菌群和粪大肠菌群去除100%；Overall Treatment Performance显示UF为预处理，NF对浊度、营养物和有机负荷去除>85%，RO总去除率≥97%。

Karish干酪乳清处理前后理化与微生物特征中，Organoleptic Characteristics显示原乳清棕黄色、恶臭，UF无改善，NF变为黄色且无味，RO清澈无味，约100%去除；Turbidity and Total Solids Removal显示浊度378 NTU经UF仍378 NTU（0%）、NF 6.50 NTU（98.3%）、RO 1.30 NTU（99.7%），TS从5.50%降至UF 2.75%（50.0%）、NF 1.44%（73.8%）、RO 0.81%（85.3%）；pH Variation显示UF无变化，NF约降5.2%，RO约降14.3%；Reduction of Organic Load (BOD₅ and COD)显示原BOD₅ 1680、COD 7500 mg L^?1，UF为0%，NF降至601和1250 mg L^?1（64.2%和83.3%），RO降至120和350 mg L^?1（92.9%和95.3%）；Total Dissolved Solids and Nutrient Removal显示TDS经UF去除2.6%，NF去除46.8%，RO去除80.5%；TN经UF 0%、NF 30.6%、RO 44.4%；TP经NF去除25.0%、RO去除50.0%；Ionic Composition显示UF无效，NF和RO对Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^?总去除率分别为84.8%、70.2%、50.0%、28.9%、84.7%；Microbiological Quality显示UF为0%，NF和RO完全去除微生物；Overall Treatment Performance显示UF为预处理，NF浊度>98%、有机物>64%，RO多数参数>80%且完全去除微生物。

Domiati干酪乳清处理前后理化与微生物特征中，Organoleptic Characteristics显示原乳清黄绿色、恶臭，UF无改善，NF变黄但气味仍不可接受，RO纯无味，约100%去除；Turbidity and Total Solids Removal显示浊度974 NTU降至UF 461 NTU（52.7%）、NF 9.10 NTU（99.1%）、RO 1.60 NTU（99.8%），TS从6.50%降至UF 3.91%（39.8%）、NF 0.045%（99.3%）、RO 0.005%（99.9%）；pH Variation显示原5.70，UF 5.60（1.8%），NF 5.70，RO 5.50；Organic Load Reduction (BOD₅ and COD)显示原BOD₅ 26,800、COD 61,000 mg L^?1，UF降至14,100和30,000 mg L^?1（47.4%和50.8%），NF降至1640和2450 mg L^?1（93.9%和96.0%），RO降至214和510 mg L^?1（99.2%和99.2%）；该小节原文重复有机负荷结果，比较分析中TDS去除率UF 9.78%、NF 46.49%、RO 90.38%，TN去除率UF 1.59%、NF 52.27%、RO 92.27%，TP去除率UF 5.61%、NF 42.99%、RO 77.57%；Ionic Composition显示RO对Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^?去除率分别为82.9%、74.6%、88.2%、67.6%、89.4%；Microbiological Quality显示原TPC 4.7×10⁵ CFU mL^?1、总大肠菌群244.00 MPN mL^?1、粪大肠菌群65 MPN mL^?1，UF后TPC 2.00×10⁵ CFU mL^?1（57.40%）、总大肠菌群134 MPN mL^?1（45.10%）、粪大肠菌群45.00 MPN mL^?1（30.80%），NF和RO完全去除；Overall Treatment Performance显示UF为预处理，NF浊度>99%、沉积物>99%、有机负荷>94%并完全抑制微生物，RO多数理化指标>90%并完全去除微生物。Comparative Analysis of Removal Efficiencies Across Filtration Techniques显示，UF、NF和RO对Mozzarella、Karish、Domiati各参数比较中，RO在溶解离子和营养物方面持续优于UF和NF，NF提供平衡，UF主要去除颗粒物。Reject Wastewater Chemical Composition显示RO截留废水组成随乳清类型变化：Mozzarella乳清渗透液乳糖约5.2%、脂肪约0.6%、蛋白质约0.82%、pH 6.4；Karish蛋白质约0.96%、乳糖约4.6%、脂肪约0.3%、pH 4.8；Domiati灰分约0.9%、蛋白质约0.87%、脂肪约0.5%、乳糖约5.0%、pH 6.1。SEM and FTIR中，UF Cartridge的SEM显示Karish处理后孔径从120 nm降至45 nm（62.5%降低），污染层约增厚三倍；Mozzarella为表面和内部污染；Domiati形成薄而均匀污染膜，污染严重度Karish>Mozzarella>Domiati。NF Cartridge显示Karish严重孔覆盖和聚集，Mozzarella以表面滤饼为主，Domiati为分散颗粒吸附，严重度Karish>Domiati>Mozzarella。RO Cartridges显示商业膜初始均匀致密，处理后污染和压实严重；本地膜异质，处理后保留部分孔隙和微通道。FTIR显示UF蛋白吸附，NF处理后酰胺I和II增强、羰基持续表明乳糖和脂肪残留，RO污染最明显，Karish中等蛋白沉积，Mozzarella严重蛋白-脂肪污染，Domiati蛋白-盐复合物。Annual Cost Distribution of the UF–NF–RO System显示年总成本569.53 US$ year^?1，固定成本378.88 US$ year^?1（约67%），运行成本190.65 US$ year^?1（约33%）；膜盒为最大固定成本，NF和RO因3年寿命年化成本最高，高压泵第二，辅助基础设施较小；运行成本以耗材为主，维护和电费次之。

讨论部分总结：UF、NF、RO因孔径和分离机制不同而选择性不同。UF孔径1–100 nm，截留蛋白质和脂肪，允许乳糖、矿物和维生素通过，不消除溶解盐和微小有机物，COD去除能力弱；NF孔径0.5–2 nm，截留分子量400–500 Da，可去除小单价离子并部分脱盐，COD去除优于UF，蛋白截留可达88%；RO孔径<0.1 nm，仅水透过，去除盐、糖和小分子，可产饮用级水，常作最终抛光。RO渗透液可安全饮用但主要用于清洗；NF+RO水可回用于奶酪制造；UF不足以直接饮用，NF仍可能残留COD，RO最优。商业RO均匀但易堵，本地RO异质可分散污染并保留通道。Mozzarella富脂肪和蛋白，商业膜严重压实；Domiati高盐加速表面堵塞；Karish较轻，污染较不激烈。FTIR显示UF易蛋白吸附，NF积累蛋白和乳糖，RO污染最重，且Karish为中等蛋白沉积，Mozzarella为蛋白-脂肪污染，Domiati为蛋白-盐复合。截留废水组成差异要求按乳清类型选择膜。本地RO可延长寿命、减少清洗、降低成本并支持水回用指南。操作限制主要是蛋白和磷酸钙污染，超声可辅助清洗。经济上UF成本有效但产饮用水受限，NF和RO高压高能耗但必要，集成最优。固定成本主导，膜更换最大，NF/RO寿命短，UF预处理降低后续污染。运行成本以耗材为主，电费占比较小。系统优化应关注膜寿命和防污染。膜清洗方面，UF通量从88 LMH降至39 LMH，回收44%；0.5% NaOH恢复81 LMH（90%）并保持蛋白截留95%；0.5% citric acid恢复74 LMH（81%）并保持截留96%；碱-酸联合恢复85 LMH（92%）并保持截留96%，蛋白截留>95%表明选择层完整。零废弃方面，系统支持水回用、浓缩物增值、减少排放和循环经济，并符合可持续发展目标。

研究结论翻译：当前研究有效说明了集成膜过滤系统（UF–NF–RO–UV）在乳品加工产生干酪乳清处理和增值中的功效。研究结果证实膜选择性对污染物去除至关重要，其中UF主要作为预处理阶段，减少悬浮固体和部分有机负荷，同时确保pH稳定。NF显著改善水质，实现浊度、营养物和可生物降解有机物显著降低。RO始终提供最高净化效率，对大多数理化参数总体去除率超过90%，并完全消除微生物指标，产生清澈、无味渗透液，适合回用或安全环境排放。在评估的乳清类型中，Domiati乳清初始污染水平最高，而Mozzarella乳清整体处理提升最显著。扫描电子显微镜（SEM）分析进一步表明，膜污染行为深受乳清组成影响，污染严重度排序为Karish > Mozzarella > Domiati，突出合适预处理和清洗方案以确保膜耐久性的必要性。本研究主要结果是确认集成膜方法作为小型中型乳品厂技术合理且可扩展的选择，促进零废弃、水资源保护和降低环境影响。此外，处理出水符合基本水质标准，加强在水资源短缺地区部署此类系统的实用性。建议后续研究集中于优化运行参数以减少污染，评估膜长期耐久性，并进行中试规模实验以验证工业设置中的经济可行性。引入节能泵系统和可再生能源选项可进一步支持可持续性。此外，回收有价值乳清组分，包括蛋白质和乳糖，值得研究以增强工艺盈利能力并支持乳品行业循环经济倡议。