啤酒酒糟和硅膠泥高溫發酵性能初探

王冰+辛言君+劉磊+劉一鳴+徐志鵬+劉惠玲

摘要：啤酒生產過程中產生大量的酒糟和硅膠泥，為探究其資源化利用，研究了啤酒污泥、酒糟和硅膠泥濕式（TS=10%）與干式（TS=25%）的發酵性能。研究表明，廢棄的啤酒酒糟和硅膠泥具有良好的高溫發酵性能；啤酒酒糟濕式發酵產氣量最大，物料分解最徹底，在第一天產氣量為1.34 mL/g，10 d后產氣量達到4.06 mL/g；硅膠泥會抑制啤酒酒糟的發酵；發酵過程中，揮發性固體、總有機碳以及總氮的含量均出現不同程度的降低，發酵后沼肥中有機質含量均超過60%，可用于開發有機肥。

關鍵詞：啤酒酒糟；硅膠泥；高溫發酵；沼肥

中圖分類號：S816.6 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）17-4016-04

the Thermophilic Fermentation Performance of Vinasse and Silica Mud

WANG Bing1， XIN Yan-jun2，3， LIU Lei1， LIU Yi-ming2， XU Zhi-peng2， LIU Hui-ling3

（1.Resources and Environmental Research Academy， North China Electric Power University， Beijing 102206， China.

2. College of Resources and Environment， Qingdao Agricultural University， Qingdao 266109， Shangdong， China；

3. School of Municipal and Environmental Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin 150090， China）

Abstract：The vinasse and silica mud are main byproducts from the beer production process. As an effective approach to the disposing and recycling of organic solid waste， the anaerobic fermentation experiments were carried out with mixed beer sludge， vinasse and silica mud under TS （total solids） =10% and TS=25%. The results showed that all the digestion processes showed better performance of fermentation. The optimal substrates was a mixture of beer sludge and vinasse with a ratio of 1∶1 under TS =10%. The accumulative gas production was the highest， with a gas production of 1.34 mL/g within 24 h and 4.06 mL/g in 10 days. The substrates were totally decomposed during the digestion process. The silica mud would inhibit the fermentation process and reduce the gas production capability. The concentration of TOC （total organic carbon）， TN （total nitrogen） and VS （volatile solid） decreased during the digestion process. The organic concentrations in the biogas residue were more than 60% after the digestion process and could be used as organic fertilizer.

Key words：vinasse； silica mud； thermophilic fermentation； biogas manure

隨著經濟的發展和人民生活水平的提高，啤酒產量以每年15%～20%的速度遞增，2011年中國啤酒產量已躍居世界第一。啤酒酒糟作為啤酒生產的主要副產物，占其總量的80%以上。據統計，中國啤酒酒糟2011年產量已達到1 000萬t。目前，新鮮的啤酒酒糟大多用作簡易飼料，但是由于其含水率較高，放置一段時間后很容易霉爛變質，不宜再做成飼料，而直接丟棄又會造成資源的浪費和環境的污染[1]。

厭氧消化在處理固體有機廢物方面前景廣闊，它能夠將有機質轉化成沼氣，并且實現減量化。混合發酵可以充分利用不同物料性質的互補性，在厭氧消化產甲烷領域已經得到了成功應用[2-7]。目前，對啤酒生產廢棄物利用的研究多集中于將其進行生物處理后制成高營養飼料或者制成酶試劑等方面，但對于不新鮮的啤酒酒糟和硅膠泥等啤酒生產廢棄物資源化利用的研究鮮有報道。本試驗初步探究了干化的啤酒酒糟和硅膠泥的高溫發酵性能，以期為啤酒生產廢棄物的合理利用、開發新的生物能源和肥料、減少環境污染提供新的開發利用方式。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗污泥、啤酒酒糟、硅膠泥取自青島啤酒廠；干化的啤酒酒糟經粉碎機粉碎后過篩備用。

1.2 試驗方法

啤酒酒糟、硅膠泥分別按照其質量配比1∶0、1∶0.2稱取適量放入1 000 mL發酵瓶中。干式發酵是以干物質含量在20%以上的有機廢物為原料進行厭氧發酵的工藝，濕式發酵中固體物質含量一般在10%以上[8]，因此調整含固率分別為25%和10%。污泥作為接種物，接種污泥量與酒糟重量相等。試驗方案見表1。

1.3 試驗裝置

試驗反應裝置由發酵瓶、集氣瓶、量筒及恒溫水浴鍋組成，反應裝置如圖1所示。每組物料分取適量置于發酵瓶中，瓶塞與容器周圍用凡士林密封。反應過程中控制溫度為50 ℃，定時攪拌反應器，使物料混合均勻。

1.4 分析方法

總固體（Total solid，TS）和揮發性固體（Volatile solid，VS）的測定方法參見文獻[9]；有機碳、總氮、總磷含量分別用重鉻酸鉀容量法、蒸餾后滴定法、鉬酸銨分光光度法[10]進行測定，pH采用PHS-3C酸度計進行測定，氣體體積以排出水的體積計量，氣體中甲烷含量未能及時檢測，在此不做分析。

2 結果與分析

2.1 產氣規律和性能分析

啤酒酒糟和硅膠泥的產氣規律、產氣性能分別見圖2和圖3。由圖2和圖3可知，啤酒酒糟的硅膠泥4組樣品在高溫條件下發酵均有氣體產生。啤酒酒糟濕式發酵速度最快，放置2 d后即迅速開始產氣，達到1.34 mL/g，而其他體系產氣緩慢，尤其是啤酒酒糟干式發酵在8 d后才開始產氣。發酵11 d后，不同體系一次發酵過程基本結束，產氣量不再發生明顯變化。經分析計算，啤酒酒糟干式發酵、啤酒酒糟濕式發酵、混合干式發酵以及混合濕式發酵體系產氣量分別為1.29、4.06、1.03和1.28 mL/g，產氣性能從高到低依次為酒糟濕式、酒糟干式、混合濕式、混合干式，其中酒糟濕式發酵產氣量為其他體系的3倍以上。對比濕式發酵與干式發酵還可以發現，在同等條件下濕式發酵的產氣量高于干式發酵，即較低的固體濃度（TS=10%）單位原料產氣率優于較高的固體濃度（TS=25%）。主要是由于在濕式發酵過程中，底物更易混勻，微生物能夠充分利用酒糟中的營養物質，有利于其繁殖代謝，促進了發酵過程的進行。加入硅膠泥后，啤酒酒糟的產氣速率和產氣量明顯降低，與啤酒酒糟干式發酵和啤酒酒糟濕式發酵相比，單位原料產氣量分別降低了0.26和2.78 mL/g，表明硅膠泥對發酵產氣有抑制作用，可能是因為液態硅膠泥中含有的醇類物質抑制了微生物的生長和繁殖，進而降低單位原料的產氣率。

2.2 發酵過程前后VS、pH變化

揮發性固體（VS）在水解酸化過程中產生的有機酸會影響消化系統pH的變化[11]。發酵前后物料VS和pH的變化分別如圖4和圖5所示。從圖4中可以看出，發酵后反應物料的VS值明顯降低，啤酒酒糟干式發酵和濕式發酵的VS值分別降低了9和13個百分點，啤酒酒糟和硅膠泥混合干式發酵與濕式發酵VS值則分別降低了10和11個百分點。啤酒酒糟濕式發酵底物VS值降低最多，說明啤酒酒糟濕式發酵過程中發酵物料的分解率最高，因此產氣性能最好（圖2）。與啤酒酒糟濕式發酵相比，加入硅膠泥后，VS含量的降低值變小，說明微生物活動受到了抑制，因此微生物利用底物速率低于啤酒酒糟濕式發酵過程，導致產氣量的降低。

pH的變化主要是發酵系統內部自身調節的結果。從圖5中可以看出，發酵后各體系pH出現了不同的變化，啤酒酒糟濕式發酵后pH由5.44升到5.75，而其他發酵體系pH均出現了下降。啤酒酒糟干式發酵的pH由5.44降到5.37，降低了0.07；啤酒酒糟與硅膠泥混合干式發酵和濕式發酵后，pH由5.64分別降到5.15和5.51，分別降低了0.49和0.13。主要是由于發酵物料在水解酸化過程中，VS被分解產生VFA，VFA的積累導致了pH的降低；隨著發酵的進行，產酸階段的VFA、二氧化碳和甲醇等逐漸被微生物分解利用，因此VFA的量會逐漸降低，隨著VFA的分解，pH又會逐漸升高[12]。各組產氣量pH下降得越少，說明VFA積累的越少，有機物分解的越徹底，產氣量越多，與前面的產氣規律一致。從pH變化規律可以看出，加入硅膠泥后pH降低得更多，說明硅膠泥的存在抑制了產甲烷菌的活性，導致更多VFA積累，因此使pH降低。

2.3 發酵過程前后TOC、TN、TP變化

發酵前后物料TOC、TN、TP變化如表2所示。從表2中可以看出，啤酒酒糟干式與濕式發酵有機碳含量分別降低7.3和8.8個百分點，而啤酒酒糟和硅膠泥混合干式和濕式發酵有機磷含量則分別降低了5.5和5.8個百分點，其中啤酒酒糟濕式發酵有機碳損失得最多，其次為啤酒酒糟干式發酵、混合濕式發酵和混合干式發酵，與氣體產量規律一致，表明產氣量越多，碳損失越大。有機碳是微生物發酵過程中的營養物質，發酵過程中，有機碳轉換成CH4與CO2，造成了碳元素的損失。測試結果表明，發酵后氮含量降低，表明氮素會有一定的損失。氮素轉化主要包括氮素的固定與釋放[13]，經測定排出水pH超過了8.0，說明氨的揮發是導致氮素損失的主要原因。由表2試驗結果表明，啤酒酒糟濕式發酵過程中TOC、TN和TP含量降低的最多。由前面分析可知，啤酒酒糟濕式發酵的累積產氣量最多，其氮素損失量和有機碳損失量最大，說明該組的發酵反應進行得比較徹底，微生物活動比較旺盛，因此相應的TOC、C和N損失最大。

2.4 發酵后產物的養分

發酵后物料養分含量見表3。與《中華人民共和國農業行業標準》（NY525-2011）對比，發酵后沼肥中有機質含量均高于有機肥料標準，總養分和pH基本符合有機肥標準，適當調節后可開發成有機肥料。從表3中可以看出，雖然沼肥中有機質含量很高，遠高于有機肥標準，但是總養分和pH偏低，可以通過二次發酵或穩定后，使其中一部分有機物繼續分解，從而提高總養分含量和pH，使沼肥品質更優。

3 結論

試驗以啤酒污泥為接種污泥，研究了啤酒酒糟與硅膠泥高溫發酵性能。研究發現，高溫條件下，廢棄的啤酒酒糟和硅膠泥，其產氣性能從高到低依次為啤酒酒糟濕式、啤酒酒糟干式、混合濕式、混合干式，啤酒酒糟濕式發酵在第二天產氣量為1.34 mL/g，產氣速率最快，10 d后產氣量達到4.06 mL/g；發酵過程中揮發性固體、總有機碳以及總氮的含量均呈下降趨勢；發酵后沼肥中有機質含量超過60%，可以作為研制有機肥的原料；硅膠泥的存在會延遲啤酒酒糟的發酵。試驗結果表明，可以采用發酵技術對啤酒生產過程中產生的廢棄物進行開發利用。

參考文獻：

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[9] 徐雙鎖，劉愛民，蔡 欣，等.稻秸與藍藻混合厭氧發酵產沼氣試驗研究[J].安徽師范大學學報，2011，34（3）：260-264.

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[11] 張玉靜，蔣建國，王佳明.pH值對餐廚垃圾厭氧發酵產揮發性脂肪酸的影響[J].中國環境科學，2013，33（4）：680-684.

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[13] 郭燕鋒，李 東，孫永明，等.梧州市生活垃圾高固體厭氧發酵產甲烷[J].中國環境科學，2011，31（3）：412-416.

3 結論

試驗以啤酒污泥為接種污泥，研究了啤酒酒糟與硅膠泥高溫發酵性能。研究發現，高溫條件下，廢棄的啤酒酒糟和硅膠泥，其產氣性能從高到低依次為啤酒酒糟濕式、啤酒酒糟干式、混合濕式、混合干式，啤酒酒糟濕式發酵在第二天產氣量為1.34 mL/g，產氣速率最快，10 d后產氣量達到4.06 mL/g；發酵過程中揮發性固體、總有機碳以及總氮的含量均呈下降趨勢；發酵后沼肥中有機質含量超過60%，可以作為研制有機肥的原料；硅膠泥的存在會延遲啤酒酒糟的發酵。試驗結果表明，可以采用發酵技術對啤酒生產過程中產生的廢棄物進行開發利用。

參考文獻：

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3 結論

試驗以啤酒污泥為接種污泥，研究了啤酒酒糟與硅膠泥高溫發酵性能。研究發現，高溫條件下，廢棄的啤酒酒糟和硅膠泥，其產氣性能從高到低依次為啤酒酒糟濕式、啤酒酒糟干式、混合濕式、混合干式，啤酒酒糟濕式發酵在第二天產氣量為1.34 mL/g，產氣速率最快，10 d后產氣量達到4.06 mL/g；發酵過程中揮發性固體、總有機碳以及總氮的含量均呈下降趨勢；發酵后沼肥中有機質含量超過60%，可以作為研制有機肥的原料；硅膠泥的存在會延遲啤酒酒糟的發酵。試驗結果表明，可以采用發酵技術對啤酒生產過程中產生的廢棄物進行開發利用。

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