釀酒廢糟厭氧干發酵殘渣好氧堆肥工藝研究

帥文亮， 王世朋， 孫照勇， 王婷婷， 湯岳琴， 王松濤， 沈才洪

(1.四川大學 建筑與環境學院， 成都 610065; 2.瀘州老窯股份有限公司， 四川 瀘州 646000)

釀酒廢糟是指酒醅發酵后經蒸餾出酒剩余的固體廢棄物。據統計，2014年我國釀酒廢糟的產生量已高達2500萬噸。新鮮的釀酒廢糟水分約60%，pH值低(3～4)，殘存著未被完全利用的蛋白質、氨基酸、淀粉等易分解的物質，易霉變變質，不宜儲存[1]，因此急需無害化處理。傳統的釀酒廢糟處理方法有焚燒和生產飼料等，但焚燒處理，廢糟含水率高，熱值低，還易造成二次污染[2]；生產飼料時其中含有的大量木質纖維素難以被動物吸收利用。因此，急需一種高效環保的處理手段。

厭氧發酵技術被廣泛應用于處理各類有機廢物/廢水，該技術不僅能夠解決環境污染問題，還能從中回收生物能源沼氣。然而目前利用厭氧發酵處理釀酒廢糟的研究較少，且發酵過程在低固體含量下進行(固含量小于5%)[3-4]。根據釀酒廢糟原料含水率低的特點，筆者所在課題組前期研究開發了釀酒廢糟厭氧干發酵工藝(固含量達20%)，并在長期運行過程中保持穩定，甲烷產率約139 mL·g-1；通過熱處理、酶添加等手段可以進一步提高其產沼氣能力[5-6]。

除產生沼氣外，釀酒廢糟厭氧發酵過程產生的殘渣仍需進一步處理以開發環境友好的工藝過程。堆肥化作為一種有效的固體廢棄物循環利用技術，廣泛應用于處理各種有機固體廢棄物。研究者對新鮮廢物(如畜禽糞污、餐廚垃圾等)好氧堆肥過程進行了大量的研究，然而對厭氧發酵殘渣的堆肥過程研究相對有限[7-8]。

本研究以釀酒廢糟厭氧干發酵后沼渣為主要原料，添加新鮮廢糟、成熟堆肥和少量的木屑調節含水率進行中式規模的好氧堆肥實驗，探討厭氧消化殘渣好氧堆肥的可行性及過程中主要理化性質的變化，以期獲得穩定、成熟的堆肥產品，實現釀酒廢糟厭氧消化殘渣的資源化利用。

1 材料與方法

1.1 堆肥原料

釀酒廢糟由四川某大型釀酒公司提供，釀酒廢糟干發酵殘渣來源于本課題組300 L厭氧干發酵反應器(固體含量20%，發酵溫度52℃)(以下稱殘渣)。將殘渣和新鮮釀酒廢糟、市售雞糞成熟堆肥混合，再添加少量木屑作為填充劑，殘渣與新鮮廢糟、成熟堆肥、木屑的添加比例為6∶2∶2∶3(濕重比例)。堆肥原料的基本理化性質如表1所示。

表1 堆肥原料的基本理化性質

1.2 堆肥裝置和方法

堆肥反應器裝置如圖1所示，堆肥反應器是1個圓柱形帶蓋的200 L塑料容器(直徑和高度分別為58.5 cm和99 cm)。堆肥反應器外包裹著聚苯乙烯泡沫箱，以減少熱量的損失。蓋子上有3個開孔，旁邊兩個開孔插入溫度傳感器測定肥堆中部和上部的溫度，中心開孔導出堆肥過程中排出的氣體冷凝干燥后通入紅外分析器(RI-550A,Tokyo)檢測其中CO2含量。空氣由空壓機以恒定速率(5 L·min-1)向反應器內通入，距底部21 cm處設置一不銹鋼篩網，用于支撐堆肥原料和使空氣均勻分布。溫度通過傳感器由微電腦自動檢測。每天記錄堆體的溫度、環境溫度和排放氣體中CO2含量。

將堆肥物料混合均勻后放入堆肥反應器中，堆肥開始前兩周每4天翻堆一次，之后每7天翻堆一次。翻堆時，將物料混勻采用五點法取500 g左右樣品，樣品分為2份分別儲存在4℃和-20℃條件下，用于理化性質的分析。

圖1 堆肥反應器裝置圖

1.3分析方法

堆肥過程中有機物的降解率計算公式如下公式(1)所示:

(1)

式中：X0為堆肥初始物料的灰分含量，%；Xi為第i次翻堆時物料的灰分含量，%。

生物毒性由發芽指數表征，在9 cm的培養皿中放入直徑約9 cm的whatman #2濾紙，滅菌冷卻后均勻放入10粒水芹種子(LepidiumsativumL.)，用移液器加入8 mL水浸提液或超純水(對照)，在20℃下避光培養48 h，每個樣品重復3次。統計發芽種子的個數及測量發芽種子的根長并按公式(2)計算種子發芽指數(GI)。

(2)

1.4 數據統計分析

實驗數據采用excel 2013進行統計分析，運用Origin8.0 繪制圖形。

2 結果與討論

2.1 溫度的變化

溫度是決定堆肥系統微生物活性和堆肥進程的關鍵因素。堆肥過程是微生物降解有機物的生化過程，會產生大量的熱，導致堆體溫度變化[10]。因此，通過觀察堆體溫度變化可以了解堆肥體系中微生物的活性。堆肥體系的溫度變化如圖2所示。可以看出堆肥體系上部與下部溫度變化一致，說明反應器中溫度均一。堆肥開始后堆體溫度迅速上升，在1天之內就達到70℃，并繼續升高，最高溫度達到75℃，然后下降至50℃左右。因為厭氧發酵殘渣中仍含有易降解的有機物，且添加的新鮮釀酒廢糟含有淀粉和有機酸等易降解成分，這些易降解有機物快速被微生物利用產生大量的熱使肥堆溫度迅速上升；此后由于較高的溫度(>70℃)對微生物的抑制作用和易降解有機物的快速耗盡，造成堆體溫度逐漸下降。第1次翻堆后，溫度也能快速升至50℃并維持在45℃以上3 d左右，之后每次翻堆溫度均有小幅上升，但升溫速度和幅度均逐漸減小，直至接近室溫，翻堆后溫度上升主要是翻堆過程使堆體中的易于降解小分子物質與微生物充分接觸所致；但隨著堆肥周期延長，堆體中易于降解物質逐漸被消耗殆盡，微生物活性逐漸降低產熱減少，接近室溫表明堆肥趨于穩定化。Zhang & He[11]建議連續高溫期(>55℃)3 d是殺死病原菌的基本條件，本研究中溫度滿足此要求，符合安全衛生標準。

圖2 堆肥過程中堆體溫度的變化

2.2 水分(MC)和pH值的變化

堆肥過程中水分和pH值的變化如圖3所示，堆肥初始水分含量為59.42%，整個堆肥過程中水分略有損失，堆肥結束時水分含量為56.34%。一般認為堆肥初期水分含量在60%左右較為合適[10]。堆肥起始水分含量過低(<50%)會阻止生物活動，最終導致堆肥的物理狀態穩定，但生物狀態不穩定。水分含量過高會閉塞氣孔，導致局部厭氧環境產生惡臭。因此水分含量在整個過程均在適宜的范圍內，能夠維持較高的生物活性。

圖3 堆肥過程中水分含量和pH值的變化

2.3 水溶性總有機碳(STOC)和水溶性無機碳(SIC)的變化

微生物生長需要足夠的營養源，而水溶性總有機碳是堆肥微生物所能利用的直接碳源[14]，較低水平的水溶性總有機碳是堆肥腐熟的一個重要指標。堆肥過程中STOC的變化如圖4所示。堆肥開始時，堆肥樣品中STOC含量高達15404.20 mg·kg-1(干重)，這主要是由于原料中含有大量的可溶性有機物。前4 d(高溫期)STOC迅速降低，之后緩慢降低，最終堆肥產品中STOC為2416.50 mg·kg-1(干重)。根據Zmora-Nahum[15]的研究，堆肥腐熟時STOC應維持在4000 mg·kg-1(干重)及以下，因此本研究堆肥已完全腐熟。

圖4 堆肥過程中水溶性總有機碳和無機碳的變化

水溶性無機碳的變化如圖4所示，主要反映了體系總碳酸鹽的變化情況。前8 d堆肥體系的SIC基本穩定在1200 mg·kg-1(干重)左右，這可能是由于有機物分解產生的CO2與堆肥過程釋放的CO2之間保持動態平衡造成的，之后SIC緩慢降低，最終穩定在200 mg·kg-1(干重)左右。

2.4 氮素的轉化

總氮含量的變化呈現先降后升的趨勢。高溫階段總氮含量的下降主要是由NH3的大量釋放引起的，而后增加可能是因為有機物的快速降解使堆體質量迅速下降而產生濃縮效應引起總氮含量的增加。最終堆肥樣品中總氮含量從1.71%增加到了1.85%。

堆肥過程中C/N的變化趨勢和TN含量的變化趨勢呈負相關，C/N的變化主要是由于有機物的礦化和氮損失引起的，堆肥初期有機氮的降解速率高于有機碳的降解速率引起C/N的增加，隨后C/N呈現緩慢下降的趨勢，是因為有機碳的降解速率大于氮損失的速率造成的。C/N也是判斷堆肥是否腐熟的一個重要指標，一般認為C/N降至20以下可以認為堆肥達到腐熟。本研究中堆肥終產品的C/N僅為14.88，滿足腐熟標準。

2.5 有機物降解率的變化

有機物的降解率是評價堆肥效果的重要標志，一定程度上反映了堆肥的腐熟程度。圖7顯示了堆肥過程中有機物降解率的變化情況，可以看出有機物降解率的變化分為兩個階段，前12 d有機物的降解率基本直線上升，表明堆肥前期微生物活性較高，快速分解易降解有機物質生成CO2和H2O；之后有機物降解率緩慢增加表明堆肥逐漸進入腐熟階段，微生物活性降低，且體系中剩余的主要為難降解物質。其中第16 天有機物降解率存在下降，可能是由于取樣不均造成的。堆肥結束時有機物降解率為20.82%，這一結果低于利用新鮮廢物在堆肥過程中的降解率。例如，Nakasaki[16]等研究表明，餐廚垃圾堆肥過程中有機物降解率達60%。張晶[9]等利用奶牛糞為原料進行堆肥，有機物降解率達57.8%。消化殘渣堆肥過程有機物降解率低的原因是釀酒廢糟中的易降解有機物已經在前端厭氧消化過程中降解。

圖5 堆肥過程中和的變化

圖6 堆肥過程中碳氮比和總氮含量的變化

2.6 電導率(EC)和種子發芽指數(GI)的變化

圖7 堆肥過程中有機物降解率的變化

圖8 堆肥過程中電導率和發芽指數的變化

2.7 堆肥終產品腐熟度評價

表2 堆肥終產品腐熟度評價

3 結論