啤酒酒糟和硅胶泥高温发酵性能初探

王冰+辛言君+刘磊+刘一鸣+徐志鹏+刘惠玲

摘要：啤酒生产过程中产生大量的酒糟和硅胶泥，为探究其资源化利用，研究了啤酒污泥、酒糟和硅胶泥湿式（TS=10%）与干式（TS=25%）的发酵性能。研究表明，废弃的啤酒酒糟和硅胶泥具有良好的高温发酵性能；啤酒酒糟湿式发酵产气量最大，物料分解最彻底，在第一天产气量为1.34 mL/g，10 d后产气量达到4.06 mL/g；硅胶泥会抑制啤酒酒糟的发酵；发酵过程中，挥发性固体、总有机碳以及总氮的含量均出现不同程度的降低，发酵后沼肥中有机质含量均超过60%，可用于开发有机肥。

关键词：啤酒酒糟；硅胶泥；高温发酵；沼肥

中图分类号：S816.6 文献标识码：A 文章编号：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

随着经济的发展和人民生活水平的提高，啤酒产量以每年15%～20%的速度递增，2011年中国啤酒产量已跃居世界第一。啤酒酒糟作为啤酒生产的主要副产物，占其总量的80%以上。据统计，中国啤酒酒糟2011年产量已达到1 000万t。目前，新鲜的啤酒酒糟大多用作简易饲料，但是由于其含水率较高，放置一段时间后很容易霉烂变质，不宜再做成饲料，而直接丢弃又会造成资源的浪费和环境的污染[1]。

厌氧消化在处理固体有机废物方面前景广阔，它能够将有机质转化成沼气，并且实现减量化。混合发酵可以充分利用不同物料性质的互补性，在厌氧消化产甲烷领域已经得到了成功应用[2-7]。目前，对啤酒生产废弃物利用的研究多集中于将其进行生物处理后制成高营养饲料或者制成酶试剂等方面，但对于不新鲜的啤酒酒糟和硅胶泥等啤酒生产废弃物资源化利用的研究鲜有报道。本试验初步探究了干化的啤酒酒糟和硅胶泥的高温发酵性能，以期为啤酒生产废弃物的合理利用、开发新的生物能源和肥料、减少环境污染提供新的开发利用方式。

1 材料与方法

1.1 材料

试验污泥、啤酒酒糟、硅胶泥取自青岛啤酒厂；干化的啤酒酒糟经粉碎机粉碎后过筛备用。

1.2 试验方法

啤酒酒糟、硅胶泥分别按照其质量配比1∶0、1∶0.2称取适量放入1 000 mL发酵瓶中。干式发酵是以干物质含量在20%以上的有机废物为原料进行厌氧发酵的工艺，湿式发酵中固体物质含量一般在10%以上[8]，因此调整含固率分别为25%和10%。污泥作为接种物，接种污泥量与酒糟重量相等。试验方案见表1。

1.3 试验装置

试验反应装置由发酵瓶、集气瓶、量筒及恒温水浴锅组成，反应装置如图1所示。每组物料分取适量置于发酵瓶中，瓶塞与容器周围用凡士林密封。反应过程中控制温度为50 ℃，定时搅拌反应器，使物料混合均匀。

1.4 分析方法

总固体（Total solid，TS）和挥发性固体（Volatile solid，VS）的测定方法参见文献[9]；有机碳、总氮、总磷含量分别用重铬酸钾容量法、蒸馏后滴定法、钼酸铵分光光度法[10]进行测定，pH采用PHS-3C酸度计进行测定，气体体积以排出水的体积计量，气体中甲烷含量未能及时检测，在此不做分析。

2 结果与分析

2.1 产气规律和性能分析

啤酒酒糟和硅胶泥的产气规律、产气性能分别见图2和图3。由图2和图3可知，啤酒酒糟的硅胶泥4组样品在高温条件下发酵均有气体产生。啤酒酒糟湿式发酵速度最快，放置2 d后即迅速开始产气，达到1.34 mL/g，而其他体系产气缓慢，尤其是啤酒酒糟干式发酵在8 d后才开始产气。发酵11 d后，不同体系一次发酵过程基本结束，产气量不再发生明显变化。经分析计算，啤酒酒糟干式发酵、啤酒酒糟湿式发酵、混合干式发酵以及混合湿式发酵体系产气量分别为1.29、4.06、1.03和1.28 mL/g，产气性能从高到低依次为酒糟湿式、酒糟干式、混合湿式、混合干式，其中酒糟湿式发酵产气量为其他体系的3倍以上。对比湿式发酵与干式发酵还可以发现，在同等条件下湿式发酵的产气量高于干式发酵，即较低的固体浓度（TS=10%）单位原料产气率优于较高的固体浓度（TS=25%）。主要是由于在湿式发酵过程中，底物更易混匀，微生物能够充分利用酒糟中的营养物质，有利于其繁殖代谢，促进了发酵过程的进行。加入硅胶泥后，啤酒酒糟的产气速率和产气量明显降低，与啤酒酒糟干式发酵和啤酒酒糟湿式发酵相比，单位原料产气量分别降低了0.26和2.78 mL/g，表明硅胶泥对发酵产气有抑制作用，可能是因为液态硅胶泥中含有的醇类物质抑制了微生物的生长和繁殖，进而降低单位原料的产气率。

2.2 发酵过程前后VS、pH变化

挥发性固体（VS）在水解酸化过程中产生的有机酸会影响消化系统pH的变化[11]。发酵前后物料VS和pH的变化分别如图4和图5所示。从图4中可以看出，发酵后反应物料的VS值明显降低，啤酒酒糟干式发酵和湿式发酵的VS值分别降低了9和13个百分点，啤酒酒糟和硅胶泥混合干式发酵与湿式发酵VS值则分别降低了10和11个百分点。啤酒酒糟湿式发酵底物VS值降低最多，说明啤酒酒糟湿式发酵过程中发酵物料的分解率最高，因此产气性能最好（图2）。与啤酒酒糟湿式发酵相比，加入硅胶泥后，VS含量的降低值变小，说明微生物活动受到了抑制，因此微生物利用底物速率低于啤酒酒糟湿式发酵过程，导致产气量的降低。

pH的变化主要是发酵系统内部自身调节的结果。从图5中可以看出，发酵后各体系pH出现了不同的变化，啤酒酒糟湿式发酵后pH由5.44升到5.75，而其他发酵体系pH均出现了下降。啤酒酒糟干式发酵的pH由5.44降到5.37，降低了0.07；啤酒酒糟与硅胶泥混合干式发酵和湿式发酵后，pH由5.64分别降到5.15和5.51，分别降低了0.49和0.13。主要是由于发酵物料在水解酸化过程中，VS被分解产生VFA，VFA的积累导致了pH的降低；随着发酵的进行，产酸阶段的VFA、二氧化碳和甲醇等逐渐被微生物分解利用，因此VFA的量会逐渐降低，随着VFA的分解，pH又会逐渐升高[12]。各组产气量pH下降得越少，说明VFA积累的越少，有机物分解的越彻底，产气量越多，与前面的产气规律一致。从pH变化规律可以看出，加入硅胶泥后pH降低得更多，说明硅胶泥的存在抑制了产甲烷菌的活性，导致更多VFA积累，因此使pH降低。

2.3 发酵过程前后TOC、TN、TP变化

发酵前后物料TOC、TN、TP变化如表2所示。从表2中可以看出，啤酒酒糟干式与湿式发酵有机碳含量分别降低7.3和8.8个百分点，而啤酒酒糟和硅胶泥混合干式和湿式发酵有机磷含量则分别降低了5.5和5.8个百分点，其中啤酒酒糟湿式发酵有机碳损失得最多，其次为啤酒酒糟干式发酵、混合湿式发酵和混合干式发酵，与气体产量规律一致，表明产气量越多，碳损失越大。有机碳是微生物发酵过程中的营养物质，发酵过程中，有机碳转换成CH4与CO2，造成了碳元素的损失。测试结果表明，发酵后氮含量降低，表明氮素会有一定的损失。氮素转化主要包括氮素的固定与释放[13]，经测定排出水pH超过了8.0，说明氨的挥发是导致氮素损失的主要原因。由表2试验结果表明，啤酒酒糟湿式发酵过程中TOC、TN和TP含量降低的最多。由前面分析可知，啤酒酒糟湿式发酵的累积产气量最多，其氮素损失量和有机碳损失量最大，说明该组的发酵反应进行得比较彻底，微生物活动比较旺盛，因此相应的TOC、C和N损失最大。

2.4 发酵后产物的养分

发酵后物料养分含量见表3。与《中华人民共和国农业行业标准》（NY525-2011）对比，发酵后沼肥中有机质含量均高于有机肥料标准，总养分和pH基本符合有机肥标准，适当调节后可开发成有机肥料。从表3中可以看出，虽然沼肥中有机质含量很高，远高于有机肥标准，但是总养分和pH偏低，可以通过二次发酵或稳定后，使其中一部分有机物继续分解，从而提高总养分含量和pH，使沼肥品质更优。

3 结论

试验以啤酒污泥为接种污泥，研究了啤酒酒糟与硅胶泥高温发酵性能。研究发现，高温条件下，废弃的啤酒酒糟和硅胶泥，其产气性能从高到低依次为啤酒酒糟湿式、啤酒酒糟干式、混合湿式、混合干式，啤酒酒糟湿式发酵在第二天产气量为1.34 mL/g，产气速率最快，10 d后产气量达到4.06 mL/g；发酵过程中挥发性固体、总有机碳以及总氮的含量均呈下降趋势；发酵后沼肥中有机质含量超过60%，可以作为研制有机肥的原料；硅胶泥的存在会延迟啤酒酒糟的发酵。试验结果表明，可以采用发酵技术对啤酒生产过程中产生的废弃物进行开发利用。

参考文献：

[1] 邱雁临.生物技术在啤酒酒糟综合利用中的研究进展与前景[J]. 食品与发酵工业，2002，28（1）：72-73.

[2] CALLAGHAN F J， WASE D A J， THAYANITHY K， et al. Continuous co-digestion of cattle slurry with fruit and vegetable wastes and chicken manure[J]. Biomass and Bioenergy， 2002，27（1）： 71-77.

[3] ELMASHAD H M， ZHANG R. Biogas production from co-digestion of dairy manure and food waste[J]. Bioresource Technology， 2010， 101（11）： 4021-4028.

[4] FANG C， BOE K， ANGELIDAKI I. Anaerobic co-digestion of desugared molasses with cow manure： Focusing on sodium and potassium inhibition[J]. Bioresource Technology， 2011，102（2）： 1005-1011.

[5] PANICHNUMSIN P， NOPHARATANA A， AHRING B， et al. Production of methane by co-digestion of cassava pulp with various concentrations of pig manure[J]. Biomass and Bioenergy， 2010，34（8）： 1117-1124.

[6] 陈广银，鲍习峰，叶小梅，等.堆肥预处理对麦秸与奶牛废水混合物厌氧产沼气的影响[J].中国环境科学，2013，33（1）：111-117.

[7] 赵云飞，刘晓玲，李十中，等.餐厨垃圾与污泥高固体联合厌氧产沼气的特性[J].农业工程学报，2011，27（10）：255-260.

[8] 张苗蕾，张从良，李顺义，等.含水量对牛粪和玉米秸秆干式厌氧发酵的影响[J].江苏农业科学，2009（6）：401-403.

[9] 徐双锁，刘爱民，蔡 欣，等.稻秸与蓝藻混合厌氧发酵产沼气试验研究[J].安徽师范大学学报，2011，34（3）：260-264.

[10] NY525-2011，有机肥料[S].

[11] 张玉静，蒋建国，王佳明.pH值对餐厨垃圾厌氧发酵产挥发性脂肪酸的影响[J].中国环境科学，2013，33（4）：680-684.

[12] 赵志宏，廖德祥，李小明，等.厌氧氨氧化微生物颗粒化及其脱氮性能的研究[J].环境科学，2007，28（4）：800-805.

[13] 郭燕锋，李 东，孙永明，等.梧州市生活垃圾高固体厌氧发酵产甲烷[J].中国环境科学，2011，31（3）：412-416.

3 结论

试验以啤酒污泥为接种污泥，研究了啤酒酒糟与硅胶泥高温发酵性能。研究发现，高温条件下，废弃的啤酒酒糟和硅胶泥，其产气性能从高到低依次为啤酒酒糟湿式、啤酒酒糟干式、混合湿式、混合干式，啤酒酒糟湿式发酵在第二天产气量为1.34 mL/g，产气速率最快，10 d后产气量达到4.06 mL/g；发酵过程中挥发性固体、总有机碳以及总氮的含量均呈下降趋势；发酵后沼肥中有机质含量超过60%，可以作为研制有机肥的原料；硅胶泥的存在会延迟啤酒酒糟的发酵。试验结果表明，可以采用发酵技术对啤酒生产过程中产生的废弃物进行开发利用。

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3 结论

试验以啤酒污泥为接种污泥，研究了啤酒酒糟与硅胶泥高温发酵性能。研究发现，高温条件下，废弃的啤酒酒糟和硅胶泥，其产气性能从高到低依次为啤酒酒糟湿式、啤酒酒糟干式、混合湿式、混合干式，啤酒酒糟湿式发酵在第二天产气量为1.34 mL/g，产气速率最快，10 d后产气量达到4.06 mL/g；发酵过程中挥发性固体、总有机碳以及总氮的含量均呈下降趋势；发酵后沼肥中有机质含量超过60%，可以作为研制有机肥的原料；硅胶泥的存在会延迟啤酒酒糟的发酵。试验结果表明，可以采用发酵技术对啤酒生产过程中产生的废弃物进行开发利用。

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