酸度对酿酒废水厌氧消化效果的影响研究

张斌锋 张炜 吴畏 李小军

（重庆市渝西水务有限公司永川分公司，重庆 永川 402160）

1 引言

酿酒废水是白酒工业生产过程中产生的主要副产物［1］，具有呈酸性、有机物浓度高、颜色深、悬浮颗粒物多等特点，并富含酒精、淀粉、蛋白质、氨基酸、甲醇、甲醛和糖类等有机物［2-3］。作为白酒产业的副产物，酿酒废水产量巨大。有研究表明，每生产1 t 白酒会产生约48 t 的废水［4］。目前，酿酒废水的处理方法主要采用生物法［5］，如厌氧降解、好氧降解、厌氧—好氧降解、膜处理法等［6-7］，这些处理方式都存在运营成本较高的问题。因此，亟须更加有效且低成本的处理方式。

与此同时，为提高污水氮磷脱除的效率，在生活污水处理过程中常常需要补充碳源，如甲醇、乙酸、乙酸钠、淀粉、蛋白质、葡萄糖等。为此，本研究对酿酒废水进行厌氧消化处理，拟将酿酒废水中的大分子有机物细分子化，并将其作为“碳源”应用于污水处理，提高酿酒废水资源化利用效率。将酿酒废水作为外加碳源用于污水处理，既处理了酿酒废水，又可以降低污水处理厂购置碳源的成本，协同推进污水处理厂稳定运行，助力碳达峰碳中和，实现经济与环境双赢。

酸度是影响废水生化处理过程中的重要因素之一，也是影响微生物酶活性及酶促反应速率的最重要因素之一［8］。为此，本研究分析了酸度对酿酒废水厌氧消化过程中氨基酸、还原糖、蛋白质和甲醛含量的影响，旨在通过调节溶液酸度提高厌氧消化酶活性，进而提高厌氧消化处理效果。

2 材料与方法

2.1 供试材料

酿酒废水取自永川区某酿酒厂。经测定，该酿酒废水pH 为4.04。

2.2 实验设计

将5 L 酿酒废水加入厌氧消化处理罐中，调节溶液初始pH 至设计值，再加入50.0 g 消化菌剂，混匀后盖好盖子，将消化处理罐放入加热装置中，打开加热装置，将温度上升至35 ℃［9］后进行厌氧消化处理5 d［10］，研究初始溶液pH 对酿酒废水中的氨基酸、还原糖、蛋白质和甲醛含量的影响。溶液初始pH设置为6，7，8，9，10，分别记为处理A，B，C，D，E；消化菌剂取自生活污水处理厂的厌氧消化池［8］。

2.3 样品分析与测定方法

氨基酸含量采用茚三酮显色法进行测定；还原糖含量采用斐林氏溶液法进行测定；蛋白质含量采用紫外分光光度法进行测定；甲醛含量采用乙酰丙酮法进行测定。

2.4 数据分析

采用SPSS 软件对实验数据进行统计分析，并利用LSD 法进行差异显著性分析，显著性检验水平均设置为0.05。

3 结果与分析

3.1 pH 对厌氧消化液中氨基酸含量的影响

溶液初始pH 对厌氧消化液中氨基酸含量的影响如图1 所示。由图1 可知，溶液初始pH 对酿酒废水厌氧消化液中氨基酸含量影响较大。随着溶液初始pH 增加，厌氧消化液中氨基酸含量先增加后降低，在溶液初始pH 为9（处理D）时达到最大值，此后逐渐降低。与处理A 相比，处理D 溶液中氨基酸含量高0.78 倍，与对照相比差异显著（p＜0.05）。由此表明，适当增加溶液初始pH，可提高厌氧消化液中的氨基酸的含量，但进一步增加会抑制有机物向氨基酸转化。

图1 pH 对厌氧消化液中氨基酸含量的影响

3.2 pH 对厌氧消化液中还原糖含量的影响

溶液初始pH 对厌氧消化液中还原糖含量的影响如图2 所示。由图2 可知，厌氧消化液中的还原糖含量随溶液初始pH 增加而先增加后降低。在溶液初始pH 为9（处理D）时，厌氧消化液中还原糖含量达到最大值，此后随着溶液初始pH 增加而略有降低。与处理A 相比，处理D 溶液中还原糖含量高0.24 倍。由此表明，适当增加溶液初始pH，可提高厌氧消化液中的还原糖含量，但进一步增加会抑制酿酒废水中的有机物向还原糖转化。

图2 pH 对厌氧消化液中还原糖含量的影响

3.3 pH 对厌氧消化液中蛋白质含量的影响

溶液初始pH 对厌氧消化液中蛋白质含量的影响如图3 所示。由图3 可知，在弱酸环境下（溶液初始pH 为5～6），酿酒废水厌氧消化液中蛋白质含量较低；当溶液呈中性至弱碱性时，随着溶液初始pH增加，酿酒废水厌氧消化液中蛋白质含量显著增加。尤其是处理E 中蛋白质含量比处理A 高2.38 倍，与对照相比差异显著（P＜0.05）。这说明适量增加溶液的初始pH，有利于酿酒废水中的有机物向蛋白质转化。

图3 pH 对厌氧消化液中蛋白质含量的影响

3.4 pH 对厌氧消化液中甲醛含量的影响

溶液初始pH 对厌氧消化液中甲醛含量的影响如图4 所示。由图4 可知，酿酒废水厌氧消化液中的甲醛含量随着消化液初始pH 增加而增加。在溶液初始pH 为10 时达到最大值。与处理A 相比，处理E 溶液中甲醛含量高0.72 倍，与对照相比差异显著（P＜0.05）。这说明适量增加溶液初始pH，有利于酿酒废水中的有机物向甲醛转化。

图4 pH 对厌氧消化液中甲醛含量的影响

4 分析讨论

厌氧消化是一个有多种微生物参与的复杂的生物化学过程［10］，消化条件的改变极易影响到厌氧系统的正常运转，尤其是溶液酸碱性的变化极易影响废水消化反应的进程。适宜的酸碱性是保障厌氧消化顺利进行的关键指标［11－12］。李美群等［13］研究表明，红薯废醪在中温条件下厌氧消化，厌氧消化体系的pH 显著下降，同时体系的产气受到明显抑制。Zhou 等［14－15］研究发现，厌氧发酵液pH 不同，会导致厌氧消化过程中产生的气体组成不同。杨乐等［11］研究也表明，pH 对玉米废醪厌氧消化效果影响较大，在pH 为5.5，6.5，7.5，8.5 条件下，玉米废醪厌氧消化系统累计产气量均存在较大差异；pH 为5.5 组玉米废醪发酵液中丁酸降解不充分，而pH 为8.5 组玉米废醪发酵液中丙酸占比偏高且发酵周期较短，产气效果不好。

吴至成等［16］研究表明，溶液初始酸碱性对剩余污泥厌氧水解酸化的影响较大。碱性环境有助于提高剩余污泥厌氧水解酸化速率，可促进污泥中有机物（蛋白质和多糖）的溶出。污泥厌氧发酵的最佳pH为10 时，污泥厌氧发酵系统能源物质短链挥发性脂肪酸（SCFA）的最大积累量达到286.4 mg/g。闫锋等［10］研究也发现，溶液pH 与厌氧消化中的产酸菌和产甲烷菌活性、消化液中的有机物质转化密切相关，不同的消化微生物有其适宜的酸碱性，只有在最适宜的pH 时才能发挥其最大的活性，进而直接影响着厌氧消化过程及其消化反应的产物。

本实验结果显示，在弱酸或中性环境下（pH 为6～7），酿酒废水厌氧消化液中的氨基酸、还原糖、蛋白质和甲醛含量低于碱处理（pH 为8～10），尤其是处理D（溶液初始pH 为9）中氨基酸与还原糖含量分别比处理A（pH 为6）高0.78 倍和0.24 倍，处理E（溶液初始pH 为10）中蛋白质与甲醛含量分别比处理A（pH 为6）高2.38 倍和0.72 倍，与对照相比均差异显著（P＜0.05）。但随着酿酒废水厌氧酸化液初始pH 进一步增加，处理E 中氨基酸和还原糖含量略有降低。这说明，碱性环境（溶液初始pH 为9～10）有利于酿酒废水中的厌氧消化微生物的生长，利于酿酒废水的厌氧消化处理，利于酿酒废水中的大分子碳向氨基酸、还原糖、蛋白质和甲醛等转化，但过度增加酿酒废水厌氧消化液初始pH，则会抑制酿酒废水中的有机物向氨基酸和还原糖转化，这与苑宏英等［17］的研究结果相似。苑宏英等［17］研究发现，剩余污泥厌氧消化产酸的最佳pH 为10，此时厌氧消化微生物活性最强。陈广银等［18］也研究发现，pH 与猪粪水酸化贮存保氮效果密切相关，适宜的pH 可提高酸化细菌的活性，可以增加猪粪水中的总磷和水溶性磷浓度。

5 结论

实验结果显示，适当增加溶液初始pH，可促进酿酒消化液中的有机质向氨基酸、还原糖、蛋白质和甲醛转化，提高酿酒废水“碳氧化”利用效率。与处理A（溶液初始pH 为6）相比，处理D（溶液初始pH 为9）中氨基酸与还原糖含量分别高0.78 倍和0.24 倍，处理E（溶液初始pH 为10）中蛋白质与甲醛含量分别高2.38 倍和0.72 倍，与对照相比差异显著（P＜0.05）；但过度增加酿酒废水厌氧消化液初始pH，则会抑制酿酒废水中有机物向氨基酸和还原糖转化。