酸度對釀酒廢水厭氧消化效果的影響研究

張斌鋒 張煒 吳畏 李小軍

（重慶市渝西水務有限公司永川分公司，重慶 永川 402160）

1 引言

釀酒廢水是白酒工業生產過程中產生的主要副產物［1］，具有呈酸性、有機物濃度高、顏色深、懸浮顆粒物多等特點，并富含酒精、淀粉、蛋白質、氨基酸、甲醇、甲醛和糖類等有機物［2-3］。作為白酒產業的副產物，釀酒廢水產量巨大。有研究表明，每生產1 t 白酒會產生約48 t 的廢水［4］。目前，釀酒廢水的處理方法主要采用生物法［5］，如厭氧降解、好氧降解、厭氧—好氧降解、膜處理法等［6-7］，這些處理方式都存在運營成本較高的問題。因此，亟須更加有效且低成本的處理方式。

與此同時，為提高污水氮磷脫除的效率，在生活污水處理過程中常常需要補充碳源，如甲醇、乙酸、乙酸鈉、淀粉、蛋白質、葡萄糖等。為此，本研究對釀酒廢水進行厭氧消化處理，擬將釀酒廢水中的大分子有機物細分子化，并將其作為“碳源”應用于污水處理，提高釀酒廢水資源化利用效率。將釀酒廢水作為外加碳源用于污水處理，既處理了釀酒廢水，又可以降低污水處理廠購置碳源的成本，協同推進污水處理廠穩定運行，助力碳達峰碳中和，實現經濟與環境雙贏。

酸度是影響廢水生化處理過程中的重要因素之一，也是影響微生物酶活性及酶促反應速率的最重要因素之一［8］。為此，本研究分析了酸度對釀酒廢水厭氧消化過程中氨基酸、還原糖、蛋白質和甲醛含量的影響，旨在通過調節溶液酸度提高厭氧消化酶活性，進而提高厭氧消化處理效果。

2 材料與方法

2.1 供試材料

釀酒廢水取自永川區某釀酒廠。經測定，該釀酒廢水pH 為4.04。

2.2 實驗設計

將5 L 釀酒廢水加入厭氧消化處理罐中，調節溶液初始pH 至設計值，再加入50.0 g 消化菌劑，混勻后蓋好蓋子，將消化處理罐放入加熱裝置中，打開加熱裝置，將溫度上升至35 ℃［9］后進行厭氧消化處理5 d［10］，研究初始溶液pH 對釀酒廢水中的氨基酸、還原糖、蛋白質和甲醛含量的影響。溶液初始pH設置為6，7，8，9，10，分別記為處理A，B，C，D，E；消化菌劑取自生活污水處理廠的厭氧消化池［8］。

2.3 樣品分析與測定方法

氨基酸含量采用茚三酮顯色法進行測定；還原糖含量采用斐林氏溶液法進行測定；蛋白質含量采用紫外分光光度法進行測定；甲醛含量采用乙酰丙酮法進行測定。

2.4 數據分析

采用SPSS 軟件對實驗數據進行統計分析，并利用LSD 法進行差異顯著性分析，顯著性檢驗水平均設置為0.05。

3 結果與分析

3.1 pH 對厭氧消化液中氨基酸含量的影響

溶液初始pH 對厭氧消化液中氨基酸含量的影響如圖1 所示。由圖1 可知，溶液初始pH 對釀酒廢水厭氧消化液中氨基酸含量影響較大。隨著溶液初始pH 增加，厭氧消化液中氨基酸含量先增加后降低，在溶液初始pH 為9（處理D）時達到最大值，此后逐漸降低。與處理A 相比，處理D 溶液中氨基酸含量高0.78 倍，與對照相比差異顯著（p＜0.05）。由此表明，適當增加溶液初始pH，可提高厭氧消化液中的氨基酸的含量，但進一步增加會抑制有機物向氨基酸轉化。

圖1 pH 對厭氧消化液中氨基酸含量的影響

3.2 pH 對厭氧消化液中還原糖含量的影響

溶液初始pH 對厭氧消化液中還原糖含量的影響如圖2 所示。由圖2 可知，厭氧消化液中的還原糖含量隨溶液初始pH 增加而先增加后降低。在溶液初始pH 為9（處理D）時，厭氧消化液中還原糖含量達到最大值，此后隨著溶液初始pH 增加而略有降低。與處理A 相比，處理D 溶液中還原糖含量高0.24 倍。由此表明，適當增加溶液初始pH，可提高厭氧消化液中的還原糖含量，但進一步增加會抑制釀酒廢水中的有機物向還原糖轉化。

圖2 pH 對厭氧消化液中還原糖含量的影響

3.3 pH 對厭氧消化液中蛋白質含量的影響

溶液初始pH 對厭氧消化液中蛋白質含量的影響如圖3 所示。由圖3 可知，在弱酸環境下（溶液初始pH 為5～6），釀酒廢水厭氧消化液中蛋白質含量較低；當溶液呈中性至弱堿性時，隨著溶液初始pH增加，釀酒廢水厭氧消化液中蛋白質含量顯著增加。尤其是處理E 中蛋白質含量比處理A 高2.38 倍，與對照相比差異顯著（P＜0.05）。這說明適量增加溶液的初始pH，有利于釀酒廢水中的有機物向蛋白質轉化。

圖3 pH 對厭氧消化液中蛋白質含量的影響

3.4 pH 對厭氧消化液中甲醛含量的影響

溶液初始pH 對厭氧消化液中甲醛含量的影響如圖4 所示。由圖4 可知，釀酒廢水厭氧消化液中的甲醛含量隨著消化液初始pH 增加而增加。在溶液初始pH 為10 時達到最大值。與處理A 相比，處理E 溶液中甲醛含量高0.72 倍，與對照相比差異顯著（P＜0.05）。這說明適量增加溶液初始pH，有利于釀酒廢水中的有機物向甲醛轉化。

圖4 pH 對厭氧消化液中甲醛含量的影響

4 分析討論

厭氧消化是一個有多種微生物參與的復雜的生物化學過程［10］，消化條件的改變極易影響到厭氧系統的正常運轉，尤其是溶液酸堿性的變化極易影響廢水消化反應的進程。適宜的酸堿性是保障厭氧消化順利進行的關鍵指標［11－12］。李美群等［13］研究表明，紅薯廢醪在中溫條件下厭氧消化，厭氧消化體系的pH 顯著下降，同時體系的產氣受到明顯抑制。Zhou 等［14－15］研究發現，厭氧發酵液pH 不同，會導致厭氧消化過程中產生的氣體組成不同。楊樂等［11］研究也表明，pH 對玉米廢醪厭氧消化效果影響較大，在pH 為5.5，6.5，7.5，8.5 條件下，玉米廢醪厭氧消化系統累計產氣量均存在較大差異；pH 為5.5 組玉米廢醪發酵液中丁酸降解不充分，而pH 為8.5 組玉米廢醪發酵液中丙酸占比偏高且發酵周期較短，產氣效果不好。

吳至成等［16］研究表明，溶液初始酸堿性對剩余污泥厭氧水解酸化的影響較大。堿性環境有助于提高剩余污泥厭氧水解酸化速率，可促進污泥中有機物（蛋白質和多糖）的溶出。污泥厭氧發酵的最佳pH為10 時，污泥厭氧發酵系統能源物質短鏈揮發性脂肪酸（SCFA）的最大積累量達到286.4 mg/g。閆鋒等［10］研究也發現，溶液pH 與厭氧消化中的產酸菌和產甲烷菌活性、消化液中的有機物質轉化密切相關，不同的消化微生物有其適宜的酸堿性，只有在最適宜的pH 時才能發揮其最大的活性，進而直接影響著厭氧消化過程及其消化反應的產物。

本實驗結果顯示，在弱酸或中性環境下（pH 為6～7），釀酒廢水厭氧消化液中的氨基酸、還原糖、蛋白質和甲醛含量低于堿處理（pH 為8～10），尤其是處理D（溶液初始pH 為9）中氨基酸與還原糖含量分別比處理A（pH 為6）高0.78 倍和0.24 倍，處理E（溶液初始pH 為10）中蛋白質與甲醛含量分別比處理A（pH 為6）高2.38 倍和0.72 倍，與對照相比均差異顯著（P＜0.05）。但隨著釀酒廢水厭氧酸化液初始pH 進一步增加，處理E 中氨基酸和還原糖含量略有降低。這說明，堿性環境（溶液初始pH 為9～10）有利于釀酒廢水中的厭氧消化微生物的生長，利于釀酒廢水的厭氧消化處理，利于釀酒廢水中的大分子碳向氨基酸、還原糖、蛋白質和甲醛等轉化，但過度增加釀酒廢水厭氧消化液初始pH，則會抑制釀酒廢水中的有機物向氨基酸和還原糖轉化，這與苑宏英等［17］的研究結果相似。苑宏英等［17］研究發現，剩余污泥厭氧消化產酸的最佳pH 為10，此時厭氧消化微生物活性最強。陳廣銀等［18］也研究發現，pH 與豬糞水酸化貯存保氮效果密切相關，適宜的pH 可提高酸化細菌的活性，可以增加豬糞水中的總磷和水溶性磷濃度。

5 結論

實驗結果顯示，適當增加溶液初始pH，可促進釀酒消化液中的有機質向氨基酸、還原糖、蛋白質和甲醛轉化，提高釀酒廢水“碳氧化”利用效率。與處理A（溶液初始pH 為6）相比，處理D（溶液初始pH 為9）中氨基酸與還原糖含量分別高0.78 倍和0.24 倍，處理E（溶液初始pH 為10）中蛋白質與甲醛含量分別高2.38 倍和0.72 倍，與對照相比差異顯著（P＜0.05）；但過度增加釀酒廢水厭氧消化液初始pH，則會抑制釀酒廢水中有機物向氨基酸和還原糖轉化。