固态酿造废弃物规模化利用研究

李 觅，刘 念，王超凯，余 航，孙中理，蔡海燕，张 翼，常少健

（四川省食品发酵工业研究设计院，四川成都 611130）

中国白酒举世闻名，同时白酒产业也是中国的传统优势产业，是国民经济的核心支柱产业。统计数据表明，2016年全国规模以上白酒企业完成产量1358.36万kL，同比增长3.23%，实现主营业务收入6125.74亿元，同期增长10.07%；实现利润总额797.15亿元，同期增长9.24%。白酒产业的发展为推动国民经济发展、增加社会就业及提高人民收入水平作出了重要贡献。

中国白酒继承了千百年来的传统酿造工艺，以固态酿造为主，糖化和发酵同时进行。其独特的酿造方式造就了中国白酒与众不同的口感，在世界上众多酒类中独树一帜，深受消费者喜爱。与国外蒸馏酒液态酿造工艺相比，固态酿造工艺受本身传质效率等因素影响，原料利用率较低，导致酿造废弃物中有机质含量高，潜在污染问题较严重。但如果将这些废弃物合理利用起来，既可有效降低污染物的排放，又能为企业及社会带来经济效益。

1 研究现状

白酒企业主要废弃物为丢糟和高浓度有机废水，据统计每生产1 t白酒产生6～10 t丢糟，15～25 t高浓度有机废水。随着白酒产量的逐年提高，产生的废弃物量也在增多，若不加以处理，将会对环境造成不可估量的危害。近年来，研究人员不再仅仅将眼光投向废弃物的达标排放上，而是努力探索废弃物的资源化利用，将其变废为宝，发展循环经济将是未来白酒行业解决废弃物处理问题的方向。本文通过查阅文献，对目前白酒固态酿造过程中主要的废弃物丢糟和高浓度酿造废水成规模的资源化处理手段进行了总结，为拓宽白酒行业循环经济之路提供一定参考。

1.1 丢糟

1.1.1 饲料生产

利用丢糟生产饲料是目前白酒厂较为普遍的做法。丢糟中残余的营养成分包括淀粉、粗蛋白、粗脂肪、微量元素等，营养价值高，其中残余较多的纤维素也能够被牲畜消化[1]。白酒厂特别是名酒厂的丢糟受饲料厂家欢迎，供不应求。对于白酒企业不仅节省了大部分丢糟处理费用，又直接产生了一定的销售收入。对于饲料企业而言，原料的供给量比较稳定，且质量有一定的保证。丢糟生产饲料主要有两种工艺，一是鲜糟直接干燥制成粉状或者颗粒状的常规饲料[2]，二是对丢糟进一步发酵生产营养价值更高的菌体蛋白饲料[3-4]。

1.1.2 肥料开发

丢糟肥料化应用是白酒企业解决丢糟的另一项措施。有机食品是近年来国内外兴起的一股热潮，有机食品的生产和加工，不得使用化学农药、化肥、化学防腐剂等合成物质。丢糟有成为良好有机肥料的潜力。丢糟中含有农作物生长所必需的氮源、碳源、以磷为主的矿质元素，以速效性营养成分为主，有利于农作物根系吸收，其疏松多孔的特性又具有良好的保水性、透气性。研究人员在开发丢糟有机肥的研究中取得了一定的成果。王陈芹等[5]以丢糟为原料，通过烘干，自然发酵等方式制成有机肥，高粱经有机肥处理后，产量提高31.14%，且高粱的淀粉含量、蛋白质含量都有所提高。同时，有机肥的施用促进了高粱对土壤养分的吸收。杜慕云等[6-7]发现丢糟作为金针菇主要栽培原料棉籽壳的替代品，可解决金针菇栽培原料价格上涨且紧缺的问题。研究表明丢糟添加量为50%时，金针菇的生长速度、产量与原有栽培原料效果相当，从而降低了金针菇的栽培成本。游玲等[8]以含有90%鲜丢糟为原料的培养基，栽培出符合有机食品标准的茶树菇，价格高达30000元/t，且栽培后产生的菌糠也是优良饲料。

1.1.3 能源利用

为解决丢糟问题，五粮液公司在2008年左右就提出采用丢糟酿造复糟酒，弃糟再作燃料供热，弃糟灰作原料生产白炭黑的总体思路，并研制成功国内首创的“无害化、效益化处理丢弃酒糟工艺技术”，彻底解决了酿酒丢糟的污染问题。该技术成果获得四川省科技进步一等奖。张磊等[9]开发出一套完整的以丢糟为主要原料生物质环保型新燃料的工艺技术，并且适合企业规模化生产。该新型燃料燃烧率可达96%，剩余4%灰分可回收成为优质钾肥。

丢糟有机质含量丰富，且极易酸化形成大量挥发性脂肪酸，是良好的沼气发生原料。王太涛等[10]对丢糟中温发酵工艺进行了初探，发现总固型物6%的条件下产气率达441.84 mL/gVS。付善飞等[11]则对不同类型的丢糟沼气产生效果进行了研究，酱香型白酒酒糟、浓香型白酒酒糟对应的产气量分别为578.7 mL/gVS、434.2 mL/gVS，甲烷体积分数均在60～70%之间，热值较高，且酒糟发酵液各元素及离子含量符合生物液态肥标准，是一种很好的生物液态肥原料。郭广松等[12]针对丢糟沼气发酵的特点，结合UASB反应器和IC反应器的优点，开发出了ESIC生物反应器，且中试效果良好，为实现丢糟规模化生产沼气奠定了基础。

1.1.4 洗糟工艺

目前有研究人员[13]提出将洗糟工艺应用于丢糟的处理中，并进行了小型试验。洗糟工艺可将丢糟中可溶性淀粉、可溶性蛋白等有机成分溶入洗糟水中，方便进行下一步处理，如香气成分的浓缩提取，有机营养物质的再利用等。洗糟工艺可单独分离出丢糟中的稻壳[14]，分离出的稻壳干燥后可循环使用，也可进一步进行钾肥开发。洗糟工艺若要广泛推广首先要解决水耗高的问题，经白酒厂处理达标排放的水可作为洗糟水的来源。

1.1.5 生物炭制备

生物炭是生物有机材料（生物质）在特定的缺氧或者绝氧的环境之下，经过高温热裂解之后生成的固态产物[15]。生物炭不易降解，对减轻温室效应有重要意义[16]。生物炭多孔结构使其成为一种良好的吸附材料，对水分、微生物、有机营养成分具有良好的保持效果，是一种优良的土壤改良剂，肥效具有缓释性[17-18]，此外生物炭对清除土壤、水体中的重金属有明显的效果[19-20]。丢糟中生物质含量丰富，可以作为生物炭原料之一[21]。丢糟热解成生物炭后作为微生物、营养成分等载体改良窖泥、强化大曲重新回到酿酒过程中，可能会起到意想不到的效果。目前生物炭在固态酿造中应用的深入研究还鲜有报道。

1.2 废水

1.2.1 风味成分提取

酿造废水主要由黄水、场地清洗水、底锅水等组成，COD在20000～100000 mg/L之间，其中黄水贡献了大部分COD，有机质含量丰富，包含大量有机酸、酯类等呈香物质[22]。回收黄水中的香气成分是白酒企业比较常用的做法，如加入底锅进行串蒸[23]，制备酯化液等[24]。方法简单易行，适合大规模处理黄水。但是有机质利用效率较低，不到1%，且经黄水串蒸的酒普遍有杂味，只适合作为低端酒[25]。

超临界二氧化碳萃取技术的应用将有机质的利用率从不到1%提高到4%[26]，研究人员从温度、压力、CO2流量等方面研究了该技术对黄水中香气成分的提取效果[27-28]，结果表明该技术有一定的工业化应用前景，提取液能在一定程度上提升白酒的品质[29]。但是超临界二氧化碳萃取技术对设备、人员素质要求较高，且提取后的釜液中所含的有机质残留仍然较高，面临后续处理问题，不利于该技术向中小型白酒企业推广。

1.2.2 乳酸型己酸发酵

黄水中的有机质含量丰富，其中乳酸含量高达60%，含量达60～120 g/L，其次是乙醇、淀粉等物质。2017年中科院成都生物所筛选出1株可利用乳酸发酵产生己酸的菌株CPB6，解决了以往用乙醇生产己酸原料利用率低，发酵周期长的问题[30]。CPB6以黄水中乳酸为原料，连续发酵2 d，己酸积累量高达20～25 g/L，己酸的合成效率提高了22倍，黄水COD除去率达90%。

1.2.3 沼气发酵

沼气发酵是规模化处理酿造废水的有效措施，酿造废水有机质丰富，COD较高，可发酵性好，TS在3%左右，与我国现有沼气发酵技术相匹配。酿造废水可集中收集，较废水分类收集而言成本较低，可溶性与不溶性，挥发性与非挥发性有机质可一并处理。产生的沼气可直接为白酒生产提供能源，既降低污染又创造经济效益。

早在1991年五粮液集团就开始探索酿造废水的沼气发酵技术[31]，1993年建成年产600 m³沼气工程并顺利通过验收。近十年来剑南春、迎驾贡酒、劲酒等企业也在利用酿造废水进行沼气发酵，取得了不错的效果[32-34]。

目前沼气发酵技术未大规模在白酒企业中推广，很大一个原因是发酵后沼液不能有效的处理和利用，很容易造成二次污染。沼液中含有丰富的氮磷钾等速效营养物质，易被根系和叶吸收[35]。还含有较丰富的有机质和生物活性物质，用于浸种提高种子萌发率，开发生物农药防治虫害等[36]。此外沼液用于微藻培养也是目前的研究热点，微藻适应能力强，一方面能够降解沼液中的污染物[37-38]，另一方面能够大量积累油脂、DHA等与人类生产生活相关的物质[39]。

2 展望

随着白酒产量不断提高，以丢糟和高浓度酿造废水为主的固态酿造废弃物也在增加，环境污染隐患严重。白酒企业只有从消耗型的“资源消费-产品-废弃物”发展模式转变成“资源消费-产品-再生资源”的循环经济模式，才能健康稳定发展。研究人员的眼光不仅只局限于对丢糟废水香气等少量挥发性成分的提取再利用上，还要更多关注如何将废弃物一体化、集中化、规模化处理。今后研究重点可放在以下方面：⑤优化改进生产工艺，从源头上减少污染物的产生；⑤寻找优良的生产辅料替代品；⑤开发高效的微生物菌剂；⑤开发针对白酒企业资源化处理的专用生物反应器。通过不懈努力，不久的将来一定会实现白酒行业污染物“零排放”的目标。

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