厌氧消化技术在构建生态酒企循环经济模式中的应用

曹海南,刘 军*,朱卫军,王 超,刘欣欣

(江苏洋河酒厂股份有限公司,江苏宿迁 223800)

摘 要:酿酒废水、丢糟以及酿酒污泥是白酒生产过程中产生的主要废弃物,具有“污染”和“资源”双重特性。在“双碳”背景下,资源化和高值化利用酿酒废弃物成为白酒生产企业亟需解决的问题。该文详细阐述了白酒生产废弃物的理化特性,以及厌氧消化技术在酿酒废弃物资源化过程中的应用。最后基于沼液、沼渣植物营养特性,提出逐步构建具有白酒企业特色的生态酒企循环经济模式,形成“农业+酿酒+旅游+农业”的生态循环产业链,以期为白酒企业绿色可持续发展提供理论参考。

关键词:白酒酿造废弃物;厌氧消化;生态酒企;循环经济

白酒是我国传统发酵酒精饮料,是世界著名的六大蒸馏酒之一,深受国人喜爱,2022年我国白酒产量达671.2万kL[1]。我国白酒主要采用纯粮固态发酵工艺,包括原料选择、酒曲制作、酒醅发酵、蒸馏取酒、贮存老熟、勾兑调味和品质控制等工序[2]。然而,在白酒酿造过程中产生大量酿酒废水和丢糟,每生产1 t白酒约产生12~20 t综合废水和2~4 t丢糟[3-4]。酿酒废水在处理过程中产生大量酿酒污泥,通常每去除废水中1 kg化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)会产生0.21~0.28 kg混合液挥发性悬浮固体浓度(mixed liquid volatile suspended solids,MLVSS)活性污泥[5]。酿酒废弃物的处理成为制约白酒产业可持续健康发展的重要因素。在“双碳”背景下,如何将酿酒废弃物资源化处理,减少碳排放,是当下白酒企业亟待解决的问题。

酿酒废弃物具有种类多、成分复杂、有机质含量高等特点,其中酿酒废水、丢糟和酿酒污泥是白酒生产过程最主要废弃物。目前白酒企业主要采用“厌氧+好氧”联合生物工艺处理酿酒废水,但因丢糟和酿酒污泥具有产量大、含水率高、易腐败,难储存等特点,故传统的直接堆积和焚烧处理方式,不仅造成资源浪费,还易对空气、土壤和水源造成二次污染。发展生态酒企循环经济可以实现酿酒废弃物的闭路循环,有效促进资源集约循环利用。在当前党中央作出“碳达峰、碳中和”重大战略决策的背景下,生态酒企循环经济是提升资源利用效率、减少温室气体排放的重要路径。采用厌氧消化技术可以资源化和增值化利用酿酒废弃物,打造具有白酒企业特色的循环经济生态体系。该技术可以将酿酒废水、丢糟和酿酒污泥转化为沼气、沼液和沼渣。沼气主要由甲烷(CH4)(50%~70%)和二氧化碳(CO2)(30%~50%)组成[6],可作为沼气锅炉燃料使用,为酿酒生产提供能源。沼气的发展利用是减少温室气体排放的重要措施之一,如刘殊嘉[7]以青岛市某静脉产业园为研究对象,发现沼气内燃机发电、锅炉供热、入炉焚烧发电和提纯制天然气,碳减排量分别为9 505.18 t、9 048.36 t、5 963.83 t和4 658.73 t CO2当量。闫卫疆等[8]提到每利用10 000 m3沼气可减少115 t温室气体排放,预计2060年我国沼气产业可减少温室气体排放23亿t,为碳中和贡献21.7%的减排量。沼液、沼渣是优质的有机肥料,可以培肥酒厂园区农田土壤,保障白酒原料供应产地农作物的用肥需求。以沼气为纽带,构建生态酒企循环经济模式可以实现废物处理、能源生产和肥料减量,真正做到酿酒废弃物的全处理与“零排放”。酿酒废弃物具有资源特性,因此以沼气为纽带,加快具有白酒企业特色的生态酒企循环经济模式的构建,顺理成章、恰逢其时。

酿酒废弃物的综合处理和资源化利用对白酒行业的可持续发展至关重要。笔者基于大量文献调研,详细介绍了酿酒废弃物的理化特性,并系统阐述了酿酒废弃物沼气利用的研究现状。最后基于沼渣、沼液植物营养特性,提出构建具有白酒企业特色的生态酒企循环经济模式,以期以沼气为纽带资源化利用酿酒生产废弃物,打造以“酒-气-肥”为主的生态循环产业链,为白酒行业的可持续绿色发展注入持久动力。

1 白酒生产废弃物简介

1.1 酿酒废水特性

酿酒生产废水主要由甑锅底水(蒸粮锅底水和蒸酒锅底水)、窖底黄水、冷却系统排水、洗瓶废水和地面冲洗废水等组成,白酒生产工艺及污水产生环节[9]如下:

其中冷却水、洗瓶废水和地面冲洗水是低浓度废水,有机物浓度低且成分简单,可以进行回收利用,而甑锅底水和窖底黄水属于高浓度有机废水,含有多糖、有机酸、乙醇和甘油等高浓度溶解性有机物[10]。如高宇宸[11]的研究结果表明,白酒甑锅底水COD和悬浮物(suspended solids,SS)质量浓度分别为10 000~12 000 mg/L 和1 600~1 900 mg/L。周菊容等[12]跟踪监测的泸州某浓香型白酒厂黄水中水污染物COD、氨氮、总氮和总磷质量浓度,分别为92 231~256 850 mg/L、602~2 600 mg/L、2 895~6 267 mg/L和721~1 743 mg/L。酿酒生产废水具有外观呈黄色、不透明状、气味腻甜、色度高、浊度大,间断排放,负荷波动较大等特点。酿酒废水经发酵蒸馏而得,故整体呈酸性,pH值约为3~5[13]。酿酒废水SS 质量浓度为600~700 mg/L,COD 质量浓度约为8 000~12 000 mg/L,含有大量的氮、磷等元素,其中总氮含量约为50~500 mg/L,总磷含量约为120~900 mg/L[13-14]。酿酒废水具有COD、氮、磷含量高,pH低和可生化性好等特点,因此在排入水体前需要有效治理。

1.2 丢糟特性

丢糟是酒醅通过一定的工艺手段发酵蒸馏出酒后残留的固态混合物,外观呈淡褐色,是白酒生产最大的副产物[15]。丢糟主要由发酵谷物如高粱、玉米、糯米、小麦、大麦、大米以及稻壳等组成,内残留大量未分解的淀粉、蛋白质、脂质、粗纤维、矿物质元素、微生物残体等营养成分,其中粗蛋白、粗脂肪和粗纤维,含量分别为12.85%~18.23%、2.07%~6.36%和17.42%~32.87%[15-17]。叶翔等[18]研究发现,江苏洋河酒厂股份有限公司(简称洋河酒厂)绝干丢糟中淀粉含量为24.88%,而绝干沉淀中淀粉为38.04%,同时丢糟中氨基酸含量为13.45%,而沉淀产物中的氨基酸为22.72%。因丢糟营养物质含量丰富,满足动物对各种必需氨基酸的需求,传统上一直被用作动物饲料处理。然而,由于丢糟酸度高(pH值为4.36),稻壳总固体(total solid,TS)含量高(56%),且粗纤维不易被微生物分解利用,若直接采用丢糟饲喂或经过简单处理后饲喂动物,会阻碍消化道内的消化酶与食糜充分接触,降低养分的消化率[19-20]。同时由于残留酒精和谷物霉菌毒素等问题,导致丢糟饲料的营养价值有限,产生经济效益较低,且存在一定的安全风险,限制了畜牧业对丢糟的需求[21-22]。此外,丢糟水分和糖分含量高,含有大量的易降解有机质,易酸化腐败并产生臭气,很难长期储存和运输[4,23]。若处理不当,极易造成水体富营养化、土壤酸化以及盐碱化等风险[24]

1.3 酿酒污泥特性

酿酒污泥是酿酒废水处理过程中产生的污泥,具有产量大,有机质含量高等特点,占酿酒废物总量的12%[25]。目前,白酒企业污水处理过程中“重水轻泥”的现象仍较普遍存在。酿酒污泥具有“污染”和“资源”双重特性,妥善处理处置酿酒污泥成为白酒企业亟待解决的问题。酿酒污泥与城市剩余污泥和畜禽粪污均为有机固体废弃物,将三种原料理化性质进行详细对比[26,30-38],如表1所示,酿酒污泥pH值为5.95~7.22,大多呈中性,含水率为64.5%~85.73%,与剩余污泥和畜禽粪便接近。酿酒污泥有机质含量丰富,为504.30~859.60 g/kg,远高于城市剩余污泥,与牛粪(413.2~870.9 g/kg)、猪粪(463.2~784.3 g/kg)相当[26]。酿酒污泥与城市剩余污泥有机质含量差距较大,主要与污水的特性有关,城镇生活污水COD质量浓度为600~1 500 mg/L,而酿酒废水COD质量浓度为8 000~12 000 mg/L[14,27]。此外,酿酒废水生物降解性能高,酿酒污泥的挥发性固体与总固体的比值为88%,远高于城市剩余污泥[5]。酿酒污泥总氮含量高于城市剩余污泥和畜禽粪污,总磷含量与猪粪(15.0~58.7 g/kg)相当[26],总钾含量偏低。就重金属而言,铬元素含量偏高,为26.68~112.37 mg/kg,但低于全国40座城市污水处理厂的剩余污泥(平均值180 mg/kg)[28],满足农用A级污泥标准[29]。其他重金属元素含量远低于城市剩余污泥和畜禽粪污,主要归于酿酒污泥为处理酿酒废水过程中产生的污泥,酿酒原料主要为粮食,加之目前白酒企业对粮食质量严格把控,酿酒生产过程不涉及重金属添加,故酿酒污泥重金属含量偏低。

表1 酿酒污泥与城市剩余污泥、畜禽粪便的理化特性比较
Table 1 Comparison of physicochemical properties of Baijiu brewing sludge with residual municipal sludge and livestock manure

检测项目酿酒污泥[30-34] 城市剩余污泥[35] 畜禽粪便[26,36-38]pH值含水率/%有机质含量/(g·kg-1)氮含量/(g·kg-1)磷含量/(g·kg-1)钾含量/(g·kg-1)镉/(mg·kg-1)铬/(mg·kg-1)汞/(mg·kg-1)镍/(mg·kg-1)锌/(mg·kg-1)铜/(mg·kg-1)铅/(mg·kg-1)砷/(mg·kg-1)5.95~7.22 64.5~85.73 504.30~859.60 37.4~133 18.73~57.50 2.20~4.50 0.91~3.19 26.68~112.37 0.27~0.82 30.06 312.78 33.44 8.32~44.84 0.63~16.79 5.59~7.73 77.2 262~696 2.5~51.6 2.2~46.1 3.2~12.5 0.05~16.8 0.4~728 0~9.3 10.4~374 16.8~7 384 28.4~3 068 0.6~669 0.29~47 6.64~7.28 59.16~78.21 171.1~870.9 2.0~31.2 1.5~58.7 2.42~59.3 0.05~51.5 0.76~1 482 0.01~1.98 2.5~43.6 0~2 286.8 1.90~1 742 0.05~143 0~88.34

2 厌氧消化技术在酿酒废弃物处理中的应用

2.1 厌氧消化技术简介

厌氧消化是在厌氧条件下通过兼性细菌和厌氧细菌分解代谢有机物,同时产生CH4和CO2的过程[39]。厌氧微生物分解有机物的过程主要分为水解阶段、酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段4个阶段。在水解阶段,大分子有机物如碳水化合物、蛋白质、脂肪等被水解细菌转化为简单的溶解性单体或二聚体,之后被微生物进一步降解成为挥发性脂肪酸,最终在产甲烷菌作用下生成CH4和CO2[40],厌氧消化机理见图1。

图1 厌氧消化技术机理
Fig.1 Mechanism of the anaerobic digestion technology

根据消化温度、产酸相和产甲烷相是否置于同一反应器、进料连续性以及消化物料的总固体含量(TS)不同,厌氧消化技术可分为常温消化(15~25 ℃)、中温消化(30~40 ℃)与高温消化(50~60 ℃)、单相消化与两相消化、序批式消化与连续式消化以及湿发酵(TS≤10%)、高固体发酵(10%≤TS≤20%)与干发酵(TS≥20%)等[41-43]。厌氧消化过程产甲烷功能菌群对环境因素敏感度高,其最佳pH值为6.8~7.2,碳氮比为20~30,接种比为0.5~2.5(基于挥发性固体),中温和高温消化最优温度是35 ℃和55 ℃[44-45]。厌氧消化技术具有运行成本低、投资省、产生清洁能源沼气等优点,目前被广泛用于餐厨垃圾[46]、农作物秸秆[47]以及畜禽粪污[48]的处理。

2.2 厌氧消化技术在酿酒废水中应用

未处理的酿酒废水直接排放不仅改变土壤和水质的理化特性,造成严重的环境污染,同时酿酒废水中大量有机物未得到有效利用,造成资源浪费。针对白酒企业酿酒废水产量大特点,HJ/T 402—2007《清洁生产标准白酒制造业》为白酒制造企业开展清洁生产提供技术支持和导向[49]。GB 27631—2011《发酵酒精和白酒工业水污染物排放标准》标准规定了白酒工业企业或生产设施水污染物排放限值、监测和监控要求[50]。如何高效回收酿酒废水资源,降低酿酒废水对环境产生的不利影响,这是白酒企业在处理酿酒废水时必须面对和思考的问题。

酿酒废水无毒、其中有机物多为碳水化合物,故易降解、可生化性好(生物化学需氧量(biochemical oxygen demand,BOD)/COD远大于0.3,约为0.5左右),可采用以生物处理为核心的处理工艺[14]。“厌氧+好氧”为主体的联合生物处理工艺在酿酒废水处理中备受青睐。厌氧段作为生物处理工艺的第一步,具有工艺负荷高,耐冲击能力强等优势,能够为后续的好氧段酿酒废水处理创造稳定的水质条件,如LIU C等[51]研究发现,酱香型和清香型酿酒废水经48 h厌氧发酵后,COD去除率分别为90.22%和88.99%。王雪芹等[52]研究发现,酿酒废水经内循环厌氧反应器处理后,COD去除率≥85%,稳定时可达92.4%。酿酒废水经“厌氧+好氧”为主体的联合生物处理后均能满足GB 27631—2011《发酵酒精和白酒工业水污染物排放标准》间接排放标准[50],如泸州某浓香型白酒企业采用“过滤+厌氧+两级好氧+除磷沉淀”工艺处理酿酒废水,出水COD、氨氮、总氮和总磷质量浓度分别为120~134 mg/L、0.54~0.59 mg/L、18.2~20 mg/L、0.88~0.94 mg/L,出水水质平稳达标排放[53]。舍得酒业酿酒废水处理采用“预处理+内循环厌氧处理+两级厌氧—好氧处理+二沉池+脱色+反硝化+脱磷”处理工艺,COD、氨氮、总氮和总磷排放质量浓度分别<73 mg/L、5.02 mg/L、14.68 mg/L、0.41 mg/L[54]。赵先芝等[55]采用升流式厌氧污泥床(upflow anaerobic sludge bed,UASB)-序批式活性污泥法(sequencing batch reactor activated sludge process,SBR)工艺处理宋河酒业高浓度酿酒废水,工程实践表明,COD、氨氮、SS、浊度的去除率分别达到95%、90%、99%和91%,出水达到GB8978—1996《污水综合排放标准》一级标准。

“厌氧+好氧”联合生物工艺为白酒企业酿酒废水处理带来巨大环保效益,如洋河酒厂酿酒废水采用“物理处理法+化学处理法+厌氧生物处理法+好氧生物处理法”工艺,每小时处理高浓度酿酒废水250 t,COD、氨氮、总磷和总氮年削减量分别为19 471.2 t、223.6 t、138.81 t和305.12 t[56];江苏双沟酒业股份有限有公司(简称双沟酒厂)酿酒废水采用“厌氧塔+UASB+厌氧—缺氧—好氧处理(anaerobic-anoxic-oxic,AAO)+二沉池+除磷池”工艺,年处理废水59.76万t,COD、氨氮、总磷和总氮削减量分别为6 538.24 t、92.97 t、42.65 t和162.58 t[56];贵州贵酒集团酿酒污水采用“预处理+AAO+膜生物反应器+臭氧接触氧化+除磷沉淀”工艺,年处理废水10.86万t,COD、氨氮、总氮和总磷削减量分别为746.89 t、19.55 t、34.67 t和10.84 t[56];黄鹤楼酒业酿造废水采用“预处理-UASB-SBR-曝气生物滤池-气浮-纤维球过滤-紫外线消毒”工艺,SS、BOD、COD、氨氮和总磷年消减量分别为57.83 t、364.63 t、728.67 t、1.6 t和0.27 t[57]。“厌氧+好氧”联合生物处理工艺不仅使酿酒废水达标排放,同时厌氧段产生的沼气所带来的能源效益也是巨大的,如洋河酒厂2022年处理酿酒废水132.8万t,厌氧段产生的沼气全部用于沼气锅炉燃烧,年蒸汽产量达13.5万t[56]。双沟酒厂2022年处理废水59.76万t,沼气锅炉年产蒸汽3.17万t[56]。五粮液日处理高浓度废水12 000 t,厌氧发酵日产沼气1×105 m3,全部输送到煤沼混烧锅炉生产蒸汽,可替代原煤约100 t/d,减少煤渣排放约40 t/d,节约燃料费3.2 万元/d[58]。剑南春年处理酿酒污水240万t,年回收沼气4.4×106 m3用作烤酒燃料,直接经济效益1 000余万元[58];黄鹤楼酒业咸宁生态酿酒基地处理100 t/d酿酒废水,日产沼气826.2 m3,发电1 239.3 kW·h,获经济效益929.5元/d[57]

2.3 厌氧消化技术在丢糟中应用

丢糟粗纤维含量高,是木质纤维类废弃物的一种,其纤维素、半纤维素和木质素含量分别为18.83%~22.90%、14.85%~25.43%、12.01%~24.16%[59-61]。ZHENG Q等[62]对泸州老窖丢糟成分分析,发现纤维素和半纤维素含量占比为41.6%,表明可以进一步资源化利用。丢糟具有很好的产气潜力,如酱香型和浓香型白酒丢糟作为底物进行发酵时,沼气产量可达578.7 mL/g和434.2 mL/g(以挥发性固体(volatile solid,VS)计)[59];四川、安徽等地3种典型的浓香型白酒丢糟TS产气潜力可达163.38~218.6 mL/g[63]。江苏省宿迁市某大型酒厂的白酒丢糟中温沼气发酵时,TS产气量为387.81~402.08 mL/g[64];茅台酒厂应用中温厌氧发酵技术处理丢糟,日处理量为300 t,最大日产气量为30 000 m3[22]。丢糟具有厌氧发酵启动速度快、发酵周期短等优势,可以立即达到或在短时间内达到最大产气峰值。如酱香型和浓香型白酒丢糟均在第1天就达到产气最高峰,日产气量分别为68.9 mL/g VS和59.5 mL/g VS[59];WANG J B等[21]研究发现,茅台丢糟在第3天达到最大日产气量43.48 mL/g VS。由于丢糟中易分解有机物占比较高,故其厌氧发酵周期相对较短,如王太涛等[64]研究发现,丢糟厌氧发酵的最佳发酵周期为14~15 d;WANG Z等[24]研究发现,丢糟发酵6 d后,纤维素含量从25.93%急剧下降至11.27%,之后纤维素含量稳定在11.21%~11.50%,12 d后丢糟不再降解;丢糟发酵周期远低于工程上常规的秸秆等废弃物(70~90 d)[39]。在沼气工程中,产气量并不是判定产气效果的唯一标准,发酵周期同样重要,直接影响运行成本。发酵时间短意味着消化效率高,可以在相同时间内处理更多的废弃物。丢糟具有产气量大,发酵启动速度快和发酵周期短等优势,主要归于酿酒过程粮食中多数有机物被转化为酒精,丢糟中纤维素、半纤维素含量相对较低,因此发酵周期缩短。同时,酿酒过程可以看成是丢糟的预处理过程,该过程使丢糟内部分子间的紧密性降低,利于厌氧微生物与发酵底物接触[24]

2.4 厌氧消化技术在酿酒污泥中应用

酿酒污泥成分复杂,含有大量有机质,若处理不当极易造成环境污染。《城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策》要求污泥处理处置应符合“安全环保、循环利用、节能降耗、因地制宜、稳妥可靠”的原则[65]。厌氧消化技术降解酿酒污泥的同时可以稳定化污泥,改善污泥的脱水性能,减少污泥脱水的药剂消耗。厌氧消化处理后的酿酒污泥满足国标GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中污泥稳定化相关指标的要求[66]。目前关于城市剩余污泥厌氧消化的研究很多,如促进城市剩余污泥水解,增加沼气产量的预处理技术[67-68];城市剩余污泥与其他有机废弃物协同发酵[69];外源物质添加促进污泥发酵种间电子传递[70]等。国内关于城市剩余污泥沼气工程运营案例也很多,如西安第五污水处理厂污泥采用中温厌氧消化+机械脱水+卫生填埋的工艺[71];北京市小红门污水处理厂污泥采用热水解+厌氧消化+板框脱水工艺等[72]。目前,上述城市剩余污泥沼气工程项目均运行良好。

通过上述酿酒污泥和城市剩余污泥特性的比较发现,酿酒污泥更适合沼气发酵。然而,目前国内外关于酿酒污泥厌氧消化的研究报道并不多,尤其是有关白酒企业的污泥处理。酿酒污泥具有很好的产气潜力,相对于秸秆、果渣、藤蔓等葡萄酒厂酿酒废弃物,丢糟和酿酒污泥甲烷的产量最高,分别为(876±45)L CH4/kgVS和(690±25)L CH4/kgVS[73];KAIRA W M等[74]以葡萄采摘期污水处理产生的酿酒污泥和采摘期后的酿酒污泥为原料进行发酵,甲烷最高产量分别可达(206±2.7)mL CH4/gVS和(177±1.4)mL CH4/gVS。温度对酿酒污泥发酵影响很大,提高温度可通过影响功能菌活性、代谢活性、化学平衡、物质传质等促进厌氧水解过程[75]。但在酿酒污泥与丢糟混合发酵体系中,温度升高易导致系统酸化,与高温混合消化体系相比,中温发酵更稳定[5]。酿酒污泥与其他基质进行混合发酵可以提高沼气产量,如GIACON M F等[76]以酿酒污泥为底物单独发酵时沼气产量为16.9 mL/g VS,但当与猕猴桃废弃物混合发酵时,沼气产量大幅提升到40.5 mL/g VS。上述研究均是以葡萄酒污泥为底物,而白酒污泥沼气发酵案例还未见报道。国内白酒企业仅贵州茅台酒厂股份有限公司利用沼气工程处理丢糟和高浓度酿酒废水等废弃物,打造出生物天然气产业示范园,年处理丢糟4.13万t、高浓度酿酒废水4.16万t,生产生物天然气491.5万m3[77]。目前,国内白酒企业酿酒污泥沼气工程的应用还处于空白阶段,未来有必要进一步展开研究。

3 生态酒企循环经济模式构建设想

3.1 生态酒企循环经济模式构建基础

厌氧消化技术不仅资源化利用酿酒废弃物,产生清洁能源—沼气,而且副产物沼渣、沼液富含植物生长必需的氮、磷、钾等营养元素,是一种优质的生物有机肥[78]。沼液中有机质、总氮、总磷、总钾和速效氮的最高含量分别达111.94 g/L、3.38 g/L、0.43 g/L、6.59 g/L和1 682.60 g/L,沼渣中最高含量可达773.20 g/kg、34.62 g/kg、33.63 g/kg、40.40 g/kg和4 110.00 g/kg[79]。丢糟与酿酒污泥重金属含量低,混合发酵后的沼液、沼渣可以作为沼肥还田,这为生态酒企循环经济模式构建提供一定的保障。沼肥施用对作物的生长、品质和产量起到促进作用,且能在一定程度上改良土壤的理化性质,缓解化肥长期施用对土壤造成的危害。如PASTORELLI R等[80]在三年玉米-小麦轮作期中发现施用沼肥的作物生产力水平与施用100%化肥相当,且土壤总有机碳较施用化肥有所增长;TSHIKALANGE B等[81]观察到,施用沼肥的菠菜鲜质量为479 g/株,高于施用化肥(468 g/株)和未施肥(201 g/株)的菠菜鲜质量。沼肥具有积极的肥效作用,但肥效与施用量以及土壤类型有关,如施用沼肥的马铃薯增产27.5%,施用50%沼渣的饲草产量增加1.4%,施用100%沼渣和150%沼渣的饲草产量增加8.8%[82];沙地施用沼肥,玉米生物质产量提高3.5倍,而田间沙土地仅提高1.5倍[83]。沼渣、沼液的高效肥料特性为生态酒企循环经济模式的打造创造了条件。

3.2 生态酒企循环经济模式构建设想

白酒生产企业依托酿酒废弃物,以沼气为纽带构建生态酒企循环经济模式,实现生产废弃物的“零排放”,不仅响应国家号召,积极落实“碳达峰,碳中和”战略精神要求,助力双碳目标实现,同时也为白酒企业增加新的经济增长点,是白酒企业展示绿色环保的一张名片。厌氧消化技术在酿酒废弃物处理过程中减排作用巨大,如洋河酒厂酿酒废水处理产生的沼气全部用于锅炉燃烧生产蒸汽,年减少二氧化碳排放7.5万t[56];舍得酒业自2022年12月投运沼气回收提纯天然气项目,至12月底温室气体减排433 t[54];五粮液利用污水处理过程产生的沼气发电,2022年发电量约670万度,减少温室气体排放量约3 500 t[84]。白酒生产企业可以通过沼气纽带,将酿酒生产过程废弃物全量沼气利用,而不是局限于酿酒废水处理。将酿酒废弃物资源化利用产生的沼气锅炉利用,为酿酒生产提供蒸汽,产生的沼液作为液态有机肥,沼渣好氧发酵制作有机肥,为园区农作物、蔬菜、果园提供肥料,形成“原粮种植-白酒酿造-废弃物资源化利用-优质原粮种植-优质白酒酿造”的生态循环产业链。此外,白酒生产基地一般位于乡镇,有足量的土地消纳酿酒废弃物处理过程产生的沼液沼渣,为具有白酒企业特色的循环经济模式打造创造了条件,具体规划见图2。

图2 以沼气为纽带构建的白酒企业生态农场图
Fig.2 Eco-farm figure of Baijiu enterprise constructed with biogas as a linkage

在生态酒企循环经济模式中,稻-鸭-沼液循环农业模式可以实现稻鸭系统养分的原位循环,同时还能够达到养殖-沼液-稻田养分的异位循环,弥补稻鸭系统中水稻生长养分不足的缺陷[85]。沼液养鱼可以为水中浮游生物提供营养,增加鱼塘中浮游生物产量,丰富滤食性鱼类饵料[86]。沼液农田灌溉增加土壤氮磷钾与有机质养分含量、疏松土壤等途径改良土壤,提升土壤肥力,提高农产品的产量与品质[87]。果园中沼肥施用既能提高果树产量,改善果实品质,又能增强树势,提高抗逆境能力,降低病虫害发生率[88]。此外,将林果业与畜牧业有机结合,可以实现“林养畜、畜肥田”的循环,此模式下生长肥育猪和鸡的质量增加显著高于庭院养殖且苹果产量和含糖量均比单纯果园相对提高[89]。生态农场亲子活动设计可以使城市亲子家庭与自然之间的关系更和谐,充分挖掘农业的潜力,对乡村振兴意义重大[90]。在构建的生态酒企循环经济模式中,充分利用沼液、沼渣肥料特性,不使用农药、化肥、生长调节剂、饲料添加剂等农用化学品,遵循自然规律和生态学原理,实现酿酒废弃物资源化、产业模式生态化,让“绿色”成为白酒企业高质量发展的底色。此外,白酒生产企业一般都拥有自己的生态旅游景点,可以依托景区,打造旅游与康养休闲融合发展的循环经济生态体系。

目前以沼气为纽带资源化利用生产过程废弃物,打造出循环经济生态体系的案例很多[91],如浙江永宁弟兄农业开发有限公司应用“猪-沼-菜(粮)”的生态循环模式,资源化利用生产过程中的猪粪和猪尿,将沼液通过输送管网输送到蔬果、水稻基地,通过沼气发电,为场内饲料加工厂和仔猪保温供电;湖北嘉润茶业有限公司依托有机茶园打造种养循环系统,以茶叶种植加工为主体,搭配农作物种植,畜禽养殖,沼气发酵,有机肥生产等,形成完整的种养循环系统;盘州市五一生态农业农民专业合作社通过种养结合,实现农业废弃物全消纳和种养经济循环系统。循环经济生态体系构建实现经济与环境效益双赢,一举多得,大有可为,如以辰溪县橘海现代生态农场整体规划后,农场废弃物转化利用、年旅游收入以及生产带来的经济效益达4 623万元[92]。蒋高明等[93]对组创建弘毅生态农场进行长达10年的研究,结果表明有机果园蚯蚓数量、土壤有机质含量和粮食产量均大幅度增加,传统的温室气体排放成功逆转为净吸收,实现耕地固碳潜力11.5 t CO2当量/(年·公倾)。目前还未见白酒企业以沼气为纽带打造出生态酒企循环经济案例。白酒企业可以将酿酒生产过程废弃物全量沼气利用,充分利用酿酒废弃物重金属、病原菌含量低等天然优势,以沼气为纽带,上联生产业,下联种植业,促进生态循环农业良性发展的同时实现酿酒废弃物的多层次资源化利用,形成白酒产业种植酿造、品饮、消费的全产业链绿色生态发展体系,厚植公司核心竞争力,实现企业绿色可持续发展。

4 结语

我国是白酒生产大国,酿酒废弃物产量逐年增加。酿酒废弃物有机质含量高,易分解,若处理不当会对环境造成不良影响。厌氧消化技术可以资源化利用酿酒废弃物,对我国碳减排事业做出巨大贡献。白酒企业应坚持尊重自然、顺应自然、保护自然的生态发展理念,以沼气为纽带,打通生态链,全量化利用生产过程废弃物,打造低碳生态循环酿酒新工艺,实现酿酒废弃物的多层次资源化利用。白酒企业在实现酿酒废弃物全量化处理和内外部循环经济产业链全面贯通的同时,还应充分利用自身优势,打造出绿色、环保、且具有白酒企业特色的循环经济模式,推动生态酒企文明体系建设,为白酒企业可持续生产保驾护航。

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Application of anaerobic digestion technology in building a circular economy model for ecological Baijiu enterprises

CAO Hainan,LIU Jun*,ZHU Weijun,WANG Chao,LIU Xinxin
(Jiangsu Yanghe Distillery Co.,Ltd.,Suqian 223800,China)

Abstract:Baijiu brewing wastewater, distillers'grains and Baijiu brewing sludge are the main wastes in the Baijiu production process, with the dual characteristics of "pollution" and "resources".Under the background of "double carbon", the resource and high-value utilization of Baijiu brewing waste have become an urgent problem for Baijiu production enterprises.The physicochemical properties of Baijiu production waste and the application of anaerobic digestion technology in the recycling process of Baijiu brewing waste were described in detail.Based on the plant nutrition characteristics of biogas slurry and biogas residue,it was proposed to gradually build an ecological Baijiu enterprise circular economy model with Baijiu enterprises characteristics,and form an ecological cycle industry chain of"agriculture+Baijiu making+tourism+agriculture",in order to provide theoretical references for the green and sustainable development of Baijiu enterprises.

Key words:Baijiu brewing waste;anaerobic digestion;ecological Baijiu enterprise;circular economy

中图分类号:X705

文章编号:0254-5071(2024)12-0013-08

doi: 10.11882/j.issn.0254-5071.2024.12.003

引文格式:曹海南,刘军,朱卫军,等.厌氧消化技术在构建生态酒企循环经济模式中的应用[J].中国酿造,2024,43(12):13-20.

收稿日期:2024-01-26

修回日期:2024-06-23

作者简介:曹海南(1994-),男,助理工程师,硕士,研究方向为有机固体废弃物资源化利用。

*通讯作者:刘 军(1978-),男,工程师,本科,研究方向为白酒酿造副产物资源化利用。