麦芽芽生物炭添加对啤酒废水厌氧处理的生物沼气升级与污染减排协同优化研究

为解决污水处理厂高能耗与灰水污染问题，研究人员通过添加麦芽芽生物炭（biochar）开展啤酒废水厌氧共消化研究，实现了化学需氧量（COD）去除效率提升2.375倍、甲烷（CH4）产量提高2.48倍及灰水足迹（GWF）平均减少60.6%的显著效果，并创新性提出污染减排指数（PRIB-GWF）和生物沼气提升指标（BBI），为工业废水处理与能源回收提供新策略。

　　

啤酒工业作为全球耗水大户，其废水排放不仅含有高浓度有机物，还因传统处理工艺的高能耗和低效污染去除能力，加剧了环境负担。灰水足迹（Grey Water Footprint, GWF）作为衡量水污染程度的关键指标，在啤酒废水排放中表现尤为突出。与此同时，厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）技术虽能转化有机废物为甲烷（CH₄），却面临甲烷产率低、系统稳定性差等挑战。如何通过创新材料提升AD性能，实现污染减排与能源回收的“双赢”，成为环境工程领域的研究热点。

为此，一项发表于《Biomass and Bioenergy》的研究首次将麦芽芽生物炭（malt sprout derived biochar）作为共底物引入啤酒废水的厌氧处理系统，探究其对生物沼气升级和污染控制的协同效应。研究团队采用上流式厌氧污泥床（UASB）反应器，分阶段对比了添加生物炭前后的处理效果，结合扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等表征技术分析生物炭特性，并通过蒙特卡洛模拟验证新建模型的可靠性。

材料与方法
研究分为四个阶段：无生物炭的啤酒废水厌氧处理（45天）、生物炭制备（300-550°C热解）、生物炭添加共消化（46-90天）及基于COD去除的GWF计算。关键实验技术包括UASB反应器运行、Box-Behnken实验设计优化吸附条件，以及新型指标PRI_B-GWF和BBI的开发。

生物炭表征
SEM和BET分析显示，550°C热解的生物炭表面孔隙减少但结构更平坦，其比表面积和CO₂吸附能力显著影响系统性能。FTIR证实生物炭表面丰富的官能团（如羧基）增强了污染物吸附和微生物电子传递。

研究结果

1. 污染减排：生物炭使COD去除效率提升2.375倍，GWF平均降低60.6%，归因于生物炭的吸附能力和微生物活性增强。
2. 沼气升级：CH₄产率提高2.48倍，CO₂吸附使沼气品质提升59.36%，印证了生物炭的“碳捕获”作用。
3. 创新指标：PRI_B-GWF量化了生物炭的污染减排效率，BBI为沼气增产提供标准化评估工具。

结论与意义
该研究证实麦芽芽生物炭可通过增强缓冲能力、促进直接种间电子传递（DIET）和吸附CO₂，同步提升AD系统的稳定性与效率。其创新性在于：首次利用啤酒工业副产品（麦芽芽）制备生物炭，实现同一产业链的“废物治废”；提出的PRI_B-GWF和BBI模型为同类研究提供量化框架。这一成果不仅推动工业废水处理向“零废弃”目标迈进，还为循环经济背景下生物质能源的高值化利用开辟了新路径。