啤酒酿造残渣（废酵母与硅藻土污泥）对粪浆NH3、CH4、H2S、CO2和N2O排放的影响及其农业环境应用潜力研究

《Bioresource Technology Reports》：Impact of brewery residues spent yeast and diatomite sludge on NH 3-, CH 4-, H 2S-, CO 2-, and N 2O-emissions from manure slurry

　　本研究针对农业粪浆存储与施用过程中导致的氨气（NH3）及温室气体（CH4、CO2、N2O）排放问题，创新性地利用啤酒工业副产物——废酵母（SY）与啤酒硅藻土污泥（BSDS）作为粪浆添加剂，系统评估其减排效果。结果表明，10% SY添加可显著降低NH3排放（降幅约47%）并轻微影响CH4生成，但会引发H2S释放；BSDS虽无显著减排作用，但具备土壤改良潜力。该研究为工业副产物资源化利用与农业温室气体协同控制提供了新思路。

　　

在全球气候变化与环境污染治理的双重挑战下，农业部门尤其是畜牧业生产系统已成为许多国家氨（NH₃）排放的主要来源，其中粪浆在储存和田间施用过程中释放的NH₃及其衍生的温室气体（如CH₄、N₂O）对生态系统和人类健康构成严重威胁。以奥地利为例，农业贡献了超过90%的国内NH₃排放，其中约62千吨来自粪浆管理。尽管NH₃本身不属于温室气体，但其在大气中转化后可间接生成强效温室气体N₂O，加剧全球变暖。欧盟因此通过《国家减排承诺指令》（NEC），要求成员国到2030年将NH₃排放较2005年水平降低19%。然而，现有减排技术仍面临成本高、操作复杂或二次污染等问题，亟需开发经济可行且环境友好的替代方案。

与此同时，啤酒工业每年产生大量副产物，如废酵母（Spent Yeast, SY）和啤酒硅藻土污泥（Brewery Spent Diatomite Sludge, BSDS）。这些残渣若处置不当，可能造成资源浪费与环境污染，但若能将其用于农业，既可实现废物资源化，又可能为粪浆排放控制提供新路径。尽管SY和BSDS已在饲料添加剂、土壤改良剂等领域有所应用，但将其直接添加至粪浆中以调控气体排放的研究尚未见报道。在这一背景下，奥地利Raumberg-Gumpenstein研究与开发中心的Andreas Zentner等人开展了一项创新研究，系统评估了SY和BSDS对粪浆储存过程中NH₃、CH₄、H₂S、CO₂和N₂O排放的影响，相关成果发表在《Bioresource Technology Reports》上。

为开展本研究，团队首先通过预实验确定了SY与BSDS的最佳添加浓度（0-25%），监测了30天内粪浆pH、总凯氏氮（TKN）和铵态氮（NH₄-N）的动态变化。基于预实验结果，选取10%添加比例进行大规模排放实验，使用200升PTFE内衬钢制容器在18°C恒温条件下模拟粪浆储存环境，采用Gasera One光声气体分析仪实时监测多气体排放，并结合空气流速、浓度与容器截面积计算每小时排放质量。实验设置包括未处理粪浆对照组、10% SY处理组和10% BSDS处理组，每组四个重复，同时设空白容器进行背景校正。粪浆样本来源于奥地利典型奶牛场，SY和BSDS由Stieglbrauerei zu Salzburg GmbH提供，其基础成分（如干物质、灰分、氮含量及pH）均经标准化分析。

3.1. 预试验

通过为期30天的预实验，研究人员发现SY的添加显著降低了粪浆pH值，且浓度越高，降幅越大（10% SY使pH从7.3降至6.8）。同时，SY促进了铵态氮（NH₄-N）的生成，但总凯氏氮（TKN）损失较小。相反，BSDS添加仅轻微降低pH，且高浓度会导致TKN减少。这些结果表明SY通过酸化作用可能抑制NH₃挥发，而BSDS对氮保存的影响较弱。据此，研究选择10%作为大规模实验的添加比例。

3.2. 废酵母对粪浆组成与排放的影响

添加10% SY后，粪浆pH从7.39降至6.32，NH₄-N含量从0.62 g/kg升至0.85 g/kg，说明SY促进了有机氮的矿化。气体排放监测显示，SY处理使NH₃排放总量显著降低（从12.8 g降至7.0 g），小时平均排放率从30 mg/h降至16 mg/h，这主要归因于pH下降使NH₃转化为非挥发性铵离子。CH₄排放略有减少（83.9 g vs 80.4 g），但未达显著水平；CO₂和N₂O排放无显著变化。然而，SY处理引发了显著的H₂S释放（总量达1892.1 g），且在最初三天尤为剧烈，这与酵母残留的含硫化合物在厌氧环境下分解有关。

3.3. 啤酒硅藻土污泥的影响

BSDS添加使粪浆干物质含量升高，但pH仅从7.52微降至7.09，NH₄-N略有增加。气体排放分析表明，BSDS处理对CH₄、CO₂、N₂O和NH₃均无显著影响，且H₂S排放极低（仅0.3 g）。值得注意的是，BSDS处理组的CO₂和CH₄排放数据变异较大，可能与硅藻土的高比表面积延迟气体释放有关。尽管BSDS本身不具备减排效果，但其作为硅肥和土壤改良剂的潜力仍得到肯定。

本研究首次系统评估了啤酒工业残渣SY和BSDS在粪浆处理中的应用效果。结果表明，10% SY添加可通过降低pH有效减少NH₃排放（降幅达47%），并对CH₄产生轻微抑制，但会引发H₂S的显著释放，这限制了其单独使用的可行性。BSDS虽对气体排放无显著影响，但作为硅源和土壤结构改良剂，其与粪浆混合后可直接用于农田，简化施用流程并促进循环经济。研究者建议未来探索SY与BSDS的组合使用，以同时实现NH₃减排和H₂S吸附，为农业-工业协同减排提供新策略。该研究不仅为啤酒副产物找到了高值化利用途径，也为欧盟减排目标的实现提供了技术支持，具有重要的环境与经济意义。