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葡萄酒废水处理工艺研究

苏小锋
【摘 要】葡萄酒产业在我国发展很快，随着人们生活水平的提高，葡萄酒消费也在迅速增长，新疆作为我国的葡萄主产地，近些年来葡萄酒庄大量兴起，在葡萄酒生产繁盛的同时也会产生很多的废水，这些企业多位于城郊等偏远地区，周边缺少完备的排水设施，废水经处理后会直接排入自然环境或者用于绿化灌溉，因此要严格按照标准处理葡萄酒废水，达到排放要求，选取合适的废水处理工艺。
【关键词】葡萄酒；废水；处理
葡萄酒厂在生产中会产生大量的废水，并且随着季节的变化，在废水水质和水量上都有所不同，根据资料显示，一般生产一吨葡萄酒，大约会产生3～5吨的废水，葡萄酒的废水色度高、浓度高、悬浮物含量高且不易沉淀，多年来我们研究开发了很多污水处理工艺，如UASB工艺、SBR工艺、CASS工艺等等，各工艺处理葡萄酒废水均有优缺点，由于葡萄酒季节性废水水质成分的不同，对于污水处理系统会产生一定的影响，再加上国家对于环境问题的日益重视，废水排放标准逐渐提高，外排的葡萄酒生产废水必须达到《污水综合排放标准》 （GB8978—1996）中二级标准以上。单一的废水处理工艺无法满足排放标准的要求，选择合适的工艺结合或者对废水进行预处理来提高效果成为废水处理的关键。
1.葡萄酒废水的形成及特点
以产量最多的干红葡萄酒为例，其生产工艺流程一般为分选除梗→破碎→酒精发酵→压榨→苹乳发酵→调配→陈酿→稳定→灌装→成品，排放的废水主要来源是发酵废水、清洗废水、灌装废水。葡萄酒的废水因不同葡萄品种、不同生产工艺、不同贮存方式而各有区别，但是整体特点大致相同，废水中的有机物含量高、色度高、固体颗粒含量高，其中可溶性颗粒在75～85%之间，可沉淀的部分在15～25%，许多固体颗粒在沉淀池中得不到沉淀而直接进入反应池。葡萄酒生产过程中的废水产生主要有以下环节：
破碎压榨：葡萄收集起来以后首先进行破碎压榨获得葡萄汁，分离后产生大量的葡萄皮、梗、籽，葡萄混合液经澄清后进入发酵环节，在此阶段中产生的废水主要来源于对压榨机的清洗、生产车间的清洗、发酵罐的预清洗以及转入发酵罐时损失的少量葡萄汁，这一阶段的废水约占总废水量的30%，并且COD含量很高，是废水中污染最为严重的一部分。
倒罐阶段：这一环节是将发酵后的葡萄酒上清液泵入稳定罐中，然后将底部的残液排放，这一阶段的废水来源主要是发酵罐的清洗、稳定罐的预清洗、生产车间的清洗和残留的废液，废液中的固体悬浮物含量很高，这一阶段的废水排放量约占19%。
过滤阶段：稳定后的葡萄酒需要用硅藻土作为助滤剂进行过滤以提高其品质，然后再将葡萄酒液转入储存罐中。这阶段的废水来源主要是各罐的清洗废水和酒水损失，废水特点是含有大量硅藻土颗粒，虽然该颗粒容易沉淀，但是粘性很大，所以需要设置初沉池来去除硅藻土。此环节的废水排放量最大，约占35%。
灌装阶段：此环节是将生产完成的葡萄酒进行瓶装，然后即可进入市场销售。这阶段的废水来源主要是罐、瓶的清洗，泵、车间清洗以及酒液损失。废水量约占16%左右，这一环节的污染相对较低。
2.葡萄酒废水对环境的影响
葡萄酒废水的有机物含量很高，清洗过程中使用的清洗剂会使废水含有大量的K+或Na+，废水有一定的臭味，会使人们的感官不良，对于环境有极大的污染，经过处理后的废水可以降低COD达到排放要求，用于灌溉或者绿化，但是长远来说废水中的金属离子对土壤依然有不利影响。
3.葡萄酒废水典型处理工艺分析
3.1厌氧处理工艺
系统在无氧或者缺氧的环境中通过兼性菌和专性厌氧菌的新陈代谢对有机物进行降解，从而去除有机物，最终代谢的产物为甲烷和二氧化碳气体，甲烷可以作为能源加以再利用。对于高浓度的有机废水往往采用厌氧工艺作为预处理工艺，先去除部分有机物，提高后续工艺处理效率，降低后续处理负荷。一般厌氧降解过程如下：（1）把大分子的有机物水解成小分子。在水解与发酵细菌的作用下，将碳水化合物、蛋白质、脂肪转化成单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油等；（2）在产氢产乙酸菌的作用下把上一阶段的醇类、简单有机酸转化成产甲烷菌能够利用的氢、乙酸、二氧化碳等；（3）前两步会产生大量的氢，氢浓度过高会阻碍厌氧系统正常进行，需要在同型产乙酸菌的作用下将氢和二氧化碳转化为乙酸；（4）产甲烷菌利用前三步产生的甲醇、乙醇、甲酸、甲胺等形成甲烷。
应用厌氧工艺处理葡萄酒废水主要有几点优势：厌氧生物处理适合高浓度的有机废水；厌氧处理对氮、磷的需要量少于好氧工艺，与葡萄酒废水的特点相适合；厌氧处理不需要曝气，厌氧反应器在停止运行后亦可快速启动，这一点非常适合葡萄酒废水的季节性变化。常用的葡萄酒废水厌氧处理工艺主要有上流式厌氧污泥床（UASB）、厌氧固定接触床反应器和厌氧流化床反应器。UASB是一种高效的厌氧处理系统，这种反应器有厌氧过滤和厌氧活性污泥法的双重特点，其结构简单、便于操作、不需要沉淀池和回流装置、污水适应性强、能适应大幅度的温度和PH值变化、运行费用低、处理效果好，在污水处理领域应用十分广泛。
有研究显示，我国葡萄酒废水处理运用厌氧—好氧工艺，UASB对于COD的去除率在80%左右，使用UASB联合接触氧化工艺可以使出水COD控制在100mg/L以下，处理效果稳定。
3.2好氧处理工艺
好氧处理法是在有氧条件下，利用微生物的新陈代谢来分解废水中的有机物，将有机物降解为微生物基质和微生物活动所需的能量。根据微生物的不同存在方式，好氧法可以分为活性污泥法和生物膜法，活性污泥法是应用较为广泛的工艺之一，其是向废水中注入空气曝气，保留沉淀物，每天加入污水，经过一定时间后，因好氧性微生物的繁殖而产生污泥状絮体，絮体上生存着大量微生物群，具有很强的吸附、氧化有机物的能力。生物膜法是使微生物附着在滤料或者载体上，并在上面形成膜状生物污泥，将生物膜与污水接触，膜上的微生物就会以废水中的有机物为食促进自身繁殖，同时分解有机物，净化废水。研究表明，利用好氧塘处理葡萄酒废水操作相对简单，对COD的处理效果可达91%；利用喷射环流好氧反应器处理葡萄酒废水，对于季节性变化的废水可以稳定运行超过12个月，并且可以有效处理负荷在0.4～5.9kg COD/m3·d之间波动的废水，去除率均在90%以上；采用周期循环活性污泥系统（CASS）处理葡萄酒废水，可使出水平均COD、SS分别为49mg/L和41mg/L。
3.3物理吸附法
膨润土主要由蒙脱石等粘土矿物质组成，粘度、热稳定性好，膨胀容大，吸水率高，有研究表明，采用新疆有机膨润土处理葡萄酒废水可以使CODcr、BOD5去除率到60%和79%，但是由于葡萄酒废水浓度较高，如果要达到国家一级排放标准，还需要后续的生物处理。
4.废水的高级氧化处理
4.1Fenton试剂氧化法
Fenton试剂是 Fe2+离子与 H2O2溶液混合而成，其氧化过程为链式反应，生成具有很强氧化性的·OH，其氧化电极电位为 2.80V，能够将绝大多数的有机物氧化成为CO2和H2O，或者将其转化为易降解的小分子有机物，大大提高了废水的可生化性。应用Fenton试剂预氧化—SBR处理葡萄酒废水，可以对COD的去除率达到54%。Fenton 试剂反应快无污染，初始的有机物浓度和反应时间对于处理效率几乎没什么影响，Fe3+与 H2O2的用量对去除率起决定性作用。在实际应用中因为H2O2的价格昂贵成本较高，所以经常将Fenton试剂与其他工艺联合使用，将其用做废水的预处理或者深度处理。
4.2臭氧氧化法
臭氧是一种强氧化剂，其对废水的氧化途径分为直接氧化和间接氧化，臭氧溶于水、易得、反应的产物没有副产物，所以常用于各种有机废水的处理。 多种研究表明，在一定的条件下，臭氧对于COD的去除能够达到50%，对于色度的处理率接近100%，处理效果十分显著。
5.结语
通过对现今葡萄酒废水处理工艺的分析，研究各工艺的原理与优势，根据葡萄酒生产废水的特点来选取合适的处理工艺，可以灵活使用高级氧化预处理+厌氧—好氧工艺或者厌氧+高级氧化预处理+好氧工艺，能够有效提高处理效率，极大的改善了出水水质。
参考文献：
[1]张晓.Fenton氧化及生物处理实践研究[D].青岛理工大学，2015，6.
[2]张旭.葡萄酒生产废水处理工艺研究[D].青岛理工大学，2013，6.
[3]朱翠霞，吕建伟.葡萄酒生产废水处理工程[J].给水排水，2008，34.

-全文完-