葡萄酒生产废水处理技术研究进展

WaterPollutionandTreatment水污染及处理,2016,4(4),99-105PublishedOnlineOctober2016inHans.://dx.doi.org/10.12677/wpt.2016.44015文章引用:陈万钧,李雪琴,安强.葡萄酒生产废水处理技术研究进展[J].水污染及处理,2016,4(4):99-105.*1GrapeResearchInstituteofShandongProvince,Ji’nanShandong2ChongqingUniversity,ChongqingReceived:Sep.5th,2016;accepted:Sep.30th,2016;published:Oct.7th,2016Copyright©2016byauthorsandHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).葡萄酒生产废水处理技术研究进展陈万钧1，李雪琴2，安强2*1山东省葡萄研究院，山东济南2重庆大学，重庆OpenAccess*通讯作者。陈万钧等100收稿日期：2016年9月5日；录用日期：2016年9月30日；发布日期：2016年10月7日摘要本文简单介绍了葡萄酒废水的产生及特性，从好氧处理、厌氧处理、物理吸附处理、高级氧化处理以及高级氧化与生物处理相结合等技术方面综述了葡萄酒生产废水处理的研究现状，并着重分析了各处理技术的优缺点。对葡萄酒生产废水处理技术的研究方向进行了展望，指出高级氧化技术与生物处理的组合工艺是葡萄酒生产废水处理技术的发展趋势，为废水处理行业提供参考依据。关键词葡萄酒生产废水，传统工艺，高级氧化技术，组合工艺1.引言随着葡萄酒产业的日益发展，建厂数量越来越多、规模越来越大，葡萄酒生产废水的排放量逐年增加，葡萄酒生产废水的处理则成为众多研究者所关注的问题。葡萄酒生产废水主要来源于葡萄加工过程中的压榨、倒灌后的发酵罐清洗、过滤及罐装等工序，一般压榨1t葡萄会产生3~5t废水[1]。这些废水具有高浓度、高色度、高SS且悬浮物质不易沉淀、BOD/COD比值大、存在不易降解的酯类或多酚类化合物等特点，是酿造业较难处理的一种废水[2]，若不加治理直接外排会引起水体的富营养化以及赤潮等现象，因此葡萄酒生产废水处理技术方面面临着严峻的挑战。针对葡萄酒生产这种季节性波动的高浓度有机废水，目前主要采用的是传统的生化处理法，在传统工艺基础之上，也有部分葡萄酒生产废水处理厂采用新兴的高级氧化技术以及高级氧化技术和生物处理的组合工艺，组合工艺相对节约成本、能耗较少，本文主要对相应处理技术进行了综述，为葡萄酒生产废水处理提供借鉴和参考，并对今后的研究方向提出建议。2.葡萄酒废水的产生及特性葡萄酒生产工艺流程见图1。Figure1.Productionprocessofwine图1.葡萄酒生产工艺流程葡萄接收压榨发酵倒灌成熟稳定过滤灌装葡萄酒污水残留物陈万钧等101葡萄酒生产废水主要来源于设备的清洗和残液的排出，其中压榨阶段的废水占生产期间总废水量的30%左右，MosseKP等[3]采用GS/MS测定压榨阶段葡萄酒废水的成分，发现主要含有糖类、有机酸、低分子醇酯和多酚等成分，其COD非常高，是污染最严重的一个阶段；倒灌阶段产生的废水约占总废水量的19%，其含有大量的乙醇和乙酸，由于残渣的排放，废水中的SS很高；过滤阶段产生的废水量最大，约占总废水量的35%；灌装阶段持续时间长，废水量占总量的16%左右，污染物浓度较低。葡萄酒生产废水主要特性[4]：1)有机物浓度高，生产高峰期的葡萄酒废水COD含量一般在10,000mg/L以上，有的甚至能达到20,000mg/L；SS浓度在1000mg/L左右，色度在500倍以上；2)葡萄酒生产废水的水质水量随季节性波动较大，具有明显的季节性，每年的9~11月为集中加工期，其他时间为停工或深加工状态；3)含有大量易降解的有机成分，ρ(BOD5)/ρ(COD)一般大于0.5，可生化性较好，同时还含有一定量的多酚类化合物，其可生化性较差；4)悬浮物浓度很高，且颗粒细小，不易沉淀；pH值变化大，生产高峰期pH在4.0左右，而其他时期pH处于7~8范围。3.葡萄酒生产废水处理技术3.1.好氧生物处理技术好氧生物法是在溶解氧充足条件下，利用污泥中好氧菌的新陈代谢作用对水中的有机污染物进行降解，从而净化水质。根据微生物存在形式的不同，可将好氧生物法分为活性污泥法和生物膜法。活性污泥法常见有序批式活性污泥法(SBR)和循环式活性污泥法(CASS)，SBR工艺运行操作是间歇的，主要通过控制曝气量、反应时间和污泥龄进行污水处理，工艺流程简单，设备及运行管理费用低，有较强的耐冲击负荷和处理高浓度有机废水的能力；CASS则是在SBR与氧化沟技术基础上开发的新工艺，使反应器以好氧-缺氧-厌氧状态周期循环运行，其具有无需初沉池及二沉池、无需污泥回流、占地面积小等优点，提高了系统运行的稳定性。买文宁[5]采用CASS工艺处理葡萄酒生产废水，可使出水平均COD、SS分别为49mg/L和41mg/L。BeckC等[6]用活性污泥法处理葡萄酒废水，可去除98%的COD，85%的磷酸盐和50%的BOD5。针对葡萄酒废水水质波动大的特点，MaurizioPetruccioli等[7]利用喷射环流活性污泥法处理葡萄酒废水，研究结果显示，该反应器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0.4~5.9kgCOD/m3∙d之间波动的废水，去除率均在90%以上。生物膜法则是利用固着生长与填料表面的微生物进行处理，主要有生物滤池、生物转盘法和接触氧化法。LidaMalandra等[8]对生物转盘(RBC)处理葡萄酒废水进行了研究，结果显示提纯后的酵母菌株在曝气24h时COD去除率可达95%，而采用同样提纯后的细菌菌株对COD去除效果不明显，则微生物的选择性培养对葡萄酒生产废水处理至关重要，生物膜法在啤酒废水中的应用相对较多，葡萄酒生产废水方面的研究还不够完善。3.2.厌氧处理技术厌氧处理技术是在系统无氧或缺氧条件下，通过专性厌氧菌和兼性菌的新陈代谢作用对有机物进行降解，最终代谢产物为CO2和CH4气体，从而去除有机污染物，且CH4气体能作为燃料并能用于合成氨、尿素和炭黑等多种资源化途径。对于高浓度的有机废水往往采用厌氧工艺作为预处理，去除部分有机物，降低后续工艺的运行负荷。厌氧处理的优点主要有处理成本低、能源需求少，设备负荷高、占地少，剩余污泥比好氧法少，对营养物的需求量少，菌种在中止供给营养情况下保留活性，适合处理高浓度有机废水等；厌氧处理的缺点主要是出水COD高，微生物对有毒物质敏感，初次启动过程缓慢，对水温要求较高等。常见的厌氧处理反应器有上流式厌氧污泥床反应器(UASB)、厌氧序批间歇式反应器(ASBR)、厌氧流化床反应器(AFB)。UASB污泥床层的污泥颗粒化从而提高污泥体积指数，其在啤酒废水处理方面应用较为广泛与成熟。BileenWolmarans等[9]利用UASB处理葡萄酒生产废水，研究结果表明UASB每年陈万钧等102关闭10个月后，再次启动只需数日即可运行稳定，且COD去除率可达90%；KeyserM等研究表明接种含E.sakazakii菌种的颗粒污泥时，COD去除率能达90%；马可民等[10]采用UASB反应器处理葡萄酒生产废水，对COD的去除率在80%左右；ASBR是UASB的分批处理变型，它所需体积比连续工艺所需体积大，但不需要单独的沉淀池和外部固体回流，且不会发生断流现象。RuizC[11]利用ASBR工艺对葡萄酒生产废水进行处理，有机负荷为8.6gCOD/L∙d，水力停留时间(HRT)为2.2d时，COD的去除率可达到98%；也有研究学者向ASBR中投加聚亚安酯泡沫，固定反应器中的微生物，使悬浮床和固定膜于一体，从而提高系统的稳定性和处理效率。ConvertiA等[12]用AFB反应器处理葡萄酒废水，研究表明当有机负荷率分别为6.2、42.8kg/(m3∙d)时，相应的COD去除率为91%和62%；GaneshR[13]同样采用AFB反应器处理葡萄酒生产废水，在最大有机负荷为42g/L∙d时，COD去除率在80%左右。也有学者利用IC厌氧反应器培养大量厌氧微生物对酿酒废水进行处理，温度为35℃~37℃，有机负荷8.64kg/(m3∙d)时，COD去除率可达85%以上。COD的去除效率与污泥接种类型、污泥负荷、温度以及pH等因素有关，部分研究表明接种啤酒厂废水的颗粒污泥比接种市政污水厂的颗粒污泥更易达到稳定，且处理效果更好。3.3.物理吸附处理技术物理吸附处理主要是借助含有多孔的固体物质，使水中污染物被吸附在固体孔隙内而得到去除。由于葡萄酒生产废水中含有难降解的多酚类化合物，物理吸附常作为葡萄酒废水处理的一种辅助处理技术，物理吸附处理中常采用膨润土、粉煤灰、活性炭、树脂等吸附材料，其中膨润土主要由蒙脱石等粘土矿物组成，具有吸水率大，膨胀容大，在水介质中分散性好，阳离子交换容量大等优点。李金娥等[14]采用新疆有机膨润土处理葡萄酒生产废水，膨润土用量为1.2g/50mL，初始pH=5.0，反应时间为60min时，可使CODcr和BOD5去除率达到60%和79%；孙凤娟等[15]人采用膨润土吸附-微波催化氧化处理葡萄酒生产废水，膨润土用量为1.3g/50mL，质量分数30%的H2O2用量为2.1mL，反应时间25min，pH=3.5，时，可使COD去除率达到80%以上；采用活性