葡萄酒生產廢水處理工程設計及應用

邱東亞

（煙臺云灃生態環境產業發展股份有限公司，山東 煙臺 264006）

0 引言

葡萄酒廢水主要來源于設備清洗、葡萄破碎、酒液外流等，屬于高濃度有機廢水，可生化性較好，廢水的pH呈弱酸性，有機物組成復雜，包括糖、醇、有機酸、酯以及酚類化合物等[1-3]。該類廢水如果直接排放，對水體會造成嚴重危害，所以必須處理達標合格后方可排放。

目前，國內外葡萄酒生產廢水的處理工藝，大致可分為物理化學工藝、生物處理工藝、人工濕地及聯合處理工藝等[4-9]。物理化學工藝常用于廢水的預處理階段，人工濕地處理占用面積大，生物處理工藝廣泛用于葡萄酒廢水的后續處理中。采用單一處理工藝往往很難獲得良好處理效果，因此，聯合處理工藝在葡萄酒生產廢水的實際處理中受到了國內外各界人士的密切重視，然而如何將各處理單元有機組合，實現優勢互補仍需要我們不斷探討。例如朱翠霞等[10]采用UASB-接觸氧化組合工藝處理葡萄酒廢水，使出水COD穩定在100 mg/L以下；李金成等[11]用兼氧-接觸氧化-砂濾工藝處理葡萄酒廠生產廢水，出水COD在100 mg/L以下；唐國冬等[12]采用Fe/C微電解-Fenton氧化-接觸氧化的組合工藝處理葡萄酒廢水，通過實驗優化出水COD在100 mg/L以下；Bruno S S 等[13]采用太陽能驅動光催化Fenton反應對葡萄酒廢水進行預處理，出水再經固定化生物反應器（IBR）處理6 d后，出水COD低于150 mg /L。可見，葡萄酒生產廢水在實際工程中所采用的聯合處理工藝，出水COD一般在100 mg/L，無法滿足日益嚴格的環保排放要求。本工程采用的聯合處理工藝，能使出水COD穩定在40 mg/L以下，且對總氮、總磷等指標進行控制，為葡萄酒行業日益提高的排放標準，提供了穩定可靠的工藝參考。

山東某葡萄酒有限公司是國內生產葡萄酒的專業廠家，生產葡萄酒及果酒、白蘭地，種植葡萄等業務，年產葡萄酒2萬t及葡萄汁1.5萬t，其生產廢水量為300 m3/d。在本工程應用中采用“預處理－IC反應器－A2/O－深度處理”工藝處理葡萄酒生產廢水，使其出水滿足《DB 37/ 3416.5—2018山東省半島流域水污染物綜合排放標準》一級標準和《GB 5084—2021農田灌溉水質標準》旱作標準要求。

1 廢水水質特點、設計進水水質及排放標準

該廠生產廢水包括軟水、純水制備廢水、設備清洗廢水、洗罐廢水、洗瓶廢水、地面清洗廢水以及鍋爐排污水。此廢水有三個明顯特點：一是生產廢水的有機物含量高、懸浮物濃度高、總磷濃度含量高，色度高，固體顆粒物含量高，pH低，在發酵季節，COD高達8600~9000 mg/L，SS在1500 mg/L，色度在500倍以上；二是生產廢水水量、水質隨季節波動較大，具有明顯的季節性，每年9—11月為葡萄酒集中加工期，會產生大量廢水，平時水量則只有加工季節的一半左右；三是生產廢水可生化性較好，BOD/COD接近0.7。系統設計進水水質和排放標準如表1所示，出水滿足《DB 37/ 3416.5—2018山東省半島流域水污染物綜合排放標準》一級標準和《GB 5084—2021農田灌溉水質標準》旱作標準要求。

表1 設計進水水質和排放標準 (mg/L)

2 廢水處理工藝流程

2.1 工藝選擇

根據酒廠同類廢水處理的設計經驗，同時考慮葡萄酒生產廢水的水質特點，在工藝選擇上一是要適應生產廢水水量、水質隨季節的顯著變化；二是要滿足平常季節的穩定運行及不規律的水質波動；三是要結合進水水質達到排放要求；四是要考慮工程造價。經綜合分析，該工程確定主要采用生物+化學方法對葡萄酒生產廢水進行處理，該方法技術成熟，應用廣泛，能夠滿足該類廢水處理要求。葡萄酒生產廢水中色度和磷含量高，為保證處理效果，在預處理段和深度處理段都設置加藥裝置，達到化學除磷和去除色度的要求。為解決生產廢水水質的季節性波動大，有機物濃度較高的問題，直接用好氧工藝去除全部的有機物將消耗大量的電能。本工程采用無需消耗電能的IC反應器，雖然目前IC反應器在處理高濃度葡萄酒生產廢水方面的應用較少，但IC反應器由于具有啟動速度快、容積負荷率高、占地面積小、運行穩定等優點而備受關注，并且成功應用到酒廠、造紙、檸檬酸等廢水的處理中[14-15]；且IC反應器采用較大的高徑比，較高的上升流速，耐沖擊負荷高，是效率最高的厭氧反應器，容積負荷是UASB反應器的4倍左右[16]，因此IC反應器在去除大部分高濃度有機物時可減少占地面積、節省運行成本、同時解決了水量周期變化的問題，平常季節水量較少時可暫時停止使用。厭氧顆粒污泥存活時間長，再次啟動速度快，非常有利于處理水量變化較大的廢水，在IC反應器后端設置沉淀池，可有效防止顆粒污泥流失，后續再采用A2/O工藝，在去除有機物的同時，達到生物除磷和除氮的效果。通過對葡萄酒廠廢水的綜合分析，最終選用以預處理、IC反應器、A2/O和深度處理為核心單元的處理工藝。

2.2 工藝流程

葡萄酒生產廢水具體工藝流程見圖1。生產廢水自生產車間經泵提升至調節池，調節水質及水量，同時調節池內的水可以溢流事故池，調節池內廢水及事故池內的事故水泵入初沉池，管道內通過投加氫氧化鈉調節水的pH，投加絮凝劑和助凝劑去除廢水中的泥砂及硅藻土等膠體性的懸浮物，然后自流入中間水池，經提升泵進入IC反應器，同時利用IC反應池產生的沼氣，采用沼氣鍋爐產生的熱水加熱廢水，在IC反應器內利用厭氧菌將廢水中的有機物分解成甲烷、二氧化碳等氣體，去除廢水中的大部分有機物。中間沉淀池的出水經管道自流入A2/O池，去除水中剩余的有機物、總氮及總磷，經二沉池沉淀后自流入反應池及后續的終沉池，經混凝反應進一步去除總磷及水中剩余懸浮物。出水經次氯酸鈉脫色后流入回用水池，用于廠區葡萄基地灌溉，剩余部分排入外排水池，經在線監測設備監測合格后達標排放。

圖1 廢水處理工藝流程

污泥處理系統：污泥主要來自初沉池、中間沉淀池、二沉池的剩余污泥和終沉池的污泥，污泥排入污池，濃縮完的污泥打入脫水機進行脫水，脫泥水回流調節池，泥餅作為農田肥料。

3 構筑物及設備參數

3.1 調節池

調節均和污水水質、水量的作用。

設置鋼筋混凝土結構調節池1 座，尺寸7.0 m×7.0 m×5.0 m，有效容積220 m3，HRT（水力停留時間）=17.6 h。配套調節池提升泵2臺，1用1備，Q=25 m3/h，H=14 m，N=2.2 kW；空氣攪拌系統1套；靜壓液位計1臺，0~5 m；電磁流量計1臺；pH計1套，0~14。

3.2 事故池

在工廠車間事故發生和污水站加堿系統檢修時，儲存事故水。

設置鋼筋混凝土結構調節池1 座，尺寸7.0 m×12.6 m×5.0 m，有效容積400 m3。配套事故池提升泵2臺，Q=45 m3/h，H=9 m，N=2.2 kW；靜壓液位計1臺，0~5 m。

3.3 初沉池

調整pH，保證安全進入生化處理系統，去除廢水中的泥砂及硅藻土等懸浮物，減少懸浮物對后續生化系統的影響。

初沉池1座，鋼筋混凝土結構，尺寸5.0 m×4.0 m×5.0 m，有效容積90 m3，HRT=7.2 h，表面負荷0.625 m3/m2·h。配套排泥泵1臺，Q=6 m3/h，H=40 m，N=2.2 kW；堿投加裝置1套，1000 LPE桶1個，堿加藥泵1臺，Q=25 L/h，P=1.2 Mpa，N=0.25 kW；聚合氯化鋁（PAC）加藥泵1臺，Q=50 L/h，P=1.0 Mpa，N=0.25 kW；陰離子聚丙烯酰胺（PAM-）加藥泵1臺，Q=50 L/h，P=1.0 Mpa，N=0.25 kW。

3.4 中間水池

保證后續處理構筑物的連續運行，接納IC反應器循環水量。池內設置盤管，對中間水池內的水進行加熱，保證IC反應器進水的溫度。

中間水池1 座，鋼筋混凝土結構，尺寸4.0 m×4.0 m×5.0 m，有效容積7 2 m3，HRT=5.8 h。配套中間水池提升泵2臺，1用1備，Q=45 m3/h，H=30 m，N=7.5 kW；超聲波液位計1臺，0~5 m；電磁流量計1臺；pH/溫度計1套，0~14；盤管加熱器1套。

3.5 IC反應器

廢水在IC反應器內進行厭氧發酵，在適宜的溫度及pH條件下利用厭氧微生物，分解廢水中的有機物，同時產生CH4、CO2、水和少量的其它氣體，使較高濃度的有機廢水得以凈化。

由于厭氧反應對溫度的要求比較高，進水溫度維持在35~37℃左右菌種的活性最好。溫度低時需進行加熱，通過沼氣鍋爐產生的熱水利用管道泵輸送至盤管進行熱交換，熱交換后的熱水再回流至鍋爐加熱，實現閉路循環，使之滿足厭氧反應所需的溫度條件。

IC反應器1座，尺寸φ5.0 m×18.2 m，有效容積351 m3，HRT=28 h，容積負荷：5 kgCOD/m3·d；配套三相分離器1套；水封罐1臺，尺寸φ1.0 m×1.5 m；脫硫塔1臺，尺寸φ0.5 m×1.6 m；沼氣柜1座，尺寸φ2.3 m×3.0 m；沼氣鍋爐1 座，N=0.17 MW；熱水泵1臺，Q=12.5 m3/h，H=12.5 m，N=1.1 kW；電磁流量計1臺；pH計1 套，0~14；在線溫度測定儀1套，0~100℃。

3.6 中間沉淀池

在啟動期，由于進水負荷等因素的不穩定性，可能導致厭氧污泥的流失，因此在IC反應器的出水處設置沉淀池，起到保留污泥和沖稀進水及平衡堿度的作用。

中間沉淀池1座，鋼筋混凝土結構，尺寸4.0 m×4.0 m×5.0 m，有效容積72 m3，HRT=5.8 h，表面負荷0.78 m3/m2·h。配套排泥泵1 臺，Q=6 m3/h，H=40 m，N=2.2 kW。

3.7 A2/O池

原水中磷含量高，二沉池的回流污泥到厭氧池，通過微生物釋放磷，磷在好氧段被污泥吸附，通過排泥去除；利用好氧池內回流的混合液中帶入的硝酸鹽和進水中的有機物碳源進行反硝化，使進水中、還原成N2達到脫氮作用；在厭氧+缺氧+好氧的作用下，不僅將含碳有機物進行氧化，生成CO2和H2O，同時具有脫氮除磷的目的。

A2/O工藝中，水流方式采用自流形式，無動力提升設備，且鼓風機采用變頻形式，根據風量確定運行頻率，大大降低了動力能耗。

厭氧池鋼混結構1座，尺寸4.0 m×5.9 m×5.0 m，有效容積94.4 m3，HRT=7.5 h。配套潛水攪拌機1臺，N=0.85 kW。

缺氧池鋼混結構1座，尺寸4.0 m×9.0m×5.0 m，有效容積144 m3，HRT=11.5 h。配套潛水攪拌機1臺，N=1.5 kW；在線ORP儀1套，。

好氧池鋼混結構1座，尺寸4.0 m×10.6 m×5.0 m+4.0 m×13.7m×5.0 m，有效容積384 m3，HRT=30.7 h。配套羅茨鼓風機3臺，2用1備，Q=10.51 m3/min，P=50.0 kpa， N=15.0 kW，變頻控制；盤式微孔曝氣器210套，φ260 mm；硝化液回流泵2臺，1用1備，Q=40 m3/h，H=10 m，N=2 kW；在線溶氧儀1套；電磁流量計1臺。

3.8 二沉池及污泥中間池

好氧池出水中含有大量的活性污泥，利用二沉池將大部分污泥沉淀分離出來，上清液自流至反應池。沉淀的污泥至污泥中間池，一部分污泥回流到厭氧池保持池內的生物量，剩余污泥排到污泥池中。

二沉池鋼混結構1座，尺寸φ6.0 m×5.0 m；刮吸泥機1套，N=0.75 kW；排泥泵1臺，Q=10 m3/h，H=10 m，N=0.75 kW。

污泥中間池鋼混結構2座，尺寸3.0 m×2.0 m×3.5 m；污泥回流泵2臺，Q=10 m3/h，H=10 m，N=0.75 kW。

3.9 反應池及終沉池

在反應池中分別投加PAC和PAM，通過絮凝絡合作用，進一步去除水中殘余的總磷及懸浮物，生成的絮體經終沉池沉淀分離出來。

反應池鋼混結構1座（分2格），尺寸3.0 m×1.5 m×3.5 m，反應池攪拌機2臺，N=2.2 kW；PAC投加裝置1套，800 LPE桶1個，PAC加藥泵1 臺，Q=25 L/h，P=1.2 Mpa，N=0.25 kW；PAM-投加裝置1套，800 LPE桶1個，PAM-加藥泵1臺，Q=25 L/h，P=1.2 Mpa，N=0.25 kW。

終沉池鋼混結構1座，尺寸φ6.0 m×5.0 m；刮吸泥機1套，N=0.75 kW；排泥泵1臺，Q=10 m3/h，H=10 m，N=0.75 kW。

3.10 中水回用池

儲存終沉池合格出水，用于后續葡萄基地灌溉。

中水回用池鋼混結構1座，尺寸4.0 m×5.9 m×5.0 m，有效容積70 m3。配套空氣攪拌系統1套；次氯酸鈉投加裝置1套，200 LPE桶1個，次氯酸鈉加藥泵1臺，Q=4.5 L/h，P=1.2 Mpa，N=0.25 kW。

3.11 外排水池

儲存回用剩余的出水，經在線監測設備監測合格后，排入市政管網。

外排水池磚混結構1座，尺寸3.5 m×0.6 m×1.2 m。配套2#巴歇爾槽1套；明渠流量計1套；COD分析儀1套；氨氮分析儀1套；總氮分析儀1 套；總磷分析儀1套；自動混合采樣器1套；數據采集傳輸儀1套；UPS電源1套；泠暖空調1臺，N=1.2 kW。

3.12 污泥池

儲存來自初沉池、中間沉淀池、二沉池的剩余污泥和終沉池的污泥，使污泥借助重力實現濃縮后泵提至脫水工序進一步處理，把低濃度的污泥壓濾成含水率80%左右的泥餅后貯存作農田有機肥，上清液回流至調節池。

污泥池鋼混結構1座，尺寸4.0 m×3.0 m×3.5 m。配套污泥提升泵2臺，1用1備，Q=6 m3/h，H=10 m，N=0.75 kW；浮球液位計1套；疊螺脫水機1臺，處理量100 kgDS/h，N=1.2 kW；自動配藥加藥系統1套，N=0.37 kW；加藥螺桿泵2臺，1用1 備，Q=0.8 m3/h，H=60 m，N=0.75 kW。

4 運行效果

污水處理站采用“初沉池-IC反應器-中間沉淀池-A2/O-二沉池-反應池-終沉池”處理工藝，在實際運行過程中，IC反應器穩定運行后COD的平均去除率達83%，TN的平均去除率達37%，節省好氧處理所需的能耗，歷時5個多月的連續調試運行，整個系統運行穩定，出水各項指標均能達到排放要求。系統經過一年多的工藝運行，廢水檢測結果見表2。

5 經濟技術分析

該污水站工程總投資389.00萬元，其中土建投資153.00萬元，設備材料、安裝、運輸及調試等間接投資236.00萬元。運行費用3.98元/m3，其中電費2.02元/m3，藥劑費1.45 元/m3，自來水費0.08元/m3，人工費0.43 元/m3。

經濟效益和環境效益：污水站每天產生沼氣量約500 m3，完全能滿足冬季IC反應器的進水溫度，節省燃料的使用。污水站產生的污泥作為葡萄基地有機肥，不僅節省肥料的用量，而且有利于環境保護。每年可減少COD、NH3-N、TN、TP的排放量分別為70 t、4.6 t、4.2 t、2.7 t。

6 結論及建議

（1）實踐表明，針對葡萄酒生產廢水的特點，采用“初沉池－IC反應器－中間沉淀池－A2/O－二沉池－反應池－終沉池”處理工藝，出水完全能滿足《DB 37/3416.5—2018山東省半島流域水污染物綜合排放標準》一級標準和《GB 5084—2021農田灌溉水質標準》旱作標準要求。

（2）采用該工藝處理葡萄酒生產廢水，具有運行穩定，投資少，運行費用低，出水清澈等優點。不僅能去除廢水中的有機物、氨氮、色度、總氮和總磷，同時能產生沼氣對鍋爐進行加熱，污泥作為有機肥料，出水用于葡萄基地灌溉，取得了良好的經濟效益和環境效益，實現資源的綜合利用，為葡萄酒生產廢水處理提供了穩定可靠的工藝參考，具有一定的應用價值和工程指導意義。

（3）為了更好地對葡萄酒生產廢水進行工藝設計和運行管理，對需要重點關注的問題提出以下幾點建議：①在調節池前端設置沉淀池，防止大量泥砂及硅藻土等懸浮物沉積在調節池，增加調節池的清理周期；②盡量擴大調節池的容積，用來保證原水的水質波動性，增加發酵季的緩沖力度；②初沉池排泥應單獨配置自動排泥系統，防止污泥沉積過多無法排出；③IC反應器進水管上引入蒸汽加熱管，防止沼氣鍋爐檢修及冬季溫度過低時，影響IC反應器的處理效率；④IC反應器三相分離器和出水堰采用玻璃鋼或PP材質，防止長時間在池內腐蝕，影響產氣效率和出水水質；⑤在進水管上設置電磁流量計，同時設置2臺小型羅茨鼓風機，在水量少、負荷低時啟動，可避免曝氣量過大使污泥沉降性能下降，同時可以降低電耗，減少運行費用。