超声处理对葡萄酒废水及污泥的影响

唐国冬，廖欣怡，王雪真，杨继红*

（1.西北农林科技大学葡萄酒学院，陕西杨凌712100；2.西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌712100）

超声处理对葡萄酒废水及污泥的影响

唐国冬1，廖欣怡1，王雪真2，杨继红1*

（1.西北农林科技大学葡萄酒学院，陕西杨凌712100；2.西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌712100）

以葡萄酒废水和污泥为试验材料，通过单因素试验及正交试验研究了超声频率、功率、时间、pH等因素对废水去除化学需氧量(COD)、悬浮物(SS)及污泥破解度(DDSCOD)等方面的影响。结果表明，单独超声处理废水50 min，超声频率100 kHz、pH值为3、功率为80 W时，COD去除率为45%，SS去除率为68%；复频超声频率组合40 kHz+120 kHz，功率80 W+80 W时，能将COD去除率提高到64%；超声与芬顿或铁炭微电解联用在超声频率100 kHz、功率80 W时，能将COD去除率分别提高到73%、67%；污泥经频率为20 kHz、功率为80 W的超声处理后，提高了6.4%污泥破解度，污泥溶出的多酚、单宁等物质含量分别增加了54 mg/L、30 mg/L，且超声破解后污泥能够延缓酒精发酵中酵母衰老，将发酵周期延长了2 d、提高了酒精度0.2%vol、增加了单宁23 mg/L、降低了残糖0.16 g/L。

超声处理；葡萄酒废水；污泥；发酵

葡萄酒废水主要产生于生产、过滤、灌装等设备的清洁、葡萄汁及葡萄酒外流等[1]，其水质具有的显著季节性波动特点，使葡萄酒酿造期的排水量和化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）、悬浮物（suspended solids，SS）等都有大幅度上升[2]。废水的有机物来源主要是酿酒过程中的葡萄、葡萄酒、酒泥等，主要含有糖、醇、有机酸、酯以及酚类化合物等，若直接排放对地下水、土壤、环境带来严重影响[3]。

过去的20多年里尝试应用了各种物理化学和需氧或厌氧生物处理方法，物理理化学技术（如电渗析、反渗透、Photo-Fenton反应等）；生物技术系统包括上流式厌氧污泥床（upflow anaerobic sludge blanket，UASB）、序批式活性污泥法（sequencing batch reactor activated sludge process，SBR）、膜-生物反应器（membranebio-reactor，MBR）、厌氧流化床反应器（anaerobic fluidized-bed reactor，AFBR）等，但是这些技术因为需要训练有素的人员来运行和维护，主要是适合超大酒厂[4]，因此低维护、实用性强的处理技术更适合小型酒厂。先进的氧化技术高级氧化法（advanced oxidation processes，AOPs）在降解处理顽固有机物中有很大优势，具有高氧化性的·OH在AOPs氧化过程中起重要作用。超声是借助声波产的生·OH降解污染物的方法，具有操作简单、避免产生二次污染等优势[5-6]。

本实验采用了超声处理技术处理葡萄酒废水的整个过程（废水＋污泥），探讨了功率、频率、时间等因素在超声处理中对废水和污泥的影响，并调查了处理后污泥对酒精发酵的影响，旨在为超声在废水处理和废弃物重利用提供理论基础和科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

实验水样取自陕西某葡萄酒厂红葡萄酒生产车间酒精发酵结束后压榨皮渣的废水。废水水质如下：COD为6 500 mg/L，SS为246 g/L，pH值为3.5。污泥为此阶段废水自然沉降形成的沉淀。

85%磷酸、浓硫酸：四川西陇化工有限公司；钨酸钠、钼酸钠、重铬酸钾、邻菲啰啉、七水合硫酸亚铁、硫酸银、氢氧化钠、38%H2O2、浓盐酸、硫酸锂、甲醇、碳酸钠、氯化钾、葡萄糖、无水乙酸钠：广东光华科技股份有限公司；酵母浸粉、蛋白胨：北京奥博星生物技术公司；市售0.9%生理盐水；没食子酸：广东省化学试剂工程技术研究开发中心；儿茶素（纯度≥90%）：南京都莱生物公司；甲基纤维素：上海麦克林生化科技有限公司。所用实验试剂均为分析纯。

酵母浸出粉胨葡萄糖（yeast extract peptone dextrose，YEPD）培养基：20 g/L葡萄糖，20 g/L蛋白胨，10 g/L酵母浸粉。在121℃条件下灭菌20 min。

1.2 仪器与设备

WT-121型超声波发生器（配有20kHz、40kHz、60kHz、80 kHz、100 kHz、120 kHz频率经简单防水处理的换能器，功率0～80 W）：深圳玮图科技有限公司；Cary 60紫外可见光分光光度计：美国安捷伦公司；FD-IC-50型低温真空冷冻干燥机：北京博医康实验仪器有限公司；KX-1613T型超声波清洗机：北京然斯康波达科技有限公司；PB-10型pH计：德国Sartorius公司。

1.3 方法

1.3.1 超声波处理废水

用2 mol/L H2SO4，2 mol/L NaOH溶液调节废水pH，量筒量取1 L废水置于2.5 L玻璃罐中，将超声波换能器最下端浸入废水中2 mm，启动超声换能器，分别研究废水pH（2、3、4、5、6）、超声功率（10W、20W、40W、60 W、80 W）、超声频率（40 kHz、60 kHz、80 kHz、100 kHz、120 kHz）和超声时间（5 min、15 min、25 min、35 min、45 min、55 min、70 min）对COD、SS去除率的影响。超声处理完成后静置15 min并8 000 r/min离心10 min取上层清液进行分析检测。

根据超声单因素试验，选择超声功率、超声频率、pH为影响因素，设计3因素3水平正交试验，确定超声的最佳作用条件。

1.3.2 复频超声波处理废水

将1 L废水置于超声波清洗机水槽中，将另一超声波换能器插入液面下约2 mm，启动仪器，研究复频超声组合频率（40+40 kHz、40+60 kHz、40+80 kHz、40+100 kHz、40+120 kHz）、功率（（80+20）W、（80+35）W、（80+50）W、（80+65）W、（80+80）W）对COD去除率的影响。

1.3.3 超声与其他技术联用处理废水

量取1 L废水置于2.5 L玻璃罐中，分别加入1 mol/L浓度比为1∶1的H2O2和FeSO4溶液、100 g/L质量比为1∶1的铁粉和活性炭，同时将100 kHz超声波换能器最下端浸入废水中2 mm，启动超声换能器，设定功率为80 W，研究联用技术对废水COD去除率的影响。超声处理完成后静置15 min并8 000 r/min离心10 min取上层清液进行分析检测。

1.3.4 超声处理污泥的研究

取发酵车间下水道污泥，将污泥置于4℃条件下静置24 h取上层沉淀，经过pH值为3.5的蒸馏水清洗后定性滤纸抽滤1次，再取100 g抽滤后污泥放置于250 mL烧杯中，添加蒸馏水至高于沉淀1 cm，再将超声波换能器插入液面下2 mm，开启超声波发生器进行超声处理。研究超声频率、功率、时间对污泥破解度（disintegration degree of waste activatedsludge，DDSCOD）及上层清液中丹宁、总酚含量变化。

1.3.5 超声破解的污泥对葡萄酒精发酵的影响

为了检验污泥经超声处理后有促进葡萄酒发酵、延缓酵母衰老的作用，将处理后污泥添加到发酵后期的葡萄酒中。将处理后污泥放置于超低温真空冷冻干燥机上-50℃低温冷冻24h干燥成粉，将干粉按照20 g/L用量加入到发酵后期（第6天）的葡萄醪中，对照组添加未经超声处理的污泥干粉。每天检测发酵过程中的微生物OD600nm值及平板计数酵母菌落总数。

1.3.6 分析检测

COD、污泥溶解性化学需氧量（solublechemicaloxygen demand，SCOD）：采用重铬酸钾法[7]进行测定。其计算公式如下：

式中：COD为化学需氧量，mg/L；SCOD为污泥经6 000 r/min离心20 min后取上清液测定的COD，mg/L；V0为滴定空白时硫酸亚铁铵标准溶液的用量，mL；V1为滴定水样时硫酸亚铁铵标准溶液用量，mL；V2为取水样的体积，mL；C为硫酸亚铁铵标准溶液的浓度，mol/L；8为氧（1/20）摩尔质量，g/mol。

污泥破解度：以超声破解后SCOD增量与氢氧化钠作用12 h后SCOD增量之比来表征，其计算公式如下：

式中：DDSCOD为污泥破解度，%；SCODV1为超声破解实验组溶解性化学需氧量；SCODV0为未超声破解对照组溶解性化学需氧量；SCODNaOH为污泥碱解后溶解性化学需氧量，mg/L。

SS采用重量法，其计算公式如下：

式中：C为水中悬浮物浓度，mg/L；A为悬浮物+滤纸+称重瓶质量，g；B为滤纸+称重瓶质量，g；V为试样体积，mL，C1为实验组水中悬浮物浓度，mg/L，C0为对照组水中悬浮物浓度，mg/L。

总酚（以没食子酸表示）：采用福林-消卡比色法；单宁（以儿茶素表示）：采用福林-消卡比色法；OD600nm值：采用分光光度法。

2 结果与分析

2.1 超声波单因素试验

2.1.1 超声时间对COD、SS去除率的影响

在超声功率80 W、频率100 kHz、pH值为3的条件下，考察超声时间对COD和SS去除率的影响，结果见图1。由图1可知，超声时间＜45 min，随着超声时间增加，COD、SS去除率呈先增加后趋于稳定趋势。COD和SS去除率分别在35 min、45 min左右达到最大。孙秀君[8]在处理含酚废水时也发现废水的COD降解率随超声时间的加长而先增加后趋于稳定，这是因为超声波促进废水中产生·OH的作用有限，超声作用产生的·OH的数量、提供的超临界等特殊反应环境、空化现象等达到饱和，即使超声时间继续增加，COD去除率不会增加。因此，超声处理时间为45 min。

图1 超声时间对葡萄酒废水COD、SS去除率的影响Fig.1 Effect of ultrasonic time on the removal rate of COD and SS of winery wastewater

2.1.2 pH对COD、SS去除率的影响

在超声功率80 W、频率100 kHz、超声时间50 min的条件下，考察pH对COD和SS去除率的影响，结果见图2。由图2可知，当pH值为3.0时，COD、SS去除率最大；当pH＜3.0时，COD、SS去除率随pH增加而增加；当pH＞3.0时，去除率随pH增大呈现降低趋势。不同的废水组成，其降解的最适pH也不同[9-10]。因此在pH值为3.0时，有利于提高COD、SS去除率。

图2pH对葡萄酒废水COD、SS去除率的影响Fig.2 Effect of pH on the removal rate of COD and SS of winery wastewater

2.1.3 超声频率对COD、SS去除率的影响

在功率80 W、pH值为3.0、时间50 min的条件下，考察超声频率对COD和SS去除率的影响，结果见图3。由图3可知，超声组合频率在40～100 kHz范围内，COD去除率随超声频率增加而增加，在超声频率＞100kHz时COD去除率随频率增加呈降低趋势；SS去除率随超声频率增加呈先增加后趋于稳定趋势；因此，频率为100 kHz时COD、SS去除率达到最大。超声频率过高造成空化气泡的发生几率和强度减小，导致·OH生成减少，处理能力降低[11]，被氧化处理的有机物含量也随之降低，生成的沉淀减少。

图3 超声频率对葡萄酒废水COD、SS去除率的影响Fig.3 Effect of ultrasonic frequency on the removal rate of COD and SS of winery wastewater

2.1.4 超声功率对COD、SS去除率的影响

在超声频率100kHz、超声时间50 min、pH值为3的条件下，考察超声功率对COD和SS去除率的影响，结果见图4。由图4可知，超声功率在＜80 W范围内，COD、SS去除率随超声功率增加而增加，并在超声功率为80 W时达到最大。因为实验仪器限制，不能达到更高的功率，因此，超声功率＞80W对COD、SS去除效果未能继续研究。但是，从COD、SS去除率随功率增大而增大的变化趋势及曲线的斜率可以预测，在超声功率＞80 W的某个功率范围内，COD去除率仍会随功率增大而增加[12]。因此，COD、SS去除率随超声功率增大而增大，在80 W时达到最大去除率。

图4 超声功率对葡萄酒废水COD、SS去除率的影响Fig.4 Effect of ultrasonic power on the removal rate of COD and SS of winery wastewater

2.2 正交试验优化超声处理废水条件

在单因素试验基础上，以COD去除率为响应值，选择超声频率、超声功率、pH进行3因素3水平正交试验，超声时间为50 min。正交试验结果与分析见表1。

表1 超声处理废水条件优化正交试验结果与分析Table1Resultsandanalysisoforthogonalexperimentsfor wastewater ultrasonic treatment conditions optimization

由表1可知，超声波因子影响顺序为超声频率＞超声功率＞pH，最佳组合为A2B3C2，即超声处理废水条件为超声频率100 kHz，超声功率80 W，pH值为3。在此条件下进行3次验证试验，COD去除率分别为49.83%、50.46%、50.25%，平均去除率为50.18%。

2.3 复频超声

复频超声是在单频超声基础上将两个或多个不同角度的超声波共同作用于同一研究对象，复频超声相对单频超声能够增强作用效果[13-15]。本次实验，将超声清洗机（40 kHz，80 W）作为固定对象，调节另一个超声换能器的频率、功率，研究两个不同频率、两个功率条件下COD去除效果，实验结果见图5。

图5 复频超声频率（A）及超声功率（B）对废水COD去除率的影响Fig.5 Effect of multi-frequency ultrasound frequency（A）and ultrasound power（B）on removal rate of COD of winery wastewater

由图5A可知，在功率80 W+80 W条件下，复频超声的总频率越高，COD去除率也越高。虽然复频超声能够明显提高处理效果，但是在能耗2倍的前提下，处理效果仅为1.5倍左右，能耗消耗与效果不对等可能是影响复频超声发展的一个重要因素。

由图5B可知，在120 kHz+40 kHz复频频率条件下，复频超声的功率越高，COD去除率越高。功率是影响超声作用的重要因素之一，选择合适的超声频率组合，能显著提高超声处理效果[16]。

由图5A、5B可知，COD去除率随超声时间增加而增加，在30 min达到最大，之后的时间内COD去除率几乎没有变化。与图1比较可知，超声作用时间由单频超声的45 min缩短到复频超声的30 min，COD去除率由单频超声的46%提高到复频超声的64%。

2.4 超声与其他技术应用

超声与其他物化技术（Fe/C微电解、Fenton反应等）联用能够明显提高处理效果，缩短处理时间[17]，但是在葡萄酒废水应用中却很少报道[18]。通过对比研究超声、超声-Fenton反应、超声-Fe/C微电解对废水COD去除率，超声频率为100 kHz、功率为80 W，结果见图6。

由图6可知，Fenton反应作用时间为50 min，最大COD去除率45.3%，超声+Fenton反应作用时间为30 min，COD去除率73.1%；Fe/C微电解作用时间为70 min，COD去除率48.4%，超声+Fe/C作用时间为40 min，COD去除率66.3%；超声作用时间50 min，COD去除率为41.35%。因此，超声与Fe/C微电解、Fenton联用能显著提高废水COD去除率，并能缩短作用时间。

图6 超声与其他技术联用对废水COD去除率的影响Fig.6 Effect of ultrasonic and other technologies combination on the removal rate of COD of winery wastewater

2.5 超声对污泥降解的影响

污泥主要是葡萄酒泥，来源于发酵罐清洗、酒液外流等，含有一定数量的微生物（酵母等）及其生理代谢产物。死酵母的酵母菌皮、葡萄果皮蜡质层的麦角淄醇等物质是影响葡萄酒发酵的重要物质，能够促进酒精发酵，阻止发酵中止等作用[19]。超声波可以使细胞发生空化作用破碎酵母细胞，增加胞内有效成分溶出速度和数量，从而提高有效成分的提取率[20]。污泥破解度检测结果见图7，将污泥经超声处理后检测上清液中总酚、单宁的物质含量，结果见图8。

图7 超声频率(A)及超声功率(B)对污泥破解度（DDSCOD）的影响Fig.7 Effect of ultrasonic frequency(A)and power(B)on DDSCOD

污泥破解度（DDSCOD）更能准确地反映剩余污泥的超声破解程度。由图7A可知，在20 kHz频率条件下，DDSCOD最高，在80 kHz频率条件下，DDSCOD最低，说明超声频率越高，SCOD溶出率越低[21]。随着时间的延长，污泥破解度呈先增加后稳定趋势，在20min时达到饱和处理效果。由图7B可知，在20 kHz频率条件下，污泥破解度DD随功率增大而增大，随时间延长先增大后趋于稳定。因此，超声频率为20 kHz、超声功率为80 W、超声时间＞20 min时污泥破解度最大。

图8 超声时间对污泥溶解出的总酚、丹宁含量的影响Fig.8 Effect of ultrasonic time on the contents of total polyphenols and tannins from sludge

由图8可知，在20 kHz频率条件下，溶解出的总酚和单宁含量随超声时间延长呈先增大后减小趋势。超声波能够灭活污泥中的微生物[22]，将酵母等微生物降解从而释放出胞内物质（如单宁），而且超声还有改变污泥的絮体结构、分解有机物等作用[23]。超声作用时间在20 min范围内对DDSCOD有促进作用，因而污泥上清液中的总酚、单宁的含量会增加；20min后DDSCOD趋于稳定，可能是因为超声对丹宁、总酚的降解作用逐渐增大，所以会引起含量降低。因此，超声时间为20 min时，污泥溶出的丹宁、总酚含量达到最高。

2.6 酒泥应用于葡萄酒发酵实验

图9 污泥对酒精发酵中酵母菌生长的影响Fig.9 Effect of sludge on yeast growth in alcoholic fermentation

由图9可知，添加超声处理后污泥的OD600nm和酵母菌落数明显高于对照组。OD600nm值可以表示微生物的浓度；平板计数能够较为直观的对比实验结果。结果表明，实验组的微生物含量高于对照组。酒精发酵后期，酵母大量死亡导致微生物含量不断降低。实验组的微生物含量较高可能是因为污泥主要来源于酒泥，而酒泥中含有酒石酸晶体、微生物、蛋白质、酚类等物质[24]，酒泥经超声处理后，破碎率增加，微生物在超声波作用下死亡和分解，从而能释放出酵母代谢物和酵母菌皮等物质，这些物质能起到延缓酵母衰老死亡增强活性的作用。

图10 污泥对酒精发酵过程单宁、残糖量、酒精度、发酵时间的影响Fig.10 Effect of sludge on tannins content,residual sugar content, alcohol content and total alcoholic fermentation time

由图10可知，添加经超声处理的污泥的对照组酒样中含有的单宁要高于对照组，发酵总时间长于对照组。污泥经超声处理后絮凝作用被破坏，一些大分子络合物可能被分解成小分子物质，从而使溶解出的酚类物质增加，进而使酒中单宁浓度也增加；添加超声破解后的污泥能延长发酵持续时间、提高酒精度、降低酒中残留的糖分，从而使发酵更为彻底。

3 结论

超声在葡萄酒废水处理中可单独使用也可与其他技术联用。单独采用超声处理的最佳超声工艺条件为pH值为3、超声频率为100 kHz、功率为80 W，时间＞45 min，对废水的COD去除率仅有45%；采用复频超声处理最佳条件为超声组合频率40kHz+120 kHz、功率为80 W+80 W，能将去除率提高到64%；超声与Fenton、超声与Fe/C微电解联用在超声功率为80W、频率为100kHz条件下分别将废水的COD去除率提高到73%、67%。

超声应用于污泥处理不仅提高了6.4%污泥破解度，还能促进污泥溶出30 mg/L的单宁和54 mg/L的总酚，而且超声破解后的污泥还减缓了酵母衰老，将葡萄酒的酒精发酵周期延长了2 d、提高了0.2%vol的酒精度、降低了0.16 g/L的残糖、增加了23 mg/L的单宁含量。

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Effect of ultrasonic treatment on winery wastewater and sludge

TANG Guodong1,LIAO Xinyi1,WANG Xuezhen2,YANG Jihong1*
(1.College of Enology,Northwest Agriculture&Forestry University,Yangling 712100,China; 2.College of Resources and Environment,Northwest Agriculture&Forestry University,Yangling 712100,China)

Using the winery wastewater and sludge as the experimental materials,the effects of ultrasonic frequency,power,time,pH and other factors on chemical oxygen demand(COD),suspended solids(SS),sludge disintegration degree(DDSCOD),etc were researched by single factor experiments and orthogonal experiments.The results showed that the removal rates of COD and SS were 45%and 68%,respectively in the single ultrasonic treatment conditions of time 50 min,frequency100 kHz,pH 3 and power 80 W.In the conditions of multi-frequency ultrasonic frequency 40 kHz+120 kHz, power 80 W+80 W,the removal rates of COD was up to 64%.Combining with fenton or iron carbon micro electrolysis,the removal rates of COD could be increased to 73%,67%,respectively in the conditions of ultrasonic frequency 100 kHz,power 80 W.In the ultrasonic treatment conditions of frequency 20 kHz and power 80 W,the DDSCOD was increased by 6.4%,while the contents of polyphenols and tannins from sludge were increased by 54 mg/L and 30 mg/L,respectively.The sludge cracked by ultrasonic treatment could delay yeast aging in alcoholic fermentation,and the fermentation period was prolonged by 2 d,the content of alcohol and tannins were increased 0.2%vol and 23 mg/L,respectively.The residual sugar content was decreased by 0.16 g/L.

ultrasonic treatment;winery wastewater;sludge;fermentation

X703.1

0254-5071（2017）04-0087-06

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.04.019

2017-03-13

陕西省农业科技创新与攻关项目（2015NY019）

唐国冬（1989-），男，硕士研究生，研究方向为葡萄酒工程（葡萄酒废水处理）。

*通讯作者：杨继红（1975-），女，副教授，博士，研究方向为葡萄与葡萄酒工程。