唐國冬，廖欣怡，王雪真，楊繼紅*

（1.西北農(nóng)林科技大學葡萄酒學院，陜西楊凌712100；2.西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，陜西楊凌712100）

超聲處理對葡萄酒廢水及污泥的影響

唐國冬1，廖欣怡1，王雪真2，楊繼紅1*

（1.西北農(nóng)林科技大學葡萄酒學院，陜西楊凌712100；2.西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，陜西楊凌712100）

以葡萄酒廢水和污泥為試驗材料，通過單因素試驗及正交試驗研究了超聲頻率、功率、時間、pH等因素對廢水去除化學需氧量(COD)、懸浮物(SS)及污泥破解度(DDSCOD)等方面的影響。結果表明，單獨超聲處理廢水50 min，超聲頻率100 kHz、pH值為3、功率為80 W時，COD去除率為45%，SS去除率為68%；復頻超聲頻率組合40 kHz+120 kHz，功率80 W+80 W時，能將COD去除率提高到64%；超聲與芬頓或鐵炭微電解聯(lián)用在超聲頻率100 kHz、功率80 W時，能將COD去除率分別提高到73%、67%；污泥經(jīng)頻率為20 kHz、功率為80 W的超聲處理后，提高了6.4%污泥破解度，污泥溶出的多酚、單寧等物質(zhì)含量分別增加了54 mg/L、30 mg/L，且超聲破解后污泥能夠延緩酒精發(fā)酵中酵母衰老，將發(fā)酵周期延長了2 d、提高了酒精度0.2%vol、增加了單寧23 mg/L、降低了殘?zhí)?.16 g/L。

超聲處理；葡萄酒廢水；污泥；發(fā)酵

葡萄酒廢水主要產(chǎn)生于生產(chǎn)、過濾、灌裝等設備的清潔、葡萄汁及葡萄酒外流等[1]，其水質(zhì)具有的顯著季節(jié)性波動特點，使葡萄酒釀造期的排水量和化學需氧量（chemical oxygen demand，COD）、懸浮物（suspended solids，SS）等都有大幅度上升[2]。廢水的有機物來源主要是釀酒過程中的葡萄、葡萄酒、酒泥等，主要含有糖、醇、有機酸、酯以及酚類化合物等，若直接排放對地下水、土壤、環(huán)境帶來嚴重影響[3]。

過去的20多年里嘗試應用了各種物理化學和需氧或厭氧生物處理方法，物理理化學技術（如電滲析、反滲透、Photo-Fenton反應等）；生物技術系統(tǒng)包括上流式厭氧污泥床（upflow anaerobic sludge blanket，UASB）、序批式活性污泥法（sequencing batch reactor activated sludge process，SBR）、膜-生物反應器（membranebio-reactor，MBR）、厭氧流化床反應器（anaerobic fluidized-bed reactor，AFBR）等，但是這些技術因為需要訓練有素的人員來運行和維護，主要是適合超大酒廠[4]，因此低維護、實用性強的處理技術更適合小型酒廠。先進的氧化技術高級氧化法（advanced oxidation processes，AOPs）在降解處理頑固有機物中有很大優(yōu)勢，具有高氧化性的·OH在AOPs氧化過程中起重要作用。超聲是借助聲波產(chǎn)的生·OH降解污染物的方法，具有操作簡單、避免產(chǎn)生二次污染等優(yōu)勢[5-6]。

本實驗采用了超聲處理技術處理葡萄酒廢水的整個過程（廢水＋污泥），探討了功率、頻率、時間等因素在超聲處理中對廢水和污泥的影響，并調(diào)查了處理后污泥對酒精發(fā)酵的影響，旨在為超聲在廢水處理和廢棄物重利用提供理論基礎和科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

實驗水樣取自陜西某葡萄酒廠紅葡萄酒生產(chǎn)車間酒精發(fā)酵結束后壓榨皮渣的廢水。廢水水質(zhì)如下：COD為6 500 mg/L，SS為246 g/L，pH值為3.5。污泥為此階段廢水自然沉降形成的沉淀。

85%磷酸、濃硫酸：四川西隴化工有限公司；鎢酸鈉、鉬酸鈉、重鉻酸鉀、鄰菲啰啉、七水合硫酸亞鐵、硫酸銀、氫氧化鈉、38%H2O2、濃鹽酸、硫酸鋰、甲醇、碳酸鈉、氯化鉀、葡萄糖、無水乙酸鈉：廣東光華科技股份有限公司；酵母浸粉、蛋白胨：北京奧博星生物技術公司；市售0.9%生理鹽水；沒食子酸：廣東省化學試劑工程技術研究開發(fā)中心；兒茶素（純度≥90%）：南京都萊生物公司；甲基纖維素：上海麥克林生化科技有限公司。所用實驗試劑均為分析純。

酵母浸出粉胨葡萄糖（yeast extract peptone dextrose，YEPD）培養(yǎng)基：20 g/L葡萄糖，20 g/L蛋白胨，10 g/L酵母浸粉。在121℃條件下滅菌20 min。

1.2 儀器與設備

WT-121型超聲波發(fā)生器（配有20kHz、40kHz、60kHz、80 kHz、100 kHz、120 kHz頻率經(jīng)簡單防水處理的換能器，功率0～80 W）：深圳瑋圖科技有限公司；Cary 60紫外可見光分光光度計：美國安捷倫公司；FD-IC-50型低溫真空冷凍干燥機：北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司；KX-1613T型超聲波清洗機：北京然斯康波達科技有限公司；PB-10型pH計：德國Sartorius公司。

1.3 方法

1.3.1 超聲波處理廢水

用2 mol/L H2SO4，2 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)廢水pH，量筒量取1 L廢水置于2.5 L玻璃罐中，將超聲波換能器最下端浸入廢水中2 mm，啟動超聲換能器，分別研究廢水pH（2、3、4、5、6）、超聲功率（10W、20W、40W、60 W、80 W）、超聲頻率（40 kHz、60 kHz、80 kHz、100 kHz、120 kHz）和超聲時間（5 min、15 min、25 min、35 min、45 min、55 min、70 min）對COD、SS去除率的影響。超聲處理完成后靜置15 min并8 000 r/min離心10 min取上層清液進行分析檢測。

根據(jù)超聲單因素試驗，選擇超聲功率、超聲頻率、pH為影響因素，設計3因素3水平正交試驗，確定超聲的最佳作用條件。

1.3.2 復頻超聲波處理廢水

將1 L廢水置于超聲波清洗機水槽中，將另一超聲波換能器插入液面下約2 mm，啟動儀器，研究復頻超聲組合頻率（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）對COD去除率的影響。

1.3.3 超聲與其他技術聯(lián)用處理廢水

量取1 L廢水置于2.5 L玻璃罐中，分別加入1 mol/L濃度比為1∶1的H2O2和FeSO4溶液、100 g/L質(zhì)量比為1∶1的鐵粉和活性炭，同時將100 kHz超聲波換能器最下端浸入廢水中2 mm，啟動超聲換能器，設定功率為80 W，研究聯(lián)用技術對廢水COD去除率的影響。超聲處理完成后靜置15 min并8 000 r/min離心10 min取上層清液進行分析檢測。

1.3.4 超聲處理污泥的研究

取發(fā)酵車間下水道污泥，將污泥置于4℃條件下靜置24 h取上層沉淀，經(jīng)過pH值為3.5的蒸餾水清洗后定性濾紙抽濾1次，再取100 g抽濾后污泥放置于250 mL燒杯中，添加蒸餾水至高于沉淀1 cm，再將超聲波換能器插入液面下2 mm，開啟超聲波發(fā)生器進行超聲處理。研究超聲頻率、功率、時間對污泥破解度（disintegration degree of waste activatedsludge，DDSCOD）及上層清液中丹寧、總酚含量變化。

1.3.5 超聲破解的污泥對葡萄酒精發(fā)酵的影響

為了檢驗污泥經(jīng)超聲處理后有促進葡萄酒發(fā)酵、延緩酵母衰老的作用，將處理后污泥添加到發(fā)酵后期的葡萄酒中。將處理后污泥放置于超低溫真空冷凍干燥機上-50℃低溫冷凍24h干燥成粉，將干粉按照20 g/L用量加入到發(fā)酵后期（第6天）的葡萄醪中，對照組添加未經(jīng)超聲處理的污泥干粉。每天檢測發(fā)酵過程中的微生物OD600nm值及平板計數(shù)酵母菌落總數(shù)。

1.3.6 分析檢測

COD、污泥溶解性化學需氧量（solublechemicaloxygen demand，SCOD）：采用重鉻酸鉀法[7]進行測定。其計算公式如下：

式中：COD為化學需氧量，mg/L；SCOD為污泥經(jīng)6 000 r/min離心20 min后取上清液測定的COD，mg/L；V0為滴定空白時硫酸亞鐵銨標準溶液的用量，mL；V1為滴定水樣時硫酸亞鐵銨標準溶液用量，mL；V2為取水樣的體積，mL；C為硫酸亞鐵銨標準溶液的濃度，mol/L；8為氧（1/20）摩爾質(zhì)量，g/mol。

污泥破解度：以超聲破解后SCOD增量與氫氧化鈉作用12 h后SCOD增量之比來表征，其計算公式如下：

式中：DDSCOD為污泥破解度，%；SCODV1為超聲破解實驗組溶解性化學需氧量；SCODV0為未超聲破解對照組溶解性化學需氧量；SCODNaOH為污泥堿解后溶解性化學需氧量，mg/L。

SS采用重量法，其計算公式如下：

式中：C為水中懸浮物濃度，mg/L；A為懸浮物+濾紙+稱重瓶質(zhì)量，g；B為濾紙+稱重瓶質(zhì)量，g；V為試樣體積，mL，C1為實驗組水中懸浮物濃度，mg/L，C0為對照組水中懸浮物濃度，mg/L。

總酚（以沒食子酸表示）：采用福林-消卡比色法；單寧（以兒茶素表示）：采用福林-消卡比色法；OD600nm值：采用分光光度法。

2 結果與分析

2.1 超聲波單因素試驗

2.1.1 超聲時間對COD、SS去除率的影響

在超聲功率80 W、頻率100 kHz、pH值為3的條件下，考察超聲時間對COD和SS去除率的影響，結果見圖1。由圖1可知，超聲時間＜45 min，隨著超聲時間增加，COD、SS去除率呈先增加后趨于穩(wěn)定趨勢。COD和SS去除率分別在35 min、45 min左右達到最大。孫秀君[8]在處理含酚廢水時也發(fā)現(xiàn)廢水的COD降解率隨超聲時間的加長而先增加后趨于穩(wěn)定，這是因為超聲波促進廢水中產(chǎn)生·OH的作用有限，超聲作用產(chǎn)生的·OH的數(shù)量、提供的超臨界等特殊反應環(huán)境、空化現(xiàn)象等達到飽和，即使超聲時間繼續(xù)增加，COD去除率不會增加。因此，超聲處理時間為45 min。

圖1 超聲時間對葡萄酒廢水COD、SS去除率的影響Fig.1 Effect of ultrasonic time on the removal rate of COD and SS of winery wastewater

2.1.2 pH對COD、SS去除率的影響

在超聲功率80 W、頻率100 kHz、超聲時間50 min的條件下，考察pH對COD和SS去除率的影響，結果見圖2。由圖2可知，當pH值為3.0時，COD、SS去除率最大；當pH＜3.0時，COD、SS去除率隨pH增加而增加；當pH＞3.0時，去除率隨pH增大呈現(xiàn)降低趨勢。不同的廢水組成，其降解的最適pH也不同[9-10]。因此在pH值為3.0時，有利于提高COD、SS去除率。

圖2pH對葡萄酒廢水COD、SS去除率的影響Fig.2 Effect of pH on the removal rate of COD and SS of winery wastewater

2.1.3 超聲頻率對COD、SS去除率的影響

在功率80 W、pH值為3.0、時間50 min的條件下，考察超聲頻率對COD和SS去除率的影響，結果見圖3。由圖3可知，超聲組合頻率在40～100 kHz范圍內(nèi)，COD去除率隨超聲頻率增加而增加，在超聲頻率＞100kHz時COD去除率隨頻率增加呈降低趨勢；SS去除率隨超聲頻率增加呈先增加后趨于穩(wěn)定趨勢；因此，頻率為100 kHz時COD、SS去除率達到最大。超聲頻率過高造成空化氣泡的發(fā)生幾率和強度減小，導致·OH生成減少，處理能力降低[11]，被氧化處理的有機物含量也隨之降低，生成的沉淀減少。

圖3 超聲頻率對葡萄酒廢水COD、SS去除率的影響Fig.3 Effect of ultrasonic frequency on the removal rate of COD and SS of winery wastewater

2.1.4 超聲功率對COD、SS去除率的影響

在超聲頻率100kHz、超聲時間50 min、pH值為3的條件下，考察超聲功率對COD和SS去除率的影響，結果見圖4。由圖4可知，超聲功率在＜80 W范圍內(nèi)，COD、SS去除率隨超聲功率增加而增加，并在超聲功率為80 W時達到最大。因為實驗儀器限制，不能達到更高的功率，因此，超聲功率＞80W對COD、SS去除效果未能繼續(xù)研究。但是，從COD、SS去除率隨功率增大而增大的變化趨勢及曲線的斜率可以預測，在超聲功率＞80 W的某個功率范圍內(nèi)，COD去除率仍會隨功率增大而增加[12]。因此，COD、SS去除率隨超聲功率增大而增大，在80 W時達到最大去除率。

圖4 超聲功率對葡萄酒廢水COD、SS去除率的影響Fig.4 Effect of ultrasonic power on the removal rate of COD and SS of winery wastewater

2.2 正交試驗優(yōu)化超聲處理廢水條件

在單因素試驗基礎上，以COD去除率為響應值，選擇超聲頻率、超聲功率、pH進行3因素3水平正交試驗，超聲時間為50 min。正交試驗結果與分析見表1。

表1 超聲處理廢水條件優(yōu)化正交試驗結果與分析Table1Resultsandanalysisoforthogonalexperimentsfor wastewater ultrasonic treatment conditions optimization

由表1可知，超聲波因子影響順序為超聲頻率＞超聲功率＞pH，最佳組合為A2B3C2，即超聲處理廢水條件為超聲頻率100 kHz，超聲功率80 W，pH值為3。在此條件下進行3次驗證試驗，COD去除率分別為49.83%、50.46%、50.25%，平均去除率為50.18%。

2.3 復頻超聲

復頻超聲是在單頻超聲基礎上將兩個或多個不同角度的超聲波共同作用于同一研究對象，復頻超聲相對單頻超聲能夠增強作用效果[13-15]。本次實驗，將超聲清洗機（40 kHz，80 W）作為固定對象，調(diào)節(jié)另一個超聲換能器的頻率、功率，研究兩個不同頻率、兩個功率條件下COD去除效果，實驗結果見圖5。

圖5 復頻超聲頻率（A）及超聲功率（B）對廢水COD去除率的影響Fig.5 Effect of multi-frequency ultrasound frequency（A）and ultrasound power（B）on removal rate of COD of winery wastewater

由圖5A可知，在功率80 W+80 W條件下，復頻超聲的總頻率越高，COD去除率也越高。雖然復頻超聲能夠明顯提高處理效果，但是在能耗2倍的前提下，處理效果僅為1.5倍左右，能耗消耗與效果不對等可能是影響復頻超聲發(fā)展的一個重要因素。

由圖5B可知，在120 kHz+40 kHz復頻頻率條件下，復頻超聲的功率越高，COD去除率越高。功率是影響超聲作用的重要因素之一，選擇合適的超聲頻率組合，能顯著提高超聲處理效果[16]。

由圖5A、5B可知，COD去除率隨超聲時間增加而增加，在30 min達到最大，之后的時間內(nèi)COD去除率幾乎沒有變化。與圖1比較可知，超聲作用時間由單頻超聲的45 min縮短到復頻超聲的30 min，COD去除率由單頻超聲的46%提高到復頻超聲的64%。

2.4 超聲與其他技術應用

超聲與其他物化技術（Fe/C微電解、Fenton反應等）聯(lián)用能夠明顯提高處理效果，縮短處理時間[17]，但是在葡萄酒廢水應用中卻很少報道[18]。通過對比研究超聲、超聲-Fenton反應、超聲-Fe/C微電解對廢水COD去除率，超聲頻率為100 kHz、功率為80 W，結果見圖6。

由圖6可知，F(xiàn)enton反應作用時間為50 min，最大COD去除率45.3%，超聲+Fenton反應作用時間為30 min，COD去除率73.1%；Fe/C微電解作用時間為70 min，COD去除率48.4%，超聲+Fe/C作用時間為40 min，COD去除率66.3%；超聲作用時間50 min，COD去除率為41.35%。因此，超聲與Fe/C微電解、Fenton聯(lián)用能顯著提高廢水COD去除率，并能縮短作用時間。

圖6 超聲與其他技術聯(lián)用對廢水COD去除率的影響Fig.6 Effect of ultrasonic and other technologies combination on the removal rate of COD of winery wastewater

2.5 超聲對污泥降解的影響

污泥主要是葡萄酒泥，來源于發(fā)酵罐清洗、酒液外流等，含有一定數(shù)量的微生物（酵母等）及其生理代謝產(chǎn)物。死酵母的酵母菌皮、葡萄果皮蠟質(zhì)層的麥角淄醇等物質(zhì)是影響葡萄酒發(fā)酵的重要物質(zhì)，能夠促進酒精發(fā)酵，阻止發(fā)酵中止等作用[19]。超聲波可以使細胞發(fā)生空化作用破碎酵母細胞，增加胞內(nèi)有效成分溶出速度和數(shù)量，從而提高有效成分的提取率[20]。污泥破解度檢測結果見圖7，將污泥經(jīng)超聲處理后檢測上清液中總酚、單寧的物質(zhì)含量，結果見圖8。

圖7 超聲頻率(A)及超聲功率(B)對污泥破解度（DDSCOD）的影響Fig.7 Effect of ultrasonic frequency(A)and power(B)on DDSCOD

污泥破解度（DDSCOD）更能準確地反映剩余污泥的超聲破解程度。由圖7A可知，在20 kHz頻率條件下，DDSCOD最高，在80 kHz頻率條件下，DDSCOD最低，說明超聲頻率越高，SCOD溶出率越低[21]。隨著時間的延長，污泥破解度呈先增加后穩(wěn)定趨勢，在20min時達到飽和處理效果。由圖7B可知，在20 kHz頻率條件下，污泥破解度DD隨功率增大而增大，隨時間延長先增大后趨于穩(wěn)定。因此，超聲頻率為20 kHz、超聲功率為80 W、超聲時間＞20 min時污泥破解度最大。

圖8 超聲時間對污泥溶解出的總酚、丹寧含量的影響Fig.8 Effect of ultrasonic time on the contents of total polyphenols and tannins from sludge

由圖8可知，在20 kHz頻率條件下，溶解出的總酚和單寧含量隨超聲時間延長呈先增大后減小趨勢。超聲波能夠滅活污泥中的微生物[22]，將酵母等微生物降解從而釋放出胞內(nèi)物質(zhì)（如單寧），而且超聲還有改變污泥的絮體結構、分解有機物等作用[23]。超聲作用時間在20 min范圍內(nèi)對DDSCOD有促進作用，因而污泥上清液中的總酚、單寧的含量會增加；20min后DDSCOD趨于穩(wěn)定，可能是因為超聲對丹寧、總酚的降解作用逐漸增大，所以會引起含量降低。因此，超聲時間為20 min時，污泥溶出的丹寧、總酚含量達到最高。

2.6 酒泥應用于葡萄酒發(fā)酵實驗

圖9 污泥對酒精發(fā)酵中酵母菌生長的影響Fig.9 Effect of sludge on yeast growth in alcoholic fermentation

由圖9可知，添加超聲處理后污泥的OD600nm和酵母菌落數(shù)明顯高于對照組。OD600nm值可以表示微生物的濃度；平板計數(shù)能夠較為直觀的對比實驗結果。結果表明，實驗組的微生物含量高于對照組。酒精發(fā)酵后期，酵母大量死亡導致微生物含量不斷降低。實驗組的微生物含量較高可能是因為污泥主要來源于酒泥，而酒泥中含有酒石酸晶體、微生物、蛋白質(zhì)、酚類等物質(zhì)[24]，酒泥經(jīng)超聲處理后，破碎率增加，微生物在超聲波作用下死亡和分解，從而能釋放出酵母代謝物和酵母菌皮等物質(zhì)，這些物質(zhì)能起到延緩酵母衰老死亡增強活性的作用。

圖10 污泥對酒精發(fā)酵過程單寧、殘?zhí)橇俊⒕凭?、發(fā)酵時間的影響Fig.10 Effect of sludge on tannins content,residual sugar content, alcohol content and total alcoholic fermentation time

由圖10可知，添加經(jīng)超聲處理的污泥的對照組酒樣中含有的單寧要高于對照組，發(fā)酵總時間長于對照組。污泥經(jīng)超聲處理后絮凝作用被破壞，一些大分子絡合物可能被分解成小分子物質(zhì)，從而使溶解出的酚類物質(zhì)增加，進而使酒中單寧濃度也增加；添加超聲破解后的污泥能延長發(fā)酵持續(xù)時間、提高酒精度、降低酒中殘留的糖分，從而使發(fā)酵更為徹底。

3 結論

超聲在葡萄酒廢水處理中可單獨使用也可與其他技術聯(lián)用。單獨采用超聲處理的最佳超聲工藝條件為pH值為3、超聲頻率為100 kHz、功率為80 W，時間＞45 min，對廢水的COD去除率僅有45%；采用復頻超聲處理最佳條件為超聲組合頻率40kHz+120 kHz、功率為80 W+80 W，能將去除率提高到64%；超聲與Fenton、超聲與Fe/C微電解聯(lián)用在超聲功率為80W、頻率為100kHz條件下分別將廢水的COD去除率提高到73%、67%。

超聲應用于污泥處理不僅提高了6.4%污泥破解度，還能促進污泥溶出30 mg/L的單寧和54 mg/L的總酚，而且超聲破解后的污泥還減緩了酵母衰老，將葡萄酒的酒精發(fā)酵周期延長了2 d、提高了0.2%vol的酒精度、降低了0.16 g/L的殘?zhí)恰⒃黾恿?3 mg/L的單寧含量。

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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

陜西省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新與攻關項目（2015NY019）

唐國冬（1989-），男，碩士研究生，研究方向為葡萄酒工程（葡萄酒廢水處理）。

*通訊作者：楊繼紅（1975-），女，副教授，博士，研究方向為葡萄與葡萄酒工程。