Advanced systems for the enhancement of the environmental performance of wineries - wastewater purification combining biological, advanced chemical and reverse osmosis treatment

Abstract

Η ταυτόχρονη παρουσία υψηλών συγκεντρώσεων οργανικών και ανόργανων ενώσεων, καθώς και η διαχρονική διακύμανση των συγκεντρώσεων τους που παρατηρείται σε κάθε οινοποιείο, αλλά και από οινοποιείο σε οινοποιείο, καθιστά την επεξεργασία αυτών των αποβλήτων μια μεγάλη πρόκληση. Επίσης, τα ποιοτικά χαρακτηριστικά των αποβλήτων οινοποιείου είναι συγκεκριμένα για κάθε οινοποιείο λόγω των διαφορετικών επεξεργασιών που λαμβάνουν χώρα μέσα σε αυτό και ως εκ τούτου, μια γενική συμφωνία σχετικά με την καταλληλότερη και την οικονομικά αποδοτικότερη τεχνολογία για την επεξεργασία των αποβλήτων αυτών δεν είναι μέχρι σήμερα εφικτή. Η ανάπτυξη εναλλακτικών τεχνολογιών για την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων οινοποιείου είναι απαραίτητη, παρά τη διαθεσιμότητα διαφόρων τεχνολογιών, με στόχο την αύξηση της αποτελεσματικότητάς τους και την ταυτόχρονη μείωση του κόστους επένδυσης και λειτουργίας. Η παρούσα διατριβή έχει πέντε κύριους ερευνητικούς στόχους. Ο πρώτος ήταν να διερευνηθούν και να προσδιοριστούν οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις που σχετίζονται με τη διαδικασία παραγωγής κρασιού, μελετώντας την περίπτωση των οινοποιείων της Κύπρου και να προσδιοριστούν στη συνέχεια οι διάφορες δράσεις που μπορούν να εφαρμοστούν από τα οινοποιεία, προκειμένου να ελαχιστοποιήσουν ή ακόμα και να εξαλείψουν τις επιπτώσεις αυτές. Ο δεύτερος στόχος ήταν να μελετηθεί η εφαρμογή μιας προχωρημένης διεργασίας οξείδωσης, και συγκεκριμένα της ηλιακής οξείδωσης Fenton, ως μετ-επεξεργασία, για την απομάκρυνση και την πιθανή ανοργανοποίηση του οργανικού περιεχομένου των υγρών αποβλήτων οινοποιείου, τα οποία έχουν ήδη υποστεί βιολογική επεξεργασία με (α) sequential batch reactor (SBR) και (β) με βιοαντιδραστήρα μεμβρανών, σε εργαστηριακή και πιλοτική κλίμακα. Τα αποτελέσματα από τα εργαστηριακής και πιλοτικής κλίμακας πειράματα έδειξαν ότι η ηλιακή οξείδωση Fenton είναι πολύ αποδοτική στην επεξεργασία και των δύο βιολογικά επεξεργασμένων αποβλήτων, πετυχαίνοντας μετά το τέλος της επεξεργασίας σημαντική μείωση του οργανικού φορτίου, εξάλειψη της τοξικότητας ως προς το μικροοργανισμό D. magna και σημαντική μείωση της φυτοτοξικότητας ως προς τα τρία φυτά που μελετήθηκαν. Η συνδυασμένη επεξεργασία με τη χρήση βιοαντιδραστήρα μεμβρανών ακολουθούμενη από ηλιακή οξείδωση Fenton, φαίνεται να είναι πιο αποδοτικό σύστημα για την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων οινοποιείου. Ο τρίτος στόχος ήταν η εφαρμογή της ηλιακής οξείδωσης Fenton σε βιομηχανική κλίμακα, ως μετ-επεξεργασία της βιολογικής επεξεργασίας με τη χρήση βιοαντιδραστήρα μεμβρανών, η οποία οδήγησε στο συμπέρασμα ότι δεν υπάρχουν σημαντικές διαφορές στη μείωση τόσο του οργανικού φορτίου όσο και της τοξικότητας, όταν αυξάνεται η κλίμακα σε βιομηχανικό επίπεδο. Ο τέταρτος στόχος ήταν να εξεταστεί η απόδοση μιας διεργασίας διαχωρισμού με μεμβράνες, και συγκεκριμένα της αντίστροφης όσμωσης, προκειμένου να υπάρξει μια ολοκληρωμένη εικόνα για την επεξεργασία αυτών των βιομηχανικών αποβλήτων. Η αντίστροφη όσμωση κατάφερε να επιτύχει υψηλού επιπέδου επεξεργασία των υγρών αποβλήτων οινοποιείου, και οδήγησε στη δημιουργία ενός διηθήματος (permeate), το οποίο μπορεί να διατεθεί με ασφάλεια σε υδάτινα συστήματα ή να επαναχρησιμοποιηθεί στο οινοποιείο στις διάφορες διαδικασίες καθαρισμού. Ο τελευταίος στόχος της διδακτορικής διατριβής ήταν να προσδιοριστεί το συνολικό κόστος ιδιοκτησίας ενός βιολογικού συστήματος μεμβρανών (MBR), ενός ηλιακού συστήματος Fenton και ενός συστήματος αντίστροφης όσμωσης (RO), ο συνδυασμός των οποίων μπορεί να αποτελέσει ένα ολοκληρωμένο σύστημα πλήρους διαχείρισης των υγρών αποβλήτων οινοποιείου, για ένα μεσαίου μεγέθους οινοποιείο που παράγει κατά μέσο όρο 50 m3 υγρών αποβλήτων την ημέρα.

The presence of high organic and inorganic compounds, and the spatio-temporal dynamics of winery wastewater among and within wineries, makes the treatment of winery wastewater challenging. The various wine processing systems applied at each winery, generate wastewater with specific properties, and therefore, establishing a general agreement on the most suitable cost-effective technology for the treatment of this wastewater stream does not seem feasible. Several winery wastewater treatment technologies are available, but the development of alternative ones is essential, in order to increase their efficiency and decrease the investment and operational costs. Five underlying objectives were set to fulfill the overall target of this dissertation. The first was to investigate and identify the environmental impacts related to the wine production process, using Cyprus wineries as a case study, and the various actions that could be implemented by wineries, in order to minimize or eliminate these impacts. The second objective was to investigate the application of an advanced chemical oxidation process (AOP), and specifically the solar photo-Fenton process, as post-treatment, for the removal and the possible mineralization of the organic content of winery effluents, which have been pretreated by a biological process, i.e. (a) a Sequencing Batch Reactor (SBR), and (b) a Membrane Bioreactor (MBR), at a bench- and a pilot-scale setup. The results obtained by the bench- and the pilot-scale experiments indicated that solar photo-Fenton is very efficient for the treatment of both biologically pretreated flows, yielding, after the end of the treatment, high removal of the organic content, as well as complete reduction of the toxicity towards D. magna, and significant reduction of the phytotoxicity towards the three plant species examined. The combined MBR + solar Fenton process seems to be a more effective technology for winery wastewater treatment than the combined SBR + solar Fenton, since the first one can reduce the organic pollutants in the winery effluent to values well below those included in the Cypriot discharge limits. The third objective was the monitoring of the efficiency of the solar Fenton as post-treatment of the most efficient biological treatment (i.e. MBR) at an industrial scale, which led to the conclusion that no significant differences with regard to the organic content removal, as well as toxicity reduction should be expected, when upscaling the process from the pilot to industrial level. The fourth objective of this thesis was to investigate the efficiency of a membrane separation process, and specifically reverse osmosis (RO), for the treatment of raw winery wastewater, as an alternative to the biological and advanced treatment. RO achieved high levels of purification of the winery wastewater, and resulted in a permeate, which can be discharged in aquatic systems or to be reused in winery cleaning processes. The last objective of this thesis was to establish the overall ownership cost of an MBR, a solar Fenton system, and an RO system, the combination of which may represent an integrated system for complete management of winery wastewater, based on a typical medium-size winery that produces an average of 50 m3 of wastewater per day.