Abwasserbehandlung in der Weinindustrie

• 1. Abwasser bei der Weinherstellung
• 2. Abwasseranfall in der Weinindustrie
• 3. Aufbereitung des bei der Weinherstellung anfallenden Abwassers
• 4. Abfallverwertung
• 5. Zusammenfassung

1. Abwasser bei der Weinherstellung

Das in Weinkellereien anfallende Abwasser hat erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt, da in dieser Branche viel Wasser verbraucht wird und das Abwasser eine hohe Schadstoffbelastung aufweist.

Anlagen zur Behandlung von Abwässern aus Weinkellereien erfordern aufgrund der unterschiedlichen Abflussmengen, der hohen CSB-Belastung und des Vorhandenseins komplexer organischer Verbindungen, die sich mitunter nur schwer behandeln lassen, ein hohes Maß an individueller Anpassung.

Die größte Menge an Abwasser fällt während der Weinlese an. Diese Abwässer müssen ordnungsgemäß behandelt werden, um Umweltprobleme aufgrund ihrer hohen organischen Belastung, ihres Säuregehalts und des Vorhandenseins von Phenolverbindungen zu vermeiden.

2. Abwasseranfall in der Weinindustrie

Die Eigenschaften der in einem Weingut anfallenden Abwässer variieren je nach Produktionsprozess, der Art des hergestellten Weins und der Jahreszeit.

Das Wasser wird bei folgenden Tätigkeiten verschmutzt:

• Reinigung von Tanks und Rohrleitungen.
• Reinigung von Fässern und Geräten.
• Flaschenreinigung.
• Press- und Gärverfahren.
• Entsorgung von Produktabfällen oder Trub.
• Bodenreinigung und Wischen.
• Verluste an Wein, Most und Nebenprodukten.
• Verschmutztes Kühlwasser.

Die meisten Schadstoffe im Abwasser von Weinkellereien sind organischer Natur, doch finden sich auch:

• Mineralrückstände
• Ländereien
• Fette
• Reinigungs- und Desinfektionsmittel
• Exogene toxische Schadstoffe in der Traube,
• usw.

Neben den Schadstoffen, die aus den Reinigungsvorgängen stammen, zeichnen sich diese Abwässer durch eine hohe Schadstoffbelastung aus, die entweder aus den Feststoffen des Mosts oder Weins oder aus Mikroorganismen stammt. Es handelt sich dabei im Wesentlichen um Farbstoffe, Tannine, Proteine, organische Säuren, Kohlenhydrate und Mikroorganismen (Hefen, Milchsäure- und Essigsäurebakterien, Pilze usw.). Die mineralischen Rückstände bestehen in der Regel aus Kaliumtartrat, das während des Weinherstellungsprozesses ausfällt.

Die grundlegenden Merkmale dieser Einleitungen lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Hohe Konzentration an BSB₅ und biologisch abbaubarem CSB.
• Säurehaltiger pH-Wert bei den Abwässern aus dem Weinkeller und basischer pH-Wert bei denen aus der Abfüllanlage.
• Hohe Konzentrationen an gesamten suspendierten Feststoffen (TSS), von denen viele in kolloidaler Form vorliegen.
• Geringe Toxizität.
• Fette, Öle und Erde aus der Weinlese, die durch die bei der Weinlese eingesetzten Verfahren und Maschinen mitgerissen werden.
• Reinigungsmittel wie: anorganische Säuren, organische Säuren,  anionische, kationische und amphotere Tenside, Komplexbildner und Desinfektionsmittel wie Chlor und seine Verbindungen, quartäre Ammoniumverbindungen, Oxidationsmittel wie Ozon, Wasserstoffperoxid usw.
• Außerdem finden sich Rückstände von Pflanzenschutzmitteln in den Trauben. Diese Giftstoffe gelangen in den Most und den Wein, doch der größte Teil davon wird bei den verschiedenen Verfahren wie dem Pressen, Umfüllen und Stabilisieren des Weins entfernt.

Die folgende Tabelle zeigt typische Werte für Abwässer, die bei der Weinherstellung anfallen:

PARAMETER	EINHEIT	KONZENTRATION
pH-Wert	-	3,5 – 6,5
COD	mg/l	2.000 – 12.000
DBO5	mg/l	1.000 – 6.000
SST	mg/l	200 – 2.000
Leitfähigkeit	µS/cm	500 – 5.000
Phenole	mg/l	10 – 100
Nährstoffe (N, P)	mg/l	Geringe Konzentrationen

Saisonalität und Diskontinuität sind zwei charakteristische Merkmale, die sich auf das Volumen und die Zusammensetzung dieser Einleitungen auswirken. Dies beeinflusst Variablen wie:

• Häufigkeit der Rohstoffanlieferung.
• Verwendete Technologie.
• Verarbeitete Rebsorten.
• Größe des Weinkellers usw.

Andererseits gibt es eine jährliche saisonale Schwankung, die durch die Weinlese geprägt ist, also jene Jahreszeit, in der die größte Menge an Abwasser anfällt.

Ein deutliches Beispiel ist die Einhaltung der Grenzwerte für CSB und Stickstoff, wenn

3. Aufbereitung des bei der Weinherstellung anfallenden Abwassers

Zunächst einmal ist es von entscheidender Bedeutung, eine Strategie zur Trennung und Minimierung der im Produktionsprozess anfallenden Abwässer umzusetzen. Dabei sind folgende Kernpunkte zu beachten:

• Stromtrennung: Es ist von entscheidender Bedeutung, sauberes Wasser (wie Regenwasser oder nicht verunreinigtes Kühlwasser) von den Abwässern aus Produktions- und Reinigungsprozessen zu trennen. Denn im Allgemeinen konzentrieren sich 80 % des CSB auf letztere. Dieser Ansatz ermöglicht eine effizientere Aufbereitung, da die Abwässer getrennt behandelt werden.
• Reduzierung des Wasserverbrauchs: Die Einführung von Verfahren wie der Trockenreinigung und der Einsatz von CIP-Systemen (Clean-In-Place) tragen dazu bei, sowohl die Abwassermenge als auch deren Schadstoffbelastung zu verringern.
• Homogenisierung von Abwasser: Durch den Einsatz von Homogenisierungsbehältern lassen sich Spitzenabflussmengen ausgleichen und hohe Schadstoffkonzentrationen verdünnen, was eine stabilere und effizientere Behandlung ermöglicht.

Zudem tragen der Einsatz umweltfreundlicher Filter und die Verwertung von Nebenprodukten wie Tartraten dazu bei, den Gehalt an verunreinigenden Feststoffen und Flüssigkeiten zu verringern und so die organische Belastung des Abwassers zu senken.

Das Abwassermanagementsystem lässt sich in folgende Phasen unterteilen:

• Erste Trockenreinigung von Geräten und Oberflächen.
• Abschließende Reinigung mit einem Hochdruckreiniger.
• Einführung eines Aktionsplans zur Vermeidung von Leckagen und Verschüttungen.
• Planung der Abwasserableitung, um eine Überlastung des Systems zu vermeiden.
• Überwachung von pH-Wert und CSB als effizientes Kontrollinstrument.

Angesichts des saisonalen Charakters der Abwassererzeugung in Weinkellereien ist es üblich, zwei parallel laufende Kläranlagen zu betreiben oder Anlagen mit flexibler Betriebskapazität zu konzipieren, die sich an die im Laufe des Jahres auftretenden Durchflussschwankungen anpassen.

Ein übliches Verfahren zur Abwasserbehandlung in Weinkellereien sieht wie folgt aus:

3.1. Physikalisch-chemische Vorbehandlung

Zunächst werden die größeren Verunreinigungen physikalisch abgeschieden; dazu werden folgende Verfahren eingesetzt:

• Gitter oder Siebe, die grobe Feststoffe (Traubenreste, Blätter, Stiele, Kerne) zurückhalten. Diese Phase der Trennung von Feststoffen und Flüssigkeiten ist notwendig, um jegliches Risiko einer Verstopfung in den Rohrleitungen, Pumpen und anderen Komponenten der Wasseraufbereitungsanlage zu vermeiden.
• Sandfang / Fettabscheider, mit denen Erde, schwere Feststoffe sowie Fette und Öle abgeschieden werden können.
• Homogenisierung im Ausgleichsbehälter zur Einstellung des pH-Werts sowie zur Angleichung von Durchflussmengen und Schadstoffbelastung.
• Die Koagulation-Flockung ist ein physikalisch-chemischer Prozess, bei dem Koagulierungsmittel (wie Aluminium- oder Eisensalze) und Flockungsmittel (organische oder anorganische Polymere) kontrolliert zugegeben werden, um die im Abwasser vorhandenen kolloidalen Partikel und Schadstoffe zu destabilisieren und zu agglomerieren. Diese Behandlung begünstigt die Bildung von Flocken größerer Größe und Dichte, die anschließend durch Sedimentation oder Flotation abgetrennt werden können, wodurch die Effizienz des Reinigungsprozesses deutlich verbessert wird.
• Die Flotation mit gelöstem Luft (DAF) erzielt einen Wirkungsgrad von über 95 % bei der Entfernung von Schwebstoffen, Ölen und Fetten sowie eine Verringerung des CSB um mindestens 50 %.

Ein Dissolved-Air-Flotation-System (DAF) benötigt weniger Platz als ein Absetzbecken und erzielt höhere Ausbeuten, da der durch das DAF abgeschiedene Schlamm eine hohe Trockenmassekonzentration (3–4 %) aufweist, was dessen Entnahme und Entsorgung erleichtert.

3.2. Nachbehandlung mittels biologischem Reaktor

Je nach Größe der Kläranlage und der organischen Belastung des Abwassers kommen verschiedene Technologien zum Einsatz, darunter insbesondere:

Aerobe Systeme

Im Allgemeinen sind Abwässer aus Weinkellereien nährstoffarm (N, P, K), weshalb ihnen üblicherweise Salze zugesetzt werden, die reich an diesen Elementen sind:

• Belebtschlammverfahren: Dieses System ist bei Abwässern mit hoher biologischer Abbaubarkeit sehr effizient, allerdings nehmen die Reaktoren viel Platz ein und es fällt eine große Menge Schlamm an.
• Sequentieller biologischer Reaktor (SBR): Sehr gut geeignet für unregelmäßige Durchflussmengen und platzsparend, da keine Nachklärung erforderlich ist; allerdings ist seine Leistungsfähigkeit nicht besonders hoch.
• Membranbioreaktor (MBR): Bietet eine effiziente Behandlung zur Reduzierung von Schadstoffen, wodurch ein Abwasser von hoher Qualität erzielt wird, das für die Wiederverwendung geeignet ist. Dieses System umfasst einen Filtrationsprozess mittels Mikro- oder Ultrafiltrationsmembranen, die den klassischen Nachklärbecken mit Schlammverdicker ersetzen.

Dies sind die wichtigsten Vorteile eines Membranbioreaktors:

1. Geringeres Volumen im biologischen Reaktor.
2. Geringere Schlammbildung, etwa 50–60 % im Vergleich zur Behandlung mit Belebtschlamm bei geringer Beladung.
3. Bessere Qualität des aufbereiteten Wassers.
4. Einhaltung strenger Umweltstandards

Weitere Technologien für die Nachbehandlung

Biologische Behandlung mittels beweglichem Filterbett (MBBR)

Es handelt sich um kleinere Reaktoren, die einen hohen Wirkungsgrad erzielen. Das System besteht aus verschiedenen Füllkörpern (Carriern) und Reinigungsstufen, in denen bestimmte Bakterien gegenüber anderen überwiegen, um die biologische Reinigung zu optimieren. Zur Entnahme des anfallenden Schlamms muss ein Klärbecken installiert werden.

Anaerobe Systeme

Geeignet für hohe organische Belastungen. Obwohl ihre Reinigungsleistung nicht sehr hoch ist (70–80 %), da das Wasser nicht erhitzt wird, bieten sie eine Reihe von Vorteilen:

• Sie benötigen nur wenige Nährstoffe (N, P).
• Sie nehmen wenig Platz ein.
• Sie produzieren kaum Schlamm.
• Sie produzieren Biogas, mit dem Energie erzeugt werden kann.

Die gängigsten Typen sind: UASB und EGSB.

3.3. Tertiäre Behandlung

Wenn das behandelte Abwasser wiederverwendet werden soll, kann eine tertiäre Behandlung erforderlich sein. Die am häufigsten angewandten Verfahren sind:

• Filtration über Sand oder andere Füllmaterialien (bei MBR nicht erforderlich)
• Desinfektion (UV, O₃ oder Chlor)
• Entsalzung durch Nanofiltration (NF) oder Umkehrosmose (RO)

Schlammmanagement

Die im physikalisch-chemischen Verfahren anfallenden Schlämme weisen hohe Konzentrationen auf (etwa 4 % Trockensubstanz) und können in manchen Fällen als Nebenprodukte verwertet werden.

Der bei der MBR-Behandlung (Membranbioreaktor) anfallende Schlamm weist im Vergleich zum Primärschlamm geringere Feststoffkonzentrationen auf. Es ist jedoch möglich, beide Schlammarten miteinander zu vermischen, um sie gemeinsam in einer mechanischen Entwässerungsanlage, wie beispielsweise einer Filterpresse, zu behandeln. Durch dieses Verfahren lassen sich Trocknungsgrade von über 30 % erreichen.

Aufgrund ihrer Beschaffenheit können diese Schlämme auch in der Landwirtschaft zur Kompostierung verwendet werden.

4. Abfallverwertung

Die Weinindustrie erzeugt große Mengen an Nebenprodukten, die reich an bioaktiven Verbindungen wie Tanninen, Polyphenolen, Anthocyanen und Pflanzenfasern sind. Diese Verbindungen, die in Rückständen wie Trester, Hefe und Abwasser enthalten sind, können mithilfe von Technologien gewonnen und verwertet werden, was zu einer nachhaltigeren und rentableren Produktion beiträgt. Diese Verbindungen können in der Lebensmittel-, Kosmetik-, Pharma- und Agrarindustrie eingesetzt werden.

Darüber hinaus kann das aufbereitete Wasser auch für Anwendungen wie Bewässerung, Reinigung, Brauchwasser und sogar als Prozesswasser wiederverwendet werden.

Es gibt weitere Möglichkeiten, die in Weinkellereien anfallenden Abfälle zu verwerten:

• Biogasproduktion: Organische Abfälle (Trub, Schlamm, Gärrückstände) sind in hohem Maße biologisch abbaubar und eignen sich für die anaerobe Vergärung und die Erzeugung von Biogas, das zur Prozesswärmeversorgung oder zur Stromerzeugung genutzt werden kann.
• Kompostierung und landwirtschaftliche Verwendung: Der stabilisierte Schlamm und die abgeschiedenen Feststoffe können zusammen mit Trester und anderen festen Abfällen kompostiert werden, wodurch organischer Dünger für Weinberge entsteht.
• Rückgewinnung wertvoller Verbindungen: Bestimmte Verfahren ermöglichen die Rückgewinnung natürlicher Antioxidantien aus Trub und flüssigen Rückständen, die in der Kosmetik- und Lebensmittelindustrie Verwendung finden.
• Weitere wertvolle Produkte, die besonders erwähnenswert sind, sind:

ABFALL	ANWENDUNG
Tannine	Antioxidantien, natürliche Konservierungsstoffe, Gerbstoffe, Kosmetika und Futtermittelzusatzstoffe.
Anthocyane	Natürliche Farbstoffe in Lebensmitteln und Kosmetika
Flavonoide	Entzündungshemmer und Nahrungsergänzungsmittel
Polysaccharide	Lebensmittelstabilisatoren und Kosmetikprodukte.
Kernöl	Kosmetik und gesunde Ernährung (reich an Linolsäure)

5. Zusammenfassung

Die Weinindustrie spielt weltweit sowohl in wirtschaftlicher als auch in ernährungsphysiologischer Hinsicht eine herausragende Rolle. Traditionell mit europäischen Ländern verbunden, hat sich in den letzten Jahrzehnten ein hart umkämpfter globaler Markt entwickelt, der durch den Aufschwung der Schwellenländer vorangetrieben wird. Dieses Wachstum wurde durch klimatische Veränderungen und Fortschritte im technischen Wissen über Anbau, Weinlese und Produktionsprozesse beeinflusst.

Diese Branche zeichnet sich durch einen hohen Wasserverbrauch aus, insbesondere in den Phasen der Weinherstellung und Reinigung. Infolgedessen entstehen Abwässer mit einer hohen organischen Belastung (hoher CSB-Wert) und einer Vielzahl von Schadstoffen, die von Rückständen von Reinigungs- und Pflanzenschutzmitteln bis hin zu Restzucker und Tanninen reichen.

Herkömmliche Behandlungsverfahren haben oft Schwierigkeiten, sich an die saisonalen Schwankungen, die Variabilität und die Instabilität dieser Abwässer anzupassen. Vor diesem Hintergrund ergibt sich die Notwendigkeit, die Produktionsprozesse zu optimieren, um sowohl das Volumen als auch die Schadstoffbelastung der Abwässer zu minimieren. Zudem kann die Trennung konzentrierterer Abwasserströme deren spätere Verwertung erleichtern.

Der Weinbau verursacht erhebliche Mengen an Abwasser, das hauptsächlich beim Reinigen von Geräten, bei der Gärung, der Weinbereitung und der Reinigung der Anlagen anfällt. Durch eine angemessene Bewirtschaftung und Verwertung dieser Abwässer lassen sich nicht nur die Umweltbelastung verringern und die geltenden Vorschriften einhalten, sondern auch wertvolle Ressourcen wie Wasser, Energie und Nebenprodukte zurückgewinnen.

Die Einführung nachhaltiger Strategien und fortschrittlicher Aufbereitungstechnologien trägt nicht nur dazu bei, die Umweltbelastung zu verringern, sondern bietet auch Chancen für Innovation und Rentabilität. Der Übergang zu einem Kreislaufwirtschaftsmodell im Weinsektor ist technisch und wirtschaftlich machbar und entwickelt sich zu einem entscheidenden Faktor für die Aufrechterhaltung der Wettbewerbsfähigkeit in einem Umfeld, das aus ökologischer Sicht immer anspruchsvoller wird.

Literaturverzeichnis und Quellenangaben

• Codorniu Group – Nachhaltigkeitsbericht 2023.
• OIV (Internationale Organisation für Rebe und Wein) – Technisches Handbuch zur Nachhaltigkeit.
• Ministerium für den ökologischen Wandel – Leitfaden für umweltfreundliche Praktiken in Weinkellereien.
• Behandlung und Verwertung von Abwässern aus der Agrarindustrie.
• Zeitschrift „Ingeniería del Agua“, Band 29, Nr. 4, 2024.