综述：用于酿酒废水处理和管理的全尺寸人工湿地综述

《Current Opinion in Environmental Science & Health》：A review of the full-scale constructed wetlands for the treatment and management of winery wastewater

这篇综述系统总结了近25年来全球范围内人工湿地（CWs）处理酿酒废水（WWW）的全尺寸应用案例，归纳了水平潜流（HF-CW）、垂直潜流（VF-CW）和复合型（Hybrid-CW）三种主要湿地类型的运行参数（如有机负荷率OLR: 15.74-315 gCOD m?2 d?1）与处理效能（COD去除率62%-99%），并分析了其应对水质波动、堵塞等运行挑战的策略与废水回用机遇，为推广该自然生态解决方案（NbS）提供了实践视角。

　　

1. 引言

葡萄酒生产通常被视为环境可持续的过程，然而其过程消耗大量资源并产生可观的废水流。酿酒废水（Winery Wastewater, WWW）的不当管理可能导致水体污染、富营养化和土壤退化。尽管有多种传统处理系统用于WWW，但它们在高流量和污染物负荷变化的季节性期间常常报告处理效率下降。

人工湿地（Constructed Wetlands, CWs）作为一种自然生态解决方案（Nature-based Solutions, NbS），因其高污染物去除效率、对进水负荷变化的适应性以及较低的运行和维护成本，在弥补WWW处理缺口方面的应用日益增长。本综述旨在汇总和审视用于WWW处理的全尺寸CWs应用，比较不同CWs类型的关键运行参数、污染物处理性能、出水水质和管理策略，与现有综述相比提供更实用的视角，并旨在促进处理后的WWW的回用。

2. 酿酒废水的特性

WWW的特性在一年中变化很大，因此在量（体积）和质（污染物负荷）方面表现出巨大的波动性。研究表明，每生产1升葡萄酒，大约会产生1至8升的WWW。同样，WWW中的污染物负荷在全年也显示出高度的季节性变化。这种巨大的变化与葡萄收获季节（vintage season）相关，在此期间葡萄被加工以生产葡萄酒。例如，化学需氧量（Chemical Oxygen Demand, COD）浓度范围可在6至45,600 mg L^-1之间，五日生化需氧量（Biological Oxygen Demand, BOD₅）在4至16,500 mg L^-1之间。

3. 用于酿酒废水处理的人工湿地

本研究通过文献检索，识别了2001年至2024年间26项关于全尺寸CWs处理WWW的研究。从这些案例中提取并比较了CWs的设计和性能特征。最早关于全尺寸CWs处理WWW的出版物报道了2001年意大利锡耶纳附近酒庄的三个案例研究。随后，更多案例研究在南非、法国、西班牙、美国、加拿大、澳大利亚和坦桑尼亚等国发表。在案例研究中，垂直潜流人工湿地系统（Vertical Subsurface Flow Constructed Wetland, VF-CW）最为常见，有11项案例研究，全部位于加拿大和法国；其次是8项水平潜流人工湿地（Horizontal Subsurface Flow Constructed Wetland, HF-CW）和7项复合人工湿地（Hybrid Constructed Wetland, Hybrid-CW）。关于植被，最常见的物种是芦苇（Phragmites australis）、香蒲属（Typha spp.）和水葱（Schoenoplectus tabernaemontani），通常与其他物种混种。

3.1. 水平潜流人工湿地（HF-CW）

HF-CWs是水在种植有挺水植物的基质下水平流动的潜流人工湿地。所有已识别的HF-CW案例研究均专门处理WWW。其表面积范围从24到4,400 m²。HF-CWs在广泛的水力负荷率（Hydraulic Loading Rate, HLR）23至313 mm d^-1和有机负荷率（Organic Loading Rate, OLR）20至315 g COD m^-2 d^-1下运行。尽管进水COD浓度变化巨大，HF-CWs显示出管理这种高变异性的能力。最高的水力停留时间（Hydraulic Retention Time, HRT）为17.5天，同时实现了超过99%的COD去除率。相比之下，在高三倍OLR下运行的系统实现了较低的COD去除。最低的COD去除率报告为62%，这可能是由于预处理后进水浓度较低所致。总体而言，仅处理WWW的HF-CWs的COD处理性能范围在62%至99%之间。实现90%以上COD去除的案例研究表明，当HF-CWs在OLR 50-90 g COD m^-2 d^-1 和HLR 70-100 mm d^-1范围内运行时，性能可靠。

3.2. 垂直潜流人工湿地（VF-CW）

VF-CWs是水垂直流过种植有挺水植物的基质的潜流系统。案例研究有单级或串联运行，其中大多数处理WWW与生活污水的混合废水。系统面积从16到1,200 m²不等。VF-CWs在HLR 39至165 mm d^-1 和OLR 34至280 g COD m^-2 d^-1范围内运行。尽管VF-CWs是报告最多的CW类型，但很少有研究提供详细的COD去除数据。总体而言，VF-CW的COD去除范围在50%至98.9%之间。在最大的VF-CW中，记录了超过八年运行期间的高COD去除率，这归因于使用了有效的一级处理。另一项案例研究报道了一个在较高HLR和较低OLR下运行的四级串联VF-CW系统，实现了98.9%的COD去除，且在冷暖和温暖时期之间没有显著的季节性变化。总体而言，考虑COD去除效率≥90%的案例研究，表明VF-CW系统在OLR 30-60 g COD m^-2 d^-1 和HLR 60-165 mm d^-1范围内运行时具有良好的性能。

3.3. 复合人工湿地（Hybrid-CW）

复合人工湿地（Hybrid-CW）是指由多种类型CW串联运行的系统。大多数Hybrid-CWs配置为VF-CW后接HF-CW；有些还包括表面流人工湿地（Free-Water Surface CW, FWS）作为精处理步骤。Hybrid-CWs的面积范围从60到3,010 m²。它们在HLR 13至137 mm d^-1 和OLR 15.7至160 g COD m^-2 d^-1下运行。Hybrid-CWs能够将出水COD浓度维持在相对稳定的范围，且无异常值。Hybrid-CWs的去除效率取决于CW类型及其配置。报告的COD去除效率范围在73.3%至97.8%之间。案例表明，在VF-CW后接HF-CW的配置下，平均COD去除率可达77%。通过增加FWS作为最终阶段，可以获得更高的COD去除率。而将法国垂直流CW（French VF-CW）作为第一处理阶段，即使在高OLR下也能维持高COD去除水平。报告COD去除率≥90%的案例研究表明，Hybrid-CWs可以为WWW处理提供可靠的性能，特别是在OLR 20–160 g COD m^-2 d^-1 和HLR 56–83 mm d^-1下运行时。

4. 运行挑战与机遇

在许多中小型酒庄，废水通常直接排入CW，这可能导致基质堵塞，这是CWs的主要运行问题之一，可能显著降低污染物去除率。适当的预处理/一级处理，如法国VF-CWs，有助于防止堵塞并维持高性能。有机负荷的季节性变化也会影响CW性能。设计具有足够容量应对负荷波动的CWs至关重要，WWW回流可能是一种有价值的操作。另一种选择是使用均质池，特别是对于仅处理WWW的CWs。使用FWS作为最后阶段，可以通过残留固体的沉淀降低出水COD浓度，同时缓解水力峰值。在线水质传感器的使用可以为CW操作员的运行和维护活动提供额外支持。

值得注意的是，WWW的特征是营养物浓度相对较低，这可能对植物生长产生负面影响。如果需要，可以在启动阶段使用肥料以促进植被生长。种植在CW中的植被应耐受WWW中因酚类和单宁产生的植物毒性。研究发现，某些物种对WWW植物毒性的耐受性比其他物种更强。在所审查的系统中，地下出水排放是最常采用的处置策略。值得注意的是，在分析的26个CWs中，有3个案例将处理后的WWW回用于灌溉，这些案例都位于水资源短缺地区；另有一个案例将处理水回用于厕所冲洗。一些障碍继续限制着处理后WW的回用，包括缺乏一致的监管框架、对再生水的普遍负面看法以及公众意识水平低。例如在欧洲，欧盟法规741/2020旨在促进和简化农业灌溉用水的回收利用。

5. 结论

本综述总结了过去25年来全球26个用于WWW处理的全尺寸CW应用案例。总体而言，CW在HLR 50–120 mm d^-1 和OLR 30-90 g COD m^?2 d^?1下运行可实现高COD去除。然而，实施预处理、回流和均质池已被证明是防止堵塞、缓解有机和水力峰值以及维持高性能的有效策略。

目前，在所审查的酒庄中，仅有15%实施了WWW的回用。通过回用处理后的WWW，酒庄可以减少水足迹，并满足消费者对可持续实践的需求。此外，通过仔细选择植被、基质组成和系统布局，CWs可以被设计为多功能基础设施，不仅提供有效的废水处理，还具有美学和教育价值。一些意大利酒庄已经将CWs融入其品牌叙事中，强化了其对企业环境责任的承诺，并加强了公众对自然生态解决方案的参与。