國內外灰水處理技術研究進展

李云，何志琴,2，夏訓峰，陳盛

1.生態環境部土壤與農業農村生態環境監管技術中心 2.中國環境科學研究院

傳統生活污水收集處理方式是將各種生活污水匯合到公共收集管道，再進入污水處理站處理。該處理方式需配套污水收集管網，建設成本高，而且污水混合后難以實現資源化利用，造成資源和能源的浪費。近期，十部委聯合發文，要求加快推動污水資源化利用。生活污水分質收集、處理和資源化利用成為污水處理領域的研究熱點[1-3]。分質收集是將各類生活污水〔如黑水(黃水、褐水)和灰水〕實現源分離，使后端可根據各類污水特點有針對性地進行處理或資源化利用。生活污水中的灰水由于產生量大、污染物濃度低、病原微生物少，選用適當的技術處理后進行回用的潛力巨大。

1 生活污水分質收集

生活污水來自洗漱、淋浴、洗衣、沖廁以及廚房等用水，根據來源一般可分為黑水和灰水2類。黑水指的是衛生間糞污及沖廁混合廢水，黑水又可分為黃水和褐水。黃水指的是尿液，其中97%的成分是水，其含氮量很高，黑水中88%的氮、67%的磷和73%的鉀來自黃水[4]，黃水可以制取葉面肥、簡單發酵后還田或處理后回用沖廁等。褐水指的是糞便，其有機物濃度較高，可通過發酵制取肥料、厭氧消化產沼氣、發電等途徑實現資源化利用?；宜袡C物濃度低，選用適當的技術處理即可達標排放或回用，可用于農田灌溉、沖廁、景觀及綠化用水。生活污水通過分質收集可以實現資源化利用(圖1)。

圖1 生活污水分質收集及資源化利用示意Fig.1 Schematic diagram of quality-based separation collection and resource utilization of domestic wastewater

2 灰水水量、水質特點

灰水主要來源于廚房、浴室、洗手池、洗衣房等，根據各地自然地理氣候、經濟發展水平、供水狀況、文化和生活習慣的不同，灰水的排放量差別很大，一般國家或地區家庭灰水產生量為20～225 L/(人·d)，南非、約旦和馬里等缺水國家，家庭灰水產生量為50 L/(人·d)以下[5]。不同國家和地區的家庭每天排放的灰水占生活污水比例也有明顯的差異，為13%～80%[6-9]。

灰水主要含有一定量的有機物、氮磷無機鹽以及少量油脂、表面活性劑、微生物等，也有文獻[10]報道在灰水中檢測出一些微量污染物，如藥物、激素類等?；宜锌倯腋」腆w(TSS)主要是洗滌物品時清洗下來的泥沙、黏土等雜物。日常生活洗浴過程(如洗手、洗澡、洗衣、洗碗等)往往要加入一些清洗劑，因此產生的灰水含有一些表面活性劑及氮、磷等營養元素。

灰水的水質情況與供水水質、飲食生活習慣等相關，不同地區不同家庭差異很大。國內外文獻[11-20]報道的灰水主要污染物濃度見表1。從表1可以看出，灰水COD為76～1 461 mg/L，BOD為 33～296 mg/L，SS濃度為47～670 mg/L，濁度為24～559 NTU，TN濃度為7.14～54 mg/L，氨氮濃度為1.58～47 mg/L，TP濃度為0.3～5.2 mg/L，總大腸菌群數為0.6～4×107個/(100 mL)，每個指標最小值與最大值相差幾十倍至幾個數量級不等。整體來看，綜合灰水有機物濃度相對低，BOD/COD為0.3～0.8，可生化性較強。Li等[21]曾報道了各類灰水水質情況，其中廚房灰水BOD、TSS濃度、TN濃度和大腸菌群數最高，洗衣灰水COD、濁度、TP濃度最高，浴室灰水和綜合灰水污染物濃度偏低。目前，關于單獨處理廚房灰水的文獻報道較少，因為廚房灰水有機物和氮濃度高，一般將廚房灰水與其他洗浴廢水混合，以達到適宜的COD∶N∶P，提高生物降解性能。

表1 灰水水質情況Table 1 Greywater quality

3 灰水處理技術

國外對灰水處理技術的研究起步較早，經過幾十年的發展，灰水處理技術體系已初步形成?，F有灰水處理技術可以分為物理類、化學類、生物類、生態類及集成類技術。下面對相關技術研究進展進行介紹。

3.1 物理類處理技術

物理類處理技術主要包括過濾和吸附技術。吸附技術處理能力有限，一般不單獨用來處理灰水，多與其他技術組合應用。過濾技術是通過物理截留和吸附作用去除有機物，具有處理效果好、環境友好的特點。廣義上的過濾技術包括濾料過濾和膜分離。

Dalahmeh等[22]對比了松樹皮、活性炭、聚氨酯泡沫和砂石4種濾料對灰水的處理效果，發現松樹皮和活性炭對BOD去除效果最好，去除率可達98%和97%，對表面活性劑和TP去除率也達到90%以上，經過松樹皮和活性炭過濾處理的灰水可以達到灌溉用水標準。Samayamanthula等[7]采用填充活性炭、沙子和礫石的重力過濾設施(有效容積1 167 m3)對灰水進行處理(圖2)，處理后的灰水TDS從 4 910 mg/L降至1 508 mg/L，pH從10.29降至7.94，過濾設施對色度、TDS、濁度、總大腸菌群去除率分別達到95%、52%、88%和100%，出水水質好于地下水水質。Charchalac-Ochoa等[23]研究了不同粒徑(0.3和0.6 mm)的聚丙烯飛織布作為間歇砂濾介質對灰水的處理效果，結果表明，間歇砂濾對SS和COD的去除率分別為25%～85%和3%～30%，連續運行60 d，出水水質較穩定。

圖2 灰水過濾處理技術流程示意[7]Fig.2 Diagram of greywater filtration technology

Reang等[24]采用旋轉超濾膜(UF)+反滲透膜(RO)組合工藝對洗衣灰水進行處理，研究發現，UF對灰水的濁度和BOD去除率分別達到88.1%和62.1%，經過RO處理后，濁度和BOD去除率分別達到99.6%和93.1%，UF+RO組合處理還能回收洗衣廢水中的表面活性劑。Boddu等[25]采用預處理+低壓RO膜對灰水進行處理，先從9種商用RO膜中篩選性能較優的，然后研究3種不同預處理方式(10 μm過濾器過濾、0.2 μm微濾、生物過濾+0.2 μm微濾)對RO膜性能的影響，結果表明：過濾器能有效降低灰水中的COD，但RO水通量下降很快；微濾膜水通量降幅較平穩，但COD截留率較低；生物過濾+微濾組合預處理技術表現最優，但需要進一步核算成本。

3.2 化學類處理技術

化學類處理技術主要通過催化、氧化等化學反應降解有機物。目前采用化學類技術處理灰水的文獻較少，已報道的有光催化氧化、光芬頓、臭氧、雙氧水、紫外、絮凝等技術。

Sanchez等[26]采用二氧化鈦光催化技術處理酒店灰水以達到再利用目的，考察了不同二氧化鈦用量(0.5、1、2、3 mg/L)對總有機碳(TOC)和陰離子表面活性劑的去除效果，結果表明，可溶性有機碳(DOC)的去除率與催化劑用量不成正比，低濃度灰水在150 min反應時間下，對DOC和陰離子表面活性劑的去除率分別為65%和100%，對高濃度灰水處理效果不太理想。Tony等[27]采用芬頓工藝處理灰水，在pH為3，Fe3+濃度為40 mg/L，H2O2濃度為200 mg/L，反應15 min時，COD最大去除率達到95%。同時還對比了采用介孔碳吸附處理效果，在pH為3，反應1 h時，對COD的去除率達到了81%。二者組合處理可減少芬頓藥劑用量，COD去除率為93%，該技術具有一定的實際應用前景。Hassanshahi等[14]對比研究了光芬頓、O3/H2O2/UV和光催化3種技術對灰水的處理效果，同時采用響應曲面優化相關反應參數，結果表明，O3/H2O2/UV對灰水的處理效果最好，對COD和濁度的去除率分別為92%和93%，O3濃度、H2O2濃度、反應時間、pH是重要的影響因素。Chang等[28]采用絮凝技術處理灰水，COD和陰離子表面活性劑濃度分別降低70%和90%，但僅靠絮凝無法使處理后的水達到再生回用標準，需要輔助其他技術。

3.3 生物類處理技術

生物類處理技術主要通過活性污泥對污染物的吸附、氧化、降解等達到污水凈化效果。常見灰水生物處理技術包括膜生物反應器(MBR)、序批式生物反應器(SBR)、上流式厭氧污泥床(UASB)、集成固定膜活性污泥系統(IFAS)等。

MBR是將傳統活性污泥法與膜分離技術結合的一種處理技術。MBR通過膜的作用截留活性污泥微生物，提高活性污泥濃度，強化生物處理效果，且膜對懸浮物去除效果好、耐沖擊負荷能力強，因此在灰水處理領域受到重視。Fountoulakis等[15]在原位灰水處理模式下，采用浸沒式膜生物反應器對灰水進行處理，該系統連續運行1年，COD、SS和陰離子表面活性劑濃度分別從466、95和37 mg/L降至59、8和8 mg/L，去除率分別達到87%、92%和80%，對糞大腸菌群去除率達到100%，出水達到回用沖廁用水國際標準。Ding等[18]考察了低壓重力驅動膜生物反應器在實驗室條件下處理模擬灰水的可能性，結果表明，該膜生物反應器在不曝氣條件下處理灰水，其通量基本穩定在1 L/(m2·h)，膜污染較輕，無需進行膜清洗，相比曝氣MBR能耗較低。Liu等[29]采用孔徑為0.4 μm的浸沒式MBR處理低濃度灰水，COD從130～322 mg/L降至18 mg/L，氨氮濃度從0.6～1.0 mg/L降至0.5 mg/L以下，陰離子表面活性劑濃度從3.5～8.9 mg/L降至0.5 mg/L以下，出水水質較好。這說明通過活性污泥的生物降解作用能去除大部分污染物，通過膜的作用又進一步提高其他污染物的截留率，保證出水效果的穩定性。

3.4 生態類處理技術

生態類處理技術以土壤基質為載體，結合土壤中的微生物和土壤上下層結構中的植物、動物及其他基質填料，通過多種機制綜合作用實現污染物的去除。常見的生態類處理技術包括人工濕地、生態濾池、土壤滲濾等。這類技術由于性能好、成本低、維護方便等優勢，在農村生活污水處理中有廣泛的研究和應用。

Gross等[34]采用水平流人工濕地處理灰水，當水力停留時間為30 h時，處理后的灰水電導率從170 S/m提高到190 S/m，TN濃度從31 mg/L降至23 mg/L，TP濃度從48 mg/L降至46 mg/L，可以看出單一的濕地系統對TN和TP的去除能力有限。Comino等[35]構建了一個組合垂直流和水平流人工濕地反應器(設計規模為50 L/d)處理灰水，考察不同有機負荷、水力負荷和有無植被條件下對灰水的處理效果，結果表明，該反應器在有植被情況下的COD去除率比無植被情況高95%，且在高進水有機負荷(設計負荷的3倍)和高進水流量(設計進水流量的4倍)條件下，仍能取得好的去除效果。Ramprasad等[36]在屋頂構建了一個人工濕地系統(圖3)處理學生宿舍灰水，考察進水流量、水力停留時間和基質組分在濕地系統不同階段對灰水的處理效果，結果表明，該系統在連續運行1.5年時，對COD、TSS、NO3-N、TP、TN和糞大腸菌群去除率分別達到92.5%、91.6%、83.6%、87.9%、91.7%和91.4%，夏季和較長的停留時間時對污染物去除率更高。

圖3 屋頂人工濕地灰水處理系統結構示意[36]Fig.3 Structural diagram of roof constructed wetland treatment system to treat greywater

Ushijima等[37]構造了一個4層的傾斜土壤滲濾系統處理灰水，該系統對COD和陰離子表面活性劑的去除率分別為94%～97%和90%以上，出水陰離子濃度(2.3～3.3 mg/L)能達到灌溉用水標準。但該系統只有細粒徑土壤對大腸桿菌和MS2噬菌體具有去除作用，而細粒徑土壤3～5周就開始出現堵塞現象，需要對土壤粒徑進行合理配比，在保證灰水污染物去除效果的同時盡可能延長系統使用壽命。Jung等[38]構造了生態過濾器(圖4)，在為期12個月條件下對合成灰水中病原菌的去除效果進行研究，并對系統中植物類型、飽和區和抗菌材料等影響因素進行研究，發現在飽和區域停留時間2 d能提高大腸桿菌去除率，添加CuZ抗菌材料能提高大腸桿菌、糞腸球菌等病原菌的去除率，出水可用作沖廁用水或花園澆灌。Chen等[39]設計了一種階梯式生態過濾器處理農場灰水，系統共6層，從上到下依次是植被層(麥冬和杜鵑花)、土層(蚯蚓和山上收集的土壤)、礫石層、渣土層、支撐層和集水層。研究發現，系統最佳水力負荷為0.2～0.4 m3/(m2·d)，COD、TN、TP、濁度和陰離子表面活性劑去除率分別可達67.2%、54.5%、43.3%、67.6%和71.4%，該系統運行1年無基質堵塞現象，且冬季運行效果也較好。

圖4 生物過濾器結構示意[38]Fig.4 Schematic diagram of biofilter structure

3.5 各類技術處理效果對比

表2列舉了各類技術對灰水的處理效果。從表2可以看出，單純依靠物理過濾很難達到再生水回用標準。采用吸附性能好的材料作為過濾基質對灰水中的COD、TP和表面活性劑的去除率均能達到90%以上，但單一砂濾技術對COD和SS的去除能力有限，需要輔助其他技術，且濾料控制不當極易堵塞，后期沖洗和更換會增加成本和維護費用。膜分離技術能有效去除灰水中的SS、濁度和微生物等，但超濾和微濾對有機物去除能力有限，對氮、磷等污染物去除效果不明確，且膜分離技術成本相對較高。因此，物理類處理技術可以作為輔助處理技術，進一步提高出水水質。化學處理對COD和濁度能起到一定程度的去除作用，在處理低強度灰水時可降低灰水中的表面活性劑濃度，但處理高強度灰水的效果不太樂觀，不能穩定達到再生回用標準。

表2 不同類型技術灰水處理效果對比Table 2 Comparison of greywater treatment effects of different technologies

相比物理和化學類處理技術，生物和生態類處理技術表現優良，對COD、SS、濁度、TN、TP等都有很好的處理效果。MBR技術處理灰水出水水質好、污泥產量小、占地面積小，出水能穩定達到再生回用標準，但由于灰水有機物濃度低，可生化性不高，且碳氮比偏低，往往需要額外增加碳源，或與高濃度生活灰水混合后再處理。人工濕地和生態濾池等生態處理技術在處理性能、運行維護等方面具有很大優勢。對處理標準較高的地區，采用生態類與物理類集成技術處理生活灰水能達到較好的效果，且建設與運維成本相對較低，在農村地區具有極大的潛力。

4 展望

現有研究多集中在單一灰水處理技術，且缺乏關于能耗及成本的系統性研究。關于灰水處理全生命周期物質和能量遷移轉化過程及污染物去除機理尚不清晰。特殊地區灰水處理存在技術瓶頸，限定了灰水處理技術的應用。今后，灰水處理應該從以下方面開展相關工作：1)開展典型地區灰水水質特性解析，研究碳、氮、磷等主要元素在處理過程中的形態變化規律，以及各污染指標的去除機制，構建灰水安全高效循環利用技術路徑。2)開展典型地區灰水處理與資源化利用集成技術及裝備研究，尤其是寒冷地區，研究灰水處理設施保溫材料與方法，開發耐低溫、出水水質可調節的灰水分質處理與回用裝備具有重要意義。