農(nóng)村灰水處理技術(shù)研究進展

邢佳宇

(沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168)

農(nóng)村污水主要分為2類，分別是黑水和灰水。灰水[1]是指住宅、公共建筑等場所排出的未被糞便污染的生活污水。對于農(nóng)村來說，主要是指除廁所污水以外的農(nóng)村生活污水，其主要由日常生活的洗滌廢水、洗漱廢水、洗浴廢水以及廚房用水構(gòu)成。與黑水相比，灰水的污染程度較低，污染物含量低，故所需處理方式的要求相對不高。灰水的回用潛力較其它廢水要高，故開展簡易高效的處理技術(shù)研究，可有效地緩解農(nóng)村地區(qū)的缺水問題。

1 農(nóng)村污水現(xiàn)狀及特點

近年來，隨著我國經(jīng)濟水平不斷提高和工業(yè)產(chǎn)業(yè)的高速蓬勃發(fā)展，造成了生態(tài)環(huán)境不斷惡化，特別是水環(huán)境的破壞十分嚴(yán)重。因此，越來越多的人開始意識到保護水資源的重要性。然而，我國人口基數(shù)大，農(nóng)村人口比重占據(jù)龐大，生活水平的逐漸提高導(dǎo)致農(nóng)村生活污水的總排放量以及各種污染物濃度呈幾何式速度增長。由于近年來農(nóng)村地區(qū)大力發(fā)展農(nóng)牧業(yè)、旅游業(yè)、化工企業(yè)等，所產(chǎn)生的污染物隨意排放河流，加上大部分農(nóng)村地區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)的不健全，居民將未經(jīng)處理的污水直接倒入房前水溝、河流以及直接潑灑地面等，造成水體富營養(yǎng)化、水體自凈能力急劇下降，對農(nóng)村居民的飲用水安全和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成潛在的威脅。

目前，我國針對灰水的處理處于起步和發(fā)展階段。一般來說，灰水的回用途徑主要有廁所沖洗用水，灌溉用水，洗車用水，綠化用水，景觀用水。對此，我國也制定了相關(guān)回用標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過處理的回用水需要滿足《城市污水再生利用 農(nóng)田灌溉用水水質(zhì)》《城市污水再生利用 城市雜用水標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)。

2 灰水中LAS的去除研究進展

我國農(nóng)村灰水中，洗滌、洗漱廢水比重占絕大部分。我國是洗滌劑消費大國，在當(dāng)前市場，我國主要消費的洗滌劑中所造成水環(huán)境污染的主要成分是由十二烷基苯磺酸鈉構(gòu)成陰離子表面活性劑[3]。目前國內(nèi)外針對LAS的去除主要有物化處理法、生物處理、生態(tài)處理及聯(lián)合處理4類。

2.1 物化處理法

物化處理方法是利用理化性質(zhì)去除廢水中LAS，物化處理應(yīng)用較為廣泛，方法有以下幾種，如泡沫分離法、吸附法、膜分離法、混凝沉淀法、微電解法以及催化氧化法。

筆者認為，未來可將物化處理法作為預(yù)處理階段應(yīng)用到整體的農(nóng)村灰水處理設(shè)施中。

2.1.1 泡沫分離法

泡沫分離是將LAS廢水中的大氣泡上浮至表面，對泡沫進行分離縮聚，最后去除泡沫來提升水質(zhì)。泡沫分離法作為去除廢水表面活性劑方法中一種很有前景的方法，該方法具有簡單、低成本的特點，但存在表面活性物質(zhì)難以回收等問題。

李磊等[4]考察了不同級別的泡沫對日常廢水中的LAS去除效果，研究發(fā)現(xiàn)，三級泡沫分離法對LAS去除效果最佳，同時發(fā)現(xiàn)當(dāng)進水陰離子表面活性劑濃度較高時會對后續(xù)處理產(chǎn)生影響。結(jié)果表明，當(dāng)進水表面活性劑濃度為30mg·L-1，停留時間為20min時，LAS去除率為98%，出水滿足回用標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2 吸附法

吸附法在目前研究中對去除陰離子表面活性劑應(yīng)用較多，一些吸附劑如活性炭、煤、多壁碳納米管、殼聚糖、沸石等被用于去除廢水中的表面活性劑。膜過濾對有機污染物的截留能力強，但需要經(jīng)常清洗以恢復(fù)滲透通量，消耗更多的能量。為了減輕這些問題，需要將膜過濾與額外的預(yù)處理工藝相結(jié)合。

2.1.3 混凝沉淀法

混凝沉淀法是領(lǐng)域內(nèi)較為常用的污水處理技術(shù)。在混凝過程中，會發(fā)生幾個物理化學(xué)步驟：快速混合，緩漫混合(絮凝)，沉淀，吸附和過濾[5]。傳統(tǒng)混凝劑(硫酸鋁和氯化鐵)的應(yīng)用效果不理想，在實際過程中可將二者共同作為投藥包使用，或者在處理過程中投加助凝劑以便混凝沉淀完全。

練文標(biāo)等[5]采用混凝的方法降解廢水中LAS，考慮經(jīng)濟和市面等因素，試驗選擇PAC、PFS作為混凝劑，助凝劑選擇聚丙烯酰胺，在水樣pH調(diào)節(jié)方面，選擇CaO、NaOH兩者中最佳樣品。試驗表明，試驗中選擇CaO作為調(diào)節(jié)劑時的處理效果要比NaOH好，水樣控制在中性或者弱堿性，投藥包選擇PAC、PFS共同投加，廢水的COD、LAS以及色度的去除率可達70%、82%和85%。

2.1.4 微電解法

微電解作為一種動態(tài)的電解反應(yīng)，其是利用活性炭吸附污染雜質(zhì)，由于水具有導(dǎo)電性，在外加電場的作用下，達到污染物的分解電壓進行去除。

劉振宇等[6]利用微電解反應(yīng)器降解LAS廢水，試驗選擇鐵作為陰極，內(nèi)徑為4cm的石墨作為裝置的陽極，在吸附飽和后進行試驗。結(jié)果表明，在電壓為20V的情況下，LAS的去除率可達到65%左右。

2.1.5 催化氧化法

催化氧化法利用催化劑的本身性質(zhì)進行水處理。高建峰等[7]以NiO/活性炭作為催化劑進行污水中LAS的去除，在試驗過程中加入H2O2催化氧化廢水，試驗討論了在不同H2O2投加量、不同催化劑種類和比例、不同溫度以及不同pH的條件下NiO/活性炭對降解LAS的效果。結(jié)果表明，試驗的最佳溫度為50℃，H2O2最佳投加量為5mmol·L-1，水樣呈弱酸性時降解效果最佳，可達80%。

2.2 生物處理法

在生物處理領(lǐng)域，灰水中LAS的去除探索主要集中在需氧研究上，因其對厭氧微生物有一定的抑制作用。從不同環(huán)境中分離出的功能性微生物是去除LAS的新興方法，目前常見LAS生物降解豐富的屬，包括梭狀芽孢桿菌、小桿菌、脫硫弧菌、假單胞菌和克雷伯氏菌等。

陳嘉祺[8]將生物接觸氧化工藝和曝氣生物濾池工藝組合進行洗滌廢水中LAS的處理，試驗選擇MBBR填料作為試驗最終掛膜填料。經(jīng)過微生物掛膜后，該組合工藝對污染物的去除效果較好，滿足一級出水要求，LAS也得到深層次降解，其中COD的去除率為90%，LAS的去除率可達96%。在最佳停留時間方面，接觸氧化占據(jù)20h，生物濾池占1h。

2.3 生態(tài)處理法

傳統(tǒng)生態(tài)處理法包括水平流人工濕地，垂直流人工濕地，生態(tài)濾池及土地滲透系統(tǒng)等。研究發(fā)現(xiàn)，人工濕地是一種管理操作簡易、可最大化利用自然生態(tài)系統(tǒng)的處理工藝，故其可替代傳統(tǒng)污水的處理工藝，其具有運行成本低、維護方便等優(yōu)點，尤其適合于小村莊。

2.4 聯(lián)合處理

每種處理方法都有各自的優(yōu)缺點，見表1。單級處理無法符合大多廢水回用標(biāo)準(zhǔn)中允許限量的優(yōu)質(zhì)處理廢水，聯(lián)合處理是解決此類問題的有效手段。

表1 不同LAS廢水處理方法的優(yōu)缺點對比

陳歡歡[9]以吸附-生物處理系統(tǒng)對農(nóng)村灰水中LAS進行凈化處理，試驗裝置經(jīng)過一個月的時間完成掛膜工作，選擇牡蠣殼作為試驗填料，對LAS的去除率為99.85%，但隨著時間的增長，由于LAS本身具有毒性，填料上微生物屬的活性和豐富度會隨之下降。

3 農(nóng)村灰水處理的研究進展

3.1 物化處理工藝

灰水的物化處理工藝是應(yīng)用理化性質(zhì)對灰水中COD、氨氮等污染物的降解以及對懸浮物質(zhì)的去除，方法應(yīng)用廣泛，如物理過濾、電化學(xué)法處理等。

3.1.1 物理過濾

物理過濾是指在水流推動力的作用下通過填料(如砂土、卵石等)的攔截作用去除灰水中的SS。濾料的選擇需要根據(jù)出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)以及當(dāng)?shù)貤l件進行篩選，同時濾料的定期反沖洗也極為重要，反沖洗可將過濾系統(tǒng)內(nèi)剩存的殘渣進一步去除以防止過濾系統(tǒng)堵塞。但往往采用單獨的物理過濾方法處理時，難以得到優(yōu)質(zhì)的處理效果，不能達到回用標(biāo)準(zhǔn)，因此目前多采用多種過濾聯(lián)用的方式，或是將物理過濾作為整體灰水處理系統(tǒng)的預(yù)處理階段等方式處理生活灰水。

顧麗等[10]針對小區(qū)日常生活洗衣廢水中LAS的去除，制作了一套人工快濾系統(tǒng)，介質(zhì)為天然土壤，在室溫條件下經(jīng)過2個多月的運行，其對污水中的COD、TP、陰離子表面活性劑等污染物的平均去除率分別可達到79.8%、60.2%和99%。結(jié)果表明，該系統(tǒng)對日常生活洗衣污水中的LAS、COD及氨氮等污染物具有良好的去除效果。

3.1.2 電化學(xué)處理

灰水的電化學(xué)處理方法應(yīng)用廣泛，主要利用水體的導(dǎo)電性，電極材料的理化性質(zhì)進行污染物質(zhì)的吸附去除等。應(yīng)用電化學(xué)處理灰水的優(yōu)勢：可降解灰水中的污染物、污染程度小；可消毒灰水，使出水水質(zhì)達標(biāo)。

3.2 生物處理工藝

3.2.1 膜生物反應(yīng)器工藝(Membrane bioreactor，MBR)

膜生物反應(yīng)器是一項近年來應(yīng)用較多的污水處理技術(shù)，該技術(shù)將膜系統(tǒng)和生物處理系統(tǒng)相聯(lián)合，膜的應(yīng)用提高了系統(tǒng)滲透過濾的效率，生物系統(tǒng)加上膜可以增強微生物活性從而可提高活性污泥濃度。由于反應(yīng)器系統(tǒng)中膜的良好截留能力可實現(xiàn)對污水的凈化，且反應(yīng)器內(nèi)的微生物降解作用也可使污水達到深度凈化。

張燕燕等[11]將膜生物反應(yīng)器和曝氣生物濾池聯(lián)合啟用用于灰水的凈化，使其出水可滿足沖廁回用。研究表明，這2種反應(yīng)器經(jīng)過不同季節(jié)凈化后均可得到優(yōu)質(zhì)的出水，在12月—第2年2月和7—9月出水的COD、氨氮分別可以達到20mg·L-1、0.3NTU和35mg·L-1、4NTU，過濾周期可達60h，出水水質(zhì)可滿足沖廁回用標(biāo)準(zhǔn)。

伏小勇等[12]利用生物接觸氧化法處理家庭洗浴污水，將軟性泡沫作為填料研究了不同水力停留時間、COD容積負荷時對各污染物去除效果的影響。結(jié)果表明，在停留時間1.2h，出水COD≤55mg·L-1時，對各污染物去除效果最佳，符合雜用水回用標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.2 曝氣生物濾池(Biological aerated filter，BAF)

曝氣生物濾池是一種新型污水處理工藝，與其他膜生物反應(yīng)器相比，BAF的優(yōu)勢在于系統(tǒng)占地面積小建設(shè)成本較低、有機負荷高、膜上生物量更豐富，以及不會產(chǎn)生污泥膨脹現(xiàn)象。但是其對進水的懸浮固體濃度要求較高，故常常需要對進水進行預(yù)處理。

陳建軍等[13]構(gòu)建一種生態(tài)濾池處理系統(tǒng)處理農(nóng)戶灰水，并計劃在不同的水力負荷和溫度的條件下進行試驗，試驗表明，當(dāng)該濾池系統(tǒng)的水力負荷條件達到0.18m·d-1時，灰水中各污染物可以最大化降解，其中COD、總氮、NH3-N、TP的去除率分別為74.6%、57.5%、72.3%、50.2%，出水滿足灌溉回用標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 生態(tài)處理工藝

常見的生態(tài)處理工藝有穩(wěn)定塘系統(tǒng)、濕地處理系統(tǒng)以及生態(tài)墻處理工藝等。

植物塘系統(tǒng)是通過人工種植的植物在塘中吸收水中污染物，系統(tǒng)中的微生物以塘內(nèi)污染物為營養(yǎng)，將水中污染物吸收，植物系統(tǒng)為微生物提供良好的生長環(huán)境，從而凈化灰水。植物穩(wěn)定塘處理系統(tǒng)的優(yōu)勢在于系統(tǒng)操作簡便，運行費用較低，因此是一種可大量被投產(chǎn)應(yīng)用的系統(tǒng)。

生態(tài)墻技術(shù)是近年來一種應(yīng)用綠色植被作為污水處理的新興技術(shù)，是指在房屋面設(shè)置一墻面，選擇一種可附著在墻面生長或不需要寄生在其他物種上生長的綠色植被種植在該墻面上。生態(tài)墻技術(shù)大大提高了觀賞性，不僅可美化城市，而且還可凈化日常灰水。

王凱軍等[14]構(gòu)建了一種人工濕地系統(tǒng)，其系統(tǒng)模型是以微型復(fù)合垂直流為濕地構(gòu)建基礎(chǔ)，以滴水觀音為濕地植物。研究系統(tǒng)對農(nóng)村灰水的凈化效果，選擇沸石、砂土、土壤、卵石作為濕地系統(tǒng)的填料，結(jié)果表明，該系統(tǒng)對灰水中的COD、TN的去除率分別可達70.1%和98.6%，出水水質(zhì)滿足回用標(biāo)準(zhǔn)，可用于家庭沖廁、農(nóng)田灌溉等回用方式。

4 結(jié)語

水資源短缺是一項嚴(yán)重的全球性挑戰(zhàn)。隨著水資源可持續(xù)發(fā)展理念時效性推進，基于污水分質(zhì)收集理念，農(nóng)村地區(qū)灰水處理與回用，已逐漸成為鄉(xiāng)村節(jié)水途徑的新模式。目前我國灰水資源化工作仍處于起步階段，對待農(nóng)村灰水處理與回用等問題應(yīng)提高認知。我國農(nóng)村人口基數(shù)大，分布廣且分散，所以技術(shù)上應(yīng)因地制宜，優(yōu)化灰水處理與回用的措施，在管理與制度上也應(yīng)當(dāng)提高保障。筆者認為保護水環(huán)境是刻不容緩的，灰水回用對水資源短缺的地區(qū)來說是一劑“良藥”，應(yīng)當(dāng)統(tǒng)籌推進農(nóng)村灰水的資源化利用，建設(shè)綠水青山。