國內(nèi)外灰水處理技術(shù)研究進(jìn)展

李云，何志琴,2，夏訓(xùn)峰，陳盛

1.生態(tài)環(huán)境部土壤與農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境監(jiān)管技術(shù)中心 2.中國環(huán)境科學(xué)研究院

傳統(tǒng)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(jìn)入污水處理站處理。該處理方式需配套污水收集管網(wǎng)，建設(shè)成本高，而且污水混合后難以實(shí)現(xiàn)資源化利用，造成資源和能源的浪費(fèi)。近期，十部委聯(lián)合發(fā)文，要求加快推動(dòng)污水資源化利用。生活污水分質(zhì)收集、處理和資源化利用成為污水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-3]。分質(zhì)收集是將各類生活污水〔如黑水(黃水、褐水)和灰水〕實(shí)現(xiàn)源分離，使后端可根據(jù)各類污水特點(diǎn)有針對(duì)性地進(jìn)行處理或資源化利用。生活污水中的灰水由于產(chǎn)生量大、污染物濃度低、病原微生物少，選用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)處理后進(jìn)行回用的潛力巨大。

1 生活污水分質(zhì)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(jù)來源一般可分為黑水和灰水2類。黑水指的是衛(wèi)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(jiǎn)單發(fā)酵后還田或處理后回用沖廁等。褐水指的是糞便，其有機(jī)物濃度較高，可通過發(fā)酵制取肥料、厭氧消化產(chǎn)沼氣、發(fā)電等途徑實(shí)現(xiàn)資源化利用?；宜袡C(jī)物濃度低，選用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)處理即可達(dá)標(biāo)排放或回用，可用于農(nóng)田灌溉、沖廁、景觀及綠化用水。生活污水通過分質(zhì)收集可以實(shí)現(xiàn)資源化利用(圖1)。

圖1 生活污水分質(zhì)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(zhì)特點(diǎn)

灰水主要來源于廚房、浴室、洗手池、洗衣房等，根據(jù)各地自然地理氣候、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、供水狀況、文化和生活習(xí)慣的不同，灰水的排放量差別很大，一般國家或地區(qū)家庭灰水產(chǎn)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(chǎn)生量為50 L/(人·d)以下[5]。不同國家和地區(qū)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(jī)物、氮磷無機(jī)鹽以及少量油脂、表面活性劑、微生物等，也有文獻(xiàn)[10]報(bào)道在灰水中檢測(cè)出一些微量污染物，如藥物、激素類等。灰水中總懸浮固體(TSS)主要是洗滌物品時(shí)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(chǎn)生的灰水含有一些表面活性劑及氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素。

灰水的水質(zhì)情況與供水水質(zhì)、飲食生活習(xí)慣等相關(guān)，不同地區(qū)不同家庭差異很大。國內(nèi)外文獻(xiàn)[11-20]報(bào)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(shù)為0.6～4×107個(gè)/(100 mL)，每個(gè)指標(biāo)最小值與最大值相差幾十倍至幾個(gè)數(shù)量級(jí)不等。整體來看，綜合灰水有機(jī)物濃度相對(duì)低，BOD/COD為0.3～0.8，可生化性較強(qiáng)。Li等[21]曾報(bào)道了各類灰水水質(zhì)情況，其中廚房灰水BOD、TSS濃度、TN濃度和大腸菌群數(shù)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(guān)于單獨(dú)處理廚房灰水的文獻(xiàn)報(bào)道較少，因?yàn)閺N房灰水有機(jī)物和氮濃度高，一般將廚房灰水與其他洗浴廢水混合，以達(dá)到適宜的COD∶N∶P，提高生物降解性能。

表1 灰水水質(zhì)情況Table 1 Greywater quality

3 灰水處理技術(shù)

國外對(duì)灰水處理技術(shù)的研究起步較早，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，灰水處理技術(shù)體系已初步形成?，F(xiàn)有灰水處理技術(shù)可以分為物理類、化學(xué)類、生物類、生態(tài)類及集成類技術(shù)。下面對(duì)相關(guān)技術(shù)研究進(jìn)展進(jìn)行介紹。

3.1 物理類處理技術(shù)

物理類處理技術(shù)主要包括過濾和吸附技術(shù)。吸附技術(shù)處理能力有限，一般不單獨(dú)用來處理灰水，多與其他技術(shù)組合應(yīng)用。過濾技術(shù)是通過物理截留和吸附作用去除有機(jī)物，具有處理效果好、環(huán)境友好的特點(diǎn)。廣義上的過濾技術(shù)包括濾料過濾和膜分離。

Dalahmeh等[22]對(duì)比了松樹皮、活性炭、聚氨酯泡沫和砂石4種濾料對(duì)灰水的處理效果，發(fā)現(xiàn)松樹皮和活性炭對(duì)BOD去除效果最好，去除率可達(dá)98%和97%，對(duì)表面活性劑和TP去除率也達(dá)到90%以上，經(jīng)過松樹皮和活性炭過濾處理的灰水可以達(dá)到灌溉用水標(biāo)準(zhǔn)。Samayamanthula等[7]采用填充活性炭、沙子和礫石的重力過濾設(shè)施(有效容積1 167 m3)對(duì)灰水進(jìn)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(shè)施對(duì)色度、TDS、濁度、總大腸菌群去除率分別達(dá)到95%、52%、88%和100%，出水水質(zhì)好于地下水水質(zhì)。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(zhì)對(duì)灰水的處理效果，結(jié)果表明，間歇砂濾對(duì)SS和COD的去除率分別為25%～85%和3%～30%，連續(xù)運(yùn)行60 d，出水水質(zhì)較穩(wěn)定。

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

Reang等[24]采用旋轉(zhuǎn)超濾膜(UF)+反滲透膜(RO)組合工藝對(duì)洗衣灰水進(jìn)行處理，研究發(fā)現(xiàn)，UF對(duì)灰水的濁度和BOD去除率分別達(dá)到88.1%和62.1%，經(jīng)過RO處理后，濁度和BOD去除率分別達(dá)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(yù)處理+低壓RO膜對(duì)灰水進(jìn)行處理，先從9種商用RO膜中篩選性能較優(yōu)的，然后研究3種不同預(yù)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(duì)RO膜性能的影響，結(jié)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(wěn)，但COD截留率較低；生物過濾+微濾組合預(yù)處理技術(shù)表現(xiàn)最優(yōu)，但需要進(jìn)一步核算成本。

3.2 化學(xué)類處理技術(shù)

化學(xué)類處理技術(shù)主要通過催化、氧化等化學(xué)反應(yīng)降解有機(jī)物。目前采用化學(xué)類技術(shù)處理灰水的文獻(xiàn)較少，已報(bào)道的有光催化氧化、光芬頓、臭氧、雙氧水、紫外、絮凝等技術(shù)。

Sanchez等[26]采用二氧化鈦光催化技術(shù)處理酒店灰水以達(dá)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(duì)總有機(jī)碳(TOC)和陰離子表面活性劑的去除效果，結(jié)果表明，可溶性有機(jī)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(yīng)時(shí)間下，對(duì)DOC和陰離子表面活性劑的去除率分別為65%和100%，對(duì)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，F(xiàn)e3+濃度為40 mg/L，H2O2濃度為200 mg/L，反應(yīng)15 min時(shí)，COD最大去除率達(dá)到95%。同時(shí)還對(duì)比了采用介孔碳吸附處理效果，在pH為3，反應(yīng)1 h時(shí)，對(duì)COD的去除率達(dá)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(shù)具有一定的實(shí)際應(yīng)用前景。Hassanshahi等[14]對(duì)比研究了光芬頓、O3/H2O2/UV和光催化3種技術(shù)對(duì)灰水的處理效果，同時(shí)采用響應(yīng)曲面優(yōu)化相關(guān)反應(yīng)參數(shù)，結(jié)果表明，O3/H2O2/UV對(duì)灰水的處理效果最好，對(duì)COD和濁度的去除率分別為92%和93%，O3濃度、H2O2濃度、反應(yīng)時(shí)間、pH是重要的影響因素。Chang等[28]采用絮凝技術(shù)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(dá)到再生回用標(biāo)準(zhǔn)，需要輔助其他技術(shù)。

3.3 生物類處理技術(shù)

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

MBR是將傳統(tǒng)活性污泥法與膜分離技術(shù)結(jié)合的一種處理技術(shù)。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(qiáng)化生物處理效果，且膜對(duì)懸浮物去除效果好、耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，因此在灰水處理領(lǐng)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(yīng)器對(duì)灰水進(jìn)行處理，該系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)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(dá)到87%、92%和80%，對(duì)糞大腸菌群去除率達(dá)到100%，出水達(dá)到回用沖廁用水國際標(biāo)準(zhǔn)。Ding等[18]考察了低壓重力驅(qū)動(dòng)膜生物反應(yīng)器在實(shí)驗(yàn)室條件下處理模擬灰水的可能性，結(jié)果表明，該膜生物反應(yīng)器在不曝氣條件下處理灰水，其通量基本穩(wěn)定在1 L/(m2·h)，膜污染較輕，無需進(jìn)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(zhì)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(jìn)一步提高其他污染物的截留率，保證出水效果的穩(wěn)定性。

3.4 生態(tài)類處理技術(shù)

生態(tài)類處理技術(shù)以土壤基質(zhì)為載體，結(jié)合土壤中的微生物和土壤上下層結(jié)構(gòu)中的植物、動(dòng)物及其他基質(zhì)填料，通過多種機(jī)制綜合作用實(shí)現(xiàn)污染物的去除。常見的生態(tài)類處理技術(shù)包括人工濕地、生態(tài)濾池、土壤滲濾等。這類技術(shù)由于性能好、成本低、維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)，在農(nóng)村生活污水處理中有廣泛的研究和應(yīng)用。

Gross等[34]采用水平流人工濕地處理灰水，當(dāng)水力停留時(shí)間為30 h時(shí)，處理后的灰水電導(dǎo)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(tǒng)對(duì)TN和TP的去除能力有限。Comino等[35]構(gòu)建了一個(gè)組合垂直流和水平流人工濕地反應(yīng)器(設(shè)計(jì)規(guī)模為50 L/d)處理灰水，考察不同有機(jī)負(fù)荷、水力負(fù)荷和有無植被條件下對(duì)灰水的處理效果，結(jié)果表明，該反應(yīng)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(jìn)水有機(jī)負(fù)荷(設(shè)計(jì)負(fù)荷的3倍)和高進(jìn)水流量(設(shè)計(jì)進(jìn)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(gòu)建了一個(gè)人工濕地系統(tǒng)(圖3)處理學(xué)生宿舍灰水，考察進(jìn)水流量、水力停留時(shí)間和基質(zhì)組分在濕地系統(tǒng)不同階段對(duì)灰水的處理效果，結(jié)果表明，該系統(tǒng)在連續(xù)運(yùn)行1.5年時(shí)，對(duì)COD、TSS、NO3-N、TP、TN和糞大腸菌群去除率分別達(dá)到92.5%、91.6%、83.6%、87.9%、91.7%和91.4%，夏季和較長(zhǎng)的停留時(shí)間時(shí)對(duì)污染物去除率更高。

圖3 屋頂人工濕地灰水處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意[36]Fig.3 Structural diagram of roof constructed wetland treatment system to treat greywater

Ushijima等[37]構(gòu)造了一個(gè)4層的傾斜土壤滲濾系統(tǒng)處理灰水，該系統(tǒng)對(duì)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(dá)到灌溉用水標(biāo)準(zhǔn)。但該系統(tǒng)只有細(xì)粒徑土壤對(duì)大腸桿菌和MS2噬菌體具有去除作用，而細(xì)粒徑土壤3～5周就開始出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，需要對(duì)土壤粒徑進(jìn)行合理配比，在保證灰水污染物去除效果的同時(shí)盡可能延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命。Jung等[38]構(gòu)造了生態(tài)過濾器(圖4)，在為期12個(gè)月條件下對(duì)合成灰水中病原菌的去除效果進(jìn)行研究，并對(duì)系統(tǒng)中植物類型、飽和區(qū)和抗菌材料等影響因素進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在飽和區(qū)域停留時(shí)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(shè)計(jì)了一種階梯式生態(tài)過濾器處理農(nóng)場(chǎng)灰水，系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)最佳水力負(fù)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(dá)67.2%、54.5%、43.3%、67.6%和71.4%，該系統(tǒng)運(yùn)行1年無基質(zhì)堵塞現(xiàn)象，且冬季運(yùn)行效果也較好。

圖4 生物過濾器結(jié)構(gòu)示意[38]Fig.4 Schematic diagram of biofilter structure

3.5 各類技術(shù)處理效果對(duì)比

表2列舉了各類技術(shù)對(duì)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(dá)到再生水回用標(biāo)準(zhǔn)。采用吸附性能好的材料作為過濾基質(zhì)對(duì)灰水中的COD、TP和表面活性劑的去除率均能達(dá)到90%以上，但單一砂濾技術(shù)對(duì)COD和SS的去除能力有限，需要輔助其他技術(shù)，且濾料控制不當(dāng)極易堵塞，后期沖洗和更換會(huì)增加成本和維護(hù)費(fèi)用。膜分離技術(shù)能有效去除灰水中的SS、濁度和微生物等，但超濾和微濾對(duì)有機(jī)物去除能力有限，對(duì)氮、磷等污染物去除效果不明確，且膜分離技術(shù)成本相對(duì)較高。因此，物理類處理技術(shù)可以作為輔助處理技術(shù)，進(jìn)一步提高出水水質(zhì)?；瘜W(xué)處理對(duì)COD和濁度能起到一定程度的去除作用，在處理低強(qiáng)度灰水時(shí)可降低灰水中的表面活性劑濃度，但處理高強(qiáng)度灰水的效果不太樂觀，不能穩(wěn)定達(dá)到再生回用標(biāo)準(zhǔn)。

表2 不同類型技術(shù)灰水處理效果對(duì)比Table 2 Comparison of greywater treatment effects of different technologies

相比物理和化學(xué)類處理技術(shù)，生物和生態(tài)類處理技術(shù)表現(xiàn)優(yōu)良，對(duì)COD、SS、濁度、TN、TP等都有很好的處理效果。MBR技術(shù)處理灰水出水水質(zhì)好、污泥產(chǎn)量小、占地面積小，出水能穩(wěn)定達(dá)到再生回用標(biāo)準(zhǔn)，但由于灰水有機(jī)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(tài)濾池等生態(tài)處理技術(shù)在處理性能、運(yùn)行維護(hù)等方面具有很大優(yōu)勢(shì)。對(duì)處理標(biāo)準(zhǔn)較高的地區(qū)，采用生態(tài)類與物理類集成技術(shù)處理生活灰水能達(dá)到較好的效果，且建設(shè)與運(yùn)維成本相對(duì)較低，在農(nóng)村地區(qū)具有極大的潛力。

4 展望

現(xiàn)有研究多集中在單一灰水處理技術(shù)，且缺乏關(guān)于能耗及成本的系統(tǒng)性研究。關(guān)于灰水處理全生命周期物質(zhì)和能量遷移轉(zhuǎn)化過程及污染物去除機(jī)理尚不清晰。特殊地區(qū)灰水處理存在技術(shù)瓶頸，限定了灰水處理技術(shù)的應(yīng)用。今后，灰水處理應(yīng)該從以下方面開展相關(guān)工作：1)開展典型地區(qū)灰水水質(zhì)特性解析，研究碳、氮、磷等主要元素在處理過程中的形態(tài)變化規(guī)律，以及各污染指標(biāo)的去除機(jī)制，構(gòu)建灰水安全高效循環(huán)利用技術(shù)路徑。2)開展典型地區(qū)灰水處理與資源化利用集成技術(shù)及裝備研究，尤其是寒冷地區(qū)，研究灰水處理設(shè)施保溫材料與方法，開發(fā)耐低溫、出水水質(zhì)可調(diào)節(jié)的灰水分質(zhì)處理與回用裝備具有重要意義。