国内外灰水处理技术研究进展

李云，何志琴,2，夏训峰，陈盛

1.生态环境部土壤与农业农村生态环境监管技术中心 2.中国环境科学研究院

传统生活污水收集处理方式是将各种生活污水汇合到公共收集管道，再进入污水处理站处理。该处理方式需配套污水收集管网，建设成本高，而且污水混合后难以实现资源化利用，造成资源和能源的浪费。近期，十部委联合发文，要求加快推动污水资源化利用。生活污水分质收集、处理和资源化利用成为污水处理领域的研究热点[1-3]。分质收集是将各类生活污水〔如黑水(黄水、褐水)和灰水〕实现源分离，使后端可根据各类污水特点有针对性地进行处理或资源化利用。生活污水中的灰水由于产生量大、污染物浓度低、病原微生物少，选用适当的技术处理后进行回用的潜力巨大。

1 生活污水分质收集

生活污水来自洗漱、淋浴、洗衣、冲厕以及厨房等用水，根据来源一般可分为黑水和灰水2类。黑水指的是卫生间粪污及冲厕混合废水，黑水又可分为黄水和褐水。黄水指的是尿液，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%的钾来自黄水[4]，黄水可以制取叶面肥、简单发酵后还田或处理后回用冲厕等。褐水指的是粪便，其有机物浓度较高，可通过发酵制取肥料、厌氧消化产沼气、发电等途径实现资源化利用。灰水有机物浓度低，选用适当的技术处理即可达标排放或回用，可用于农田灌溉、冲厕、景观及绿化用水。生活污水通过分质收集可以实现资源化利用(图1)。

图1 生活污水分质收集及资源化利用示意Fig.1 Schematic diagram of quality-based separation collection and resource utilization of domestic wastewater

2 灰水水量、水质特点

灰水主要来源于厨房、浴室、洗手池、洗衣房等，根据各地自然地理气候、经济发展水平、供水状况、文化和生活习惯的不同，灰水的排放量差别很大，一般国家或地区家庭灰水产生量为20～225 L/(人·d)，南非、约旦和马里等缺水国家，家庭灰水产生量为50 L/(人·d)以下[5]。不同国家和地区的家庭每天排放的灰水占生活污水比例也有明显的差异，为13%～80%[6-9]。

灰水主要含有一定量的有机物、氮磷无机盐以及少量油脂、表面活性剂、微生物等，也有文献[10]报道在灰水中检测出一些微量污染物，如药物、激素类等。灰水中总悬浮固体(TSS)主要是洗涤物品时清洗下来的泥沙、黏土等杂物。日常生活洗浴过程(如洗手、洗澡、洗衣、洗碗等)往往要加入一些清洗剂，因此产生的灰水含有一些表面活性剂及氮、磷等营养元素。

灰水的水质情况与供水水质、饮食生活习惯等相关，不同地区不同家庭差异很大。国内外文献[11-20]报道的灰水主要污染物浓度见表1。从表1可以看出，灰水COD为76～1 461 mg/L，BOD为 33～296 mg/L，SS浓度为47～670 mg/L，浊度为24～559 NTU，TN浓度为7.14～54 mg/L，氨氮浓度为1.58～47 mg/L，TP浓度为0.3～5.2 mg/L，总大肠菌群数为0.6～4×107个/(100 mL)，每个指标最小值与最大值相差几十倍至几个数量级不等。整体来看，综合灰水有机物浓度相对低，BOD/COD为0.3～0.8，可生化性较强。Li等[21]曾报道了各类灰水水质情况，其中厨房灰水BOD、TSS浓度、TN浓度和大肠菌群数最高，洗衣灰水COD、浊度、TP浓度最高，浴室灰水和综合灰水污染物浓度偏低。目前，关于单独处理厨房灰水的文献报道较少，因为厨房灰水有机物和氮浓度高，一般将厨房灰水与其他洗浴废水混合，以达到适宜的COD∶N∶P，提高生物降解性能。

表1 灰水水质情况Table 1 Greywater quality

3 灰水处理技术

国外对灰水处理技术的研究起步较早，经过几十年的发展，灰水处理技术体系已初步形成。现有灰水处理技术可以分为物理类、化学类、生物类、生态类及集成类技术。下面对相关技术研究进展进行介绍。

3.1 物理类处理技术

物理类处理技术主要包括过滤和吸附技术。吸附技术处理能力有限，一般不单独用来处理灰水，多与其他技术组合应用。过滤技术是通过物理截留和吸附作用去除有机物，具有处理效果好、环境友好的特点。广义上的过滤技术包括滤料过滤和膜分离。

Dalahmeh等[22]对比了松树皮、活性炭、聚氨酯泡沫和砂石4种滤料对灰水的处理效果，发现松树皮和活性炭对BOD去除效果最好，去除率可达98%和97%，对表面活性剂和TP去除率也达到90%以上，经过松树皮和活性炭过滤处理的灰水可以达到灌溉用水标准。Samayamanthula等[7]采用填充活性炭、沙子和砾石的重力过滤设施(有效容积1 167 m3)对灰水进行处理(图2)，处理后的灰水TDS从 4 910 mg/L降至1 508 mg/L，pH从10.29降至7.94，过滤设施对色度、TDS、浊度、总大肠菌群去除率分别达到95%、52%、88%和100%，出水水质好于地下水水质。Charchalac-Ochoa等[23]研究了不同粒径(0.3和0.6 mm)的聚丙烯飞织布作为间歇砂滤介质对灰水的处理效果，结果表明，间歇砂滤对SS和COD的去除率分别为25%～85%和3%～30%，连续运行60 d，出水水质较稳定。

图2 灰水过滤处理技术流程示意[7]Fig.2 Diagram of greywater filtration technology

Reang等[24]采用旋转超滤膜(UF)+反渗透膜(RO)组合工艺对洗衣灰水进行处理，研究发现，UF对灰水的浊度和BOD去除率分别达到88.1%和62.1%，经过RO处理后，浊度和BOD去除率分别达到99.6%和93.1%，UF+RO组合处理还能回收洗衣废水中的表面活性剂。Boddu等[25]采用预处理+低压RO膜对灰水进行处理，先从9种商用RO膜中筛选性能较优的，然后研究3种不同预处理方式(10 μm过滤器过滤、0.2 μm微滤、生物过滤+0.2 μm微滤)对RO膜性能的影响，结果表明：过滤器能有效降低灰水中的COD，但RO水通量下降很快；微滤膜水通量降幅较平稳，但COD截留率较低；生物过滤+微滤组合预处理技术表现最优，但需要进一步核算成本。

3.2 化学类处理技术

化学类处理技术主要通过催化、氧化等化学反应降解有机物。目前采用化学类技术处理灰水的文献较少，已报道的有光催化氧化、光芬顿、臭氧、双氧水、紫外、絮凝等技术。

Sanchez等[26]采用二氧化钛光催化技术处理酒店灰水以达到再利用目的，考察了不同二氧化钛用量(0.5、1、2、3 mg/L)对总有机碳(TOC)和阴离子表面活性剂的去除效果，结果表明，可溶性有机碳(DOC)的去除率与催化剂用量不成正比，低浓度灰水在150 min反应时间下，对DOC和阴离子表面活性剂的去除率分别为65%和100%，对高浓度灰水处理效果不太理想。Tony等[27]采用芬顿工艺处理灰水，在pH为3，Fe3+浓度为40 mg/L，H2O2浓度为200 mg/L，反应15 min时，COD最大去除率达到95%。同时还对比了采用介孔碳吸附处理效果，在pH为3，反应1 h时，对COD的去除率达到了81%。二者组合处理可减少芬顿药剂用量，COD去除率为93%，该技术具有一定的实际应用前景。Hassanshahi等[14]对比研究了光芬顿、O3/H2O2/UV和光催化3种技术对灰水的处理效果，同时采用响应曲面优化相关反应参数，结果表明，O3/H2O2/UV对灰水的处理效果最好，对COD和浊度的去除率分别为92%和93%，O3浓度、H2O2浓度、反应时间、pH是重要的影响因素。Chang等[28]采用絮凝技术处理灰水，COD和阴离子表面活性剂浓度分别降低70%和90%，但仅靠絮凝无法使处理后的水达到再生回用标准，需要辅助其他技术。

3.3 生物类处理技术

生物类处理技术主要通过活性污泥对污染物的吸附、氧化、降解等达到污水净化效果。常见灰水生物处理技术包括膜生物反应器(MBR)、序批式生物反应器(SBR)、上流式厌氧污泥床(UASB)、集成固定膜活性污泥系统(IFAS)等。

MBR是将传统活性污泥法与膜分离技术结合的一种处理技术。MBR通过膜的作用截留活性污泥微生物，提高活性污泥浓度，强化生物处理效果，且膜对悬浮物去除效果好、耐冲击负荷能力强，因此在灰水处理领域受到重视。Fountoulakis等[15]在原位灰水处理模式下，采用浸没式膜生物反应器对灰水进行处理，该系统连续运行1年，COD、SS和阴离子表面活性剂浓度分别从466、95和37 mg/L降至59、8和8 mg/L，去除率分别达到87%、92%和80%，对粪大肠菌群去除率达到100%，出水达到回用冲厕用水国际标准。Ding等[18]考察了低压重力驱动膜生物反应器在实验室条件下处理模拟灰水的可能性，结果表明，该膜生物反应器在不曝气条件下处理灰水，其通量基本稳定在1 L/(m2·h)，膜污染较轻，无需进行膜清洗，相比曝气MBR能耗较低。Liu等[29]采用孔径为0.4 μm的浸没式MBR处理低浓度灰水，COD从130～322 mg/L降至18 mg/L，氨氮浓度从0.6～1.0 mg/L降至0.5 mg/L以下，阴离子表面活性剂浓度从3.5～8.9 mg/L降至0.5 mg/L以下，出水水质较好。这说明通过活性污泥的生物降解作用能去除大部分污染物，通过膜的作用又进一步提高其他污染物的截留率，保证出水效果的稳定性。

3.4 生态类处理技术

生态类处理技术以土壤基质为载体，结合土壤中的微生物和土壤上下层结构中的植物、动物及其他基质填料，通过多种机制综合作用实现污染物的去除。常见的生态类处理技术包括人工湿地、生态滤池、土壤渗滤等。这类技术由于性能好、成本低、维护方便等优势，在农村生活污水处理中有广泛的研究和应用。

Gross等[34]采用水平流人工湿地处理灰水，当水力停留时间为30 h时，处理后的灰水电导率从170 S/m提高到190 S/m，TN浓度从31 mg/L降至23 mg/L，TP浓度从48 mg/L降至46 mg/L，可以看出单一的湿地系统对TN和TP的去除能力有限。Comino等[35]构建了一个组合垂直流和水平流人工湿地反应器(设计规模为50 L/d)处理灰水，考察不同有机负荷、水力负荷和有无植被条件下对灰水的处理效果，结果表明，该反应器在有植被情况下的COD去除率比无植被情况高95%，且在高进水有机负荷(设计负荷的3倍)和高进水流量(设计进水流量的4倍)条件下，仍能取得好的去除效果。Ramprasad等[36]在屋顶构建了一个人工湿地系统(图3)处理学生宿舍灰水，考察进水流量、水力停留时间和基质组分在湿地系统不同阶段对灰水的处理效果，结果表明，该系统在连续运行1.5年时，对COD、TSS、NO3-N、TP、TN和粪大肠菌群去除率分别达到92.5%、91.6%、83.6%、87.9%、91.7%和91.4%，夏季和较长的停留时间时对污染物去除率更高。

图3 屋顶人工湿地灰水处理系统结构示意[36]Fig.3 Structural diagram of roof constructed wetland treatment system to treat greywater

Ushijima等[37]构造了一个4层的倾斜土壤渗滤系统处理灰水，该系统对COD和阴离子表面活性剂的去除率分别为94%～97%和90%以上，出水阴离子浓度(2.3～3.3 mg/L)能达到灌溉用水标准。但该系统只有细粒径土壤对大肠杆菌和MS2噬菌体具有去除作用，而细粒径土壤3～5周就开始出现堵塞现象，需要对土壤粒径进行合理配比，在保证灰水污染物去除效果的同时尽可能延长系统使用寿命。Jung等[38]构造了生态过滤器(图4)，在为期12个月条件下对合成灰水中病原菌的去除效果进行研究，并对系统中植物类型、饱和区和抗菌材料等影响因素进行研究，发现在饱和区域停留时间2 d能提高大肠杆菌去除率，添加CuZ抗菌材料能提高大肠杆菌、粪肠球菌等病原菌的去除率，出水可用作冲厕用水或花园浇灌。Chen等[39]设计了一种阶梯式生态过滤器处理农场灰水，系统共6层，从上到下依次是植被层(麦冬和杜鹃花)、土层(蚯蚓和山上收集的土壤)、砾石层、渣土层、支撑层和集水层。研究发现，系统最佳水力负荷为0.2～0.4 m3/(m2·d)，COD、TN、TP、浊度和阴离子表面活性剂去除率分别可达67.2%、54.5%、43.3%、67.6%和71.4%，该系统运行1年无基质堵塞现象，且冬季运行效果也较好。

图4 生物过滤器结构示意[38]Fig.4 Schematic diagram of biofilter structure

3.5 各类技术处理效果对比

表2列举了各类技术对灰水的处理效果。从表2可以看出，单纯依靠物理过滤很难达到再生水回用标准。采用吸附性能好的材料作为过滤基质对灰水中的COD、TP和表面活性剂的去除率均能达到90%以上，但单一砂滤技术对COD和SS的去除能力有限，需要辅助其他技术，且滤料控制不当极易堵塞，后期冲洗和更换会增加成本和维护费用。膜分离技术能有效去除灰水中的SS、浊度和微生物等，但超滤和微滤对有机物去除能力有限，对氮、磷等污染物去除效果不明确，且膜分离技术成本相对较高。因此，物理类处理技术可以作为辅助处理技术，进一步提高出水水质。化学处理对COD和浊度能起到一定程度的去除作用，在处理低强度灰水时可降低灰水中的表面活性剂浓度，但处理高强度灰水的效果不太乐观，不能稳定达到再生回用标准。

表2 不同类型技术灰水处理效果对比Table 2 Comparison of greywater treatment effects of different technologies

相比物理和化学类处理技术，生物和生态类处理技术表现优良，对COD、SS、浊度、TN、TP等都有很好的处理效果。MBR技术处理灰水出水水质好、污泥产量小、占地面积小，出水能稳定达到再生回用标准，但由于灰水有机物浓度低，可生化性不高，且碳氮比偏低，往往需要额外增加碳源，或与高浓度生活灰水混合后再处理。人工湿地和生态滤池等生态处理技术在处理性能、运行维护等方面具有很大优势。对处理标准较高的地区，采用生态类与物理类集成技术处理生活灰水能达到较好的效果，且建设与运维成本相对较低，在农村地区具有极大的潜力。

4 展望

现有研究多集中在单一灰水处理技术，且缺乏关于能耗及成本的系统性研究。关于灰水处理全生命周期物质和能量迁移转化过程及污染物去除机理尚不清晰。特殊地区灰水处理存在技术瓶颈，限定了灰水处理技术的应用。今后，灰水处理应该从以下方面开展相关工作：1)开展典型地区灰水水质特性解析，研究碳、氮、磷等主要元素在处理过程中的形态变化规律，以及各污染指标的去除机制，构建灰水安全高效循环利用技术路径。2)开展典型地区灰水处理与资源化利用集成技术及装备研究，尤其是寒冷地区，研究灰水处理设施保温材料与方法，开发耐低温、出水水质可调节的灰水分质处理与回用装备具有重要意义。