综合分析：灰水处理VS资源化技术
导读:近几十年来，水资源短缺已成为一个日益严重的问题。《2018 年世界水资源开发报告》预测，到2050 年，全球将有50 多亿人面临缺水。我国人均水资源占有量为2 100 m3，仅为全球平均水平的28%，是世界上缺水的国家之一。除了人均水资源占有量低，我国还面临着污水排放量大的问题，2015年我国污水排放量达735 亿m3。2021 年6月国家发改委印发《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》的通知，全面提升污水收集处理及资源化利用能力水平。生活污水在我国的污水排放总量中占据了相当大的比例，实现生活污水的回用对保障我国的水资源安全具有重要的战略意义。
灰水是指生活污水中未被粪便污染且污染程度较低的污水，其主要成分是易生物降解的有机物、氮磷营养盐、微生物、药物和个人护理品(PPCPs)以及重金属成分。目前，包括物理、化学、生物、生态以及耦合技术等多种方法已被用于灰水的处理(图1)，每种方法都有其优点和局限性。灰水的处理回用技术研究仍然处于发展阶段，现有的技术方法仍然停留在实验室以及中试规模，缺乏可应用于实践场景的成套化系统范式。因此，需要对灰水的处理回用技术进行系统总结，以明确其处理效果、生态与经济效益,形成可以应对实践工程的系统模式。
图1 分散收集和集中收集的灰水处理方法
1 灰水水量水质特征
发达国家和发展中国家居民产生的灰水水量和水质具有一定差别，这主要与地理位置、生活方式、人口结构、基础设施建设情况、生活习惯以及气候条件有关。就水量而言，大部分国家灰水占生活污水总量的比例为42.9%～89.1%，如表1 所示，其中瑞士、以色列、澳大利亚发达国家的居民灰水排放量在98～113 L/(人·d)，高收入国家的灰水排放量明显高于低收入国家。灰水水量还受时间和空间等因素的影响，夏季由于居民洗澡用水增多，灰水产量较大；夜间的灰水产量起伏也相对较大，主要系夜间居家的人数较多，生活用水增多。同时，在水资源丰沛地区灰水产量明显多于干旱地区，表1 中的马来西亚水资源丰富，灰水产生量达到200 L/(人·d)以上，而约旦地处干燥地区，水资源短缺，灰水产生量在50 L/(人·d)左右。
表1 不同国家灰水产生量
灰水的水质主要取决于所洗涤的物品以及洗涤剂。如表2 所示，灰水的浑浊度通常为19～559 NTU，固体悬浮物(SS)质量浓度可以达到4.3～670 mg/L，化学需氧量(CODCr)和五日生化需氧量(BOD5)分别可以达到76～1 461 mg/L和33～296 mg/L。这主要是因为厨房和洗衣房产生的灰水含有大量SS，在洗涤蔬菜或衣服的过程中，引入了食物颗粒、油、沙、黏土和织物纤维等。此外，灰水中含有高浓度的氮、磷及表面活性剂等营养盐。其中，TN 可达0.5 ～54 mg/L，氨氮可达到1.58～100 mg/L，主要来源于餐厨洗涤的食材；TP 的质量浓度可以达到0.3～11 mg/L，主要源于使用的肥皂、洗衣粉等。研究发现，灰水中还含有PPCPs 以及染料成分，家庭清洁和洗涤产品的使用，导致灰水中可能存在900 多种潜在的有机污染物，例如苯胺、羟苯甲酮、苯氧乙醇等。上述物质的存在表明了灰水组成的复杂性，直接排放的灰水会对生态环境产生危害。
表2 不同国家灰水的物理、化学和生物性质
注:“-”表示未查到相关数据。
2 灰水处理技术
2.1灰水物理处理技术
灰水物理处理技术主要包括吸附法和物理过滤法。吸附法效率较低，因此，主要通过与其他工艺复合使用，物理过滤法主要包含过滤介质过滤和膜过滤，过滤介质可以是砂、砾石、细网等多种材料。
根据填料的入渗速率将吸附法常用的滤料分为慢滤和快滤两类，其中椰壳、岩棉和塑料为慢滤，珍珠岩、二氧化硅、河砂、膨胀黏土和蛭石为快滤。椰壳与岩棉的多孔结构提供了大量的表面积，从而使其容易达到吸附杂质的目的。塑料的吸附原理主要涉及其分子结构和表面特性，分子中含有苯环和乙烯基团，这些基团在分子结构中排列有序，形成了一定的空隙和孔隙结构，同时塑料分子表面也具有一定的极性和表面能，能够吸附一些极性分子。珍珠岩是一种由火山岩熔融后迅速冷却形成的玄武岩玻璃，具有均匀的结构和多孔性，使得珍珠岩具有较强的吸附性能。膨胀黏土和蛭石具有较大的比表面积，由于分子间引力的作用，形成较强的物理吸附能力，同时晶体边缘带正电荷，阴离子基团可以靠静电引力吸附在材料的边面上，产生化学吸附。二氧化硅存在多孔结构和较大的比表面积，同时其表面含有大量的羟基，可与多种有机物反应，因此，可以吸附多种微粒。河砂的吸附原理是因为砂中含有黏土矿物，水分子易进入层间，且层间离子易被低价金属离子取代，呈现出强吸附性。常见的灰水物理过滤技术如表3 所示。
表3 常见的灰水物理过滤技术
在常见的物理过滤填料中，松树皮等天然滤料有很多细小的空隙，使得污染物附着于其表面，可用于湖泊、河流等水域的生态修复工程。砂的颗粒表面为凹凸不平的锯齿状，互相咬合联接形成粗糙的滤隙，其中有许多内联通道，可以阻挡杂质，但同时又具有一定的空隙率，保留有较高的连续渗透力，适用于生活饮用水过滤和其他水质净化处理，可用于石油、化工等生产用水的前期处理。活性炭的过滤原理是由于其空隙结构发达，有较大的比表面积，可以达到吸收杂质的目的，适用于水处理中的脱色、脱氯，去除细菌、放射性等污染物质，常用于废水的三级处理。陶粒比表面积大，富含钙、铁、铝等元素，与污水中的磷酸盐形成不溶物，利于氮、磷的去除，适用于单层滤池、双层滤池、双层滤器、离子交换器等过滤设备中作过滤介质及垫层，处理各种工业污水等。塑料滤料由于其内部骨架分子或功能基团与吸附质之间的范德华引力或氢键作用产生吸附，较大的比表面积为塑料与吸附质之间提供了良好的接触面，便于吸附有机分子，适用于处理以SS 污染物为主、溶解性物质较少的污水；椰子壳通过形成强弱不一的化学键，进行化学吸附，通过范德华力进行物理吸附，通过孔隙进行离子交换，主要应用于高度自动控制注水过滤器、污水过滤器、入井过滤器等。常见的灰水物理过滤技术如表4 所示。
表4 常见的灰水物理过滤技术
如图2 所示，Al-hamaiedeh等设计了一套4个桶密闭沟槽装置用于处理5个家庭产生的灰水，4桶均为高密度聚乙烯制成的塑料桶，第1个桶用于去除灰水中的油脂和可沉淀固体，在第2个桶和第3个桶中填入直径为2～3 cm的砾石过滤介质去除灰水中的其他污染物，如TSS、CODCr、BOD5等，在第4个桶安装了一个小型电动潜水泵和浮子开关，将处理过的灰水输送到滴灌系统此方法CODCr、TSS、BOD5、TN 的去除效率为72%、53%、89%、79%，装置成本低，结构紧凑，操作方便，处理后的灰水符合约旦林木灌溉标准，常用于灌溉家庭花园。
图2 4 桶过滤灰水处理装置流程
2.2灰水化学处理技术
灰水化学处理技术主要基于混凝、氧化还原等化学反应，去除灰水中的污染物，或将其转化为无害物质的污水处理方法。例如混凝-絮凝、光催化等技术，或投加双氧水、臭氧等药剂，表5总结了常见的灰水化学处理技术。
表5 常见的灰水化学处理技术
混凝法在废水中加入混凝剂，因混凝剂为电解质，在废水里形成胶团，与废水中的胶体物质发生电中和，形成沉降；光催化燃料电池法的技术原理主要是将有机污染物作为燃料，在阳极处被光激活分解；电凝法通过借助外加高压电作用产生电化学反应，对废水中的有机物或无机物进行氧化还原反应，进而将污染物从水体中分离；臭氧的技术氧化分解水中的大分子有机物，同时将难以生物降解的有机物氧化成小分子有机物；紫外技术可以切断有机物分子中的共价键，使有机物分子活化，分解成离子、 游离态原子、受激分子。
Antonopoulou等采用混凝技术处理4户家庭产生的灰水，试验表明在去除TSS 和CODCr方面，采用FeCl3比Al2(SO4)3的处理效率更高，且灰水类型和混凝剂投加量都会对混凝技术的处理效率产生影响。其中,采用800 mg/L Al2(SO4)3·14 H2O进行联合处理的效果最佳,总CODCr 去除率达96%，TSS 去除率达97%。
2.3灰水生物处理技术
灰水生物处理技术主要包括序列间歇式活性污泥法(SBR)、升流式厌氧污泥床(UASB)、综合固定膜活性污泥(IFAS)和膜生物反应器(MBR)等技术，其原理主要是基于活性污泥对灰水中的污染物进行吸附和氧化降解等。图3展示了MBR处理灰水的流程，表6总结了常见的灰水生物处理技术。
表6 常见的灰水生物处理技术
(续表6)
图3 MBR处理灰水流程
Atanasova等在灰水和黑水分离的酒店实施MBR试点，并对该方案进行经济可行性的评价，其主要的工艺流程包括灰水分离、MBR处理、清洁水储存和消毒。结果表明，该系统在出水质量方面表现优异，且当系统规模为5 m3/d时具有经济可行性。
2.4灰水生态处理技术
灰水生态处理回收技术指基于生物链来处理灰水中的污染物，主要包括人工湿地、绿色墙壁和绿色屋顶等，此类技术成本低，维护简便。既能达到平衡生态的作用,又兼顾净化和环保，因此在城市和农村中被推广应用。本文列举了常见的灰水生态处理技术(表7)。
表7 常见的灰水生态处理技术
Dewi等在芝利翁河河岸建造了人工湿地，通过种植香根草来降低污水中的氮、磷含量，当水力HRT为2 d时，灰水中10%的氨和30%的磷酸盐可以被去除。同时，试验证明通过增加HRT，或者联合曝气等方式，能够有效提升灰水的处理效果，其中污水中氨氮含量的降低主要是通过硝化作用将氨氮转化为硝酸盐氮。人工湿地主要采用天然材料，且电能耗用量低，建造和运行成本较低，同时在美学方面，人工湿地也具有较大优势，因此，可将其广泛应用于庭院和公园等场所(图4)。
图4 人工湿地处理灰水流程
2.5灰水组合工艺处理技术
单一的灰水处理技术不能全面去除灰水中的污染物，而采用物理、化学和生物的组合工艺，不仅可以充分发挥各个工艺之间的优势，使得出水水质更加优良，还可以减少处理设备的体积，达到节约成本的作用。表8 列举了常见的灰水组合工艺处理技术。
表8 常见的灰水组合工艺处理技术
在混凝+MBBR技术复合技术中，混凝预处理的作用是去除部分CODCr和阴离子表面活性剂(LAS)，减少处理设备的体积，MBBR的作用是去除大部分的CODCr、LAS和氨氮；在软化澄清+生化脱TN复合技术中，软化澄清的作用主要是脱除SS、硬度，而生化脱TN 技术的作用是去除CODCr、氨氮；在电絮凝+重力流膜过滤技术中，电絮凝技术主要通过产生OH-，去除出水中的污染物，重力过滤技术主要通过重力水头克服滤料阻力过滤灰水。
2.6各类灰水处理技术对比
通过对比各类灰水处理技术的应用效果，仅仅采用物理介质过滤很难达到再生水回用标准，而各种膜材料在处理污水方面表现出良好的性能，但运行膜过滤模块的能源需求很高，且膜污染和膜堵塞的维护费用较高，因此，难以广泛应用在无法稳定供应电力的地区或低收入社区。灰水处理技术对比如表9 所示。
表9 灰水处理技术对比
化学方法处理灰水中的污染物，对于污染物浓度低的灰水可以有效降低污水中的CODCr和浑浊度，但化学方法采用的混凝剂和絮凝剂以氯化铁和明矾为主，虽然氯化铁可以在很宽的pH范围内发挥作用，但其本质上具有较强的腐蚀性，而且混凝剂和絮凝剂很少单独使用，通常与其他处理方法如沉降、砂过滤或消毒搭配使用。此外，絮凝作用产生的絮凝体是二次废物，如果处理不当将会造成环境问题。而电凝工艺通过与膜过滤、臭氧化和电消毒等不同化学处理工艺集成，可以实现更高的水处理效果和效率，但其广泛应用需要提供持续的电力支持，同时需要足够的人力和专家维护系统，因此，工艺在农村等地区难以维持。
相比物理和化学类处理技术，生物和生态类处理技术在处理高浓度灰水时效率更高。但生物处理系统在处理灰水时对外界变化非常敏感，需要经常由技术人员进行操作和监测，技术水平和专业知识要求较高。且常见的SBR、MBR 和生物曝气过滤器可能具有比传统工艺更高的灰水处理效率，但这些方法将会耗用大量的能源和资金成本，因此，并不适合在中低收入国家或发展中国家广泛应用。
对于生态类方法，其应用受制于气候变化，即位于干旱地区,绿色墙壁和绿色屋顶上的植物可能面临许多生存挑战，植物需要足够的水、营养物质和非常特殊的光照条件才能生长。因此，在干旱地区,寻找到合适的耐热植物，以及能持续提供营养物质和水的循环系统是建设绿色墙壁和绿色屋顶的必要条件。
3 处理灰水资源化可行性
3.1不同国家污水回用标准对比
在许多国家，处理后的灰水被认为是一种重要的新资源，可以用于农业灌溉、非接触的景观与洗涤用水，在实现资源节约的同时，也可以带来一定的经济效益。表10和表11列出了国内外处理废水再利用的法规和标准，这些标准关注的指标主要有总溶解固体、BOD5、pH、浑浊度、TN、TP等，以及病原微生物含量，如总大肠菌群、粪大肠菌群等，且大多数国家主要关注的应用领域为农业灌溉利用、消防、车辆清洗和厕所用途等，如图5 所示。
表10 国外污水回用标准
表11 我国污水回用标准
图5 灰水资源化途径
为了分析和了解各个国家污水回用标准的严格程度，本文采用层次分析法对国内外污水回用标准进行评价，评价因子为回用标准的各个指标。
(1)构建层级结构。将污水回用标准评价体系作为层次分析法的目标层(A)，将理化指标、营养盐及有机污染综合指标和生物指标作为层次分析法的准则层(Bi)，将pH、浑浊度、SS、BOD5、CODCr、TN、总大肠菌群和粪大肠菌群等评价因子作为指标层(Cj)(图6)。
图6 污水回用标准综合评价层次结构体系
(2)建立判断矩阵。根据相关文献，得到各指标重要性之间的关系，采用9 标度法得到判断矩阵。
(3)计算特征值并进行一致性检验。
最大特征根计算如式(1)。
其中：λmax——矩阵的最大特征值;
n——矩阵阶数(参数个数);
w——标准化后的权重;
B——判断矩阵。
对于n阶判断矩阵，其最大特征根为单根，且λmax≥n。当λmax =n，其余特征根均为0时，则B具有完全一致性。如果 λmax>n，而其余特征根接近于0 时，则B具有满意的一致性。
一致性指标 CI 和一致性比例CR 计算如式(2)～式(3)。
其中：CR——一致性比例;
CI——一致性指标;
RI——随机生成的成对比较矩阵一致性的随机指标。
当CR<0.10时，判断矩阵具有满意的一致性，否则需要对判断矩阵进行调整。
(4)在此基础上得到污水回用标准评价因子的权重。
(5)将原始数据归一化。评价因子数量级和单位不同,不具有可比性和加和性,因此,需要将数据进行归一化处理,如式(4)。
其中：xij——原始数据；
rij——归一化的指标数据。
(6)计算国外污水回用标准综合评价指数。综合指数计算如式(5)。
其中:PI——归一化的指标数据;
Wij——指标因子对应的权重。
通过计算国内外污水回用标准综合评价指数，得到国内外污水回用标准综合评价指数得分，如图7 所示，得分越低，说明污水回用标准越严格，结果显示，德国、澳大利亚和美国的污水回用标准最为严格。其中，德国污水回用技术的快速发展，主要是基于其在环保领域的管理体制和法律法规，根据《德国水行业概貌2008》资料显示，德国几乎按照欧盟的最高标准进行污水处理回用，在常规领域和敏感领域都实现了100%的达标，是欧洲国家污水回用的典范；澳大利亚地广人稀，且降水量少，同时人口增速较快为1.5%，导致澳大利亚城市缺水问题严峻，因此，澳大利亚采取了较为严格的污水回用标准;二战后美国经济高速发展，水环境破坏严重，在19 世纪末颁布了《河流及港口法案》，充分说明美国对污水回用标准的高度重视。
图7 各国污水回用标准综合评价得分
而我国城镇化率仅为49.7%，仍然处于发展中阶段，需要新增污水处理设施。同时，我国污水回用标准的范围正在逐渐拓宽，已经从CODCr、BOD5 和SS等扩展到TN、总大肠杆菌群等指标，但是从指标的限值来说，对比美国，我国污水回用标准限值较为宽松，存在着提升的空间。相较于德国、澳大利亚等国家，我国还面临着技术发展路线滞后、污水回用标准制定起步晚、缺乏相应的法律法规支持、再生水处理工艺复杂、受制于成本及其规模等问题。
加拿大和日本的污水回用标准得分较高，表明其标准设置较为宽松，主要是受到大肠杆菌指标的影响，原因主要是该国对于大肠杆菌的净化去除技术较差，或者政府没有制定相关的惩罚政策和制度，导致对大肠杆菌指标不够重视，且相关的安全事件频发。2020 年东京奥运会游泳场地大肠杆菌指标严重超标，达到国际铁人三项联盟规定标准的21倍，大肠杆菌超过国际旅游联合会标准7 倍。印度的水环境问题积累已久，印度始终无法平衡好发展和环保之间的关系，联邦制制度导致中央政府的水环境政策难以渗透到地方邦，水环境治理的经费也被地方邦挪为他用，同时低下的污水治理能力难以支撑庞大的污水排放量。
3.2灰水资源化项目
本文将灰水资源化项目按照规模划分为分散式项目(排水量<10 m3/d)、半集中式项目(排水量为10～1 000 m3/d)和集中式项目(排水量>1 000 m3/d)，如表12所示。其中，由于排水量的约束，分散式项目建设在小城镇较多，主要将絮凝技术、活性炭/砂滤技术和氯化技术等进行复合，进行污水处理回用；半集中式项目主要建设在中小城市和大城市郊区，主要采用AAO、MBR、超滤等技术，AAO 工艺流程和操作管理较为简单，MBR系统出水水质稳定且占地面积小，超滤技术污染物去除率较高；集中式项目主要建设在较大城市中，主要采用AO、SBR 和传统活性污泥法，因为这些方法对比于超滤等工艺，能耗相对较低且运营费用较低，但是操作复杂、处理单元多，管理水平有待加强。
表12 国内外污水回用项目
在公众认知方面，公众可能会认为灰水回用具有健康风险，担心因使用经过处理的灰水而生病。经相关问卷调查，公众更偏向于接受将再生水应用于很少或不需要人类接触的领域，例如冲厕所和灌溉。通过在约翰内斯堡大学应用灰水冲洗厕所系统，表示担忧的受访者比例从2009 年64%降低至2010 年50%，数据显著下降可能归因于经使用该回收系统后，公众对项目团队的信心水平提高，为灰水回收系统的进一步推广和优化提供了条件。
经济效益分析，推广灰水资源化回用，将处理后的灰水作为新的水资源进行开发和利用，应用于冲厕、洗车和灌溉等。灰水资源化利用之前，灌溉和洗车用水常采用就近湖泊引水使用，水质质量差，存在安全隐患，同时还受到季节性的影响，导致水量波动起伏，影响当地人的日常生活和务农。采用灰水资源化利用后，不仅保证了丰富的水源，也提供了安全的生活灌溉用水，有利于社会的供水安全，也有利于生态城市和绿色农村的建设及可持续发展。例如，在研究灰水再利用的经济性方面，通过考虑较高的饮用水关税和灰水回用补贴等多种因素，计算得到当废水量为360 m3/d,每年节水1 314万t，净收入为69.38万元，静态投资回收期为1.3年，与处理饮用水的费用相比，灰水处理的成本较低，可以为公众带来持续性的经济效益。另一方面，Surendran等将回收灰水应用于酒店和高层建筑，进行厕所冲水，并确定了该项目回收期为8～14年。
环境效益分析，将再生灰水代替1 m3传统生产用水，可以节能0.357 kW·h/m3的能源，灰水回用系统温室气体排放量为0.22 kg CO2 eq/m3，均低于传统系统，表明灰水回用对于减少运行阶段的温室气体排放具有较好的效果。同时，利用再生水冲洗河流，可以保护城市水源地水质，减少排入污染物总量，例如福州市污水处理厂建成后，污染负荷在1995年基础上减少40.3%，径污比上升至47∶1，改善了河水质的黑臭问题，达到《景观娱乐用水水质标准》(GB 12941—1991) 。
因此，灰水资源化回用在经济、社会、环境效益方面都具有现实和长远意义，改善了城市卫生，提高城市整体环境水平，同时以较低的成本节省了大量的洁净水，缓解了城市水资源紧缺的问题。
3 结论和展望
本文基于灰水的水质和水量特点，将生活污水中的灰水单独处理回用，提高了水资源利用率。目前国内外对于灰水处理的研究已经有了一定的进展。总体而言，生态处理法建设成本低，运维简单，具有一定的抗水质水量冲击能力，具有较好的推广应用价值，但需要考虑特殊地区观念、管理水平、生活习惯、气候等差异，需要将技术进行改进，因地制宜制定不同的运行方式。
针对目前灰水处理回用的问题和挑战，本文提出以下研究展望：(1)目前国内外研究者主要关注了灰水单一处理的效果，而单一的处理工艺通常难以满足处理灰水中复杂成分的去除要求，因此，针对不同灰水回用的目标，如洗车、灌溉、冲厕等可以制定不同的复合灰水处理对策；(2)探索更加有效、更加便捷和经济实用的灰水处理技术，需要将市场推广的建设运行成本考虑其中；(3)同时,针对特殊地区灰水处理技术面临的挑战，例如高寒、干旱和半干旱地区，应该研发相应的灰水处理技术辅助设备，例如保温设备以及水量水质调节设备等，进而形成灰水处理和资源化集成系统,拓宽灰水处理技术应用场景。
