農(nóng)村灰水收集-處理-回用系統(tǒng)現(xiàn)狀及應(yīng)用建議

李文凱，鄭天龍，劉俊新

（1.陜西建工第十二建設(shè)集團(tuán)有限公司，陜西安康 725000；2.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心水污染控制實(shí)驗(yàn)室，北京 100085）

隨著農(nóng)村污水治理工作的推進(jìn)和污水資源化理念的推廣，農(nóng)村生活污水的分質(zhì)收集與資源化成為重要的研究和應(yīng)用方向。農(nóng)村灰水的收集-處理-回用模式逐漸受到重視。農(nóng)村灰水是指除廁所污水以外的農(nóng)村生活污水，具體包括農(nóng)戶日常生活產(chǎn)生的洗浴污水、洗漱污水、洗滌污水及餐廚污水等〔1〕?；宜空忌钗鬯偭康?0%左右〔2〕，開(kāi)展灰水收集、處理與回用不僅可降低污水收集和處理系統(tǒng)的水量負(fù)荷，還可減少水資源消耗〔3〕?；宜静缓S污，污染物濃度較低且致病菌較少，適宜在收集處理后進(jìn)行資源化利用〔2，4〕。與農(nóng)村生活污水的收集處理模式不同〔5〕，為便于回用，農(nóng)村灰水的收集-處理-回用模式以村落集中收集處理和分散收集處理為主，很少采用納入城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)的模式〔3〕。常用的回用方式包括農(nóng)業(yè)灌溉、室外沖洗、景觀用水及室內(nèi)沖廁等〔3〕。

我國(guó)農(nóng)村灰水資源化工作仍處于起步階段，灰水收集-處理-回用系統(tǒng)技術(shù)及運(yùn)行方面仍存在許多問(wèn)題。為推進(jìn)農(nóng)村灰水的高效收集處理和安全回用，提升灰水收集-處理-回用系統(tǒng)的集成科學(xué)性和可靠性，筆者對(duì)農(nóng)村灰水收集-處理-回用系統(tǒng)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，剖析農(nóng)村灰水系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提出針對(duì)性的優(yōu)化建議并對(duì)未來(lái)農(nóng)村灰水系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 農(nóng)村灰水系統(tǒng)現(xiàn)狀

根據(jù)子系統(tǒng)功能的不同，農(nóng)村灰水系統(tǒng)可分為收集系統(tǒng)、處理系統(tǒng)及回用系統(tǒng)3部分，如圖1所示。

圖1 農(nóng)村灰水系統(tǒng)Fig.1 Rural greywater systems

1.1 收集系統(tǒng)

灰水收集是灰水處理與回用的前提，也是整個(gè)農(nóng)村灰水系統(tǒng)建設(shè)成本最高、運(yùn)維問(wèn)題最多的環(huán)節(jié)。常用的收集系統(tǒng)分為管道系統(tǒng)和溝渠系統(tǒng)兩大類〔4，6-7〕。

（1）管道系統(tǒng)。管道系統(tǒng)由多級(jí)灰水管道、檢查井、隔油池、沉泥井等設(shè)施組成，以重力流管道為主。與溝渠系統(tǒng)相比，灰水管道系統(tǒng)在收集效率、污染控制、防止致病菌擴(kuò)散及提升村容村貌等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，但其建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程存在成本較高、堵塞頻發(fā)、亂接錯(cuò)接的問(wèn)題。排水管道的建設(shè)成本一般占排水系統(tǒng)總投資的70%以上〔8〕，目前農(nóng)村灰水管道設(shè)計(jì)過(guò)程中往往套用城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)管徑過(guò)大，增加了管道建設(shè)成本。同時(shí)過(guò)大的管徑致使開(kāi)挖道路面積增大，給農(nóng)村狹窄街道的施工造成困難，也嚴(yán)重影響居民正常生活。在灰水管道運(yùn)行過(guò)程中，有的農(nóng)戶自行拆除下水道濾網(wǎng)，將菜葉、濕巾、包裝袋等雜物沖入下水道，易造成管道堵塞。個(gè)別農(nóng)戶自行改造接戶管道，將化糞池黑水接入灰水管道，影響末端處理與回用。

（2）溝渠系統(tǒng)。溝渠系統(tǒng)是低收入農(nóng)村地區(qū)普遍采用的灰水收集系統(tǒng)。排水溝渠建設(shè)成本低廉，具有一定污染物去除效果〔9〕，且對(duì)水力條件、異物的適應(yīng)能力高于管道系統(tǒng)。但溝渠內(nèi)的灰水直接暴露在空氣中，夏季易散發(fā)異味，且流速較低易滋生蚊蟲(chóng)，冬季易結(jié)冰?；宜疁锨谟昙緟R入大量泥沙和雨水，一方面泥沙會(huì)堵塞灰水處理設(shè)施，另一方面雨水稀釋了污染物，造成進(jìn)水濃度過(guò)低，影響處理設(shè)施的正常運(yùn)行。

1.2 處理系統(tǒng)

灰水處理工藝復(fù)雜多樣，生物、生態(tài)及物化等工藝均有廣泛研究和應(yīng)用。常用的灰水處理系統(tǒng)如表1所示。

（1）生物處理系統(tǒng)。生物處理系統(tǒng)是農(nóng)村污水的主流處理系統(tǒng)，在灰水處理中也有廣泛應(yīng)用，主要分為厭氧系統(tǒng)和好氧系統(tǒng)兩大類。常用的厭氧系統(tǒng)包括厭氧沉淀池、厭氧濾池等，由于對(duì)有機(jī)物去除能力有限且異味明顯，通常作為好氧生物處理或生態(tài)處理的預(yù)處理系統(tǒng)，不單獨(dú)使用。好氧系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物去除率高、出水水質(zhì)好，根據(jù)處理原理不同分為生物膜法和活性污泥法。

生物膜法的有機(jī)物處理效果好、運(yùn)維便利且一般無(wú)需二沉池，占地面積和建設(shè)成本均較低，以生物轉(zhuǎn)盤（RBC）、曝氣生物濾池（BAF）和移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（MBBR）應(yīng)用較多〔10-12〕。上述3種工藝正常運(yùn)行時(shí)的出水水質(zhì)基本可達(dá)到或優(yōu)于當(dāng)?shù)剞r(nóng)村污水處理設(shè)施的排放標(biāo)準(zhǔn)要求，可滿足農(nóng)田灌溉、室外沖洗及景觀用水等回用需求。但RBC因直接暴露在空氣中不易采用地埋等方式有效保溫，冬季其生物膜活性降低，處理效果下降〔13〕，在北方冬季甚至因結(jié)冰而無(wú)法正常運(yùn)行。BAF及MBBR可以地埋，對(duì)低溫承受力相對(duì)較好，但BAF需定期反沖洗避免堵塞〔14〕，而MBBR好氧段的曝氣機(jī)需長(zhǎng)期運(yùn)行〔15〕，運(yùn)維成本較高。

農(nóng)村灰水系統(tǒng)采用的活性污泥法基本為無(wú)需建設(shè)二沉池的系統(tǒng)，如膜生物反應(yīng)器（MBR）和序批式活性污泥反應(yīng)器（SBR）〔16〕。其中MBR處理效果好、出水水質(zhì)優(yōu)良且對(duì)病原微生物的去除效果顯著〔10〕，適合在以室內(nèi)回用為主要資源化利用方式的地區(qū)應(yīng)用。MBR成本較高且運(yùn)維復(fù)雜，不適合經(jīng)濟(jì)條件較差的地區(qū)。SBR工藝運(yùn)行時(shí)為間歇進(jìn)水，適于處理農(nóng)村灰水等排水量有明顯時(shí)間變化特征的污水〔10〕。SBR工藝對(duì)灰水的處理效果穩(wěn)定，但常需要配套自控裝置以適應(yīng)農(nóng)村灰水排放特征，建設(shè)和運(yùn)維成本相對(duì)較高。灰水基本沒(méi)有高效脫氮除磷的需求，混合生活污水處理中常用的A∕A∕O、氧化溝等工藝在農(nóng)村灰水處理中應(yīng)用較少。

（2）生態(tài)處理系統(tǒng)。生態(tài)處理系統(tǒng)具有造價(jià)低廉、運(yùn)維便利、能耗低的優(yōu)勢(shì)，逐漸成為農(nóng)村灰水處理的主流工藝。當(dāng)灰水回用方式為農(nóng)田灌溉時(shí)，處理設(shè)施出水水質(zhì)僅需滿足《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5084—2021）的要求，無(wú)需深度處理，適合采用生態(tài)處理系統(tǒng)。人工濕地（CW）、生態(tài)濾池和土地滲濾是常用的灰水生態(tài)處理系統(tǒng)，其中以CW應(yīng)用最為廣泛。CW可通過(guò)土壤和濾料的吸附過(guò)濾、微生物的代謝以及濕地植物的吸收作用去除灰水中的懸浮物、有機(jī)物、氮、磷等污染物，分為表面流CW、水平潛流CW及垂直流CW〔17〕，其中垂直流CW對(duì)污染物的綜合去除效果較好〔18〕。因大部分CW為露天運(yùn)行，其在北方地區(qū)的冬季容易凍結(jié)，導(dǎo)致處理效果下降，因此冬季嚴(yán)寒地區(qū)不適合采用CW等生態(tài)工藝作為核心灰水處理工藝。

（3）物化處理系統(tǒng)。農(nóng)村灰水物化處理系統(tǒng)可分為物理過(guò)濾系統(tǒng)、混凝過(guò)濾系統(tǒng)、電絮凝系統(tǒng)、膜分離系統(tǒng)及高級(jí)氧化系統(tǒng)等〔19-21〕。物理過(guò)濾系統(tǒng)在實(shí)際工程中應(yīng)用較多，其他物化處理系統(tǒng)因建設(shè)成本和運(yùn)維費(fèi)用高，實(shí)際應(yīng)用少。物理過(guò)濾系統(tǒng)主要以石英砂、碎石、活性炭等作為過(guò)濾介質(zhì)〔22〕，通過(guò)濾料的物理過(guò)濾作用及活性炭等多孔材料的吸附作用攔截灰水中的污染物。物理過(guò)濾系統(tǒng)對(duì)懸浮物的去除效果良好，但濾料需反沖洗，活性炭需定期更新，一般在單戶或聯(lián)戶灰水處理裝置中應(yīng)用較多，在村集中灰水處理工藝中一般不作為主體工藝，而是設(shè)置在生物或生態(tài)處理設(shè)施之后，作為深度處理設(shè)施進(jìn)一步去除懸浮物，保障消毒工藝的可靠運(yùn)行。

1.3 回用系統(tǒng)

農(nóng)村灰水回用系統(tǒng)主要分為消毒系統(tǒng)、儲(chǔ)水系統(tǒng)和輸配系統(tǒng)，其中以消毒系統(tǒng)最為關(guān)鍵?；宜泻写罅恐虏∥⑸铩?3〕，因此回用時(shí)應(yīng)關(guān)注致病風(fēng)險(xiǎn)。相關(guān)研究證實(shí)，CW等常用灰水處理工藝對(duì)致病菌的去除效果有限〔24〕，為實(shí)現(xiàn)灰水回用安全應(yīng)消毒處理〔25〕。消毒系統(tǒng)分為加氯消毒系統(tǒng)、紫外消毒系統(tǒng)和臭氧消毒系統(tǒng)等，其中加氯消毒系統(tǒng)和紫外消毒系統(tǒng)應(yīng)用較多〔20〕。加氯消毒系統(tǒng)主要采用次氯酸鹽消毒劑〔18〕，成本低廉且余氯可持續(xù)保持消毒效果〔26〕，缺點(diǎn)在于會(huì)產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物以及氯元素在農(nóng)業(yè)灌溉時(shí)可能對(duì)土壤和植物造成不利影響〔24〕。紫外消毒不產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物且不會(huì)增加灰水鹽分，但不具有持續(xù)消毒效果，易造成消毒不徹底〔18〕。加氯消毒和紫外消毒對(duì)進(jìn)水的懸浮物濃度和濁度要求較高〔26-27〕，需在消毒前降低進(jìn)水的懸浮物濃度和濁度，才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的消毒效果。

2 優(yōu)化建議

農(nóng)村灰水收集-處理-回用系統(tǒng)的技術(shù)類型多樣，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)與需求，科學(xué)設(shè)計(jì)、規(guī)范建設(shè)并保障運(yùn)維效果，從技術(shù)、管理和制度層面科學(xué)推進(jìn)農(nóng)村灰水的資源化利用，如圖2所示。

圖2 農(nóng)村灰水系統(tǒng)優(yōu)化建議Fig.2 Optimization suggestions of the rural greywater system

2.1 技術(shù)層面

在有條件的地區(qū)優(yōu)先推行管道排水，條件尚不充分的地區(qū)推行管渠結(jié)合的排水系統(tǒng)，利用管道衛(wèi)生條件較好和溝渠成本低廉的優(yōu)勢(shì)，提高灰水收集系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可行性。合理優(yōu)化灰水管徑，優(yōu)先采用小管徑排水系統(tǒng)（干管管徑＜200 mm的重力流排水管道系統(tǒng)）〔28〕，其成本低廉、開(kāi)挖道路面積小，適合現(xiàn)行條件下的農(nóng)村灰水收集〔29〕，且在優(yōu)化管道運(yùn)維和削減處理設(shè)施污染負(fù)荷方面有積極意義〔30〕。因地制宜，合理集成生物、生態(tài)和物化處理工藝，避免盲目追求MBR等先進(jìn)處理工藝，造成資金浪費(fèi)。避免在冬季嚴(yán)寒地區(qū)使用生態(tài)處理工藝為主的處理系統(tǒng)，集成生物處理和物化處理系統(tǒng)保障冬季的灰水處理效果。在條件允許的地區(qū)利用風(fēng)能和太陽(yáng)能等清潔能源為灰水處理設(shè)施供能，降低運(yùn)行能耗和費(fèi)用?；宜赜霉喔葧r(shí)進(jìn)行低劑量加氯或紫外消毒處理，隨后采用滴灌等非噴灑型輸配系統(tǒng)，避免形成微生物氣溶膠。再生水灌溉可能造成土壤鹽分的累積〔31〕，消毒時(shí)應(yīng)控制含氯消毒劑的用量?；宜赜糜跊_洗和景觀時(shí)，在生物∕生態(tài)處理后采用砂濾+加氯消毒方式進(jìn)行消毒，保證儲(chǔ)水和輸配水系統(tǒng)中含有適宜濃度的余氯。

2.2 管理層面

關(guān)注灰水收集和回用系統(tǒng)的維護(hù)，定期巡視灰水管道和溝渠，及時(shí)排查檢修淤積和堵塞問(wèn)題，強(qiáng)化消毒系統(tǒng)和儲(chǔ)水系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)，以保證灰水回用安全。建立考核機(jī)制、健全考核體系、明確責(zé)任到人，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將灰水集中處理及回用系統(tǒng)的運(yùn)行和水質(zhì)數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)公示，建立公眾監(jiān)督與投訴平臺(tái)，鼓勵(lì)農(nóng)村居民參與灰水收集-處理-回用系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)督。加強(qiáng)宣傳教育，號(hào)召農(nóng)村居民養(yǎng)成良好的排水習(xí)慣，避免大塊異物進(jìn)入灰水管道，杜絕將黑水接入灰水管道的行為，并引導(dǎo)居民積極采取相應(yīng)防護(hù)措施，接觸灰水后勤洗手，降低室外灰水回用的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 制度層面

拓展融資渠道，創(chuàng)新收益模式，采用多種方式鼓勵(lì)社會(huì)資本參與農(nóng)村灰水系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)維。在經(jīng)濟(jì)條件允許的地區(qū)對(duì)農(nóng)村灰水系統(tǒng)的建設(shè)運(yùn)維提供專項(xiàng)資金支持。在有條件開(kāi)展灰水回用的地區(qū)建立灰水回用經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償機(jī)制，對(duì)優(yōu)先開(kāi)展灰水回用的農(nóng)村在財(cái)政支持上予以傾斜，定期組織灰水回用優(yōu)秀案例評(píng)選并進(jìn)行推廣。在推進(jìn)鄉(xiāng)村振興的過(guò)程中，逐步在地方規(guī)劃和各項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃中對(duì)灰水回用率提出要求。目前我國(guó)尚無(wú)針對(duì)農(nóng)村灰水收集-處理-回用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，各地在灰水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)缺乏有效參考，應(yīng)推進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。市場(chǎng)上灰水設(shè)備類型多樣，選型困難，應(yīng)推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化認(rèn)證工作，保障設(shè)施質(zhì)量與運(yùn)行效果，形成規(guī)范化的灰水技術(shù)系統(tǒng)和設(shè)備體系。

3 發(fā)展趨勢(shì)

農(nóng)村灰水系統(tǒng)的科學(xué)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)和工藝應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)可總結(jié)為4個(gè)方面：（1）在物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化及調(diào)控方面，研究灰水系統(tǒng)中持久性有機(jī)污染物等新興污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，以保障回用安全，同時(shí)研究鹽分及氮、磷元素的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律以提升農(nóng)業(yè)灌溉回用效益。（2）在微生物特征解析及風(fēng)險(xiǎn)控制方面，探明灰水系統(tǒng)是否具有致病微生物的傳播和富集風(fēng)險(xiǎn)，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的微生物風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)。（3）在低溫處理可靠性提升及配套技術(shù)研發(fā)方面，研發(fā)能夠適應(yīng)低溫的灰水處理技術(shù)及設(shè)備，并提出系統(tǒng)低溫運(yùn)行解決方案。（4）在管道和溝渠收集系統(tǒng)決策方面，基于我國(guó)農(nóng)村復(fù)雜多樣的地理環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀，通過(guò)全生命周期的效益評(píng)估實(shí)現(xiàn)灰水收集系統(tǒng)選型的科學(xué)決策。

4 結(jié)論

（1）農(nóng)村灰水收集系統(tǒng)分為管道系統(tǒng)和溝渠系統(tǒng)，處理系統(tǒng)以RBC、BAF、MBR等生物處理工藝、CW等生態(tài)處理工藝、物理過(guò)濾等物化處理工藝為主，回用系統(tǒng)的消毒方式以加氯消毒和紫外消毒應(yīng)用較多。

（2）灰水管道造價(jià)過(guò)高和處理設(shè)施冬季運(yùn)行效果差是常見(jiàn)問(wèn)題。技術(shù)上應(yīng)因地制宜，優(yōu)化灰水收集管道管徑，強(qiáng)化處理與回用技術(shù)集成并推進(jìn)科學(xué)消毒；管理上應(yīng)強(qiáng)化運(yùn)維、量化考核并加強(qiáng)宣傳；制度上應(yīng)保障資金、鼓勵(lì)回用并制定標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)籌推進(jìn)農(nóng)村灰水的資源化利用。

（3）應(yīng)開(kāi)展新興污染物、鹽分、致病微生物等在灰水系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和環(huán)境影響研究，研發(fā)能夠適應(yīng)低溫環(huán)境的農(nóng)村灰水處理技術(shù)和設(shè)備，并科學(xué)評(píng)估管道系統(tǒng)和溝渠系統(tǒng)的綜合效益。