整合废料衍生吸附剂（waste-derived adsorbents）的两阶段绿墙（green wall）系统增强灰水（greywater）处理与回用

《Frontiers in Environmental Engineering》：Enhanced greywater treatment in a two-stage green wall system by incorporating waste-derived adsorbents

　　

灰水（greywater）回用为缓解淡水短缺提供了一种可持续途径，但处理可靠性的担忧限制了其推广。本研究考察一种用于灰水（greywater）处理的两阶段绿墙（green wall）系统，该系统整合了种植 Carex secta 的植物单元和填充废料衍生吸附剂（waste-derived adsorbents）——煅烧 kina（海胆）壳（calcinated kina (sea urchin) shell）、ZnCl₂ 活化杏核生物炭（ZnCl2-activated apricot stone biochar）和天然沸石（natural zeolite）——的垂直流后处理柱（post-treatment columns, PTCs）。在不同水力负荷和污染物负荷下，评估了该系统对有机质（organic matter）（化学需氧量（chemical oxygen demand, COD）、总有机碳（total organic carbon, TOC））、营养物（氨（ammonia）、硝酸盐（nitrate）、亚硝酸盐（nitrite）、磷酸盐（phosphate））和异生物质（xenobiotics）（阴离子表面活性剂（anionic surfactants）、芳香化合物（aromatic compounds））的去除性能。采用基质表征（substrate characterization）、植物健康评估（plant health assessment）、微生物分析（microbial analysis）和物理化学水质监测（physicochemical water quality monitoring）来阐明植物–微生物–介质（plant–microbe–media）相互作用。在绿墙（green wall）单元部分去除后，PTCs 有效深度处理了残留污染物，达到 34% 的磷酸盐（phosphate）、99.8% 的氨（ammonia）、95% 的表面活性剂（surfactants）和 25%–37% 的芳香化合物（aromatic compounds）（UV(294)）去除率。尽管硝酸盐（nitrate）从绿墙（green wall）单元淋失（?34%），PTCs 通过去除 64% 的硝酸盐（nitrate）减轻了这一现象。TOC 和 COD 进一步分别降低 17% 和 14%，使两阶段系统的总体去除效率分别达到 95% 和 96%。在 2 周干燥后高污染物负荷的胁迫条件下，PTCs 维持了污染物去除，而绿墙（green wall）单元表现出营养物去除下降。在整个种植绿墙（green wall）中，氨（ammonia）从 0.02 增加至 1.63 mg/L，磷酸盐（phosphate）从 3.42 增加至 4.44 mg/L。非种植对照（non-planted control）恶化更严重，氨（ammonia）增加至 8.88 mg/L，磷酸盐（phosphate）增加至 8.32 mg/L。胁迫恢复后，植物单元迅速恢复处理效率，而对照释放的氨（ammonia）增加十倍、磷酸盐（phosphate）增加两倍。这种新型集成处理设计展示了一种可扩展、低维护的解决方案，用于有效的就地灰水（greywater）处理和回用。

论文解读

研究背景：灰水（greywater，除厕所黑水外的生活污水）回用可缓解淡水短缺，占家庭污水体积的50%–80%，含最高30%的有机碳负荷和9%–20%的营养物，病原风险较低。但法规不一、健康风险、处理性能不稳定、维护需求和成本不确定限制其推广。自然基解决方案（NBS）如人工湿地、绿色屋顶和绿墙（green wall）因低能耗、占地小等受到关注；绿墙可垂直整合于城市基础设施，适合家庭灰水原位处理与回用。然而，绿墙不能去除所有营养物，尤其磷，并可能在干燥–再润湿或高负荷下淋失污染物，出现总磷去除有限、硝酸盐和亚硝酸盐淋出、COD和黄变等问题。吸附剂如沸石（zeolite）和生物炭（biochar）常用于抛光阶段。已有研究表明，沸石可去除81%铵，煅烧贝壳（CK）可通过钙介导沉淀去除磷酸盐，ZnCl₂活化杏核生物炭（ZAB）可去除磷酸盐、硝酸盐、十二烷基硫酸钠（SDS）和TOC。但将这类废料衍生吸附剂整合入绿墙尚未见报道。因此，研究人员设计两阶段系统，目标为测试低成本吸附剂增强灰水处理、评估不同流量和污染物负荷影响、并表征处理前后吸附剂以理解污染物归趋，最终生产适合安全非饮用回用的出水。

研究开展、结论与意义：研究人员构建种植 Carex secta 的绿墙单元串联垂直流后处理柱（PTCs），PTCs填充CK、ZAB和天然沸石。系统在正常负荷、14天干燥和双倍污染物负荷下运行。结果表明，PTCs可有效抛光绿墙残留污染物，两阶段系统总体去除TOC 95%、COD 96%，并增强磷酸盐、氨、硝酸盐、表面活性剂和芳香化合物去除；系统在干燥和高负荷下具韧性，展示可扩展、低维护的现场灰水处理与回用方案。

关键技术方法（≤250字）：研究人员采用两阶段柱实验。初级柱装珍珠岩（perlite）/椰糠（coco coir）/轻质膨胀黏土骨料（LECA），设种植 Carex secta 和非种植对照，接收合成灰水，水力学负荷（HLR）89 mm/day。后处理柱PTC1–PTC3填充煅烧kina壳（CK）、ZnCl₂活化杏核生物炭（ZAB）和天然沸石（1:1:1），流量200、600、1200 mL/day，对应HLR 283、849、1415 mm/day和HRT 16.96、5.65、2.83 h。运行31天正常、14天干燥、12天双倍负荷。测定pH、氧化还原电位（ORP）、电导率（EC）、溶解氧（DO）、COD、TOC、NH₃–N、NO₃^-、NO₂^-、PO₄^3-、阴离子表面活性剂和UV₂₉₄。用SEM、XRD、FTIR表征介质；DNA提取和16S rRNA基因V4区测序分析微生物。活性污泥来自Christchurch Wastewater Treatment Plant曝气池，测序在University of Macau。

研究结果：
3.1 介质表征：通过SEM、XRD、FTIR发现，800°C煅烧kina壳生成粗糙多孔CaO/Ca(OH)₂，处理后出现羟基磷灰石（hydroxyapatite）和透钙磷石二水合物（dicalcium phosphate dihydrate）沉淀，P–O键在1,043 cm^-1；ZAB有微/中孔和ZnO/Zn(OH)₂，处理后无显著峰变化，污染物主要吸附于孔内；沸石为高结晶铝硅酸盐，处理后出现N–H弯曲新峰，Si–O–Si骨架完整。结论：CK钙沉淀去除磷，ZAB吸附，沸石铵交换。
3.2 污染物去除效率：
3.2.1 磷酸盐和氮去除：
3.2.1.1 磷酸盐：种植柱去除34%，非种植17%；PTCs快速去除，PTC1全程完全去除，PTC3第12天降至2.1 mg/L，PTC2第20天2.04 mg/L。结论：CK碱性沉淀主导磷去除。
3.2.1.2 氨：种植柱去除99.8%氨至0.020 mg/L，总氮（TN）去除73%；非种植去除91%氨至0.92 mg/L，TN去除45%；PTC1 TN降至1.02 mg/L（90%）。PTCs硝酸盐去除64%，但PTC1硝酸盐升高至14.11 mg-N/L；亚硝酸盐在PTCs未检出。种植柱硝酸盐峰值低于非种植，非种植亚硝酸盐短暂积累至5.29 mg/L。结论：植物增强氨/磷去除，PTC抛光，但硝酸盐吸附容量逐渐饱和。
3.2.2 有机物（COD和TOC）去除：种植柱COD去除86%、TOC 83%；非种植COD 89%、TOC 85%，差异不显著。PTCs将COD去除提高至91%–94%，TOC 87%–88%，最终水质符合US EPA非饮用回用标准。结论：有机质主要在绿墙去除，PTC进一步抛光。
3.2.3 异生物质（XOCs）去除：PTCs对阴离子表面活性剂去除>99%，UV₂₉₄降至<0.045 AU，PTC1和PTC2常达99%；种植和非种植UV₂₉₄分别降低25%和37%。结论：PTCs有效去除残留XOCs。
3.3 水质理化参数：
3.3.1 pH：进水7.29，种植7.03，非种植7.21；PTCs因CK释放OH^-升至8.69–9.31，PTC3从10.63降至7.16。pH下降与磷去除下降对应。
3.3.2 EC：初级出水与进水相近；PTCs初期淋出使EC升高，但第2天后低于700 μS/cm，无长期盐度风险。
3.3.3 DO：种植柱DO 6.08 mg/L高于非种植5.76 mg/L，Carex secta根系径向氧释放（ROL）支持好氧，但高DO抑制反硝化导致硝酸盐积累。PTCs未测DO。
3.3.4 ORP：种植柱略高，PTCs ORP下降，与pH升高、离子交换和介质饱和有关，未直接定量。
3.3.5 浊度：种植和非种植均从10.31 NTU降至0.75 NTU，去除93%；PTCs出水低于检测限。
3.4 干燥期和高负荷率的影响：PTCs在干燥后高负荷下保持氨、亚硝酸盐未检出，PTC1/2磷完全去除，PTC3去除80.5%；COD/TOC无显著恶化，硝酸盐去除56%–63%，UV₂₉₄降低83.1%–100%，表面活性剂完全去除。种植柱氨升至1.63 mg/L、磷4.44 mg/L、亚硝酸盐1.06 mg/L、pH降至6.46、EC增41.6%；非种植恶化更重，氨8.88 mg/L、磷8.32 mg/L、亚硝酸盐1.26 mg/L。结论：PTCs抗冲击，种植系统恢复更快。
3.5 植物生长及其对去除效率的影响：种植柱在稳定期氨去除>98%，磷去除比非种植高约21%；干燥高负荷下仍稳定。Carex secta地上部剪除后1个月新梢27 cm、2个月55 cm。结论：植物增强氧化还原缓冲、抗冲击和长期适用性。
3.6 微生物鉴定：高通量测序显示Pseudomonadota占优（50%–82%），种植柱多样性更高，根际相关属如Bradyrhizobium、Burkholderia、Dyella、Opitutus、Mucilaginibacter富集；非种植以Pseudomonas、Mycobacterium、Cupriavidus为主。结论：植被塑造微生物群落，可能支持异养硝化–好氧反硝化及营养物去除。
3.7 初步实践和经济考虑：基于PTC1磷穿透，吸附剂混合预计提供70–75天处理，约季度更换；按家庭灰水量需约2–3 kg CK/ZAB/沸石每人每月。绿墙安装成本约NZD 640–2300/m²，沸石、生物炭等有成本。结论：系统有应用潜力，但需优化材料比例和更换策略。

讨论与结论部分总结：讨论部分强调新颖性在于全系统集成和变水力负荷、干燥、增负荷下的韧性，而非单个吸附剂。PTC低流下完全去除磷、氨、亚硝酸盐、表面活性剂和UV吸收化合物，COD/TOC进一步降低14%和17%，总体去除94%–95%。全系统可行性取决于吸附剂生产/功能化和再生能耗；未评估病原体，回用需消毒屏障（如UV）。未来需量化长期耗尽、再生和废介质利用、生物膜–介质相互作用，进行户外真实灰水试点，并评估ZAB的Zn淋失、不同表面活性剂/NOM和长期连续运行。

研究结论部分翻译：本研究展示了一种新型两阶段灰水处理系统，由种植 Carex secta 的绿墙和含互补废料衍生吸附剂的可更换后处理柱组成。与常规绿墙不同，该系统结合生物处理与靶向物化抛光，增强残留磷酸盐、硝酸盐、表面活性剂和有机化合物去除。新颖性在于全系统集成及其在变水力负荷、干燥和增加污染负荷下的韧性，而非单个吸附剂。绿墙单元单独实现近完全氨去除（99.8%），与未种植系统相比，磷酸盐和硝酸盐分别降低17%和70%。虽然种植和非种植COD/TOC去除相当，植被提供更大氧化还原缓冲，尤其在干燥和高负荷胁迫下。非种植柱在干燥后增负荷下磷酸盐翻倍、氨十倍峰值，而种植系统保持韧性。PTCs在抛光绿墙出水中起关键作用。低流条件下，完全去除磷酸盐、氨、亚硝酸盐、表面活性剂和UV吸收化合物，同时在上游绿墙阶段之外进一步降低COD和TOC 14%和17%，总体去除达94%–95%。磷酸盐通过CK钙驱动沉淀完全去除，硝酸盐降低56%–63%，可能通过ZAB吸附。典型条件下，PTC1磷去除100%，PTC2和PTC3超过80%。PTC1预测磷耗尽约70–75天，可通过增加柱长或分层延长，提供约季度更换周期。材料需求约2–3 kg CK/ZAB/沸石混合物每人每月。后处理还完全去除氨、亚硝酸盐和阴离子表面活性剂，UV₂₉₄降低最多100%，COD和TOC降低95%–96%。这些结果确认后处理柱在变水力和污染负荷下的稳健性，作为分散回用系统中处理灰水污染物的紧凑模块。然而，全系统可行性取决于吸附剂生产/功能化和再生能耗，且因未评估病原体，回用部署需消毒屏障（如UV），增加能耗和运营需求。未来研究应量化长期材料耗尽、再生和废介质安全回用、生物膜–介质相互作用，并开展户外真实灰水试点，包括ZAB的Zn淋失、不同表面活性剂/NOM和长期连续运行测试，以加强PTC集成绿墙作为可持续、低维护分散灰水处理方案的依据。