面向机构规模应用的混合人工湿地集成土壤含水层处理对厨房灰水的处理效率

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Treatment Efficiency of Kitchen Greywater Using Hybrid Constructed Wetlands Integrated with Soil Aquifer Treatment for Institutional-Scale Applications

　　

•混合人工湿地 - 土壤蓄水层处理系统（Hybrid CW–SAT）对厨房灰水中的 BOD、COD、TKN 和硝酸盐的去除率超过 90%。
•处理效率依次提高：HF < VF < 混合人工湿地 < SAT < 混合人工湿地 + SAT。
•天然基质和混合大型水生植物显著增强了污染物去除效果。
•由于氯离子的保守离子行为，其去除率适中。
•处理后的出水符合 IS 10500 和 CPCB 标准，适用于回用。

引言
快速城市化、人口增长和生活习惯模式的改变导致印度国内废水产生量显著增加。在印度背景下，一个主要问题是相对低污染的废水流往往与高度污染的污水混合，导致失去了分散式处理和回用的机会。在国内废水流中，灰水（不包括厕所废水）占家庭总废水量的近 50–80%，且与黑水相比污染较轻，使其成为就地处理和回用的理想候选者（Avery 等，2007；Frazer-Williams 等，2008）。

灰水产生于各种家庭活动，如沐浴、洗衣和厨房操作。特别是厨房灰水，由于食物准备、餐具清洗和洗碗活动，其特征是高有机物含量、营养物质、油脂和悬浮固体。尽管厨房灰水比浴室灰水更浓缩，但它仍然是可生物降解的，适合自然处理过程，使其适用于分散式低成本处理系统（Abdel-Shafy 等，2013；Ramprasad 等，2017）。然而，在许多印度机构和住宅环境中，厨房废水被直接排入下水道或开放排水沟，导致地表水污染和地下水污染。

随着淡水资源压力增加和地下水位下降，特别是在印度半干旱和地区，处理后的灰水回用已成为可持续水资源管理的重要组成部分。传统的集中式废水处理系统通常能耗高、成本高，且难以在分散式或机构环境中操作。相比之下，人工湿地（CWs）作为一种有效的基于自然的解决方案应运而生，用于灰水处理，具有低能耗、操作简单、生态兼容以及能够整合物理、化学和生物处理机制的能力（Avery 等，2007；Frazer-Williams 等，2008；Nema 等，2020）。此外，图 1 说明了厨房灰水产生的概念框架、其污染物特征以及相关的环境和健康影响。来自洗碗、餐具清洗和食物准备的灰水通常富含有机物、营养物质、油脂和悬浮固体（Avery 等，2007；Frazer-Williams 等，2008；Halwani 等，2018）。未经处理的排放会污染地表水和地下水，导致健康风险和生态影响，如富营养化和耗氧（Amerasinghe 等，2013；Agarwal 等，2022；Abdel-Shafy 等，2013；Ramprasad 等，2017；Nema 等，2020）。

人工湿地模仿自然湿地的功能，利用基质、植被和微生物群落去除有机物、营养物质和污染物。根据流配置，人工湿地大致分为水平地下流（HF）和垂直流（VF）系统。HF 人工湿地主要提供厌氧和厌氧条件，有利于反硝化和有机物去除，而 VF 人工湿地增强氧气传递，对硝化和有机物负荷减少更有效（Vymazal, 2010；Ramprasad 等，2017）。为了克服单一系统的局限性，结合 HF 和 VF 单元的混合人工湿地越来越多地被采用，以实现有机物和营养物质的优越去除（Frazer-Williams 等，2008；Nema 等，2020）。

人工湿地的性能受基质特征和植物物种选择的强烈影响。沙、土、卵石、木炭和砾石等基质在过滤、吸附、微生物附着和营养物质保持方面起着关键作用（Xu 等，2006；Wang 等，2018；Wang 等，2024）。近年来，基于木炭的介质和卵石因其高表面积、吸附能力以及增强微生物活性的能力而受到关注，从而提高了污染物去除效率。基于土壤的基质进一步支持营养物质吸附并促进反硝化过程，特别是当与后处理系统（如土壤蓄水层处理，SAT）结合时（Xu 等，2006；USEPA, 2024）。

植被是人工湿地性能的另一个关键组成部分，因为大型水生植物有助于污染物吸收、向根际传递氧气以及稳定基质。多项研究表明，芦苇（Phragmites australis）、宽叶香蒲（Typha latifolia）、美人蕉（Canna indica）和芋头（Colocasia esculenta）等植物在废水处理系统中是有效的（Balachandran & Nanthakumaran, 2018；Saxena 等，2019；Karungamye, 2022）。其中，芋头和美人蕉显示出对有机物和营养物质负荷的高耐受性、快速生物量增长，以及在水平和垂直地下流湿地中增强营养物质和污染物去除的能力（Chand 等，2021；Rani 等，2024；Thathong 等，2019）。然而，大多数现有研究要么单独评估这些物种，要么针对工业和生活污水，对厨房灰水和混合种植系统的关注有限。

尽管关于人工湿地处理灰水的研究广泛，但仍存在显著的研究空白，特别是在印度背景下。有限的研究评估了使用混合大型水生植物系统（美人蕉和芋头）在 HF、VF、混合人工湿地以及集成土壤蓄水层处理（SAT）配置下对机构厨房灰水的处理。此外，对单个湿地系统与集成混合人工湿地 - SAT 系统在有机物和营养物质去除方面的比较评估仍然有限。因此，本研究假设 VF 和 HF 人工湿地的顺序集成随后进行 SAT，比独立湿地系统能实现更高的污染物去除效率。本研究的目的是：(i) 表征机构厨房灰水；(ii) 比较 HF、VF、混合人工湿地和 SAT 系统的处理性能；(iii) 评估物理化学和营养参数的去除效率；以及 (iv) 根据印度标准评估处理后的出水对回用和地下水补给的适宜性。本研究的创新之处在于在印度条件下，应用集成混合人工湿地和 SAT，使用分层天然基质和混合大型水生植物进行分散式机构规模的厨房灰水处理。

这种集成的基于自然的处理方法与可持续水资源管理原则相符，通过促进分散式废水回用、地下水补给和基于生态系统的解决方案，为可持续发展目标（SDGs）6（清洁水和卫生）、11（可持续城市和社区）、12（负责任消费和生产）和 15（陆地生物）做出贡献。除了处理效率外，人工湿地还提供美学效益，增强土壤稳定性，并支持生态恢复，使其成为印度缺水地区可行的长期解决方案。

章节摘要
材料与方法
本研究采用了一种集成的实验框架，包括实验室规模的人工湿地处理随后进行土壤蓄水层处理（SAT），以评估厨房灰水的处理效率，如图 2 所示。该方法分两个连续阶段实施：第一阶段涉及水平和垂直地下流人工湿地及其混合配置，第二阶段涉及用于后处理抛光的土壤蓄水层处理。

设计与操作策略基础
人工湿地（CW）和土壤蓄水层处理（SAT）系统的设计基于美国环保署推荐的地下流湿地原则，强调受控的水力学、足够的接触时间以及物理、化学和生物处理机制的集成。所有系统均在间歇性批流条件下运行，这被广泛认为可以增强氧气传递、减少堵塞并提高实验室规模和分散式系统的处理效率。

SAT 系统的土壤水力表征
用于 SAT 系统的土壤通过测定其孔隙率、水力传导率和入渗速率进行表征，以评估其用于基于入渗的废水处理的适宜性。所有测量均进行三次重复（n = 3），结果表示为均值 ± 标准差（SD）（表 2）。压实土壤的水力传导率为 1.72 ± 0.04 m day-1，表明具有中等渗透性的砂壤土条件，有利于受控入渗和……

结论
本研究在集成实验框架下评估了使用水平流（HF）、垂直流（VF）、混合人工湿地和土壤蓄水层处理（SAT）处理厨房灰水的性能。人工湿地设计有分层天然基质，包括砂、土壤、活性炭和卵石，并种植了混合大型水生植物系统（美人蕉和芋头）。

结果清楚地表明了显著改善……

局限性与未来展望
尽管集成混合人工湿地 - SAT 系统在实验室条件下显示出对有机物和营养物质的显著去除，但应承认本研究的某些局限性。实验在受控水力和环境条件下以实验室规模进行，进水特征相对稳定。在实际的现场规模应用中，灰水质量和流动条件可能会因用水量的波动而发生巨大变化。

伦理批准与知情同意
本研究中使用的灰水样本仅采集自印度安得拉邦普图尔的西达尔特工程与技术学院（SIETK）的食堂厨房设施，事先已获得机构当局的许可。本研究仅涉及收集和分析和食物准备活动产生的非危险厨房灰水。在任何时候都没有收集或使用任何个人、敏感或可识别的人类数据。

CRediT 作者贡献声明
Daggupati Sridhar：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，监督，方法论，调查，数据管理，概念化。Meshwa Pankaj Prajapati：项目管理，调查。Kuvvarapu Lavanya：写作 – 审阅与编辑，验证。Golla sanjeevarayudu：验证，数据管理。Anil kumar vellure：调查，形式分析。Maha Lakshmi：验证，数据管理。Parimalarenganayaki S：写作 – 审阅与编辑，监督。

未引用参考文献
CPCB, 1986；由中央水委员会进行，2019；Tusiime 等，2022；Abdulraheem 等，2020；APHA；Bastian 等，2020；Byelyanska 等，2023；美国环境保护署，1988；美国环境保护署，1995。

伦理批准与参与同意
不适用。

出版同意
不适用。

利益冲突
作者声明没有利益冲突。

数据与材料的可用性
支持本研究结果的数据可向通讯作者请求获取。

竞争利益
作者声明没有竞争利益。

生成式 AI 和写作过程中 AI 辅助技术的声明
在准备本作品期间，作者使用了 ChatGPT 以增强文本的语言。在使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版内容承担全部责任。

资助
不适用。

利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些可能会影响本论文报告的工作。

致谢
作者真诚感谢印度安得拉邦普图尔的西达尔特工程与技术学院（SIETK），提供必要的机构支持和设施进行灰水样本收集和实验设置。作者还感谢印度泰米尔纳德邦维洛尔的维洛尔理工学院（VIT）土木工程学校，提供实验室设施和物理化学及营养物质分析所需的分析支持。

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