CCAT greywater 2017/zh
2017年春季学期，在HSU，我们由四名ENGR305学生组成的团队被分配了改造位于CCAT的灰水系统的任务。在研究过去的项目时，我们得出结论，当前的系统存在严重问题，需要的不仅仅是简单的修复。在研究了多种不同类型的灰水系统后，很明显，这个三口之家不需要整个池塘，它已经太大了。因此，我们设计出了下面描述的系统，其基本原理相同，只是水流过一个回收的浴缸。之前的CCAT系统的另一个问题是它无法为校园提供教育灵感。新安装的系统对每天经过的路人来说非常显眼，它较小的地上组件也更容易理解。这是适当技术的一个非常重要的方面。我们这个项目的目标是为路人提供有关人工湿地重要性的基本知识。同时，为CCAT提供以环保方式妥善处理灰水的方法。
背景
校园适用技术中心（更通俗地称为CCAT）自1978年成立以来，一直是一个易于理解的教育和演示平台的代表；CCAT由学生维护，面向学生，鼓励为日常问题提供分散、创新和有机的解决方案。CCAT对适用和可持续技术的推广和重视，使其成为校园内环境科学和环境资源工程领域的顶级权威机构之一。自1978年以来，其成员从寥寥无几发展成为一个由董事、员工和志愿者组成的强大而发达的社群。
CCAT最初位于现在的行为与社会科学学院 (BSS) 所在地，为了容纳更多学生，学院于 2004 年搬迁。原址包括一个正常运行的灰水人工湿地系统，但因 BSS 的建设而消失。2007 年，学院设计并实施了一个新的沼泽系统，旨在作为一个示范性的自给自足灌溉系统。第一个设计于 2008 年实施（参见CCAT 灰水沼泽 (2008)），随后在 2009 年进行了第二次尝试（参见CCAT 灰水沼泽（当前）），其基础是现有系统。然而，在其整个生命周期和结构变化中，CCAT 灰水沼泽的设计目标始终如一，旨在实现多种用途：整合湿地技术、可持续灰水管理策略和教育机会。这两个项目（2008年和2009年）都遇到了一系列复杂的问题，但最突出的是在设计高效且适应性强的系统组件时遇到的困难。这些困难包括：厨房废水的一级处理（因为沼泽技术被认为是二级处理）、结构坚固的调压池、以“迷宫式”方式分流水的高效挡板，以及最后，可以说是最具挑战性的组件——高效的输送系统，该系统可以通往位于地下几英尺的灰水排放管道。高效人工湿地的关键在于系统要适应其所在的当地环境；因此，在CCAT当前位置成功构建该系统对于以前的项目来说是一项艰巨的任务，因为必须考虑许多结构因素。该系统的初始设计初衷是构建一个人工湿地，旨在通过湿地中种植的植物维持微生物来复制有氧过程。人工湿地和有机湿地均用作二次水处理的手段，为处理用于灌溉的灰水提供了绝佳的设计机会。
问题描述
初始
该项目的目标是重新设计和重建CCAT的灰水沼泽系统。最初，我们的主要目标之一是更新旧灰水沼泽的调压箱，该调压箱位于CCAT车道右侧（面向房屋一侧）的金属格栅下方。调压箱的作用是暂时储水，中和压力；防止过量水“涌入”系统。这种中和作用使系统能够仅处理其容量大小的灰水。我们还计划安装一套更先进的系统，用于过滤来自厨房水槽排放的灰水中的油和固体。该系统的潜在方案包括安装生物过滤器，例如木屑生物质过滤器。其他更新包括更换池塘衬垫、重建挡板以延长植物修复过程，以及将本地沼泽物种引入系统。最后，我们的团队计划改造测试池，这是该系统的主要外观特征。测试池的作用是保存水样，以便进行测试，判断人工湿地是否正常运作；对未经处理的流入水（灰水）样本和已处理的流入水样本进行测试，并比较每个样本的 BOD 水平，以评估系统的有效性。
最终版
由于结构限制，旧系统重建的程度有限，我们决定彻底拆除旧沼泽地，设计一个全新的系统。我们面临的主要挑战包括：通往房屋灰水输送管道的通道相对不便；输送管道位于地下约三英尺（约0.9米），无法采用重力供水系统。因此，我们知道有必要引入某种形式的泵送机制，以便将未经处理的灰水输送到地面。此外，找到一个既不浪费宝贵空间，又具有一定自然坡度（坡度）以利于水流流动的可用处理区域也是一个挑战。
我们的标准
我们与客户CCAT共同制定了一套标准。每项标准都有各自的限制条件，并按 0 到 10 的等级进行排序，其中 10 代表最重要，0 代表最不重要。
| 标准 | 约束 | 重量 （1-10） |
|---|---|---|
| 教育价值 | 标志必须达到八年级的阅读水平。 | 10 |
| 美学 | 必须吸引至少 50% 路过的人的注意。 | 6 |
| 长寿 | 必须是一个至少能运行五年的系统，并定期进行维护。 | 8 |
| 无障碍设施 | 必须对用户友好，甚至外行人也可以轻松使用。 | 9 |
| 处理后水质[ 1 ] | PM<5毫克/升总悬浮固体（TSS） | 10 |
| 容量 | 必须能够处理 CCAT 的所有灰水使用情况。 | 7 |
| 可重复使用的材料 | 必须至少有 80% 可重复使用的材料。 | 8 |
| 本地植物 | 必须包含至少 75% 的本地植物。 | 5 |
客户标准
教育
由于CCAT旨在打造可持续发展实验室，其灰水沼泽系统经历了一系列的改造和改进。在升级的任何阶段，一个尚未得到充分解决的问题是缺乏教育的可及性和机会。CCAT的家用灰水系统有望为人们提供一个直观的演示平台，让他们了解灰水管理的一般知识，甚至可能将这些新知识融入到自己的生活方式和家居环境中。我们的团队目前考虑在系统中加入“真实窗口”，以提高教育的可及性。“真实窗口”顾名思义，它让观看者或学生能够了解系统中特定组件的功能或结构。“真实窗口”通常会结合适当的技术使用，因为它们能让参与者和学习者将系统视为相互关联的组件组合，并更简洁地展现特定组件的功能。虽然“真实窗口”的安装最终未能实现，但它可以用来比较处理前后水质的差异。例如，我们会设置一个窗口，以便可以看到未经处理的灰水流入，同时设置另一个窗口，显示从系统流出的清洁处理过的水。这种水质差异可以展示人工湿地去除灰水中污染物的潜力。这也证明了灰水可以在家庭层面安全、可持续地进行管理，而不会对人类或环境健康构成威胁。[ 2 ]
我们设计的系统并非一个真相窗口，而是以无障碍设计为核心。我们的系统更注重教育平台的功能，而非一个全面的治疗系统，并且设计时考虑到了用户互动，特别是通过手动泵。
可操作性和功能性
CCAT当前灰水系统的两个主要问题是该系统的教育部分难以理解以及系统本身的整体功能。目前，沼泽地确实从为移植的湿地物种供水的房屋获得灰水，但表面处理区域对于排入系统的水量来说太大。进入旧系统的水（未经处理的灰水流入）几乎没有速度；这可能是由于缓冲罐过大造成的。从较小横截面积流向较大横截面积的液体速度会减慢。缓冲罐横截面积的过度补偿会导致速度几乎完全损失；这就是在旧系统中观察到的情况。最后，关于功能，该系统没有最终用途（在适当技术背景下的基本组成部分），处理过的水被排入地下水位。
文献综述
这是对与灰水沼泽相关的现有文献的回顾。
灰水的定义
美国环保署将灰水定义为“来自住宅、商业和工业浴室水槽、浴缸淋浴排水管以及洗衣设备排水管的可重复利用废水”。厨房水槽的排放物通常不被视为灰水，因为其中含有以食用油和固体形式存在的较高浓度的有机物。灰水与黑水截然不同，因为它不含任何粪便。黑水在某些文献中被定义为马桶排水口和厨房水槽的排放物。黑水中高浓度的污染物为细菌提供了生长场所，接触这些细菌后可能对人体有害。
化学成分
灰水的化学成分反映了家庭的生活方式。肥皂、清洁剂、卫生用品等中使用的任何化合物都有可能接触到已安装的灰水系统，从而影响后续灰水的成分。因此，任何机构的灰水质量都取决于居民的生活水平、文化规范、化学品使用情况和日常生活方式。[ 3 ]
灰水中浓度最高的营养物质是氮和磷。大部分氮是通过厨房水槽的排放物沉积下来的，而大部分磷原本就存在于洗涤剂和肥皂中，通过洗衣机沉积下来。
潜在风险
在权衡实施家庭规模灰水系统的利弊时，许多人担心家庭用水再利用对人类健康和环境的潜在风险。对人类健康的风险包括接触未经处理的灰水中含有的消化系统病原体和食物处理病原体。这些病原体可能通过直接接触、饮用灰水植物和/或接触蚊子而导致疾病。灰水再利用带来的一个环境风险是过量的营养物质（例如磷，包含在未经处理的灰水中）可能会进入当地水体，引发水体富营养化。然而，通过广泛查阅现有文献，可以清楚地看出，可持续的灰水再利用是可能的，并且不会造成环境中磷过量的风险，但前提是该系统得到正确实施。此外，许多人担心某些化学物质、油和矿物质可能会污染土壤和含水层，从而改变土壤特性。接触此类物质有可能导致土壤盐渍化，从而降低植物的生产力。这种盐渍化作用可能是由灰水中高浓度的盐引起的，这些盐来自洗衣粉和其他家用清洁剂。为了降低土壤盐渍化的可能性，用户应该注意他们使用的家用清洁产品以及其中含有哪种化学化合物。[ 4 ]另一个环境危害是，产生的水中可能形成外来有机化合物，这些化合物存在于水生动物体内。这些化合物最终会因接触药物和抗生素而进入灰水。为了避免这种危害，灰水系统用户必须密切监管排入下水道的产品。最后但并非最不重要的是表面活性剂，它是一种降低两种液体之间或液体和固体之间表面张力的化合物。表面活性剂可用作洗涤剂、乳化剂、分散剂、发泡剂等。虽然（如前所述）可以使用对环境无害的洗涤剂，但即使是可生物降解的化合物也会降低土壤吸收水分的能力。[ 5 ]
然而，如果实施得当，这些风险可以最小化甚至完全消除。一个运转良好的人工湿地模拟了湿地环境中自然发生的植物修复过程。沼泽植物的根茎能够去除多余的营养物质（磷）和可能的病原体。包含厨房水槽排放物的灰水通常需要通过生物过滤器或其他过滤机制进行预处理，以去除任何可能降低系统效率的沉积物、盐分或食用油。此外，预处理还可以去除暴露后对土壤有害的表面活性剂。所有这些缓解措施都列在下面的<灰水管理系统类型>部分。最后，考虑到所有风险，重要的是要记住：“迄今为止，没有任何流行病学调查支持单个家庭规模的灰水使用与更高的发病率相关的说法。” [ 6 ]
合法性
在美国，市政当局通常负责收集和管理灰水和黑水。然而，在加州和美国其他许多地区，分散式、家庭规模的处理系统正变得越来越普遍。下图展示了当前各州立法的“可行”和“不可行”。在加州和亚利桑那州，现行的灰水法采用分级制度，允许您根据系统规模对使用情况进行分类。第一级允许房主将洗衣用水用于花园灌溉，无需许可证。第二级则需要许可证，并针对更复杂的系统提供相关法规。[ 7 ]
世界各地对灰水再利用的标准各不相同，这些政策之间的差异也很大。为了帮助那些生活在监管基础设施匮乏或完全缺失地区的人们，Maimon 等人提供了一种方法，通过危害识别、暴露评估、剂量-反应表征和风险表征，促进您自行开展公共卫生灰水风险评估（定量微生物风险评估，简称 QMRA）。[ 8 ]此外，概述您所在地区的当地“治理”也至关重要，以确保您的系统符合规范。
灰水管理系统的类型
在加州长期干旱和水分配项目备受争议的背景下，替代性的现场灰水回用系统在当地获得了很大的发展势头。[ 9 ]从更大范围来看，这些系统已经在管理服务不足或根本不存在的中低收入国家得到普及。在这些国家，如果存在排水基础设施，未经处理的灰水就会排入雨水渠并转移到已建立的水生系统中。这会损害这些生态系统的健康，改变其特性，例如浊度、营养物和微生物含量、化学成分等，并可能导致水体富营养化等失衡。[ 10 ]在没有基础设施的地方，未经处理的灰水会被直接排入街道或空地，对公众健康造成多重风险，例如水传播疾病。
水资源短缺、基础设施不足以及其他各种因素，导致城乡社区纷纷开展分散式灰水回用工作。这些系统通常自行实施，并设计用于现场回用。处理后的灰水可以回收用于多种不同的家庭用途，但系统必须根据灰水的来源/类型和需求进行专门设计。水处理方法多种多样，但最终产品最常见的用途是灌溉（室外）以及通过水槽和冲水（室内）直接回用。室内使用需要比室外更密集的水处理技术。以下是一些最常用系统的总体设计方案描述：
洗衣桶
灰水处理系统的复杂程度各不相同。简单的系统可以只是将洗衣机中的废水转移到一个盛有多余废水的滚筒中；[ 11 ]这被称为“缓冲罐”（参见机制部分的定义）。连接到滚筒上的软管可以将废水直接转移到农作物上，或者连接到灌溉系统。由于洗衣机灰水的化学成分特性，处理过程并不需要那么精细，因此转移的水可以直接用于灌溉农作物（参见引言中灰水的化学成分）。[ 12 ]
好处
该系统有三重优势：首先，洗衣机内置水泵既可以作为洗衣设备，又可以作为灰水系统本身的泵源；该系统不依赖重力。其次，由于灰水源（洗衣机）的特性，水无需处理，可以直接用于园艺。最后，大多数洗衣机的管道都是外露的，如果您是租房者，可以轻松进行排水。
注意事项
这种灰水系统最大的问题是灌溉对洗衣频率的依赖。
洗衣转土地
土地直供洗衣房 (L2L) 系统与洗衣桶的用途相同（灰水来源/类型和需求相同），最初由灰水活动家 Art Ludwig 设计。与洗衣桶类似，L2L 系统通过连接到洗衣机的三通阀将洗衣机单元中的废水排出。三通阀可以轻松地将灰水排到室外或主污水管道，以便在花园积水过多或衣物中添加漂白剂时使用。L2L 的这一特点使该系统有别于洗衣桶型号。此外，L2L 型号建议在阀门靠近花园的一侧安装防虹吸阀，以确保洗衣机注水时不会吸走内部水。（参见机制部分中的虹吸定义）。[ 13 ]
两种系统之间最大的区别在于，L2L系统使用覆盖物盆作为天然的调压箱（参见机制中调压箱的定义），逐渐释放灌溉用水。覆盖物是一种有机材料，通常被称为树皮、堆肥或它们的组合，有助于土壤隔离和减轻侵蚀。水通过阀门转移，然后通过一系列地下管道输送到这些盆中，过滤后逐渐释放水分到根系。将水引导至地下是L2L系统的另一个基本组成部分。这可以防止过度饱和，避免浇水过多和蚊虫滋生。管道通常埋在地下，并将水引入覆盖物盆中。
覆盖物池的建造很简单。它可以是由一条大型沟渠组成，也可以是由一系列围绕植被挖掘的沟渠组成，通常深约 12 英寸，并填充“粗”覆盖物（例如木屑）。[ 14 ]池子的尺寸设计应考虑其容纳的体积负荷，即涌入池子的水量。可以添加其他组件来辅助处理过程，例如出水室。出水室可以通过埋置一个倒置的 5 加仑罐子并在其侧面钻孔来构建。[ 15 ]该出水室允许固体物质流入池子进行生物降解，而不会随着时间的推移而堵塞。这种设计旨在处理含有固体的灰水源，或非来自洗衣机的灰水源（参见“类型”中的分支排水管）。
好处
覆盖盆模拟自然水过滤，充当有机缓冲罐。建议的三通阀是洗衣滚筒模型中未包含的功能，可帮助用户更好地控制灌溉频率。与洗衣滚筒模型一样，预期的灰水来源是洗衣机排放物，无需深度处理，但该模型可以根据其他水源进行定制。
注意事项
覆盖盆需要定期维护。设计师 Ludwig 建议每隔一两年重新挖掘盆地，以防止侵蚀。[ 16 ]此外，合理设计覆盖盆的尺寸也至关重要，以确保水有效地过滤到植物中。
分支排水沟
该模型也由Art Ludwig创新，并采用了与有机缓冲罐相同的覆盖物盆组件。然而，该系统采用重力供水，而非依赖内部洗衣机泵，这也使得灰水来源不限于该装置。分支排水系统的定义特征不言而喻；一系列沿圆周下降的管道从系统的水源入口“分支”出来，将最初较大的水流分配到较小的出口。建议像L2L模型一样，将管道隐藏在景观下方，但Ludwig的设计允许用户根据需要在地上铺设管道系统。地下系统绝对更卫生，也更符合规范。
路德维希提出了三种“分流”灰水源的方法。第一种方法是安装“双槽”附件，将管道出口一分为二，以便将水引入不同的管道。使用这些附件可以创建一个分支网络，以便将较少量的水输送到需要的地方。第二种方法建议最初将水源分开；即为每个水源入口（例如厨房水槽、洗衣机、浴室水槽和淋浴）创建单独的管道系统。第三种方法只是建议手动移动出口，以避免任何区域水量过大。您可以将这三种方法结合起来，以适应您系统的具体需求。[ 17 ]
好处
分支排水系统主要适用于坡度较大的房产。坡度越大，安装过程越简单。根据房产的性质，这可能是利好，也可能是弊端。该系统的设计方案和专业化程度较高，因为灌溉排水口的数量应根据灰水排放量而定。因此，它可以根据任何特定房产的需求进行定制。这还可以缓解过度浇水的问题，因为大量的水可以通过分支分流进行分配，将少量的水输送到所需区域。
注意事项
由于该系统采用重力供水，因此必须将水引下坡。如果没有水泵辅助，该系统无法适应上坡灌溉。为了保证水流顺畅，地势必须至少有 2%（每英尺 ¼ 英寸）的坡度，并且管道必须倾斜至精确的公差范围内。也就是说，管道必须安装成形成连续的下坡管道，否则系统可能无法正常工作。[ 18 ]此外，所有与覆盖物盆维护相关的注意事项（参见“从土地到洗衣房”系统的注意事项）均适用于该系统，因为它们是过滤系统的重要组成部分。
人工湿地
人工湿地 (CW) 是一种受湿地生态系统中自然生物过程启发的系统。CW 可分为三种不同的基本设计：地下湿地、地表湿地和浮动湿地。
地下湿地简单地说就是将灰水转移到地表以下，从而限制其与空气的接触。根据转移路径，地下湿地又可进一步细分：水平地下湿地允许污水在重力作用下平行于地表流动，而垂直地下湿地则允许污水垂直排放。[ 19 ]在垂直系统中，水实际上是排放到地表，首先浇灌经过精心选择的湿地植物。然后，水渗入土壤，经根部过滤，最后通过选定的基质（沙子、砾石等）。与水平系统相比，垂直系统所需面积较小，但污水必须间隔排放以避免洪水，因此需要设置调压室。虽然水平系统需要的面积更大，但其排水能力更强。湿地系统本身由相同的基本组成部分组成：含有湿地物种（最好是该地区的原生物种）的表层土壤和过滤介质。这种介质通常是沙子或砾石，作为微生物生长的平台，有助于过滤和吸收灰水。[ 20 ]底部要么铺有防水合成材料（如池塘衬垫或防水布），要么铺有有机绝缘材料（如粘土），以减轻地下水污染。
表面化学湿地（也称为自由表面化学湿地）在结构上与地下系统相似，但不同之处在于前者允许汇集污水。污水排放后，会缓慢流过一个水池，悬浮的沉积物会在此沉淀。然后，水会向下移动，并通过由人工湿地物种建立的根茎网络进行过滤。这些网络为以污水中的氮和磷为食的微生物提供了支持。[ 21 ]病原体会通过自然腐烂、捕食和紫外线照射而被分解。[ 22 ]与地下机制相比，这种暴露是一个重要的区别。然而，这种暴露也为蚊子等不太受欢迎的生物创造了繁殖地。适合表面化学湿地的植被包括挺水植物、沉水植物和地下植物。
与地表湿地和地下湿地相比，漂浮式系统的结构截然不同。其设计模仿了水培生长的一些组成部分，将生物种植在池塘中的漂浮垫或基质上。植物的茎暴露在空气中，而根部直接从水体中吸收养分。已建立的根茎系统本身的功能与地下或地表湿地相同，只是在没有土壤介质的情况下，网络可能更广泛。该网络还会形成微生物生物膜，即一层薄薄的细胞。在该系统中，根部同时执行生物和物理处理过程。也就是说，它们在物理上过滤和捕获颗粒物的同时，还通过生物膜中的生化过程转化氮和磷。[ 23 ]
优点和注意事项
人工湿地是迄今为止所描述的管理系统中最复杂的，拥有最大的定制空间。其应用范围也非常广泛，并且有许多混合系统融合了不同设计的元素，以满足特定的标准。这些系统最大的优势在于，如果安装正确，它们可以实现自给自足；而其最大的缺点或许在于，其专业化设计和实施过程的严谨和复杂。
摘要
所述系统并非代表所有灰水管理方法，而只是对最常用、分散式、“低技术”系统的简要概述。当然，也有一些更独特的系统被创造出来，例如通过紫外线照射处理水的旋转生物接触器，以及利用活性污泥技术的序批式反应器。[ 24 ]然而，这些系统不适用于普通用户，因此无法自行安装。因此，它们被排除在本次综述范围之外。
以前的 CCAT 灰水系统
据我们所知，该项目的最新更新是2009年版。根据CCAT场地管理员（2017年）康纳·肯尼迪（Connor Kennedy）的说法，该系统自那时起已多次重新设计。
古老的灰水沼泽就是这样来到我们这里的。
这是旧的灰水沉淀区。
设计
目前的CCAT灰水过滤系统设计简单。灰水从房屋流出，流入位于自行车架旁地下的第一个沉淀池。该沉淀池通过减缓水流速度去除颗粒物，使颗粒物有时间沉淀在池底。从这里，水被输送到车道下方，并进入灰水池前的第二个沉淀池。这个沉淀池起到了集油池的作用。从这里，水被直接倒入灰水池，并流经一个带挡板的过滤系统。由于完全处理后的水没有直接的去处，最终只能被径流排出。
这是从第二个沉淀池到沼泽的出口管道
这是第一个沉淀池，带有流入（白色）和流出（黑色）管道。
问题
该系统已知的问题包括地面平坦，以及单位体积灰水的表面积过大。首先，管道铺设的地面坡度过平。这阻碍了水流到达沼泽地的实际位置。最后，人工沼泽地面积过大，效率低下。目前的系统在设计时并未考虑到CCAT用水量小的问题。
沉淀池
沉淀池的设计非常简单，但非常有效。沉淀池的作用类似于沉淀池。[ 25 ]沉淀池的工作原理是减缓水流速度，使悬浮颗粒沉降到池底。这些废物被称为初沉污泥，[ 26 ]必须手动清除。这种沉淀池的设计中包含一个油过滤器。它由两个桶组成，第二个桶比第一个桶小，这样它就可以悬浮在第一个桶里。水来自连接到系统顶部的管道，流经油过滤器，然后上升到顶部，再流经另一根通向沼泽的管道。这样可以停止水流，使悬浮固体能够沉到池底，从而有效地从水中过滤掉。
机油滤清器
油过滤器的主要作用是去除水中可能存在的油类，以防止沼泽系统堵塞。油过滤器是沉淀池设计的一部分。沉淀池其实就是一块金属丝网，连接在上面描述的第一个桶上。它本质上起到了屏障的作用[ 27 ]，可以捕获并留住油类。油类会进一步通过沉淀池的沉淀池部分进行过滤，沉降到池底，形成初沉污泥。
困惑的系统
挡板过滤系统包含一系列上流式腔室。[ 28 ]水首先进入第一部分。然后，随着水位上升，水会溢流到第二部分，渗透土壤，填满该区域，然后溢流到下一部分。这个过程不断重复，直到水完全过滤。该系统对轻度污染的水效果不佳，但不易堵塞。[ 29 ]
参考文献
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