全球淡水短缺的日益严重的问题促使人们寻找替代水源以满足不断增长的水资源需求。在这种情况下，处理后的废水再利用成为一种可持续的解决方案（Salehi, 2022; Timmer et al., 2025）。灰水包括淋浴、洗衣和洗手池的排放水（但不包括厕所排水），占生活废水的50%-80%（Hamidi, 2025）。与厕所废水相比，灰水的污染程度较低，更易于处理，公众也更接受其再利用（Kobayashi et al., 2020）。因此，灰水可用于非饮用用途，如灌溉、汽车清洗和冲厕，具有显著减少淡水消耗的潜力（Oh et al., 2018）。然而，尽管污染程度较低，灰水中仍含有各种污染物，如营养物质、有机物（尤其是表面活性剂）和病原体（Benami et al., 2016）。未经处理的灰水排放到自然水体中会对水生生态系统造成严重威胁，因为会富集营养物质并产生表面活性剂毒性（Palmer and Hatley, 2018）。传统的废水处理方式能耗较高，仅废水运输就占总能耗的约25%（Kobayashi et al., 2020）。由于灰水是在现场连续产生的，因此研究越来越关注小型化和分散式的处理与再利用系统（Shaikh et al., 2019），这些系统可以降低集中式污水处理厂的输送成本和运营负担（Pan et al., 2025）。
目前的灰水处理技术主要依赖于物理、化学和生物过程以及集成系统。物理方法（如膜过滤和吸附）和化学方法（如混凝）通常需要昂贵的功能材料和/或额外的后处理步骤，导致较高的运营和维护成本（Van de Walle et al., 2023）。相比之下，生物方法利用自然存在的微生物来去除污染物。通常，有机碳通过生物同化和降解被去除，而氮则通过硝化和反硝化作用去除（Singh et al., 2024）。作为代表性的生物技术，生物膜反应器操作简便且节能，已被证明对灰水处理有效（Van de Walle et al., 2023）。曾构建了一个用于灰水处理的试点规模移动床生物膜反应器（MBBR），实现了70%的COD去除率，出水质量符合灌溉标准。然而，MBBR需要安装曝气装置来维持载体悬浮，这导致了较高的能耗（Crispim and Nolasco, 2017）。后来开发了一种重力驱动的多层生物膜反应器，用于灰水处理，该反应器能够有效去除浊度（95%）、总悬浮固体（94%）和化学需氧量（87%），但未研究灰水中常见的表面活性剂的去除情况（Prajapati et al., 2019）。值得注意的是，在生物膜系统中，LAS会影响氮的代谢。负责生物氮去除的功能微生物对LAS非常敏感，LAS可能会破坏微生物细胞膜等结构，从而改变细胞代谢过程（Zhou et al., 2019）。此外，有研究表明高浓度的LAS会降低反硝化细菌中关键酶的活性（Chen et al., 2023）。因此，考虑LAS与生物膜系统中氮去除之间的潜在相互作用至关重要。
生物膜反应器中的好氧降解是污染物去除的关键途径，人工曝气可显著提高这一过程的效果。然而，灰水中含有高浓度的表面活性剂，曝气时会产生过多泡沫，这会降低氧气传递效率，从而影响有机污染物和表面活性剂的去除（Kim and Park, 2021）。为了在不进行曝气的情况下保持微生物活性，颗粒活性炭（GAC）因其较大的比表面积和发达的孔结构而备受关注。GAC具有很强的吸附能力，同时为微生物提供栖息地。活跃的微生物有助于延长GAC的使用寿命（Terry and Summers, 2018）。在生物颗粒活性炭过滤器中，污染物去除最初依赖于新鲜GAC的吸附作用。随着生物膜的发展和微生物积累的增加，生物过程在污染物去除中变得越来越重要（Hess and Morgenroth, 2021）。然而，分散式灰水处理面临多个挑战，包括服务区域的高度变化和由于生活方式差异导致的水质波动。一般来说，较小的处理规模对应更大的水量变化（Hess et al., 2021）。灰水的质量和数量变化通常会对处理系统的抗冲击负荷能力提出更高要求。然而，目前关于生物膜系统或GAC系统用于灰水处理的研究主要集中在优化操作参数和整体去除效率上。从微生物生态学的角度来看，水力负荷变化如何影响氮和LAS的同时去除机制仍不甚清楚。
本研究使用基于重力流自充氧颗粒活性炭的多功能动态生物膜反应器（GAC-MDBfR）研究了不同水力负荷对灰水处理的影响。评估了处理效率，特别关注氮和线性烷基苯磺酸盐（LAS）的去除情况。此外，还研究了微生物生态对水力负荷变化的响应，从而揭示了水力负荷影响GAC-MDBfR性能的潜在微生物机制。这些发现有助于开发一种高效、节能的灰水处理技术，符合碳中和目标。
