来源:Frontiers of Environmental Science & Engineering 发布时间:2022/5/9 14:03:57
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FESE | 封面报道:污水处理厂由传统活性污泥法工艺改造为膜生物反应器工艺的技术经济性

论文标题:Techno-economic characteristics of wastewater treatment plants retrofitted from the conventional activated sludge process to the membrane bioreactor process. (污水处理厂由传统活性污泥法工艺改造为膜生物反应器工艺的技术经济性)

期刊:Frontiers of Environmental Science & Engineering

作者:Tingwei Gao (高庭苇) , Kang Xiao (肖康) , Jiao Zhang (张姣) , Wenchao Xue (薛文超) , Chunhai Wei (魏春海) , Xiaoping Zhang (张晓平) , Shuai Liang (梁帅) , Xiaomao Wang (王小) , Xia Huang (黄霞)

发表时间:26 Aug 2021

DOI:10.1007/s11783-021-1483-6

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https://journal.hep.com.cn/fese/EN/10.1007/s11783-021-1483-6

文章出版:Front. Environ. Sci. Eng. 2022, 16(4): 49

原文信息

题目:

Techno-economic characteristics of wastewater treatment plants retrofitted from the conventional activated sludge process to the membrane bioreactor process

作者:

Tingwei Gao (高庭苇) 1, Kang Xiao () (肖康) 1, Jiao Zhang (张姣) 2, Wenchao Xue (薛文超) 3, Chunhai Wei (魏春海) 4, Xiaoping Zhang (张晓平) 1, Shuai Liang (梁帅) 5, Xiaomao Wang (王小) 2, Xia Huang (黄霞) 2

作者单位:

1 University of Chinese Academy of Sciences, China

2 Tsinghua University, China

3 Asian Institute of Technology, Thailand

4 Guangzhou University, China

5 Beijing Forestry University, China

通讯作者邮箱:

kxiao@ucas.ac.cn

关键词:

Membrane bioreactor (MBR) (膜生物反应器);

Conventional activated sludge (CAS) (传统活性污泥法);

Cost-benefit analysis (成本收益分析);

Data envelopment analysis (数据包络分析);

Net profit (净利润)

文章亮点

• 传统活性污泥法(CAS)改造为膜生物反应器(MBR)后,出水水质变好,环境收益增加。

• 污水处理厂由CAS改造为MBR后,能耗增加,但考虑环境收益后的净利润提高。

• 污水处理厂由CAS改造为MBR后,单位运行成本的技术效率显著增加。

• 出水标准越严苛,MBR的技术经济优势越明显。

文章简介

膜生物反应器(MBR)与传统活性污泥法(CAS)的技术经济性优劣争论已久。为适应日趋严苛的出水标准,具有出水水质好、占地面积小、污泥产量低等优势的MBR受到广泛关注,越来越多的CAS污水处理厂被改造或扩建为MBR。然而,工程应用中MBR暴露出的高能耗、膜污染等问题备受诟病、惹人争议。MBR的优势是否能掩盖其劣势?若综合经济成本和环境收益,MBR和CAS孰优孰劣?污水处理厂采用MBR工艺前后的技术经济性评估或能回答这一疑问。本文基于20座万吨/日以上级污水厂改造或扩建前后(主体工艺由CAS改为MBR)的运行数据,采用成本收益分析法和基于非径向距离函数的数据包络分析法,对污水处理厂采用CAS和MBR时的成本能耗、净利润和技术效率进行测算和对比。

污水处理厂由CAS改造为MBR后,污染物的平均去除率显著提高,如氨氮的去除率由89.0%提升至93.3%,同时能耗从0.40 kWh/m3显著增加至0.57 kWh/m3,总运行成本没有显著提高。成本收益的结果表明,工艺变为MBR后,去除污染物的平均边际收益变高,氨氮的边际环境效益贡献最大,净利润由19.4 CNY/m3显著提高至24.4 CNY/m3。技术效率估算的结果表明,升级改造前后,单位运行成本的技术效率(理论取值范围为0~1)由0.70提升至0.73,而单位能耗的技术效率没有显著差异。技术经济性还与所采用的出水标准密切相关,出水标准越严格(例如从国家一级A排放标准提升至地方标准DB11),MBR的净利润和技术效率优势越明显。

总体而言,MBR比CAS更具技术经济优势。在出水标准严格的情况下,MBR更有利可图。特别是在污水深度处理与资源化的背景下,MBR具有广阔的发展前景。然而从MBR技术本身而言,其能耗效率仍有较大的提升空间。

文章摘要图

编者点评

随着污水排放标准愈发严苛,污水处理厂建设用地越发紧张,中国许多污水处理厂通过升级改造或扩建,采用具备出水水质好、占地面积小等优势的MBR作为主体工艺代替传统的污水处理工艺(CAS),以更好地实现环境目标。然而,由于MBR高成本、高能耗、膜污染等问题在大规模应用中逐渐暴露,CAS改造为MBR这一趋势受到争议和质疑。本研究采用污水处理厂改造前后的运行数据,对CAS和MBR进行技术经济上的严格配对比较研究,对比分析污水处理厂采用CAS和MBR时的成本能耗、净利润和技术效率,采用敏感性分析评价计算结果的可靠性,为污水处理工艺的选择和应用提供技术经济方面的理性参考。

编者 | 高庭苇

点评 | 肖康

致 谢

肖康,中国科学院大学资源与环境学院副教授,科院青年创新促进会会员,北京燕山地球关键带国家野外科学观测研究站骨干。从事水环境过程与水污染控制方面的研究,包括有机物光谱指纹分析、污水处理与资源化、膜分离技术与原理、污染与传质数学模型等。获评FESE期刊2020年优秀编辑,担任《Membranes》编委及《膜科学与技术》通讯编委。发表学术论文100余篇,其中第一/通讯作者50余篇,总引4000余次,参编膜生物反应器行业标准2部。主讲科院《环境数据分析导论》、《环境数据的统计学分析方法》、《环境计算毒理》等课程。

高庭苇,女,24岁,中国科学院大学资源与环境学院2019级环境科学与工程专业硕士生,研究方向为水处理工艺的技术经济评估,导师为肖康副教授。

摘要

While a growing number of wastewater treatment plants (WWTPs) are being retrofitted from the conventional activated sludge (CAS) process to the membrane bioreactor (MBR) process, the debate on the techno-economy of MBR vs. CAS has continued and calls for a thorough assessment based on techno-economic valuation. In this study, we analyzed the operating data of 20 large-scale WWTPs (capacity≥10000 m3/d) and compared their techno-economy before and after the retrofitting from CAS to MBR. Through cost-benefit analysis, we evaluated the net profit by subtracting the operating cost from the environmental benefit (estimated by the shadow price of pollutant removal and water reclamation). After the retrofitting, the removal rate of pollutants increased (e.g., from 89.0% to 93.3% on average for NH3-N), the average energy consumption increased from 0.40 to 0.57 kWh/m3, but the operating cost did not increase significantly. The average marginal environmental benefit increased remarkably (from 0.47 to 0.66 CNY/g for NH3-N removal), leading to an increase in the average net profit from 19.4 to 24.4 CNY/m3. We further scored the technical efficiencies via data envelopment analysis based on non-radial directional distance functions. After the retrofitting, the relative cost efficiency increased from 0.70 to 0.73 (the theoretical maximum is 1), while the relative energy efficiency did not change significantly. The techno-economy is closely related to the effluent standard adopted, particularly when truncating the extra benefit of pollutant removal beyond the standard in economic modeling. The modeling results suggested that MBR is more profitable than CAS given stricter effluent standards.

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