摘要

城市廢水的回用正在成為影響各個用水部門的水資源管理的一個廣為接受的解決辦法。然而，為城市廢水回用配置最可持續和有效的處理係統仍然具有挑戰性。本研究提供了一種有利於使用各種可持續性指標的方法，如針對或交付的處理效率、環境和經濟影響、麵積足跡和能源消耗，以配置和選擇針對特定非飲用水再利用應用和場地特征的處理係統。結果表明，所提出的方法可以清楚地提供不同工廠規模和潛在重用需求之間的性能、環境影響和經濟成本之間的權衡信息。所提供的實際案例是基於對各種處理係統的廣泛國際研究，進一步說明隻關注一個可持續性指標可能無法提供最可持續的解決方案。就某些再用應用而言，出水水質會高於目標水平，整體環境影響較低，能源消耗較低，但成本較高。該研究還表明，對於所有規模的工廠來說，相同的處理係統可能不是最可持續的選擇。本文提出的方法提供了一種根據當地需求和工廠規模，通過對處理係統可持續性的整體評估，為每個個案確定最可持續的解決方案的方法。

關鍵字

非飲用水重用;可持續評價;生命周期評估(LCA);壽命周期成本(LCC);能源消耗

簡介

人口增長、生活水平提高和環境汙染都是造成世界許多地區水資源壓力增加的因素。雖然由於環境汙染和水需求增加，獲得飲用水的費用越來越高，但人類對飲用水的消費與農業和工業用水等其他主要用水戶發生了衝突。然而，這些不同用水部門之間的競爭是可以避免的，因為非飲用水的用水可以基於再生廢水。經過處理的城市廢水的回用被認為是在建設可持續社會的同時管理水資源短缺問題的最負責任的解決方案[1-3]。廢水回用用於非飲用用途已經在一些地區得到了應用，但更廣泛的實施主要是由於迫切的需求，而不是由於對這種方法作為滿足社會需求的整體可持續解決方案的共同理解。這包括對廢水回用係統的處理成本和效率的誤解。在麵臨水資源短缺的歐洲國家，由於缺乏對先進處理解決方案[4]的環境和經濟影響的更廣泛的了解和可見度，阻礙了廢水作為一種資源的回用。

為了安全回用水，通常製定了嚴格的出水質量要求，而限製在一級和二級處理步驟的傳統廢水處理通常無法滿足這些要求。為了實現這一目標，將各種三級過濾和消毒技術結合起來，創造出一種可重複使用的溶液，該溶液可滿足有機物、固體、病原體和新出現的化學汙染物的去除目標，而不需要高成本和高能耗的過程，如反滲透(RO)。在可持續性方麵對重複處理係統的評價可以基於可持續性的三個主要方麵:效率、環境和經濟影響。可持續性的這些方麵可以進一步擴展到包括技術和功能方麵，如瑞典城市水項目[5,6]提出的不同技術的穩健性及其性能。鑒於這些評價的多重維度和複雜性，通過整合這些不同的可持續性方麵來進行可持續性評估的任務變得困難。用各種技術從廢水中去除特定汙染物等過程效率的最佳評估方法是使用實際測試，而不是建模。此外，有許多不同的決策支持工具可用於不同的評估需求。使用生命周期評估(LCA)和生命周期成本(LCC)評估是在繪製技術的環境和經濟績效時最常用的工具[7,8]。

許多研究使用生命周期評估(LCA)來比較不同的廢水處理技術在為農業灌溉、城市或工業使用等回用應用供水時對環境的影響[9-14]。一些研究隻關注特定的環境關鍵績效指標(kpi)，如全球變暖潛勢[15]，而另一些研究則考慮了幾個kpi(16-19)。所有這些研究的共同點是，結果沒有準備好以便比較各種治療係統或研究。這些研究還受到進一步的限製，因為它們以個案的方法評價單一因素對環境的影響，而不是同時完成處理係統和各個方麵，而這是全麵評價所需要的。

Baresel等人[20]研究了水質(或預期用水)、選擇的處理技術和工廠規模對水處理係統在特定條件下對環境影響的影響。Baresel等[21]和Lazic等[22]通過討論通常被視為外部性的因素的重要性，加強了評價，這些因素通常不包括在優化策略中，但對廢水回收係統的環境評價是必要的。即便如此，電力需求是環境評估中最常用的參數之一[23,24,13]，而所使用的能源組合的實際影響以及通過改變這種能源組合對係統整體環境性能的影響往往被忽視。

在評估經濟可持續性時，不同處理係統之間的最低成本成本比較通常是基於投資和運營成本的不同比例的假設，而不是基於實際成本數據;或者，它基於一次比較一個係統和一個全尺寸大小[25]。不完整的成本成本分析會導致在淨現值格式下對工廠實際總成本的重大誤判。

一般來說，在沒有綜合可持續性評估的情況下評價可持續水處理時，傾向於關注廢水係統的環境影響評價或經濟評價(有或無重複利用)。隻有少數研究同時考慮廢水係統的環境影響和經濟影響分析[23,26 -28]。這些研究大多基於LCA數據[29]的貨幣化，或基於一個選定工廠規模的評估係統的真實生命周期成本(LCC)和LCA分析[30-32]。據作者所知，目前還沒有一項研究將處理效率、環境和經濟影響與不同工廠規模的可持續性的技術和功能方麵結合起來進行調查。

本文的目的是提出一種實用的方法來識別和評估最可持續的廢水處理解決方案，以不同的重用應用為基礎，基於常見的和易於理解的工具。這是通過使用描述的可持續性方麵和一個描述性的例子來實現的，該例子基於八個不同工廠規模的廢水回用處理係統的評估:20,000個人當量(pe)， 100,000 pe和500,000 pe。

材料和方法

對於每個研究的處理係統和每個工廠規模，評估了以下可持續性指標:

• 根據區域目標所達到的出水質量以及對新出現汙染物的額外評價來衡量處理效率
• 生命周期評估(LCA)[33]考慮10個最常見的水處理係統相關環境影響指標(kpi，見方法)
• 基於淨現值、資本投資和經營支出的生命周期成本(LCC)評價。
• 處理係統能耗(千瓦時/米^3.處理過的水)
• 水回收率，定義為處理水流量與流入原廢水流量的百分比)

• 占地麵積(處理單元占地麵積，單位為m2)

研究了處理係統

八(8)個先進的處理係統在瑞典Sjöstadsverk的Hammar研究設施安裝和測試了兩年多的時間。這8個係統針對3個重複利用應用領域的出水質量:農業用途(AG)、地下水補給(GW)和工業用途(I)(表1)

重用應用程序	處理係統	過程描述
農業
AG1	SBR (p-nit) + RGSF + uv	sbr -序批式反應器(P-NIT=部分硝化;NDN =硝化/反硝化)
銀2	SBR (p-nit) + df + uv	rgsf -快速重力雙介質過濾器
地下水補給		DF-Disk過濾器
GW1	SBR (NDN) + RGSF + UV + Cl	UV-Ultraviolet輻照
GW2	SBR (NDN) + DF +臭氧+ BAF + UV + Cl	BAF-Biologically有源濾波器
GW3	SBR (NDN) +臭氧+ BAF + UV + Cl	Cl-Sodium次氯酸鹽治療
行業		Ozone-Ozone治療
I1	SBR (NDN) + pUF + UV + Cl	pUF-pressurized超濾
I2	SBR (NDN) + sUF + Ozone + Cl	sUF-submerged超濾
I3	SBR (NDN) + sUF + UV + Cl

表1:研究了處理係統

• 為了獲得最大的意義和真實的數據使用，隻使用了現有和可用的技術，包括:
• SBR -二級生物處理:具有連續流入的先進順序批式反應器(ICEASTM, Sanitaire, Xylem)。係統運行在部分/不完全硝化模式(P-NIT)進行養分回收或完全硝化/反硝化模式(NDN)進行養分去除。
• 三級過濾處理。傳統技術，如快速重力雙介質過濾(RGSF;利奧波德，木質部)和圓盤過濾(DF;北歐水)用於去除固體，包括在需要時去除磷。為了在一定的出水質量要求下去除更高的額外顆粒，對兩種不同的超濾(UF)膜技術進行了測試，即淹沒超濾(sUF;GE的ZW1000)和加壓UF (pUF;Xiga 55來自X-flow)。
• 根據飼料水中的微生物含量和透光率，采用不同強度的紫外線處理(Wedeco, Xylem)進行消毒，以將總大腸菌群濃度降低到2.2/100毫升以下。不考慮將氯作為主要消毒劑。剩餘氯為1ppm，用於分配。
• 為了去除新出現的汙染物(微汙染物)，對臭氧(係統I2)和臭氧增強生物活性過濾(OxeliaTM, Xylem)進行了評估(係統GW2和GW3)。

每個處理係統都經過了徹底的測試和優化，以滿足目標出水質量要求(參見表2和Baresel等人[30]了解更多技術和操作信息)。根據選定區域:印度、中東、澳大利亞和拉丁美洲[20]的區域目標，選定所需的汙水質量，作為月平均值。目標出水質量取決於應用(例如農業再利用的糧食作物vs非糧食作物，地下水再利用的滲透盆地vs注入井)和地方法規。例如，澳大利亞對GW再利用應用有最嚴格的出水質量要求之一，而印度對工業再利用應用有特別嚴格的要求。例如，地下水[34]和工業應用可能需要去除微汙染物，這取決於實施區域。MP的目標出水濃度是根據瑞士指南確定的[35-37]。來自試驗處理係統的性能數據和來自世界各地幾個全規模工廠的運行數據被用於開發一個完整的可持續性重用評估。

	AG1	銀2	目標AG)	GW1	GW2	GW3	目標吉瓦	I1	I2	I3	目標我
總氮(毫克/升)	15	15	20.	5	5	5	10	5	5	5	＜10
NH4- n(毫克/升)	4．5	4．5	5	0.7	0.2	0.2	1	0.7	0.7	0.7	1
總磷(毫克/升)	2．0	2．0	2	0.2	1．0	1．0	1	0.2	0.2	0.2	1
鱈魚(/ 10)(毫克/升)	3．5	3．5	< 4	3．5	2．3	2.8	＜3	3．0	2.5	3．0	＜3
生化需氧量4(毫克/升)	5．0	5．0	< 8	3.6	2．0	3．0	＜5	2．0	3．0	3．0	＜5
濁度(南大)	0．5	2．0	< 2	0.4	0．5	0．5	< 2	0.14	0.15	0.27	＜1
總懸浮物(mg/L)	1．0	2．0	5	1．0	1．0	1．0	＜5	1．0	1．0	1．0	< 2
總大腸菌群(cfu/100 mL)*	<2．2	<2．2	< 2.2	<2．2	<2．2	<2．2	< 2.2	<2．2	<2．2	<2．2	< 2.2
微汙染物(例子)* *:
卡馬西平(µg / L)			-		0.05	0.04	0．5		0.014		0．5
雙氯芬酸(µg / L)			-		0.06	0.04	0.05		0.05		0.05
布洛芬(µg / L)			-		0.043	0.04	0.3		0.173		0.3

表2:針對八個被調查的處理係統，達到了出水質量
式中:AG-農業(灌溉糧食和非糧食作物)，GW-地下水補給(滲透盆地，注入井用於含水層補給)，IIndustry(冷卻水，工業處理用水)
*加州Title 22標準(1);達到的數值低於目標
**瑞士指南(29-31)

可持續再利用評價

理想的可持續廢水回用解決方案應該是在總環境影響最小和生命周期成本最小的情況下滿足出水質量目標的解決方案。根據不同的影響因素，如陽離子、待處理流程、特定於應用程序的要求和條件，即功能和技術方麵，以及係統實施區域的主要環境挑戰，這個最佳解決方案可能會有所不同。這還包括將水用於農業、工業或地下水補充用途時所需的水質，以及保護環境和人類健康。8種不同的處理係統對固體、濁度、有機物(COD)、營養物質(氮氮和磷磷)、病原體(如總大腸菌群和糞便大腸菌群)和不同的微汙染物(如表2所示)的去除水平不同，滿足所選區域的不同重用類別要求。

根據ISO標準(ISO, 2006)，通過生命周期評估(LCA)對環境影響進行評估，其中包括從進水到再生水的處理。該方法考慮了工廠建設、運行和退役所需的所有資源，包括在整個工廠生命周期中使用的材料、能源和化學品。對於LCA模型，通過對三種典型植物規模(20,000、100,000和500,000 pe)進行所有分析，考慮了放大效應:假定植物壽命超過20年。係統邊界包括現場汙泥處理，但不包括成本/收益和再生水使用的環境影響/效益。環境分析考慮了處理本身的上遊和下遊影響，例如化學品生產、能源使用。執行的LCA評估了十個選定的環境kpi:

• 全球變暖潛能值[kg CO₂-Eq. / m^3.),
• 酸化電位(AP)[kg SO₂-Eq. / m^3.),
• 富營養化勢(EP)[kg磷酸鹽- eq ./m^3.),
• 光化學臭氧產生電位(POCP)[kg乙烯- eq ./m^3.),
• 人體毒性(HTP)[kg DCB-Eq./m^3.),
• 淡水生態毒性勢(FAETP)[kg DCB-Eq./m^3.］
• 海洋生態毒性(MAETP)[kg DCB-Eq./m^3.),
• 陸地生態毒性(TETP)[kg DCB-Eq./m^3.),而
• 元素消耗導致非生物資源(AD)消耗[kg Sb-Eq./m]^3.)和化石燃料(MJ / m^3.］．

西班牙被選為模範國家，因此所有結果都基於西班牙電網。水回收項目的主要重點地區是中東、印度、拉丁美洲和澳大利亞。然而，即使在歐洲國家西班牙，由於缺水，也被認為是水的再生，此外，西班牙是其他地區的一個很好的代表。此外，特定區域的庫存數據是必要的

以西班牙價格為基礎，對8個汙水回用處理係統進行了20年的經濟評價。每個處理係統都是針對三個選定的全尺寸尺寸設計的，實際的建設項目被用作數據庫。應用生命周期成本(LCC)分析包括年度總治療成本的計算，包括資本費用(CAPEX)和運營費用(OPEX)。資本支出包括土木、機械和電氣成本，包括安裝成本。它進一步解釋了更換消耗品，例如，定期更換漫射器或紫外線燈。運營成本包括運營的能源和化學成本、人力和維護成本。LCC模型按照DWA指南[38]構建。低成本航空

以淨現值(NPV)表示，並以工廠20年壽命計算，假設利率為5.5%。經濟KPI的使用壽命、資本支出和運營成本以處理水/年的美元/立方米計算。關於方法的更多細節可以在Baresel et al.[20]和Baresel et al.[30]中找到。

結果與討論

處理係統效率

根據AG、GW和I非飲用水再利用應用的目標，評估了8個處理係統的處理性能。進水水質載於表S1的補充資料。8個處理係統的運行和評價數據表明，所有係統都符合各自的非飲用再利用目標(表2)。AG1和AG2係統保存了廢水中的營養物質(N和P)，以便在灌溉時作為肥料再次使用。這種處理是通過不完全硝化和沒有針對性的除磷來實現的。然而，對於AG1，介質過濾顯示出更高的固體去除(TSS和濁度)比AG2的圓盤過濾器，這導致更高的出水質量。對於所有GW和I係統，營養物質和額外的固體去除都是目標。這是分別使用介質過濾或生物活性過濾器(BAF)用於GW和超濾用於I係統。在工業係統中，I2，包括膜超濾和臭氧氧化，通過進一步降低濁度、殘餘COD和消除所有目標MPs，改善了廢水質量，與係統I1和I3相比。對於GW係統，通過臭氧氧化和BAF去除MP和額外去除有機碳(即COD和BOD)。這些係統提供了最佳的總體出水質量，因為它們額外減少了銨(NH4 -N)、殘留COD和消除所有目標MPs。

生命周期評估

環境評估結果見表3。關於庫存數據的詳細信息由Baresel等人提供。[30]。對於10萬pe的工廠規模，10個評估的kpi和3個附加指標(能耗、水回收和麵積足跡)與最簡單的處理係統ag1(包括介質過濾)進行比較。結果表明，廢水質量要求最低的處理係統(不去除氮，固體和有機物含量要求較低)，即用於灌溉的AG係統，除全球升溫潛勢和水回收率外，對所有指標的環境影響最低。隨著出水水質(AG1→GW1→I3→GW3)的增加，除GWP外，其他指標的計算環境影響也隨之增加。全球升溫潛能值的不同表現是由於AG係統的定向不完全硝化需要較少的操作能量，並在可用於灌溉的處理廢水中提供氮。然而，與GW和I係統的完全硝化-反硝化過程相比，這種有針對性和通用的灌溉用水回用方法增加了重要溫室氣體一氧化二氮(N₂O;參見Baresel et al.[20]獲得詳細討論)。此外，通過強化營養物和固體去除(GW1和I1, I3)來提高水質意味著技術的改變(例如從培養基過濾到超濾)，這尤其會增加能源需求。與養分和固體去除較少的係統相比，這一所需的技術變革進一步導致了HTP、生態毒性潛力和由元素引起的AD增加了50%以上。與GW1和i3係統相比，臭氧和BAF (GW2、GW3)或超濾和臭氧(I2)能夠去除MP和額外的COD，使所有kpi額外提高20%。與GW2相比，GW3的POCP和AD較低。這是由於用於工廠運行的化學品(用於POCP的聚合物)和用於建造GW2中使用的附加圓盤過濾器的材料對這兩個kpi的影響。此外，GW3除MP能力較強，水回收率最高。

KPI	AG1	銀2	GW1	GW2	GW3	I1	I2	I3
全球變暖潛能值(%)	One hundred.	One hundred.	59	70	71	64	64	59
酸化潛力(%)	One hundred.	99	121	146	148	132	133	121
富營養化的潛力(%)	One hundred.	One hundred.	123	150	151	134	135	123
光化學臭氧生成罐(%)	One hundred.	117	106	130	113	110	109	107
人體毒性(%)	One hundred.	102	142	178	176	157	165	149
淡水水生生態毒性壺(%)	One hundred.	102	127	162	161	139	156	140
海洋水生生態毒性壺(%)	One hundred.	99	124	154	155	137	140	126
陸地生態毒性潛力(%)	One hundred.	99	186	219	217	213	205	189
非生物消耗，元素(%)	One hundred.	103	227	287	272	271	261	232
非生物消耗，化石(%)	One hundred.	99	120	146	147	131	131	120
額外的指標/資源
能源消耗(%)	One hundred.	98	103	122	125	121	111	103
水回收(%)	One hundred.	101	One hundred.	99	One hundred.	91	93	93
占用麵積(%)	One hundred.	95	118	143	141	123	120	120

表3:環境kpi和使用的資源與AG1進行了比較，為100,000 pe尺寸
何處:AG-農業，GW-地下水補給，I-工業

表3顯示，具有相同出水質量目標的處理係統對所有評估的關鍵績效指標的環境影響可能非常不同。例如，sUF(係統I3)的kpi比pUF(係統I1)低5 - 17%，因為這兩種技術消耗能源和使用材料的方式不同。隨著工廠規模的增加，兩種係統之間的差異在所有kpi上都在增加，這意味著隨著工廠規模的增加，I3成為一個更環保的選擇(參見補充信息圖S1)。

由於各元素的不同，用於運行處理係統的能源消耗對幾乎所有(十分之七)調查的環境kpi(全球升溫潛能值、AP、EP、HTP、FAETP、MAETP和AD)都具有主導影響。更多信息可參見Baresel等人[20]。一個AP與所有8個處理係統的能耗和工廠規模相關的例子(見補充信息圖S2)表明，當工廠規模從20,000 pe增加到500,000 pe時，能耗對AP的影響減小，R2在0.96到0.84之間。這是因為隨著處理係統規模的增加，工藝/設備效率的提高會降低每立方米處理水的能耗。因此，對於同一處理係統，增加工廠規模通常會減少每立方米處理水的所有kpi對環境的影響。

用於能源供應的電網類型對環境kpi有顯著影響。當將使用美國、瑞典和澳大利亞電網的LCA結果與使用西班牙電網的基礎情況進行比較時，發現在相同的處理係統和相同的能耗下，將45%的化石燃料替換為綠色能源可使全球變暖潛能值降低60%[21,22]。

生命周期成本

表4列出了對10萬工廠規模的8個處理係統的經濟評估。由此可見，投資成本(CAPEX)與汙水質量沒有直接關係。例如，與涉及膜的工業再利用係統相比，使用GW3係統和臭氧增強BAF可以以較低的資本支出獲得MP消除。這是由於土木和機械成本對資本支出的不同影響。資本支出的最大部分(超過50%)來自與麵積/體積足跡[30]密切相關的民用成本。由於二級處理步驟在處理係統中占地麵積最大，因此三級處理的民用成本意義相對較低。資本支出的第二大部分是機械成本，約占30%。在這個例子中，超濾膜(UF)的機械成本遠遠高於BAF的成本，盡管BAF使用更大的占地麵積，因此比UF有更高的民用成本。

	AG1	銀2	GW1	GW2	GW3	I1	I2	I3
淨現值（％）	One hundred.	96	101	117	115	112	115	110
資本支出（％）	One hundred.	92	105	118	114	118	123	123
運營成本(%)	One hundred.	99	98	116	117	108	108	One hundred.
OPEX / NPV (%)	56	58	54	55	57	54	53	51

表4:NPV, OPEX和資本支出作為與AG1的比較，為100,000 pe規模

另一方麵，操作成本(OPEX)與出水質量有關，這表明去除額外汙染物所需的能量隨著出水質量要求的增加而增加。這是因為能源消耗占運營成本的50%以上。結果顯示(見補充信息圖S3)，對於所有三種工廠規模和調查的8個處理係統，運營成本和能耗之間的相關性是相似的，R2在0.85到0.89之間。在評估整體LCC(這裏用NPV計算)時，發現對於10萬pe的工廠規模，運營成本是整個20年工廠生命周期的主要成本，因此決定了整體LCC，如表4所示。這一發現質疑了在評估經濟影響時關注資本支出的慣例，並加強了成本成本評估的必要性。這裏表明，高初始投資並不意味著20年的高LCC。此外，隨著出水水質(AG2→GW1→I3→GW3)的增加，LCC也隨之增加，因為使用的設備成本較高，能耗也較高。

與環境影響類似，工廠的規模也會對成本產生影響。增加工廠規模可以減少某些處理係統之間$/m3處理水的成本差異。一個例子是兩個AG係統之間的成本差異(在補充信息g中如圖S4所示)，其中對於最大的工廠，帶介質過濾器的AG1比帶圓盤過濾器的AG2更具有成本效益，因為係統之間的NPV成本差異從最小規模的8%下降到最大規模的工廠相等。這是由於兩個係統之間的資本支出差異，隨著工廠規模的增加，這一差異從13%下降到1%;由於運營成本對總NPV成本的影響增加，這兩個係統的資本支出差異均為60%。

從經濟分析中可以清楚地看到，工藝設備的選擇和處理係統內單元工藝的配置對LCC有重大影響。研究還表明，初始資本投資成本(CAPEX)不是可持續經濟解決方案的充分指標。此外，運營成本(OPEX)通常支配著整個成本成本，因為它是成本成本中較大的一部分。因此，在尋求一個工廠整個生命周期的經濟解決方案時，應該對整個LCC進行全麵評估，而不是專注於資本支出。為了優化處理係統的性能並降低整體LCC成本，有兩個重點領域將產生最大的影響:通過節能設計減少能源消耗來降低運營成本，通過降低成本來降低資本支出

再利用處理係統的整體可持續評價

為了說明各種可持續性指標的使用，本例選擇了能源消耗(甚至間接表示與能源相關的環境KPI)、POCP(不受能源消費支配的環境KPI)、LCC(表示為淨現值和資本支出)和麵積足跡，因為它們在各種可持續性指標中占主導地位。然而，可根據區域或其他重要性或偏好選擇所調查的任何可持續性方麵。所選指標已針對AG1處理係統進行歸一化處理，並相互繪製，如圖1所示，用於評估三個全尺寸工廠規模。考慮了AG1到GW1、I3和GW3的出水水質增加，但沒有在圖1中繪製出來。

圖1:8個被調查的處理係統的可持續性評價，作為與AG1的比較，a) 20,000 pe大小;B) 10萬PE尺寸;c) 50萬PE尺寸

LCA、LCC和出水質量性能分析表明，對於目標工廠規模和出水質量，不存在單一的最優解決方案。它不總是同一種係統，既具有最低的環境和經濟影響，同時又具有最佳的出水質量。因此，最優解決方案的定義需要根據當地需求和規範對所有評估的可持續性指標進行優先排序:環境影響(有10個評估的kpi)、出水質量、麵積足跡、能源消耗、水回收，以及通過淨現值(LCC)、資本支出和運營支出進行的經濟評估。

例如，與工業係統相比，可以看到，與pUF的I1相比，包含sUF的I3以更低的投資成本獲得了更好的出水質量(更低的濁度濃度)，根據工廠規模的不同，投資成本從5%到14%不等。此外，I1的總成本(NPV)與I3相似(從3%到-2%不等)，但其能耗比I3高9 - 18%，在20,000 pe -500,000 pe的工廠規模下，其POCP分別高出3-6%。因此，設計具有sUF的係統，如I3，似乎是一個更合適的選擇，特別是對於較大的工廠規模，如果環境影響與能源消耗和總LCC是項目規範中最優先考慮的。另一方麵，具有pUF的係統，如I1，對於需要較高出水質量和較低投資成本的項目來說，似乎是更合適的選擇。

通過對包括pUF和UV的係統I1和包括sUF和臭氧的係統I2的比較，可以在最低限度增加LCC的情況下，顯著提高出水質量，如完全消除微汙染物。這兩條線路的LCC表明，盡管臭氧投資增加了成本，但sUF的低能耗(與pUF相比)允許將線路的全部LCC降低到與pUF和UV線路的成本接近的水平。

在農業再利用係統的例子中，可以看到工廠規模對可持續指標的影響。兩種係統都可以達到農業汙水的質量目標，但對於20000 pe和100000 pe，包括DF (AG2)的係統是最具資本效率的解決方案。然而，由於DF在作業過程中使用了聚合物，影響了POCP的KPI，因此該係統的成本效益較差。當工廠規模增加到500,000 pe時，兩個AG係之間的成本差異減小，導致其LCC相等。在本例中，分析表明，工廠規模可能對一個或幾個可持續性方麵產生重大影響，並強烈影響該應用程序的最可持續解決方案的定義。

如這些例子所示，最好的解決辦法是在環境影響(關鍵績效指標和影響類別)、經濟成本、汙水質量和工廠規模之間權衡，這必須根據每個具體情況來確定。

一般來說，去除微汙染物顯著改善水質意味著更高的LCC、更多的占地麵積、更高的能源消耗，但在某些情況下會降低全球變暖潛能值。如果通過選擇適當的技術，將本研究中的工業再利用處理係統升級為地下水補給質量，則可持續性指標的差異將小得多，但這也將取決於工廠的規模。例如，從工業應用的超濾和UV優化處理係統(係統I3)到地下水補給應用的臭氧和BAF(係統GW3)，最小工廠規模的GWP增加了16%。當工廠的規模增加到500,000 pe時，這一差異將增加到23%。應該指出的是，重新利用水的好處並不在係統邊界之內，因為這項研究隻關注技術評價。因此，沒有考慮用再生廢水替代淡水對某些kpi可能產生的有益影響。將出水質量從I3提升到GW3, LCC差異從最小工廠規模的5%下降到最大工廠規模的0%。這表明，將大型汙水處理廠升級到最高的出水質量更有利。這意味著去除MP的地下水再利用解決方案與不去除MP的工業應用解決方案具有相似的LCC。僅從資本方麵來看，對於最大規模的工廠，資本支出從3%下降到25%，這表明GW3是所有三種規模的資本效率最高的解決方案。

結論

該研究展示了一種如何利用環境、經濟和效率維度為特定應用確定最可持續和最優解決方案的方法。結果表明，當介紹上述所有不同方麵時，可以有多個首選重用解決方案。不同的廢水處理係統可以達到相同的廢水質量目標，但有不同的環境和經濟影響。此外，更高的汙水質量並不一定意味著更高的環境和經濟成本。因此，在為特定的重複利用應用程序和一定規模選擇最可持續的重複利用處理方案時，應使用這裏建議的可變可持續指標(出水質量、環境kpi、LCC、能源消耗、麵積足跡和水回收率)，以提供對環境、經濟和處理效率的更全麵的理解。當考慮到當地需求和法規，包括每個廢水回用實施的個別條件時，這就變得更加重要。

研究表明，提高水質並不一定意味著更高的LCA和LCC成本。工廠規模(如兩個工業係統的例子所示)、使用的電網[21,22]、區域成本等都需要使用每個具體項目的可持續性指標進行評估。隨著工廠規模的增加，工藝效率也在提高，處理過程中產生的各種直接和間接排放對環境的總體影響(每立方米處理水)也在減少。

此外，研究表明，當重點關注運營成本和某些主要受能源消耗影響的kpi(如全球變暖潛能值、AP)時，使用能源作為複雜建模的可靠替代品，可以促進對特定處理方案可持續性的初步評估。然而，這一結論性陳述高度依賴當地能源，成本為[21]，生物步驟[20]的N2 O排放量為[21]，但證明了研究結果對特定目標區域的適用性。因此，所有降低處理廠能源消耗的努力，特別是降低作為最大消耗的二級處理步驟的努力，將導致更可持續的解決方案。這可以通過實施高效的技術和先進的過程控製係統來實現。進一步的研究證實了這一說法，利用本研究的數據調查了廢水部門能效方麵的區域溫室氣體減排機會，結果表明，利用現有的高效技術，全球廢水行業可以將與電力相關的溫室氣體排放減少50%。95%的減排要麼沒有成本，要麼實際上會省錢，因為提高能源效率所節省的費用將超過減排措施[39]的支出。

性能、經濟和環境影響之間的權衡可以使用可持續性指標進行量化和評估。這項研究是第一批開發這種全麵可持續性指標的研究之一，它不僅為重新利用處理係統的評估，而且為更廣泛的區域(甚至更大)可持續水管理和戰略規劃的評估提供了一般方法。

致謝

這項工作由瑞典研究基金會(SIVL)(協議編號203402)通過瑞典環境研究所(IVL)和Xylem公司提供資金支持。

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文章類型:研究文章

引用:Lazic A, Baresel C, de Kerchove A, Dahlgren L(2017)廢水整體回用解決方案——處理效率、環境影響和成本評估。國際J水廢水處理3(1):doi http://dx.doi.org/10.16966/2381-5299.135

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出版的曆史:

收到日期:2016年11月10

接受日期:2017年1月19日

發表日期:2017年1月24日