摘要

對膜生物反應器(MBR)與傳統活性汙泥(CAS)係統處理廢水的成本效益和性能進行了初步分析研究。收集不同狀態的MBR和CAS汙水處理廠的設計和建設成本、運行和維護(O&M)成本和足跡。從當地的MBR和CAS汙水處理廠收集了幾個參數的性能數據。從本研究中發現，基於資金成本的考慮;與MBR係統相比，CAS係統似乎是一個更好的選擇。然而，對於長期運行、碳足跡要求以及滿足更嚴格的出水特性的處理效果，MBR係統似乎是比CAS係統更好的選擇。基於長期歸一化累積成本分析，對於運行時間超過67年的電廠，MBR係統是更好的選擇，而CAS係統是運行時間小於67年的電廠更好的選擇。因此，從長期運行目標和性能考慮，MBR係統似乎是最佳選擇。

關鍵字

廢水;MBR和CAS係統;經濟比較;長期操作

簡介

廢水被定義為人類日常活動和工業過程的副產品。廢水處理對美國乃至全世界的每個社區都至關重要。家庭和工業排放的廢水處理和/或處置不當可能導致疾病在社區爆發，如果不立即製止，就可能危及人口。因此，聯邦和地方政府有責任製定管理廢水排放或處理的法律，以保障社區和環境的安全。倫敦是一個例子，一個歐洲城市發展了一個輸水下水道係統，部分是為了應對疾病爆發[1]。1848年，倫敦爆發霍亂，到1849年，造成14600人死亡。在美國，霍亂和其他疾病的反複流行也逐漸影響了市政當局改善衛生習慣。

美國地方政府花費數十億美元來輸送和處理廢水係統。製定水和下水道服務費率已成為美國各地地方和地區政府的一項高度多樣化的綜合職能。這一工業的資本密集性質使相當多的注意力集中在政府投資和/或所有權的需要以及成本回收目標[2]的重要性上。

目前有幾種用於廢水處理的技術或係統。其中，膜生物反應器(MBR)和常規活性汙泥(CAS)廢水處理技術應用最為廣泛，尤其是在美國。MBR是近年發展起來的汙水處理技術，需要大量的資金投入。它做出了重大的貢獻，因為膜有能力產生特別純淨的水，可以在各種地方循環使用。政府官員為任何社區選擇汙水處理係統都可能是一項挑戰，因為必須考慮的成分太多了。有政治、經濟、監管和非經濟方麵的限製。由於監管機構對更嚴格和更有效的要求的要求，加上處理費用的增加和稅收的減少，必須適當處理每個市政當局進行的選擇過程，以便作出最佳的決定。隨著膜技術的進步，降低操作成本的策略和膜產量的增加，在需要更低的出水營養限製或水重複利用[4]的情況下，MBR處理技術已成為與CAS處理技術在成本上具有競爭力。該研究通過研究關鍵設計、施工、運行和維護成本參數的變化如何影響處理係統在滿足特定流量變化集時的成本效益，從而擴展了之前的工作。這些參數包括:購置土地成本、設備成本、材料成本、人工成本、膜壽命[4]。

用膜技術處理廢水是一種公認的替代方法，特別是在敏感地區、缺水地區以及需要廢水回用和再循環的情況下。可實施膜生物反應器技術的行業包括化工、石化、製藥、精細化工、化妝品、乳製品、汽車、紙漿和造紙、垃圾滲濾液、食品、紡織等。與活性汙泥法相比，膜生物反應器在處理城市汙水中可實現更高的噬菌體減量[7-9]。噬菌體被認為是腸道病毒的模型，被認為特別適合作為病毒指標。近年來，由於病毒作為水傳播病原體[7]的流行病學意義，關於汙水處理過程去除病毒有效性的信息已成為主要關注的問題。若幹研究[10- 13]調查了CAS工藝去除病原微生物的效率，得出的結論是，這些處理可能不足以使微生物安全的出水排放到自然水中或重複使用。為了減少潛在的微生物風險，二級出水一般要經過砂濾、紫外線或電離輻射等進一步的三級處理，或更頻繁地用氯、臭氧和過氧乙酸進行化學消毒。產生有害的消毒副產物，如三鹵甲烷(THM)和消毒殘留物的持續存在，被認為是化學消毒過程對環境產生的不利和有害影響。然而，膜生物反應器被認為是一種有效和無害的高級處理替代[7]。一些研究人員[6,14-18]探討了MBR技術的分類、特征、子類別、配置和性能。 MBR applications are expected to continue to increase in wastewater treatment, with the drivers being, the need for compact plant, the high desired quality of effluent, and the value of recycling. The effluent quality for discharge is becoming an issue in many countries now with stringent legislation being put in place or that will be implemented soon, requiring the removal of most toxic compounds. These stringent conditions appear to be more easily achieved with emerging MBR technologies [3].

正如Drioli和Giovno[5]所述，MBR係統的一個主要優勢是，它可以在生物反應器中以比CAS混合液體懸浮固體更高的固體濃度運行(MLSS濃度通常在8 - 12kg /L範圍內，而CAS由於沉降的限製隻能在2 - 3kg /L左右工作)。通過對MBR技術與傳統活性汙泥工藝的比較和評估，一般會突出以下問題[3]:

改善水質

1. 符合嚴格的汙水排放要求;
2. 過濾掉幾乎所有的固體

允許廢水再利用

1. 作為處理方案的一部分，提供飲用水重複使用的水;
2. 降低廢水排汙費和淡水成本;
3. 在淡水短缺的情況下，為非飲用用途提供水。

較低的資金成本

1. 不需要澄清器
2. 由於細菌濃度較高，生物步驟可以縮小體積。

減少廠房空間需求

1. 腳印比傳統植物小50%;
2. 允許擴大現有建築的容量。

MBR技術的所有應用都有缺點。不計算更換和維護成本，初始建設成本往往高於CAS。然而，由於MBR工廠已經運行了一段時間，並獲得了經驗，膜的壽命似乎比最初想象的要長，更換成本在20世紀90年代初規定為運行和維護(O&M)成本的80 - 90%，最近估計約為10 - 15%[5]。膜汙染及其在所有膜工藝中的固有現象被認為是MBR係統的主要缺點。減少汙染的策略和技術加上膜清洗的頻率是我們工藝的主要約束[3]。生物過程和膜操作對曝氣的高能量需求是目前公認的技術[5]的另一個主要挑戰和缺陷。MBR和CAS在流程流程圖上的差異如圖1所示。如圖1所示，MBR係統中不需要二級澄清器，從而減少了對土地麵積的需求。

圖1:MBR和CAS係統的流程流程圖

一些研究者[3,6,19]還將MBR技術與CAS技術在性能和配置方麵進行了比較。然而，沒有一項研究比較兩種技術的經濟和長期運營問題。本研究的目的是提供MBR和CAS係統的比較經濟和長期運行分析，以期為決策者在選擇最合適的廢水處理技術/係統時提供有價值的信息，他們需要做出可能影響設計、運行、維護和相關成本的關鍵決策。本研究的具體目標是(1)比較不同工廠容量下MBR和CAS係統的處理廠設計、建造、運行和維護的成本。還要找到一個特定的工廠產能，在這個產能下，兩種選擇的成本是相同的(盈虧平衡點)。選擇MBR或CAS中的一種應優先於特定的工廠容量，另一種應低於特定的工廠容量。然後(2)通過對碳質生化需氧量(CBOD)去除效率的統計分析，比較MBR和CAS的性能₅)、化學需氧量(COD)、總懸浮物(TSS)、銨(NH₄)。總磷(TP)和揮發性懸浮物(VSS)數據。

材料與方法

MBR和CAS處理設施的相關信息都是從這些設施獲得的。但是，在某些情況下，為了獲得這些方法無法輕易獲得的關鍵資料，進行了實地訪問。在這種情況下，利用測量輪測量來獲得設施的線性英尺尺寸，以便能夠計算總腳印。成本數據根據現值和已知城市指數值進行了調整，以估計全國平均水平，以便進行比較。利用Microsoft Excel軟件對當地MBR和CAS汙水處理廠的性能數據進行統計分析，比較MBR和CAS技術的性能水平。

成本數據轉換為現值

如前所述，MBR和CAS的成本數據來自美國各地的多個處理廠。由於每個工廠是在不同的年份建造的，基於每個社區的需要;2016年的現值是通過使用下麵的工程分析公式推導乘數來估計的。

\ [{P_f} = {P_p} {\ rm {(1 + r}} {{\ rm {)}} ^ {\ rm {n }}}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,( 1) \]

在那裏,P_f=未來價值;P_p=現值;R =利率百分比/100,n=年數。這些計算的結果可以在ref[20]中找到。

成本數據調整為全國平均水平

從美國不同地區的工廠收集的MBR和CAS係統的過去成本被轉換為現值，之後RSMeans出版物[21]被用於國有化所有成本。使用RSMeans[21]的兩種方法得出全國平均成本:

\[國家{\ rm {}} AverageCost = \壓裂{{30個城市平均{\ rm {}}}} {{CityWeight平均{\ rm {}}}} \ * CityCost \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,( 2) \]

\[國家{\ rm {}} AverageCost = \壓裂{{100}}{{城市指數{\ rm {}}}} \ * CityCost \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,( 3) \]

30城市平均指數、城市加權平均指數、城市指數和城市成本取決於位置，這些參數的定義和值在ref[21]中提供。首先用式(1)將成本數據轉換為2016年的現值，然後用式(2)或式(3)將成本數據轉換為全國平均水平。用上述式(2)或式(3)計算的值列於ref[20]。

結果與討論

MBR和CAS係統之間的關係在評估其設計和建設成本與能力方麵是非常不同的;運維成本與產能對比;設計和施工與工廠的足跡。在每次分析中，評估成本比較，以確定首選方案。無論是MBR還是CAS係統，都將顯示出比其他係統更好的性能，這應該有助於決策者在汙水處理設施的設計、建設和實施過程中決定選擇哪一種方案。對大多數市政當局來說，選擇正確的技術是至關重要的，因為它會因提高環境意識和遵守法規要求而產生感知價值提高的後果。設計、建造和運維的全國平均成本數據與工廠產能進行了對比，如圖2和3所示。根據MBR和CAS的設計和建造成本和工廠產能繪製了工廠足跡，如圖4和圖5所示。累積總成本與時間的關係如圖6所示。MBR的產能範圍為850萬至3600萬加侖/天(MGD)， CAS的產能範圍為8至36 MGD。

容量與成本

如圖2所示，在大約11個MGD工廠的容量下，MBR和CAS的設計和建設成本是相同的。超過11mgd容量，MBR似乎很貴，低於11mdg工廠容量的CAS似乎很貴。這可能是因為MBR技術相對較新，需要仔細的設計和膜的選擇，與CAS技術所需的材料相比，初始投資更高。盡管就設計和建設成本而言，CAS似乎是高容量處理廠的最佳選擇，但根據設計和建設成本，它並沒有真正給出任何選擇MBR或CAS的跡象。主要考慮的應該是基於設計期間總體成本的長期性能和成本效益。

圖2:設計和建造成本隨工廠生產能力的變化

基於運維成本(圖3)，沒有一個通用的工廠容量，在該容量下MBR和CAS的成本可以直接比較。與MBR相比，CAS的運維成本總是更高。CAS的單位成本增長率約為41萬美元/MGD能力，而MBR的單位成本增長率為28萬美元/MDG能力。CAS單位運維成本約為MBR單位運維成本的1.5倍。因此，就並購成本而言，MBR似乎是一個明確的選擇。然而，基於前麵提出的相同論點，主要考慮的應該是基於設計期間總體成本的長期成本效益，而不僅僅是O & M成本

圖3:生產成本隨生產能力的變化

足跡vs設計和建造成本

圖4顯示了與設計和建設成本的對比。如圖所示，在約2.5英畝的占地麵積下，MRB和CAS的設計和建造成本是相同的。超過2.5英畝占地麵積，MBR似乎非常昂貴，低於2.5英畝占地麵積的CAS似乎很昂貴。從圖中可以明顯看出，MBR的足跡要求要比CAS少得多。這是由於MBR工藝不需要二級澄清劑，大大減少了對土地麵積的要求。支持MBR的另一個理由是，對於土地昂貴的地區，MBR將是一個更好的選擇。

圖4:設計和建造成本隨工廠足跡的變化

足跡與容量

圖5顯示了地塊足跡與工廠產能的關係。如圖所示，在MBR和CAS的足跡需求相同的情況下，沒有共同的容量。與MBR相比，CAS的足跡總是更高。這是由於MBR工藝不需要減少土地麵積要求的二級澄清劑[20]。CAS的單位足跡增長率約為0.649英畝/千年發展能力，而MBR的單位足跡增長率為0.281英畝/千年發展能力。因此，在足跡要求方麵，MBR是一個明確的選擇。然而，基於前麵提出的相同論點，主要考慮的應該是基於設計期間的總體成本的長期成本效益，而不僅僅是占地麵積的需求。支持MBR的論點在這裏也可以強調，對於土地昂貴的地方，MBR將是一個更好的選擇。

圖5:植物腳印隨植物容量的變化

時間vs累計總成本

累計總成本的計算方法為設計和建造成本加上運維成本/單位產能/年乘以年數。初始設計和建造成本是按單位產能的加權平均成本計算的。時間與累計總成本的關係如圖6所示。如本圖所示，盈虧平衡年份為67年，金額為11.83億元。盡管MBR係統的資本成本/MGD(5.4398億美元)高於CAS係統的資本成本/MGD(2.2892億美元)，但67年後MBR將變得更具成本效益。因此，對於任何工廠能力，MBR係統是長期運行和成本效益的最佳選擇。

圖6:累計總成本隨時間的變化

MBR和CAS數據的統計分析

t檢驗和f檢驗:采用t檢驗確定兩種方法之間的差異是否顯著，采用f檢驗確定采用MBR或CAS係統的汙水處理廠的汙水出水質量年度數據的兩種方差之間的差異是否顯著。采用雙尾假設檢驗，t檢驗和f檢驗的顯著性水平均為5% (α=0.05)。

統計分析的解釋

對2015年當地MBR和CAS汙水處理廠的樣品進行t檢驗和f檢驗。參數，CBOD₅， cod, tss, nh₄、TP和VSS按年度數據進行分析。表1列出了輸出的摘要。如前所述，t檢驗(雙尾)的所有檢驗都是基於假設方差不等的兩個樣本。由表1可知，除COD產率t>tcritical外，幾乎所有參數均為p< 0.05;因此Ho被拒絕，因此，兩個樣本的均值不相等。同樣，除了COD產率F>Fcritical和p<0.05外，幾乎所有參數的F-檢驗(雙尾)結果;因此Ho被拒絕，因此兩個樣本的方差不相等。由於零假設假設兩個獨立樣本相等，我們可以得出結論，與CAS相比，MBR的性能存在差異。仔細觀察表1總結和圖6所示，雖然出水質量和去除率不相等，但MBR和CAS之間的出水質量差異並不大。但在COD、NH等參數下，MBR係統出水水質優於CAS係統，且去除率高於CAS係統₄， TP(圖7)，而其他參數的差異(CBOD₅， TSS和VSS)可以忽略不計(圖7)。因此，可以得出結論，與Wang和Menon[6]進行的研究支持的CAS係統相比，MBR係統的性能是令人鼓舞的。

圖7:MBR和CAS技術去除CBOD5、COD、TSS、NH4、TP和VSS的百分比

數據	Para-meters	學習任務	t至關重要的	野生	F至關重要的	評論
每年2015年數據	CBOD5	T =19.05 p=8.1 × 10-61年	1.96	F=1.64 p=3.8 × 105	1.23	H0兩個測試都被拒絕。所以它們不相等。
	鱈魚	T =-9.93 p=2.2 × 10-21年	1.96	F = 1.04, p = 0.38	1.23	H0兩次測試均不拒絕。所以它們相等。
	TSS	T =9.85 p=6.2 × 10-21年	1.96	F=2.03 p=9.1 × 109	1.23	H0這兩個測試都拒絕。所以它們不相等。
	NH4	T =-10.45 p=2.6 × 10-23年	1.96	F=26.92 p=4.6 × 10-114年	1.23	H0這兩個測試都拒絕。所以它們不相等。
	TP	T =-19.3 p=5.4 × 10-63年	1.96	F=6.54 p=4.8 × 10-46年	1.23	H0這兩個測試都拒絕。所以它們不相等。
	VSS	t = 7.77, p = 3.9×10-14年	1.96	F = 1.06, p = 0.303	1.23	H0t檢驗不通過，f檢驗不通過。所以它們對t檢驗不相等，但對f檢驗相等。
表1:CBOD的t檢驗和f檢驗綜述5， cod, tss, nh4、TP和VSS

結論和建議

綜上所述，從長期運行和性能上看，MBR係統是比CAS係統更好的選擇。然而，與CAS係統相比，MBR係統的初始投資要高得多。對於長期的成本效益和更好的性能，滿足嚴格的排放要求，MBR係統似乎是最好的選擇。以下是本研究可以得出的具體結論:

1. 基於所需的設計和建設成本，對於11mgd以下的工廠來說，MBR是更好的選擇，而CAS是11mgd以上的工廠更好的選擇。平均而言，MBR的設計和建造單位成本約為54398萬美元/MGD裝置容量，而CAS的MGD裝置容量為2.2892億美元。
2. 基於運維成本，MBR是任何產能工廠更好的選擇。平均而言，MBR的MGD工廠產能的單位運維成本約為954萬美元/年，CAS的MGD工廠產能約為1425萬美元/年。CAS的單位運維成本比MBR高出約50%，將對長期的成本效益產生顯著影響。
3. 就足跡要求而言，MBR由於不存在二級澄清劑[20]，占用的足跡小，是一個明確的選擇。因此，對於土地昂貴的地區，MBR將是一個更好的選擇。
4. 基於長期歸一化累積成本分析，對於運行時間超過67年的電廠，MBR是更好的選擇，而對於運行時間小於67年的電廠，CAS是更好的選擇。因此，對於長期運行的MBR係統來說，似乎是最好的選擇，因此應該被優先考慮。
5. 基於CBOD的統計分析₅， cod, tss, nh₄在COD、NH等指標上，MBR技術的性能明顯優於CAS技術₄和TP。

根據本研究的經驗，對未來的研究提出以下建議:(1)可以收集和分析更多州的成本數據，以進一步證明研究結果;(2)必須對幾年的數據進行統計分析，以進一步證明MBR係統比CAS係統的性能。

參考文獻

1. Burian SJ, Nix SJ, Pitt RE, Durans SR(2000)美國城市汙水管理:過去，現在和未來。城市科技學報7:33-62。［Ref。］
2. Thornsten RE, Eskaf S, Hughes J(2008)成本加成:估算水和下水道賬單的真正決定因素。公共工程管理Pol13: 224-238。［Ref。］
3. Attiogbe F(2013)膜生物反應器技術和傳統活性汙泥係統處理漂白硫酸鹽磨廢水的比較。非洲環境科學與技術學報7:292-306。［Ref。］
4. Young T, Mftugil M, Smoot S, peter J (2012) CAS vs MBR處理的資本和運營成本評估。水環境聯邦標準4087-4097。［Ref。］
5. Drioli E, Giorno L(2009)膜操作:創新分離和轉化。Weinheim: Wiley-VCH。［Ref。］
6. 王樂力，Menon R(2009)工程手冊:先進的生物處理工藝。胡瑪納出版社。
7. De Luca G, Sacchetti R, Leoni E, Zanetti F(2013)用全規模膜生物反應器和常規活性汙泥法去除城市廢水中的指示噬菌體:對水回用的影響。生物資源技術129:526-531。［Ref。］
8. Francy DS, Stelzer EA, Bushon RN, Brady AM, Williston AG，等(2012)膜生物反應器、常規二次處理以及氯和紫外線消毒去除城市廢水中微生物的比較效果。水文獻46:4164-4178。［Ref。］
9. Marti E, Monclus H, Jofre J, rodrrodriguez - roda I, Joaquim CJ，等。(2011)膜生物反應器去除城市汙水中微生物指標的研究。生物資源技術102:5004-5009。［Ref。］
10. 湯普生，斯溫J，凱M，福斯特CF(2001)紙漿和造紙廠廢水的處理:綜述。生物科技77:275-286。［Ref。］
11. 環境工程:供水衛生工程與汙染。塔塔麥格勞希爾出版有限公司，新德裏。
12. Junkins R, Deeny K, Eckhoff TH(1983)活性汙泥法:操作基礎。波士頓:巴特沃斯出版社。［Ref。］
13. Saunamäki R(1997)芬蘭的活性汙泥廠。水科學技術35:235-242。［Ref。］
14. Baek SH, Pagilla KR(2006)城市汙水處理的好氧和厭氧膜生物反應器。水環境研究報告78:133-140。［Ref。］
15. 膜生物反應器及其在農業廢水處理中的潛在應用。加拿大生物係統工程45:1-13。［Ref。］
16. Marrot B, Barrios-Martinez A, Moulin P, Roche N(2004)膜生物反應器處理工業廢水的研究進展。環境進展23:59-68。［Ref。］
17. 孟F, Chae SR, Drews A, Kraume M, Shin HS，等(2009)膜生物反應器(MBRs)的研究進展:膜汙染與膜材料。水Res 43: 1489-1512。［Ref。］
18. Stephenson T, Brindle K, Judd S, Jefferson B(2000)用於廢水處理的膜生物反應器。IWA出版。［Ref。］
19. 高敏，楊敏，李輝，楊強，張燕(2004)膜生物反應器與常規活性汙泥係統處理含氨無機廢水的比較。中國生物技術雜誌(英文版)［Ref。］
20. Mark JL(2016)膜生物反應器與常規活性汙泥汙水處理廠的比較分析。碩士學位論文，土木與建築工程係，肯尼索州立大學，瑪麗埃塔校區，1100南瑪麗埃塔公園路，瑪麗埃塔，佐治亞州。
21. 工程R(2016)指工程造價指標2016年7月。未標明出版地點:RS表示。

在此下載臨時PDF

條信息

文章類型:研究文章

引用:Karim MA, Mark JL (2017) MBR和CAS廢水處理係統的初步比較分析。國際水廢水處理3(2):doi http://dx.doi.org/10.16966/2381-5299.138

版權:©2017 Karim MA，等。這是一篇開放獲取的文章，根據創作共用署名許可協議(Creative Commons Attribution License)發布，該協議允許在任何媒體上不受限製地使用、分發和複製，前提是注明原作者和來源。

出版的曆史:

收到日期:2016年12月6日

接受日期:3月22日

發表日期:3月27日