营养物质清除在保护水质方面的关键作用

城市废水排放产生的过多氮和磷是接收水体富营养化的主要动力,导致藻类开花、缺氧和生态系统退化;城市废水处理厂正面临越来越大的监管压力,要达到氮总量和磷总量的严格排出限值;选择正确的营养物清除技术不仅是环境必须采取的行动,而且也是影响支付者几十年的重要财政决定;对生命周期成本进行彻底评估——包括资本、运行、维护和最终退役——对于可持续基础设施规划至关重要。

了解主要营养物清除技术

生物营养物清除系统

BNR工艺,如经改进的Ludzack-Ettinger(MLE)工艺、A2O(Anaerobic-Anoxic-Oxic)和Squenking Batch反应堆(SBRs),依靠自然产生的微生物转换和去除氮和磷. 氮的去除是通过硝化和去硝化进行的,而加强的生物磷的去除则使用多磷酸-累积生物. BNR通常具有较低的化学足迹,但需要精确控制溶解氧,碳源和淤泥龄.

化学降水

化学添加(如铝、氯化铁、石灰)是磷脱落的常用方法,金属盐与可溶磷酸反应,形成溶解的沉淀物,溶解或过滤出来,这种方法往往用于磷光化或较小的工厂,虽然化学饲料系统的资本成本较低,但不断进行化学采购、储存和增加的污泥生产是大量的运行费用。

高级过滤技术

三级过滤系统——包括沙滤波器、膜生物反应器、布料介质滤波器和圆盘滤波器——提供了高质量的废水。 磁盘滤波器将生物处理与膜滤波结合起来,产生近germ无渗出物,但资本和能源成本高。 克隆和圆盘滤波器在二级处理后往往被改装到低磷含量,达到非常低的水平。

新兴技术和非传统技术

建构的湿地、藻类草皮洗涤器和离子交换介质正在分散或较小的系统中引起营养抛光的兴趣。 这些方法可以降低能源消耗,但需要更大的土地足迹,并且根据气候和负荷情况,性能也各不相同。

综合生命周期成本分析的组成部分

强有力的《国际商业交易法》涵盖技术设计寿命期间的所有直接和间接费用——一般是主要装备20至40年。

  • 资本支出:设计、设备采购、建造、安装和初始启动费用,包括土木工程(坦克、盆地)、工艺设备、管道、电气和控制。
  • 业务支出: 能源消耗(吹哨人、泵、搅拌机)、化学用量(碳来源、凝固剂)、劳动力(操作人员、维修人员)和废物处理(泥浆处理和运输)。
  • 维修和维护: 常规预防性维护、零件更换(例如膜、扩散器、阀门)和大修。 对于膜系统来说,每5至10年更换一次周期可成为一个巨大的成本驱动器。
  • 退役和报废: 设备退役、处置危险材料和恢复场地的费用,加上任何剩余价值或打捞。
  • 环境和社会成本:碳足迹、去硝化产生的温室气体排放潜力(N2O),水的再利用价值,以及社区的接受程度。

相对寿命周期成本:BNR与化学对高级过滤

众多研究和现实世界项目数据可以对各种技术进行对比。 水研究基金会2020年的一项分析指出,10个多GD工厂的传统BNR(如MLE工艺)总寿命周期净现值比25年的化学降水系统低约20-30%,主要原因是化学和污泥处理成本较低。 但是,BNR要求罐头和控制的初始资本更高。

对于极低的磷限值(如 <0.1 mg/L TP)来说,高级过滤是必要的。 与化学添加相结合的磁盘过滤器可以达到每加仑0.5美元-1.0美元的水平,每年的O&M成本为每1,000加仑0.05美元-0.10美元。 相反,MBR系统虽然提供了出色的营养去除和膜分离,但资本成本比传统的BNR高50-100%,而能源消耗量可以高40-80 % 。 然而,MBR足迹较小,这在土地紧张的城市地区是有利的。

关键取出: 对于中度营养物去除(TN 3-8 mg/L,TP 0.5-1 mg/L),用化学抛光的BNR往往最符合成本效益。 对于超低限值,高级过滤和膜是必需的,但具有更高的生命周期成本。

影响成本效益的因素

厂房大小和流量变化

规模经济非常有利于大型工厂。 小型工厂(1 MGD)的每加仑生命周期成本可能比50 MGD 设施高出2-3倍,而同一技术的这一成本也比50 MGD 高。 高峰因素和日光流动变化也影响到规模和成本。

地方能源和化学价格

高电价地区可能会将成本平衡转向低能替代物,如泻湖或已建成的湿地。 相反,天然气价格低廉的地区(用于热干)可能会抵消化学降水产生的较高污泥量。

管制驱动器

严格许可限制(如:切萨皮克湾、佛罗里达埃弗格拉德、大湖倡议)迫使采用先进技术。 不遵守(罚款、同意令)的代价必须计入LCCA。 EPA的2020年营养减少计算器可以帮助估算营养物清除在避免环境损害方面的好处。

技术进步

短截氮除去(使用杀菌剂解去)和生物磷除去无金属盐等创新正在降低成本. 能源-活性水资源回收设施概念通过沼气联产降低O&M成本,可以抵消BNR系统的能量.

泥浆管理和处置

化学降水可以增加20-50 % 的 污泥生产,增加拖拉和处置成本。 如果土地施用或焚烧限制措施收紧,成本就会上升。 溴化阻燃剂通常产生较少但生物活性更强的污泥,需要谨慎处理。

用于更深分析的外部资源

对于想执行自己的《地方行政法规》的市政规划者,以下权威来源提供工具和个案研究:

结论:作出知情、具有成本效益的决定

评估营养清除技术的生命周期成本并不是一刀切的工作。 需要详细评估具体地点的条件、绩效目标和监管框架。 生物与营养研究所由于其成本和绩效的平衡,仍然是许多城市的一匹工作马,但随着限制的收紧,化学和先进的过滤方案是必要的。 通过开展一个彻底的LCCA,在能源、化学品、维护、污泥管理和未来趋势方面,市政决策者可以选择保护水质的技术,同时确保世代的财务可持续性。 进行强力分析的先期投资通过优化长期价值和环境合规性来产生红利。