摘要

对膜生物反应器(MBR)与传统活性污泥(CAS)系统处理废水的成本效益和性能进行了初步分析研究。收集了不同MBR和CAS污水处理厂在不同州的设计和建设费用、运行和维护(O&M)费用和足迹。从当地的MBR和CAS污水处理厂收集了几个参数的性能数据。本研究发现，基于资本成本考虑;与MBR系统相比，CAS系统似乎是一个更好的选择。然而，对于长期运行、足迹要求和处理效果，以满足更严格的出水特性，MBR系统似乎是比CAS系统更好的选择。根据长期的归一化累积成本分析，MBR系统对于运行时间超过67年的工厂是一个更好的选择，而CAS系统对于运行时间小于67年的工厂是一个更好的选择。因此，对于长期的操作目标和性能考虑，MBR系统似乎是最佳选择。

关键字

废水;MBR和CAS系统;经济比较;长期操作

介绍

废水被定义为人类日常活动和工业过程的副产品。废水处理对美国乃至全世界的每个社区都至关重要。不适当处理和/或处置来自家庭和工业排放的废水可能导致社区爆发疾病，如果不立即制止这种疾病，就可能危及人口。因此，联邦政府和地方政府有责任制定管理废水排放或处理的法律，以保障社区和环境的安全。伦敦是欧洲城市的一个例子，它开发了一个水运下水道系统，部分是为了应对疾病爆发[1]。1848年伦敦爆发霍乱，到1849年造成14600人死亡。在美国，霍乱和其他疾病的反复爆发也逐渐影响到市政当局改善卫生习惯。

美国地方政府花费了数十亿美元来输送和处理其废水系统。制定水和下水道服务价格已经成为美国地方和地区政府高度多样化、一体化的职能。该行业的资本密集型性质使人们相当重视政府投资和/或所有权的需要，以及成本回收目标的重要性。

目前有几种技术或系统用于废水处理。在这些技术中，膜生物反应器(MBR)和常规活性污泥(CAS)是应用最广泛的污水处理技术，特别是在美国。膜生物反应器(MBR)是近年来发展起来的废水处理技术，需要大量的资金投入。这是一个重要的贡献，因为膜有能力产生的水的特别纯度，可以回收再利用在各种地方[3]。政府官员为任何社区选择废水处理系统都可能是一项挑战，因为必须考虑的因素太多了。存在政治、经济、监管和非经济约束。由于监管机构要求更严格和有效的要求，加上治疗费用的增加和税收的减少，必须妥善处理每个市政当局进行的选择过程，以便作出最佳决定。随着膜技术的进步、降低运行成本的策略以及膜产量的增加，对于要求较低的出水营养极限或水回用[4]的情况，MBR处理技术已成为具有成本竞争力的CAS处理技术。该研究在之前的工作基础上进行了扩展，考察了关键设计、建造、运行和维护成本参数的变化如何影响某一处理系统在满足特定流量变化时比其他处理系统更具有成本效益的过程。这些参数包括:购置土地成本、设备成本、材料成本、人工成本、膜寿命[4]。

通过膜技术处理废水是一种既定的替代方案，特别是在敏感地区、缺水地区以及需要废水再利用和再循环的情况下[5].可实施膜生物反应器技术的行业包括化学、石化、制药、精细化学品、化妆品、乳品、汽车、纸浆和造纸、垃圾渗滤液、食品、纺织等[6].与活性污泥法相比，膜生物反应器在处理城市废水时可实现更高的噬菌体减少率[7-9]。噬菌体被提议作为肠道病毒的模型，并被认为特别适合作为病毒指标。近年来，由于病毒作为水传播病原体的流行病学意义，有关污水处理工艺去除病毒的有效性的信息已成为主要关注的问题[7].在几项研究中已经对CAS工艺去除病原微生物的效率进行了调查[10-13]结论是，这些处理可能不足以实现将微生物安全的废水排放到天然水中或再利用。为了降低潜在的微生物风险，二级废水通常通过砂滤、紫外线或电离辐射或更多方式进行进一步的三级处理通常，使用氯、臭氧和过氧乙酸进行化学消毒。产生有害的消毒副产物，如三卤甲烷（THM）消毒残留物的持续存在被认为是化学消毒过程的不利和有害环境影响。然而，膜生物反应器被认为是一种有效且无害的深度处理替代方案[7]。一些研究人员[6,14-18]探讨了MBR技术的分类、特征、子类别、配置和性能。预计MBR在废水处理中的应用将继续增加，其驱动因素包括：对紧凑型工厂的需求、所需的高质量废水和再循环价值。排放的废水质量为b环保在许多国家是一个问题，目前正在制定或即将实施严格的立法，要求去除大多数有毒化合物。新兴MBR技术似乎更容易实现这些严格的条件[3]。

MBR系统的一个主要优势Drioli如上所述,Giovno[5],它可以在生物反应器中固体浓度远高于CAS-mixed酒的悬浮物(mls浓度通常在8到12公斤/ L与中科院,只能工作2到3公斤/ L,因为定居的限制。MBR技术与传统活性污泥工艺的比较和评价通常突出了以下问题[3]:

改善水质

1. 符合严格的排放要求;
2. 过滤掉几乎所有的固体

允许废水重用

1. 作为处理计划的一部分，提供可饮用的水;
2. 降低废水排放费用和淡水成本;
3. 为缺乏淡水的非饮用水供应水。

较低的资本成本

1. 不需要澄清器
2. 由于细菌浓度较高，生物步长可以按比例缩小体积。

减少对厂房空间的需求

1. 占地面积比传统工厂小50%;
2. 允许扩大现有建筑的容量。

MBR技术及其所有应用都存在缺陷。初始建设成本往往高于CAS(不包括更换和维护成本)。然而,正如MBR植物已经运行了一段时间和经验获得,膜寿命似乎比最初思想和替代成本规定在1990年代早期到80 90%的操作和维护成本(运营管理),最近据估计大约10到15%[5]。膜污染和所有膜过程的固有现象被认为是MBR系统的主要缺点。缓解污染的策略和技术以及膜清洗的频率是我们[3]工艺的主要制约因素。生物工艺和膜操作对曝气的高能量要求是[5]技术目前面临的另一个主要挑战和缺点。MBR和CAS工艺流程图的差异如图1所示。如图1所示，MBR系统不需要二次澄清剂，减少了对土地面积的需求。

图1:MBR和CAS系统的工艺流程图

一些研究者[3,6,19]也对MBR技术与CAS技术在性能和配置方面进行了比较。然而，没有一项研究比较了这两种技术的经济和长期操作问题。本研究的目的是提供MBR和CAS系统的比较经济和长期运行分析，以期为决策者在选择最合适的废水处理技术/系统时提供有价值的信息。他们需要做出可能影响设计、运营、维护和相关成本的关键决策。本研究的具体目标是:(1)比较MBR和CAS系统在不同工厂容量下的处理厂设计、建造、运行和维护的成本。还要找到一个具体的工厂产能，在这个产能下，两种选择的成本都是一样的(盈亏平衡点)。其中一个选择，MBR或CAS，应该优先于特定的工厂能力和其他低于特定的工厂能力。然后(2)通过对碳质生化需氧量(CBOD)去除效率的统计分析，比较MBR和CAS的性能₅)、化学需氧量(COD)、总悬浮固体(TSS)、氨(NH .₄)．总磷(TP)和挥发性悬浮固体(VSS)数据。

材料和方法

有关MBR和CAS处理设施的相关信息都是从这些设施中获得的。然而，在某些情况下，实地访问是为了获得这些手段无法轻易获得的关键信息。在这种情况下，使用测量轮测量，以获得设施的线性英尺尺寸，以便能够计算总足迹。成本数据根据现值和已知城市指数值进行了调整，以估计全国平均水平，以便进行比较。利用Microsoft Excel对本地MBR和CAS污水处理厂的工厂性能数据进行统计分析，比较MBR和CAS技术的性能水平。

成本数据转换为现值

如前所述，MBR和CAS成本数据是从美国各地的各个处理厂收集的。由于每个处理厂都是在不同的年份建造的，因此根据每个社区的需要；2016年的现值是通过使用下面给出的工程分析公式推导出乘数来估算的。

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

在那里,P_f=未来价值;P_p=现值;R =利率/100,n=年数。这些计算的结果可以在参考[20]中找到。

成本数据调整至全国平均水平

从美国不同地区的工厂收集的MBR和CAS系统的过去成本被转换成现值，然后使用RSMeans出版物[21]将所有成本国有化。采用两种方法计算全国平均成本(RSMeans [21]):

\[国家{\ rm {}} AverageCost = \压裂{{30个城市平均{\ rm {}}}} {{CityWeight平均{\ rm {}}}} \ * CityCost \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,( 2) \]

\[国家{\ rm {}} AverageCost = \压裂{{100}}{{城市指数{\ rm {}}}} \ * CityCost \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,( 3) \]

30个城市平均、城市加权平均、城市指数和城市成本取决于位置，这些参数的定义和值在参考[21]中提供。首先利用式(1)将成本数据转换为2016年的现值，然后利用式(2)或式(3)将成本数据转换为全国平均值。上述式(2)或式(3)计算的值列于参考[20]。

结果与讨论

MBR和CAS系统之间的关系在评估它们的设计和建设成本与容量方面是非常明显的;运维成本与产能;设计和建设与植物足迹。在每次分析中，评估成本比较以确定首选方案。在污水处理设施的设计、建造和实施过程中，MBR或CAS系统都能表现出更好的性能。对于大多数市政当局来说，选择正确的技术是至关重要的，因为随着环境意识的提高和对法规要求的遵守，它会带来感知价值的提高。设计、施工和运维的全国平均成本数据根据工厂的能力绘制，如图2和3所示。MBR和CAS的工厂足迹根据设计和建造成本和工厂容量绘制出来，如图4和5所示。累计的总成本是根据时间绘制的，如图6所示。MBR的产能范围为850 - 3600万加仑/天(MGD)， CAS的产能范围为8 - 36万加仑/天。

产能与成本

如图2所示，在大约11 MGD的工厂容量下，MBR和CAS的设计和建造成本是相同的。在11 MGD能力之外，MBR似乎很昂贵，而在11 mdd能力以下，CAS似乎很昂贵。这可能是因为MBR技术相对较新，需要仔细的设计和膜的选择，与CAS技术所需的材料相比，初始投资更高。虽然就设计和建造成本而言，CAS似乎是更高容量的处理厂的最佳选择，但它并没有真正给出任何根据设计和建造成本选择MBR或CAS的迹象。主要考虑的应该是基于设计期间的总成本的长期性能和成本效益。

图2:设计和施工成本随工厂能力的变化

基于运维成本(图3)，没有一个共同的工厂能力可以直接比较MBR和CAS的成本。CAS的运维成本始终高于MBR。CAS的单位成本增加率约为41万美元/MGD产能，而MBR的单位成本增加率为28万美元/MDG。CAS的运维单位成本约为MBR的1.5倍。因此，从O & M成本来看，MBR似乎是一个明确的选择。然而，基于之前提出的相同论点，主要考虑的应该是基于设计期间的总成本的长期成本效益，而不仅仅是O & M成本

图3:生产管理成本随工厂生产能力的变化

足迹与设计和建设成本

图4显示了设计和建造成本之间的差异。如图所示，大约2.5英亩的占地面积，MRB和CAS的设计和建造成本是相同的。超过2.5英亩的足迹，MBR似乎是非常昂贵的和低于2.5英亩的足迹CAS似乎是昂贵的。从图中可以明显看出，MBR的足迹需求远小于CAS。这是由于MBR工艺不需要二次澄清剂，从而大大减少了对土地面积的要求。在这里可以强调的另一个支持MBR的论点是，对于土地昂贵的地区，MBR将是一个更好的选择。

图4：设计和施工成本的变化与工厂的足迹

本文与能力

图5显示了用地占用与工厂容量之间的关系。如图所示，MBR和CAS的足迹要求没有相同的公共能力。CAS的足迹总是高于MBR。这是由于MBR工艺不需要二次澄清剂[20]，从而减少了对土地面积的要求。CAS的单位足迹增加速率约为0.649英亩/MGD容量，而MBR的单位足迹增加速率为0.281英亩/MDG。因此，在脚印要求方面，MBR是一个明确的选择选择。然而，基于前面提出的相同论点，主要考虑的应该是基于设计期间的总成本的长期成本效益，而不仅仅是脚印要求。这里需要强调的支持MBR的论点是，对于地价昂贵的地区，MBR将是一个更好的选择。

图5:植物足迹随植物容量的变化

时间与累计总成本

累计总成本计算为设计和施工成本加运维成本/单位产能/年乘以年数。最初的设计和建造费用是按每单位能力的加权平均成本计算的。图6显示了时间与累计总成本的对比。如图所示，盈亏平衡年份为67年，金额为11.83亿美元。虽然MBR系统的基本建设成本/营运成本(5.4398亿元)高于CAS系统的基本建设成本/营运成本(2.2892亿元)，但在67年后，MBR系统将更具成本效益。因此，对于任何工厂的能力，MBR系统是长期运行和成本效益的最佳选择。

图6:累计总成本随时间的变化

MBR和CAS数据的统计分析

t检验和野生:对于使用MBR或CAS系统的污水处理厂的废水出水水质的年度数据，采用t检验确定两种均值之间的差异是否显著，采用f检验确定两种方差之间的差异是否显著。采用双尾假设检验，t检验和f检验的显著性水平均为5%(即α=0.05)。

统计分析的解释

对2015年当地MBR和CAS污水处理厂的样品进行t检验和f检验。参数,CBOD₅， cod, tss, nh₄、TP和VSS通过年度数据进行分析。表1中列出了输出汇总。如前所述，t检验的所有测试（双尾）基于假设不相等方差的两个样本。如表1所示，除COD产量t>t临界值和p<0.05外，几乎所有参数均被拒绝，因此，两个样本的平均值不相等。同样，F检验（双尾）结果除COD产量F>F临界值和p<0.05外，几乎所有参数的结果都是如此；因此Ho被拒绝，因此两个样本的方差不相等。由于无效假设假设两个独立样本相等，通过仔细观察表1，我们可以得出MBR的性能与CAS存在差异的结论综上所述，如图6所示，尽管出水水质和去除率不相等，但MBR和CAS之间的出水水质差异不大。然而，MBR系统的出水水质优于CAS系统，并且MBR的去除率高于CAS，特别是对于t他是新罕布什尔州的鳕鱼₄，和TP（图7），而其他参数的差异（CBOD₅因此，可以得出结论，与由Wang和Menon[6]进行的研究支持的CAS系统相比，MBR系统的性能是令人鼓舞的。

图7:MBR和CAS技术对CBOD5、COD、TSS、NH4、TP和VSS的去除率

数据	Para-meters	学习任务	t至关重要的	野生	F至关重要的	评论
每年2015年的数据	CBOD5	T =19.05 p=8.1 × 10-61年	1.96	F=1.64 p=3.8 × 10－5	1.23	H0两次测试都被拒绝。所以它们不相等。
	鳕鱼	T =-9.93 p=2.2 × 10-21年	1.96	F = 1.04, p = 0.38	1.23	H0没有在两个测试中被拒绝。所以它们是相等的。
	TSS	T =9.85 p=6.2 × 10-21年	1.96	F=2.03 p=9.1 × 10－9	1.23	H0在两个测试中都被拒绝所以它们不相等。
	NH4	T =-10.45 p=2.6 × 10-23年	1.96	F=26.92 p=4.6 × 10-114年	1.23	H0在两个测试中都被拒绝所以它们不相等。
	TP	T =-19.3 p=5.4 × 10-63年	1.96	F=6.54 p=4.8 × 10-46年	1.23	H0在两个测试中都被拒绝所以它们不相等。
	VSS	t = 7.77, p = 3.9×10-14年	1.96	F = 1.06, p = 0.303	1.23	H0被拒绝进行t检验，而不是f检验。所以t检验时它们不相等，但f检验时相等。
表1:CBOD的t检验和f检验总结5， cod, tss, nh4， TP和VSS

结论和建议

综上所述，从长期运行和性能上来看，MBR系统是比CAS系统更好的选择。然而，与CAS系统相比，MBR系统的初始投资要高得多。为了长期的成本效益和更好的性能，以满足严格的排放要求，MBR系统似乎是最好的选择。以下是本研究可以得出的具体结论:

1. 基于设计和建设成本，这是必需的资本投资，MBR是一个较好的选择低于11 MGD的工厂能力，而CAS是一个较好的选择高于11 MGD的工厂能力。平均而言，MBR的设计和建造单位成本约为5.4398亿美元/MGD工厂能力，而CAS的工厂能力为2.2892亿美元/MGD工厂能力。
2. 基于运维成本，MBR对于任何容量工厂都是一个更好的选择。平均而言，MBR的运维单位成本约为954万美元/年MGD工厂产能，CAS的运维单位成本约为1425万美元/年MGD工厂产能。CAS的运维单位成本比MBR高出约50%，将对长期成本效益产生显著影响。
3. 在碳足迹要求方面，MBR是一个明确的选择，因为它不存在二次澄清剂[20]，占用很小的碳足迹。因此，对于地价昂贵的地段，MBR将是一个更好的选择。
4. 根据长期归一化累积成本分析，对于运行时间大于67年的工厂，MBR是一个更好的选择，而CAS是一个运行时间小于67年的工厂的更好选择。因此，对于长期运行来说，MBR系统似乎是最好的选择，因此应该受到总体的青睐。
5. 基于CBOD的统计分析₅， cod, tss, nh₄MBR技术的性能明显优于CAS技术，至少在COD、NH等指标上优于CAS技术₄和TP。

基于本研究的经验,以下建议是为未来的研究:(1)成本数据从更多的国家可能是收集和分析进一步证明了研究结果和(2)性能必须分析了几年的统计数据进一步证明MBR系统在中科院系统的性能。

工具书类

1. Burian SJ, Nix SJ, Pitt RE, Durans SR(2000)美国城市污水管理:过去、现在和未来。城市技术7:33-62。［Ref。］
2. 托斯腾，埃斯卡夫，休斯(2008)成本加:估算水和下水道账单的实际决定因素。公共工程管理Pol13: 224-238。［Ref。］
3. Attiogbe F(2013)膜生物反应器技术与传统活性污泥系统处理漂白卡夫厂废水的比较。中国环境科学(英文版)第7卷第2期。［Ref。］
4. 杨T，Mftugil M，Smoot S，Peeter J（2012）CAS与MBR处理的资本和运营成本评估。水环境Feder 4087-4097[Ref。］
5. Drioli E, Giorno L(2009)膜业务:创新的分离和改造。Weinheim: Wiley-VCH。［Ref。］
6. 王力克，Menon R(2009)工程手册:高级生物处理工艺。胡玛纳出版社。
7. 基于全规模膜生物反应器和传统活性污泥法的城市污水中指示噬菌体的去除:对水回用的影响。生物资源技术129:526-531。［Ref。］
8. Francy DS, Stelzer EA, Bushon RN, Brady AM, Williston AG, et al.(2012)膜生物反应器、常规二次处理、氯和紫外线消毒对城市污水中微生物的去除效果比较。水资源Res 46: 4164-4178。［Ref。］
9. 张晓东，张晓东，张晓东，等。膜生物反应器去除城市污水中微生物指标的研究[J]。生物资源技术102:5004-5009。［Ref。］
10. (2001)制浆造纸废水处理技术综述。生物资源技术77:275-286。［Ref。］
11. 卡玛拉，坎斯·拉奥·戴劳(1988)环境工程:给水卫生工程与污染。Tata McGraw-Hill出版公司，新德里。
12. 陈志强，陈志强(2003)活性污泥法的研究进展。波士顿:巴特沃斯出版商。［Ref。］
13. Saunamäki R(1997)芬兰活性污泥厂。水科学技术35:235-242。［Ref。］
14. (2006)用于城市污水处理的好氧和厌氧膜生物反应器。水环境研究78:133-140。［Ref。］
15. 膜生物反应器在农业废水处理中的应用。加拿大生物系统工程师45:1-13。［Ref。］
16. 陈志强，陈志强(2004)膜生物反应器处理工业废水的研究进展。环境进展23:59-68。［Ref。］
17. (2009)膜生物反应器(mbr)的研究进展:膜污染与膜材料。水资源Res 43: 1489-1512。［Ref。］
18. 陈志强，王志强(2000)膜生物反应器在废水处理中的应用。IWA出版。［Ref。］
19. (in chinese with chinese abstract)[高敏，杨敏，李华，杨强，张勇(2004)淹没膜生物反应器处理含氨无机废水的性能比较。]中国生物技术杂志(英文版)［Ref。］
20. Mark JL(2016)膜生物反应器与传统活性污泥污水处理厂的对比分析。肯尼索州立大学土木与建筑工程系硕士学位论文，玛丽埃塔校区，1100 South Marietta Parkway，乔治亚州玛丽埃塔。
21. Engineering R(2016)表示2016年7月的施工成本指标。未确定的出版地点:RS方法。

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条信息

文章类型:研究文章

引用:MBR与CAS污水处理系统的初步对比分析。国际水和废水处理3(2):doi http://dx.doi.org/10.16966/2381-5299.138

版权:©2017 Karim MA等。这是一篇开放获取的文章，在知识共享署名许可协议的条款下发布，该协议允许在任何媒体上无限制地使用、发布和复制，前提是注明原作者和来源。

出版的历史:

收到日期:2016年12月06

接受日期:2017年3月22日

发表日期:2017年3月27日