《Environmental Science & Technology》：Cost and Carbon Implications of Industrial Organic Load Reduction across Water Resource Recovery Facility Typologies
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本研究通过过程建模、生命周期评估（LCA）与技术经济分析（TEA），系统量化了食品与饮料（F&B）行业废水中有机碳（COD）的上游资源化对集中式水资源回收设施（WRRF）运营成本及温室气体（GHG）排放的影响。研究揭示：在仅需生化需氧量（BOD）去除和硝化（NIT）的WRRF中，工业预处理可协同降低运营成本与碳排放；但在需生物营养物去除（BNR）或强化营养物去除（ENR）的设施中，因需外源碳（如乙酸、甲醇）补充反硝化与聚磷菌（PAOs）代谢，反而增加环境经济负担。研究进一步通过空间关联分析，识别出美国区域内高电价、高电网碳强度（CI）且毗邻F&B产业的WRRF集群，为分布式废水处理投资提供靶向策略。
研究背景与目标
食品与饮料（F&B）行业是美国碳排放第四高的制造业子领域，其高浓度有机废水（COD浓度可达1–18 g·L–1）的集中处理对水资源回收设施（WRRF）的运营成本与碳足迹产生显著影响。本研究旨在通过定量可持续设计（QSD）框架，系统评估上游有机碳资源化对四种典型WRRF工艺（BOD去除、硝化、BNR、ENR）的经济与环境影响，并识别区域化优化策略。
研究方法与模型构建
研究基于开源平台QSDsan构建了五种WRRF配置的全流程模型，包括采用活性污泥模型No. 2D（ASM2d）模拟主流工艺，以及改进的厌氧消化模型No. 1（mADM1）模拟污泥处理。通过蒙特卡洛模拟（N=10,000）量化不确定性，并结合美国66个电网区域的电价与碳强度数据，分析工业COD负荷削减（预设去除率80–85%）对运营成本（USD·m–3）与碳排放（kg-CO2eq·m–3）的敏感性。
经济与碳排放影响机制
运营成本变化：在BOD去除（rBOD）与硝化（NIT）工艺中，工业预处理通过降低曝气能耗（占成本节省的27–45%）与污泥处置费用（占54–72%）实现净收益；但在BNR与ENR工艺中，为满足总氮（TN）<10 mg·L–1、总磷（TP）<1–2 mg·L–1的排放限值，需补充外源碳（乙酸、甲醇），导致成本增加42–45%。
碳排放动态：预处理使rBOD与NIT设施的碳排放降低12.9–21.2%，主要源于 Scope 1 中逸散性甲烷（CH4）排放减少（贡献率43–51%）及 Scope 2 中电网用电排放下降（38–42%）；而BNR/ENR设施在低工业负荷下因外源碳的嵌入排放（Scope 3）增加，仅当工业/生活COD负荷比>0.55时方可实现净减排。
区域化策略与敏感性分析
研究将4506家F&B企业与其最近的WRRF空间关联，发现64%的企业毗邻rBOD设施，25%靠近NIT设施。通过电价-碳强度四象限分析（高/低价×高/低排放）显示：威斯康星州、佐治亚州等地的WRRF因高电网CI与高电价，预处理减排潜力最大；而加州、纽约州等清洁电网区域则以成本节省为主。敏感性分析进一步确认，单位电价、电网CI及曝气效率是影响结果的核心参数。
案例验证与推广意义
以美国某实际WRRF（A/O工艺，设计流量160 MGD）为例，工业预处理可在负荷比0.44时实现月均成本节省12.3万美元及碳排放降低1.2×106kg-CO2eq，验证了模型在真实场景的适用性。研究强调，未来投资需结合WRRF工艺类型与区域能源结构，优先在rBOD/NIT设施与高碳电网区域推行工业预处理，以最大化碳中和效益。
