《Journal of Water Process Engineering》：A comparison of three treatment processes for emulsified rinsing wastewater using integrated LCA-AHP: From lab to pilot-scale
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本研究系统比较了脱乳化-絮凝耦合生物处理与碳材料增强厌氧处理两种方案，通过实验室优化参数并验证中试（1000m3/d），结合LCA-AHP模型综合评估经济、环境及技术效果，最终选择碳材料增强厌氧处理因成本低、COD去除效率高且环境影响最小。
程马|郭子怡|李慕希|桑文静|穆扎米尔·阿里·布罗希|李登新
东华大学环境科学与工程学院，上海，201620，中国
摘要
纺织工业产生的乳化洗涤废水由于其稳定的油水乳液结构而难以处理。为了解决纺织废水预处理站中絮凝-生物处理过程成本高和出水质量不理想的问题，本研究系统地比较了两种改进方案：强化预处理（乳化破乳-絮凝结合生物处理）和强化生物处理（碳材料增强厌氧工艺）。通过实验室规模实验优化了关键操作参数。结果发现，乳化破乳剂E和生物炭分别表现出最佳效果。这些参数在100天、处理量为1000立方米/天的中试规模应用中得到了验证。两种方案均实现了比原工艺更低的平均化学需氧量（COD）。为了进行综合决策，开发了一种结合层次分析法（AHP）的生命周期评估（LCA）模型，从经济、环境和技术效果方面进行了评估。LCA结果表明，碳材料增强厌氧工艺的环境影响最低，尤其是在全球变暖潜力（GWP）方面。AHP权重分析显示，技术效果，特别是COD去除效率，是主要考虑因素，因此选择了碳材料增强厌氧工艺。本研究为工业废水处理厂提供了一种实用的升级方案，并展示了LCA-AHP框架在指导此类工艺绿色转型方面的价值。
引言
作为制造业的基石，纺织工业每年产生大量废水[1]。在各种纺织废水中，洗涤废水的主要污染物是油类物质和表面活性剂[2]。由于双电层和界面膜的作用，这些物质会形成稳定的乳化状态，这对传统的生物处理方法构成了挑战[3]。在实际工业生产中，企业常常面临高昂的处理成本。本研究讨论的乳化纺织废水预处理站存在运行成本高且处理效果不佳的问题。因此，改进现有工艺以提高出水质量同时降低处理成本是一个重要的挑战。
目前，处理乳化纺织废水常用的方法主要包括物理法、化学法和生物法[4]。对于常规含油废水，物理方法（如油分离和空气浮选）的去除效率较低[5]。膜技术受到处理能力和膜污染的限制，限制了其大规模工业应用[6]。化学方法（包括化学氧化和絮凝沉淀）需要大量的化学药剂[7]，[8]。此外，化学氧化所使用的试剂成本较高。絮凝技术具有很强的适应性，可以有效去除乳化油[9]，但所需絮凝剂用量随乳化程度的增加而增加[10]，并且絮凝过程会产生化学污泥[11]。因此，在实际应用中，实现高效乳化破乳同时最小化絮凝剂用量是一个重大挑战。尽管生物方法具有成本低和二次污染少的优点[12]，但由于目标废水的乳化稳定性较高，直接采用生物处理较为困难[13]，[14]。
在水处理中，越来越多地采用结合两种或更多方法的技术来达到更高的出水质量标准[15]，[16]，[17]。对于预处理站中的絮凝处理，添加乳化破乳剂进行破乳是一种潜在的优化策略[18]。此外，在厌氧生物处理过程中添加碳材料可以提高处理效率。生物炭、活性炭和石墨烯等材料可以通过吸附、生物膜生长支持以及通过功能团或改善导电性来促进电子转移等方式提高去除效率[19]，[20]，[21]。尽管许多研究表明改性碳材料具有更好的效果[22]，[23]，但在大规模工业应用中，这三种碳材料最为常见、最容易获得且成本最低。因此，针对本研究调查的具体废水，实施了两种工艺改进方案：（1）乳化破乳-絮凝预处理结合生物处理。该方案首先破乳，然后通过絮凝消除乳化状态并去除部分有机负荷，之后废水进行进一步的微生物处理；（2）单碳基材料增强厌氧生物处理。该方案直接将生物炭、活性炭和石墨烯等材料加入厌氧反应器中，以提高微生物活性和处理效果。
目前，大多数研究仅关注单一工艺的实验室规模效率，缺乏不同改进方案之间的并行比较以及从实验室到中试规模的完整工艺比较。其他研究以去除效率作为主要评价指标，未能建立一个综合考虑技术、经济和环境维度的多标准决策框架。生命周期评估（LCA）是一种评估产品或服务在整个生命周期（从原材料提取到最终处置）的环境和社会影响的方法[24]。层次分析法（AHP）是一种多标准决策方法，它将复杂问题分解为层次结构，并计算不同层次的权重，以解决不确定性、主观性和多重冲突的问题[25]。结合LCA和AHP可以弥补LCA主要关注环境效果的局限性，从而创建一个更平衡的评估框架[26]，[27]，[28]，[29]。对于面临工艺改进挑战的行业来说，对几种不改变同一废水系统主要流程的具体改进方案进行精细比较具有更直接和实际的意义。此外，在实际应用中，乳化洗涤废水的处理过程通常与含油废水和染料废水类似。鉴于这种废水的特殊性，本研究为这种特定类型的废水提供了有针对性的比较。
本研究的创新之处在于：（1）同时设计和比较了两种根本不同的技术路线：预处理强化和生物处理强化，为乳化洗涤废水的工艺改进提供了更全面的视角；（2）完成了从实验室规模测试参数优化到1000立方米/天中试规模测试的完整研究，确保了研究结果的工业可行性；（3）结合了LCA和AHP，建立了一个综合考虑经济效果、环境效果和技术效果的综合决策模型，为工业废水处理的绿色低碳转型提供了方法论参考。
章节片段
废水采样和试剂
废水样本取自中国浙江省的龙游纺织废水预处理站。图S1显示废水呈白色且乳化状态稳定。收集废水的详细特性见表S1。
乳化破乳剂A至K（20% w/w）来自一家环保公司（河南，中国）；聚氯化铝（PAC，Al2O3 ≥ 28%）来自Aladdin（上海，中国）；聚丙烯酰胺（PAM，RG，分子量：1800万，阳离子型）来自
乳化破乳剂、絮凝剂和pH值的影响
图S4展示了不同类型乳化破乳剂对COD去除效果的影响。图2a显示，乳化破乳剂E的COD去除效率最高。乳化洗涤废水中含有表面活性剂和油类物质。乳化破乳剂E可能是阳离子型或非离子型破乳剂，它可以通过电荷中和破坏双层结构，通过其聚合物链结构吸附油滴形成大絮体，并替代保护膜中的乳化剂
结论
本研究系统地比较和评估了两种工艺改进方案（乳化破乳-絮凝结合生物处理和碳材料增强厌氧工艺）与原工艺处理乳化洗涤废水的效果。
实验室规模实验确定了关键工艺参数。对于乳化破乳-絮凝预处理方案，在pH 9的条件下，使用0.4 mL/L的乳化破乳剂E，结合100 mg/L的PAC和4 mg/L的PAM，可以有效
CRediT作者贡献声明
程马：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、数据分析、概念化。郭子怡：撰写——审稿与编辑、监督、数据分析。李慕希：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、数据分析、概念化。桑文静：资金筹集、监督、撰写——审稿与编辑。穆扎米尔·阿里·布罗希：数据分析、方法论、撰写——审稿与编辑。李登新：撰写——审稿与
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
