磷酸铵镁结晶法回收污水厂沼液中磷的经济性分析

2020-10-22马可可时义磊

工业水处理 2020年10期

曹智，周律，马可可，时义磊

（清华大学环境学院，北京100084）

磷是一种重要的不可再生资源，是动植物生长必不可少的元素〔1〕。 2016 年，中国磷矿储量为32.4亿t，依目前的消耗速率，百年内将会耗尽〔2〕。经过估算，1 座30×104m3/d 的城镇生活污水处理厂一年回收的磷资源量，可满足约6.67×107m2土地一年的水稻种植磷肥需要〔3〕。因此，从城镇污水处理厂回收磷资源具有重大意义。

在典型A2/O 工艺污水处理厂中（污水处理标准执行GB 18918—2002 中一级A 标准），城镇生活污水中的磷经过聚磷菌作用被富集在剩余污泥中〔3〕，剩余污泥经过中温厌氧消化后释放磷〔4〕，再经过脱水可得到富含磷的消化污泥脱水沼液（简称沼液）〔5〕。回收沼液中的磷常采用磷酸铵镁结晶技术（简称MAP 技术）〔6-8〕。 MAP 技术常见的工艺有AirPrex 工艺、流化床结晶工艺、NuReSys 工艺、Ostara Pearl 工艺等〔1，9〕。其中，流化床结晶工艺使用石英砂作为晶种，通过回流营造合适的水力条件，投加镁盐、碱液入沼液中，在流化床反应器中生产MAP 结晶。该工艺的主要参数〔10-12〕:进水磷质量浓度10～100 mg/L，回流比100%，pH 9，Mg 与P 的物质的量比1.2∶1，鸟粪石纯度70%。流化床结晶工艺产生的MAP 结晶纯度高、颗粒大，工艺较为简单，在世界范围内被广泛应用。

MAP 俗称鸟粪石，富含植物生长需要的元素氮磷镁，是一种高质量的缓释肥〔13-14〕。采用MAP 技术回收沼液中的磷可以生产鸟粪石，出售后具有经济效益，也会减少除磷剂的使用，可降低污水处理成本〔15-17〕。但是，实施MAP 技术需要固定资产投资，且投加镁盐、碱液等会增加MAP 的回收成本〔18-19〕。因此，MAP 技术是否具有经济性是个值得研究的问题。

本研究采用财务分析和敏感性分析的方法，从技术经济性的角度对不同情景下MAP 技术中典型工艺——流化床结晶工艺回收消化污泥脱水沼液中的磷进行了分析，以期为技术实施提供参考。

1 研究方法

1.1 财务分析方法

根据技术特点，对技术实施进行投资估算和总成本费用估算，在此基础上进行财务效益分析〔20〕，同时计算财务净现值（FNPV），计算方法见公式（1）。当FNPV＞0 时，项目可以盈利，FNPV 越大，项目的盈利能力越好。分析盈亏平衡点（BEP），以判断项目对产出品数量变化的适应能力即抗风险能力，计算方法见公式（2）。当BEP＜0.7 时，项目具备较高的承受风险能力。本研究中还需计算固定资产投资与该工程设计日处理沼液量的比值（简称吨水投资（TOWI））和处理每m3沼液的利润（简称吨水利润（TOWP）），计算方法见公式（3）和公式（4）〔21〕。计算中使用的数据为2019 年的最新数据。

式中:CI——现金流入量，万元；

CO——现金流出量，万元；

ic——折现率，%；

n——项目计算期，a；

F——年固定成本，万元；

BI——年营业收入，万元；

V——年可变成本，万元；

BT——年营业税金及附加，万元；

IV——固定资产投资，万元；

Q0——日处理沼液量，m3/d；

OC——年直接运行费，万元；

Qy——1 a 处理沼液总量，m3。

1.2 敏感性分析

敏感性分析是通过分析不确定性因素发生增减变化对评价指标的影响，计算项目评价指标变化率与不确定性因素变化率之比即敏感度系数，找出敏感因素。本研究中主要不确定性因素为污水处理厂规模（Q）、沼液磷质量浓度（c）和鸟粪石单价（m）。采用单因素的分析方法，评价这些因素对TOWI、FNPV、TOWP、BEP 的影响〔22〕。

2 结果与讨论

2.1 情景分析

Q、c、m 对MAP 技术回收磷工程建设项目各财务评价指标的影响如图1 所示。

由图1（a）可知，TOWI 随c 的增长而升高，随Q的增长而降低。随着Q 的增长，TOWI 随c 增长而升高的幅度逐渐降低。在c 处于低浓度范围（10～50 mg/L）内时，投资随c 的增长具有对数函数关系，在c 处于高浓度范围（60 mg/L 及以上）内时，投资随c 的增长具有较好的线性关系。 Q 的增长将极大地降低TOWI，对于不同的c，当Q 从1×104m3/d 提高到50×104m3/d 时，TOWI 下降率均＞70%，最高可达76%，这表明MAP 技术具有显著的规模经济性特点。

图1 不同情景下MAP 技术回收磷工程建设项目的财务评价指标

由图1（b）可知，FNPV 随c 及m 的增长而增加。在c、m 较高的情况下，FNPV 随Q 的增长而增加，在c、m 较低的情况下，FNPV 随Q 的增长而减小。随着Q 的增长，FNPV 受到c、m 影响的幅度不断提升。在c、m 较高的部分，FNPV 随c、m 的增长呈线性增加。在Q=1×104m3/d 及Q=2×104m3/d 时，FNPV 均＜0；在Q=5×104m3/d 时，为使建设项目FNPV＞0，需取m=3 500 元/t，c=90 mg/L。这表明，MAP 技术不适用于Q≤5×104m3/d 的污水处理厂。在Q=10×104m3/d 时，为使建设项目FNPV＞0，取m=3 000 元/t，c需达到80 mg/L，取m =3 500 元/t，c 需达到60 mg/L；在Q =15×104m3/d 时，为使建设项目FNPV＞0，取m=3 000元/t，c 需达到60 mg/L，取m=3 500 元/t，c 需达到40 mg/L。这表明，若将MAP 技术应用于日处理量10～15 万m3的污水处理厂时，需要充分考虑m 和c 对项目财务合理性的影响。在Q≥30×104m3/d 时，c≥40 mg/L，m≥3 000 元/t，FNPV 均＞0，这表明MAP 技术较适用于Q≥30×104m3/d 的污水处理厂。

由图1（c）可知，在不同Q 条件下，TOWP 和c、m 形成的图像均接近平面，这表明TOWP 随c、m 的增长而线性增长。在Q 较小时，TOWP 随Q 的增长显著升高，从Q=1×104m3/d 到Q=5×104m3/d，TOWP平均提高0.81 元，这也表明了MAP 技术的规模经济性。但在Q＞10×104m3/d 时，Q 的增加则几乎不再影响TOWP，这表明MAP 技术的规模经济效益随着规模的提升而减少。

由图1（d）可知，BEP 随Q 的增长而呈负对数降低趋势，随c 和m 的增长而减小。当Q=1×104m3/d及Q=2×104m3/d 时，BEP 均＞0.7；在Q=5×104m3/d时，为使建设项目BEP ＜0.7，需取m =3 500 元/t，c =90 mg/L。这表明，MAP 技术不适用于Q≤5×104m3/d 的污水处理厂。在Q=10×104m3/d 时，为使建设项目BEP＜0.7，取m=3 000 元/t，c 需达到60 mg/L，取m=3 500 元/t，c 需达到50 mg/L；在Q=15×104m3/d 时，为使建设项目BEP＜0.7，取m=3 000 元/t，c 需达到50 mg/L，取m=3 500 元/t，c 需达到40 mg/L。这表明，若将MAP 技术应用于日处理量10～15 万m3的污水处理厂时，需要充分考虑m 和c 对项目抗风险能力的影响。在Q≥30×104m3/d 时，c≥40 mg/L，m≥2 500 元/t，BEP 均＜0.7，这表明MAP 技术较适用于Q≥30×104m3/d 的污水处理厂。

2.2 敏感性分析

假设Q、c、m 的变动范围均为±20%，则项目各财务评价指标的敏感度系数计算结果如表1 所示，敏感性分析结果如图2 所示。

表1 各财务评价指标的敏感性分析结果

由图2 和表1 可知，虽然m 不会影响固定资产投资，但是m 对其余各财务评价指标的敏感度系数均为最大，这表明m 是MAP 技术回收磷工程建设项目的最敏感因素，当m发生较小的波动时，也会对建设项目的盈利能力和抗风险能力产生很大的影响，其原因主要是m 决定副产品回收收入。c 对各项财务评价指标的敏感度系数均比Q 大，这表明相较Q，c 是较为敏感的因素，而Q 最不敏感。