基于不确定性的颗粒活性炭与离子交换技术处理全氟和多氟烷基物质的经济性模型分析

《Journal of Environmental Management》：Model-based economic analysis under uncertainty for PFAS treatment by granular activated carbon and ion exchange technologies

　　

饮用水法规近期要求对全氟和多氟烷基物质（PFAS)进行修复。作为响应，处理设施可能需要对现有处理工艺进行改造，以使PFAS浓度降至最大污染物水平(MCLs)以下。吸附技术如颗粒活性炭(GAC)和离子交换(IX)已被证实有效；然而，目前缺乏能为不同PFAS含源水条件下的技术选择和设计提供指导的技术经济指标。传统用于此类分析的过程系统工程(PSE)工具受到新兴污染物研究数据中数据可得性、模型有效性和处理现象认知不足等因素的制约。本研究采用已发表的数据回归、统计模型、过程模型、技术经济分析及其他过程系统工具，构建基于模型的不确定性框架，以考虑新兴污染物研究的局限性。通过该分析框架，经济结果以概率分布形式呈现，基于模型不确定性和处理设施面临的多样化条件。根据PFAS分子结构和链长，研究人员识别了各技术的回归参数分布和模型预测性能趋势。在考虑大多数设计条件和PFAS种类的不确定性时，GAC系统较IX系统具有更低且经济风险更小的归一化水处理成本(LCOWs)。两种技术在体积基础上具有可比的吸附剂使用强度，表明相似的可持续性。

研究背景与问题提出：全氟和多氟烷基物质(PFAS)自20世纪40年代起被广泛应用于工业和消费品领域，其具有的耐热性和疏水性导致其在环境中难以降解并持续累积。美国环境保护署(U.S. EPA)于2021年将29种PFAS列入第五项非管制污染物监测规则(UCMR 5)，并于2023-2024年间将全氟辛酸(PFOA)、全氟壬酸(PFNA)、全氟丁烷磺酸(PFBS)、全氟己烷磺酸(PFHxS)、全氟辛烷磺酸(PFOS)和六氟环氧丙烷二聚酸(HFPO-DA)六种化合物纳入国家主要饮用水法规(NPDWR)，设定了十万亿分之一(ppt)级别的最大污染物水平(MCLs)。在众多处理技术中，颗粒活性炭(GAC)和离子交换(IX)因去除效率高且易于实施而成为实践中采用最频繁的吸附处理方法，其中GAC对长链化合物(≥C₇)更有效，IX对短链化合物(7)更有效。

然而，饮用水处理设施在 retrofit 现有工艺以满足新法规要求时面临独特挑战：PFAS在源水中浓度相对较低、背景化合物对吸附有显著影响、以及PFAS吸附机理认知不足，这些因素共同制约了当前预测模型的准确性；同时，该领域研究较新，缺乏涵盖水质组成、PFAS种类、吸附剂和柱设计等组合条件的实验数据，既阻碍了新预测模型的开发，也限制了非参数代理模型的训练。尽管缺乏稳健准确的预测模型，决策者仍需估计改造饮用水处理设施所需成本，因此亟需一种能在模型不确定性下评估系统性能和经济性的方法框架。

研究目的与方法概述：本研究旨在提供一种建模框架，在模型不确定性条件下评估吸附技术去除PFAS的过程规模系统性能和经济性，考虑多样化饮用水处理条件。该方法利用PFAS种类吸附穿透数据对GAC和IX模型进行参数化，并实现概率成本和性能估计，超越了以往仅关注特定场景确定性估计的技术经济分析(TEA)。研究发表在《Journal of Environmental Management》期刊上。

关键技术方法：研究人员开展此项研究使用的主要关键技术方法包括：（1）基于常数模式均相表面扩散模型(CPHSDM)的参数回归方法，利用文献发表的PFAS穿透实验数据回归表观参数值；（2）采用Box-Cox变换和多元正态分布训练的统计建模方法，刻画参数不确定性；（3）随机模拟方法，从参数统计分布中采样进行过程模拟；（4）基于WaterTAP v0.12平台的过程模拟，结合SciPy和scikit-learn等Python工具包；（5）基于美国EPA工作分解结构(WBS)的成本计算模型，计算资本支出(CAPEX)、运营支出(OPEX)和归一化水处理成本(LCOW)；（6）结合化学工程装置成本指数(CEPCI)进行成本标准化。

样本队列来源说明：确定性分析使用了三个案例研究的数据，包括Franke等研究中两种GAC吸附剂（Calgon F400和Norit 1240 W）及两种IX树脂（Purolite A600和Purofine PFA694）的实验数据，以及McCleaf等研究中Calgon F400和Purolite A600的实验数据。不确定性分析则综合了来自Woodard、Hwang、Franke、McCleaf、Schaefer、Croll、Wang、Ellis、Zeng、Hayman、Kassar、Liu、Riegel等多篇文献的PFAS穿透数据集，涵盖快速小尺度柱测试(RSSCTs)、实验室规模和 pilot 规模等不同规模的实验。

参数估计结果：GAC和IX模型虽受常数模式假设限制，但均能较准确地预测实验穿透曲线。案例研究中GAC和IX的平均绝对误差(MAEs)分别约为500和1800床体积(BVT)，而完整数据集的MAE分别约为4000和4500 BVT。多元参数分布显示Freundlich容量参数(k)和等温线参数(1/n)的变换值呈正偏态分布。对于GAC，PFCAs的k值上限随链长增加至PFOS的八个碳后显著下降，长链PFCAs（≥C₁₁）参数分布相似。IX的k值变异性较小。表面扩散系数(D_s)分布显示GAC中PFOA最低，长链物种的D_s显著增加，与GAC吸附PFAS的认知一致。

确定性技术经济分析：案例研究展示了水质对建模结果的影响。GAC的限制性物种分别为PFBA（McCleaf Calgon F400，90天）、PFHxA（Franke Calgon F400，129天）和PFOA（Franke Norit 1240 W，102天）。IX的限制性物种为PFOA（Franke Purofine PFA694，44天）、PFHxS（Franke Purolite A600，31天）和PFBA（McCleaf Purolite A600，7天）。限制物种并非总是浓度最高者，表明化学结构和水质比浓度更具影响力。GAC系统的LCOW范围差异较小（$0.0633 m^-3），而IX因穿透时间更短、树脂成本更高而成本显著更高。

设计可行性不确定性分析：通过1000次随机采样参数评估设计可行性。对于GAC，PFOA、PFOS和HFPO-DA的处理难度递增。从100 ppt处理至10 ppt时，三者的设计可行性分别为95%、90%和67%。低要求处理（左上角区域）能稳定实现，而高去除率要求（右下角区域）可行性降低。去除效率固定时，初始浓度增加对可行性影响较小；但固定出口浓度时，初始浓度增加会显著提高不可行设计概率。IX的可行性评估因数据不足未予呈现。

经济趋势不确定性分析：研究以累积密度函数(CDFs)展示LCOW概率分布。对于10 MGD系统处理PFOA至4 ppt MCL，80%概率下GAC和75%概率下IX的成本≤$0.4 m^-3。PFOA浓度≥400 ppt时GAC的CDF重叠，表明经济结果分布相似；IX在PFBS浓度≤1000 ppt时亦同。预处理效应分析显示，10 MGD系统中PFOA 30 ppt原水 versus 2 MGD浓缩液300 ppt，70%概率下GAC成本分别≤$0.140 m^-3和≤$1.15 m^-3，IX分别≤$0.860 m^-3和≤$1.84 m^-3，即年成本分别为$1.94M、$3.18M、$11.9M和$5.09M（未计入纳滤系统成本）。50%概率下风险承受度提高时，最优技术选择可能由GAC处理原水变为GAC处理纳滤浓缩液。

可持续性分析：GAC系统容器总体积平均为59.1 m³ MGD^-1，IX为28.7 m³ MGD^-1，IX占地面积减少51.4%。以10 MGD系统处理50 ppt PFOA为例，GAC有约65%概率突破时间>200天，IX为50%。尽管IX在其他指标上表现较差，但体积用量与GAC相当，表明较小系统规模使IX体积用量具有可比性。

研究结论：本研究开发的不确定性框架通过回归文献实验数据的表观参数值，并利用多元分布模型进行统计描述，纳入过程模拟不确定性分析。确定性案例研究展示了基于限制物种的成本分析方法；不确定性框架则用于评估参数趋势相关性、设计可行性概率以及LCOW和吸附剂使用速率等性能指标的概率分布。基于性能不确定性，GAC在大多数情况下比IX具有更低的概率LCOW。两种技术在体积基础上的吸附剂使用速率具有相似不确定性。

具体而言，GAC处理不同PFAS物种的能力随进口浓度增加和出口浓度目标降低而显著下降；PFAS处理成本强烈依赖于处理物种和进口浓度；GAC比IX更可能具有更长的穿透时间。需要特别说明的是，本研究结果对GAC最为有效（>800数据集），而IX因数据有限（201数据集）仍存在显著不确定性。该框架能为PFAS处理系统设计者在特定流量容量、限制PFAS物种和浓度等独特设计考量下的性能和不确定性经济风险提供指导。