Valutazione dell'impatto del ciclo di vita e valutazione dei costi del ciclo di vita per impianti di trattamento delle acque reflue centralizzati e decentralizzati in Tailandia

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 14540 (2022) Citare questo articolo

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Questa ricerca indaga il rapporto costo-efficacia di quattro scenari di trattamento dei fanghi per impianti di trattamento delle acque reflue (WWTP) centralizzati (C) e decentralizzati (D) utilizzando la valutazione del costo del ciclo di vita (LCCA). Gli impatti ambientali e i costi sono quantificati da Stepwise2006. L’opzione di costruzione di un impianto di depurazione più sostenibile dal punto di vista ambientale e finanziario per Bangkok, Tailandia (2022-2031) è determinata in termini di LCCA e valore attuale netto (NPV). I costi ambientali degli scenari di trattamento D sono inferiori a quelli degli scenari di trattamento C. I costi ambientali totali degli scenari con fertilizzanti C e D sono inferiori a quelli degli scenari di disidratazione di C e D. Il flusso di cassa netto per unità funzionale degli C-WWTP è superiore a quello degli D-WWTP. Lo scenario del fertilizzante C è lo scenario di trattamento più sostenibile dal punto di vista ambientale ed economico a causa del deficit LCCA più basso (-5,58 THB2020 per m3 di effluente trattato). Per il trattamento dei fanghi dovrebbe quindi essere adottato il compostaggio. L’opzione di costruzione di WWTP più sostenibile dal punto di vista ambientale e finanziario è l’opzione I (costruzione di quattro C-WWTP entro 10 anni) a causa del deficit LCCA più basso (-19925 milioni di THB2020) e della più piccola perdita finanziaria (NPV = -6309,96 milioni di THB2020). In sostanza, l’amministrazione locale della capitale dovrebbe adottare l’opzione I come linea guida nella formulazione della politica di gestione del trattamento delle acque reflue per il periodo 2022-2031.

La rapida crescita della popolazione e l’urbanizzazione contribuiscono ad aumentare la domanda di raccolta e trattamento delle acque reflue. Nelle aree urbanizzate, le acque reflue domestiche vengono raccolte e trattate in un impianto di trattamento delle acque reflue (WWTP) centralizzato (C) o decentralizzato (D). La gestione delle acque reflue C comporta tipicamente reti fognarie estese, sistemi di raccolta delle acque reflue complessi ed efficienti, tecnologia di trattamento standard ed elevata efficienza di trattamento. Nel frattempo, nella gestione delle acque reflue D, le acque reflue domestiche vengono raccolte e trattate vicino alla fonte utilizzando sottosistemi modulari, rendendo superflua la costruzione di complesse reti fognarie, il che a sua volta aumenta la flessibilità del sistema1.

Numerosi fattori influenzano la decisione di investimento tra i sistemi di gestione delle acque reflue C e D, ad esempio la fornitura di rete fognaria, le opportunità di utilizzo del territorio, la disponibilità di personale qualificato e la capacità finanziaria e tecnica2. Di conseguenza, in molti paesi in via di sviluppo, dati i vincoli finanziari, la gestione delle acque reflue D è considerata un’alternativa economicamente valida alla gestione delle acque reflue C.

I costi di costruzione e di esercizio dei sistemi di trattamento delle acque reflue D variano notevolmente, a seconda del numero e della disposizione dei sottosistemi modulari. Inoltre, il costo totale del sistema di trattamento D dotato di grandi sottosistemi modulari è generalmente inferiore a quello del sistema di trattamento delle acque reflue C, a causa delle minori esigenze di funzionamento e manutenzione del sistema di trattamento D. Inoltre, i sottosistemi modulari D ben progettati presentano un vantaggio in termini di costi rispetto alla gestione delle acque reflue C3.

Life cycle thinking focuses on the environmental and socio-economic impacts of a product or service through the entire lifecycle (2022)." href="/articles/s41598-022-18852-y#ref-CR4" id="ref-link-section-d86418223e369"> 4. La valutazione del ciclo di vita (LCA) normalmente si concentra sugli impatti ambientali, ad esempio tossicità umana, ecotossicità, riscaldamento globale, eutrofizzazione ed esaurimento delle risorse, e consiste in quattro fasi: (1) definizione dei confini del sistema, unità funzionale e ipotesi, (2) vita inventario del ciclo di vita (LCI), (3) valutazione dell'impatto del ciclo di vita (LCIA) e (4) interpretazione5,6. Per l'impatto economico, il costo del ciclo di vita (LCCA) tiene conto del flusso di cassa netto, ovvero delle fonti di entrate e di spesa, mentre la valutazione del costo del ciclo di vita (LCCA) tiene conto dell'LCC e dei costi ambientali7.

Gli studi LCA esistenti che incorporano il concetto di costo del ciclo di vita (LCC) sono elencati nella Tabella 1. Essenzialmente, gli studi esistenti si concentrano principalmente sui sistemi centralizzati di trattamento delle acque reflue, ad esempio Awad et al.8, Tabesh et al.9, Polruang et al .10, Bertanza et al.11. Nel frattempo, Lorenzo-Toja et al.12, Lorenzo-Toja et al.13 hanno studiato i sistemi di trattamento delle acque reflue C e D in termini di LCA e LCC.

The 2016–2017 average inventory data of the centralized (i.e., C-dewatering and C-fertilizer) and decentralized sludge treatment scenarios (D-dewatering and D-fertilizer) are also respectively provided in Fig. 2 and Table SI-1 of Supplementary Information (SI) (2018)." href="/articles/s41598-022-18852-y#ref-CR24" id="ref-link-section-d86418223e1529"24. In the analysis, this study focuses on the existing eight centralized WWTPs and seven (out of 12) decentralized WWTPs due to either the temporary closure of the remaining decentralized WWTPs for renovation or a lack of data. The average capacity of the centralized and decentralized WWTPs are 139,000 and 2357 m3 per day, respectively. The useful life of the WWTP and sewer network systems are assumed to 30 years./p>

In the decomposition, 70% sludge and 30% organic matter are composted by the windrow method to improve the quality of compost (2018)." href="/articles/s41598-022-18852-y#ref-CR24" id="ref-link-section-d86418223e1562"24. According to Seleiman et al28, sludge contains 25.77, 12.98, and 3.40 g of nitrogen, phosphorus, and potassium per kg dry matter./p>

The environmental costs are determined by Stepwise monetary weighting factors that detail in Table SI-3 of SI29,30 and converted into the year 2020 Thai currency (THB2020) (2020)." href="/articles/s41598-022-18852-y#ref-CR31" id="ref-link-section-d86418223e1594"31 using purchasing power parity (PPP) (i.e., PPPUS$2002 and PPPTHB2002) and Thailand's gross domestic product (GDP) deflator index of 2002 and 2020. The details of currency conversion are provided in Table SI-4 of SI./p>

In the LCCA, the source of revenue (or cash inflow) is the sale of decomposed sludge fertilizer which is priced at 2 THB/kg. For the expenditures (or cash outflow), the construction costs, including the costs of collection system, treatment plant, and dewatering system, are gleaned from publicly available data and prior publications34,35,36. The operation and maintenance (O&M) costs include the costs of electricity, water supply, chemical reagents, sludge treatment, and administrative overheads, e.g., wage, management fee (Department of Drainage and Sewerage (2018)." href="/articles/s41598-022-18852-y#ref-CR24" id="ref-link-section-d86418223e1638"24./p>

The construction and O&M costs are converted into the 2020 Thai baht (THB2020) based on the purchasing power parity (PPP) and gross domestic product (GDP) deflator index (2020)." href="/articles/s41598-022-18852-y#ref-CR31" id="ref-link-section-d86418223e1647"31. The PPP and GDP deflator index are used to reconcile differences between the three currencies (US$, EUR and Thai Baht) and multiple time periods./p>

The current total capacity of the centralized and decentralized WWTPs in the capital Bangkok is 1,112,000 and 25,000 m3 per day, respectively. The new centralized WWTP in Minburi district is currently under construction and expected to be complete in 2022, with the maximum wastewater treatment capacity of 10,000 m3 per day. In 2021, all the existing WWTPs combined are capable of treating only 68.33% of Bangkok's municipal wastewater, given the per-capita daily wastewater generation of 0.2 m3 (2017)." href="/articles/s41598-022-18852-y#ref-CR37" id="ref-link-section-d86418223e1670"37 and the population of 8.39 million38./p>

By 2027, the population of Thailand's capital Bangkok is projected to be 8.48 million, with the wastewater generation of around 1.70 million m3 per day. According to Department of Drainage and Sewerage (2018)." href="/articles/s41598-022-18852-y#ref-CR24" id="ref-link-section-d86418223e1683">24,Japan International Cooperation Agency34, it takes two years to construct a centralized WWTP at the cost of 3358.27 million THB2020; and one year for a decentralized WWTP at the cost of 118.95 million THB2020. An annual budget of around 4500 million THB2020 is set aside for the construction of new WWTPs (Department of Drainage and Sewerage (2018)." href="/articles/s41598-022-18852-y#ref-CR24" id="ref-link-section-d86418223e1698"24./p>

In finance, net present value (NPV) is used in capital budgeting and investment planning to determine the profitability of an investment project. Mathematically, NPV is the present value of the future cash flows, discounted at the required rate of return, minus the initial investment. In this research, the discount rate or required rate of return is 10%, given that the discount rate of public infrastructure projects in developing countries is around 10%39. For the planned WWTPs to be constructed in the capital Bangkok, the sources of revenue are fee from wastewater treatment and sale of decomposed sludge fertilizer, while the expenditures include the O&M and environmental costs, excluding the construction cost since the WWTPs are public infrastructure projects funded from state coffers. The wastewater treatment fee is 2 THB2020 per m3 wastewater (2020)." href="/articles/s41598-022-18852-y#ref-CR40" id="ref-link-section-d86418223e1716"40. This study also assumes that the BMA could collect 80% of the treated wastewater fee./p>

Table 2 shows the contribution analysis results in terms of the environmental impacts of the four sludge treatment scenarios (C-dewatering, C-fertilizer, D-dewatering, D-fertilizer). Under all treatment scenarios, electricity consumption contributes negatively to almost all environmental impact categories, except for human toxicity (non-carcinogens), aquatic ecotoxicity, and aquatic eutrophication. Human toxicity (non-carcinogens) and aquatic ecotoxicity are inversely correlated to heavy metals in sludge, while aquatic eutrophication is inversely correlated to effluent quality. Electricity consumption of C-dewatering and C-fertilizer is the main contributor of mineral extraction, while the main contributor of mineral extraction of D-dewatering and D-fertilizer is tap water consumption. The mechanical aeration is responsible for the lion's share of the electricity cost in wastewater treatment10,16,32. The electricity consumption of the centralized treatment scenarios (0.873 kWh/m3 treated wastewater) is greater than the decentralized treatment scenarios (0.363 kWh/m3 treated wastewater). The average electricity consumption of 22 WWTPs in Spain (0.36 kWh/m3 treated wastewater)12 is lower that both centralized and decentralized treatment scenarios of this study. In comparison with Arashiro et al.21, the electricity consumption and sludge of the decentralized treatment in this study is lower. All of the environmental impacts, excluding aquatic eutrophication, of the centralized treatment scenarios are higher than the decentralized treatment scenarios. The aquatic eutrophication of the centralized treatment scenarios is lower than the decentralized treatment scenarios. This is attributable to lower total phosphorus in the effluent of the centralized treatment scenarios (0.73 g total P per m3 treated wastewater), compared to that of the decentralized treatment scenarios (1.52 g total P per m3 treated wastewater). In comparison with dewatering, sludge decomposition (i.e., for fertilizer) generates lower environmental impacts. According to Seleiman et al.28,Kominko et al.41, sludge is rich in nutrients that are beneficial for crop growth without contaminating groundwater and agriculture produce. However, in this current research, the heavy metals in sludge fertilizer, including copper, cadmium and mercury, exceed the regulatory limits on organic fertilizer standards42. To minimize food-related toxicity in human, the authorities thus stipulate that sludge fertilizers should be used in ornamental plants (Department of Drainage and Sewerage (2018)." href="/articles/s41598-022-18852-y#ref-CR24" id="ref-link-section-d86418223e1795"24./p>

The construction costs of the existing decentralized treatment scenarios are higher than the centralized treatment scenarios since most of the existing decentralized WWTPs in Thailand were constructed more than three decades and have treated wastewater using energy-inefficient technology, e.g., mechanical aerations46. The decentralized treatment scenarios are classified by the demand for electricity as the small general service and the centralized treatment scenarios as the large general service (2018)." href="/articles/s41598-022-18852-y#ref-CR24" id="ref-link-section-d86418223e2686">24. The electricity cost (THB per kWh) of the small general service (or the decentralized treatment scenarios) of 1.21 THB2020 per m3 treated effluent was higher than that of the large general service (or the centralized treatment scenarios) of 0.70 THB2020 per m3 treated effluent (2021)." href="/articles/s41598-022-18852-y#ref-CR47" id="ref-link-section-d86418223e2699"47. The administrative overheads, e.g., wage, management fee, of the decentralized treatment scenarios (6.33 THB2020 per m3 treated effluent) are higher than the centralized treatment scenarios (1.46 THB2020 per m3 treated effluent)./p> (2022)./p>

(2018)./p> (2020)./p> (2017)./p> (2020)./p> (2021)./p>