王建國，湯露露，薛　峰，葉　海，丁亞楠

(環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，南京　210042)

· 環(huán)境評價 ·

污水再生膜-復(fù)合處理工藝的生命周期評價

王建國，湯露露，薛峰，葉海，丁亞楠

(環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，南京210042)

本研究基于生命周期評價體系，利用GaBi軟件和CML2001評價方法，系統(tǒng)評估了污水再生膜-復(fù)合處理工藝(膜過濾、反滲透和電去離子)在其生命周期內(nèi)的環(huán)境影響，并在指標(biāo)體系中引入水資源的消耗，進(jìn)一步闡明污水再生膜-復(fù)合處理工藝各主要環(huán)節(jié)的環(huán)境影響和水資源消耗。結(jié)果表明污水再生膜-復(fù)合處理工藝過程中藥劑的消耗、污染物排放和能源的消耗是產(chǎn)生環(huán)境影響的主要原因。通過對水資源消耗指標(biāo)的分析發(fā)現(xiàn)，膜-復(fù)合處理工藝出水對部分工業(yè)用水的替代，會在一定程度上補(bǔ)償污水再生處理產(chǎn)生的負(fù)面環(huán)境影響，除了能大量節(jié)約水資源外，還能呈現(xiàn)環(huán)境正效應(yīng)，因此污水再生膜-復(fù)合處理工藝出水用于工業(yè)用途符合資源和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的基本思想。

污水再生利用；生命周期評價；膜-復(fù)合處理工藝；水資源消耗

我國是一個水資源貧乏的國家，水資源人均占有量低、時空分布不均勻且水污染嚴(yán)重[1]。在眾多緩解水資源危機(jī)的措施中，污水再生利用因具有環(huán)境效益顯著、水源可靠、保證率高、成本低、距離用戶較近等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，現(xiàn)階段污水再生利用已經(jīng)成為緩解我國水資源短缺、控制水環(huán)境污染的重要途徑之一[2]。然而污水再生處理過程本身也會造成環(huán)境影響，不同的處理工藝以及同一種處理工藝出水用于不同途徑過程中所表現(xiàn)的環(huán)境特性及其對資源和能源的消耗都不相同[3]。傳統(tǒng)的污水再生處理工藝的選擇和評價常采用技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選法，弱化甚至忽略了污水再生處理技術(shù)的環(huán)境影響和對資源、能源的消耗，無法全面系統(tǒng)地評價污水再生處理過程中的綜合環(huán)境效應(yīng)。

生命周期評價評價(life cycle assessment, LCA)是評價產(chǎn)品或者系統(tǒng)從原材料開采、運(yùn)輸、加工、使用到最終處置過程全生命周期環(huán)境影響的工具，目前已經(jīng)在污水處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[4, 5]。國外關(guān)于污水再生利用的LCA研究比較成熟，普遍采用CML2001、EDIP、EI99等指標(biāo)體系進(jìn)行評價，而國內(nèi)關(guān)于污水再生利用的LCA研究仍處于嘗試和探索階段。王巧提出了城市污水再生利用工程的LCA模型，但僅以污水處理廠的二級處理為案例進(jìn)行了核算[6]。熊家晴等提出了針對城市再生水產(chǎn)品評價的生命周期綜合價值模型，修正了再生水生命周期能耗成本的計算方法，但忽略了再生水對城市供水的替代作用[7]。隨著我國對水資源使用管理的日趨嚴(yán)格，再生水對新鮮水資源的替代作用已經(jīng)成為污水再生利用被關(guān)注的主要原因。然而現(xiàn)有的污水再生處理工藝的LCA研究并未將水資源的消耗作為一個重要指標(biāo)納入指標(biāo)體系中，不符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的基本思想。

膜技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展前途和潛力的水處理新技術(shù)之一，目前已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于城市污水和工業(yè)污水的再生處理過程中[8]。本研究以污水再生膜-復(fù)合處理工藝為研究對象，建立LCA分析框架，定量評估其生命周期內(nèi)的環(huán)境影響，并進(jìn)一步在指標(biāo)體系中引入水資源的消耗，闡明污水再生膜-復(fù)合處理工藝各主要環(huán)節(jié)的環(huán)境影響和水資源消耗，研究成果有望為污水再生膜-復(fù)合處理工藝的優(yōu)化提供基礎(chǔ)，為區(qū)域水資源管理提供參考。

1　研究方法

1.1研究目標(biāo)和范圍

本研究以蘇州某工業(yè)園區(qū)的污水再生利用系統(tǒng)為研究對象，其二級處理工藝為SBR和A/O，再生處理工藝為膜過濾、反滲透和電去離子，設(shè)計污水再生處理量為2萬噸/天，處理后出水經(jīng)企業(yè)自帶的反滲透和混床處理后直接回用。其中再生處理系統(tǒng)流程膜過濾、反滲透和電去離子工序產(chǎn)生的濃水部分回流上一級處理工序，部分進(jìn)入蒸發(fā)器，濃鹽水蒸發(fā)會產(chǎn)生鹽泥，目前試運(yùn)行階段產(chǎn)量極少，只做堆存處理，本研究根據(jù)已有文獻(xiàn)報道假設(shè)其處理方式為安全填埋[9]。對該污水再生利用系統(tǒng)進(jìn)行生命周期評價的目標(biāo)是評價其在生命周期內(nèi)對環(huán)境的影響和資源能源的消耗，因目前沒有拆除階段的相關(guān)數(shù)據(jù)，本研究重點(diǎn)考察污水再生膜-復(fù)合處理工藝在建設(shè)和運(yùn)行階段的環(huán)境影響和水資源消耗。功能單元定義為污水再生膜-復(fù)合處理工藝處理1噸污水。LCA分析框架如圖1所示，其中再生水所代替掉的工業(yè)用水生產(chǎn)量以負(fù)值計算。

圖1　污水再生膜-復(fù)合處理工藝生命周期評價框架Fig.1　Framework of life cycle assessment of membrane complex treatment processes in wastewater reuse

1.2清單分析

本研究以污水處理系統(tǒng)處理1噸污水為功能單位，LCA清單分析的結(jié)果如表1所示。其中主要的假設(shè)和相關(guān)數(shù)據(jù)參考如下：① 能耗：系統(tǒng)的能耗包括電能和蒸汽，其生產(chǎn)數(shù)據(jù)來源于中國電網(wǎng)數(shù)據(jù)庫和中國典型蒸汽生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)庫；② 藥劑：系統(tǒng)中所用藥劑的生產(chǎn)數(shù)據(jù)來自Ecoinvent數(shù)據(jù)庫，無法直接中數(shù)據(jù)庫或的數(shù)據(jù)參考Li等人的研究[10]；③ 污泥處理處置：假設(shè)污泥處置方式為安全填埋，相關(guān)數(shù)據(jù)參考黃等人的研究[11]；④ 交通運(yùn)輸：假設(shè)液氮運(yùn)輸距離為40km，藥劑運(yùn)輸距離為50km，污泥運(yùn)往填埋場的距離為50km，運(yùn)輸車輛為卡車，運(yùn)輸過程中的背景數(shù)參考黃等人的研究[11]；⑤ 廢氣：系統(tǒng)無組織排放的氨氣和硫化氫數(shù)據(jù)參考園區(qū)監(jiān)測報告和環(huán)境影響評價報告。本研究依據(jù)現(xiàn)有條件選用GaBi4軟件進(jìn)行清單分析。

表1　污水再生膜-復(fù)合處理工藝的生命周期清單分析結(jié)果

2　結(jié)果和討論

2.1污水再生膜-復(fù)合處理工藝的生命周期環(huán)境影響評價

2.1.1特征化結(jié)果分析

在清單分析的基礎(chǔ)上，參考CML2001環(huán)境影響評價方法的特征因子對污水再生膜-復(fù)合處理系統(tǒng)進(jìn)行評價。除此之外，針對污水再生利用顯著的水資源效益，本研究還增設(shè)了水資源消耗勢能指標(biāo)，用于衡量系統(tǒng)生命周期消耗的水資源凈值，研究結(jié)果可為污水處理過程中的水資源管理提供一定的參考。環(huán)境影響指標(biāo)的特征化結(jié)果如表2所示，相比于無回用，污水再生膜-復(fù)合處理工藝處理1噸污水并用于工業(yè)企業(yè)不僅能夠顯著減少所有環(huán)境影響(除富營養(yǎng)化潛勢)，還能節(jié)約1噸的新鮮水資源。這說明污水再生工業(yè)利用所補(bǔ)償?shù)沫h(huán)境影響足以抵消污水再生處理增加的環(huán)境影響，并節(jié)約了水資源。此外還發(fā)現(xiàn)污水再生膜-復(fù)合處理系統(tǒng)的環(huán)境影響和水資源消耗主要來自于運(yùn)行階段，其建造階段的環(huán)境影響和水資源消耗僅占系統(tǒng)總環(huán)境影響的2%～3%，與Raluy等得到的結(jié)論一致[12,13]。

表2　污水再生膜-復(fù)合處理工藝生命周期環(huán)境影響指標(biāo)的特征化結(jié)果

2.1.2歸一化結(jié)果分析

為了比較各環(huán)境影響指標(biāo)的重要性，對特性化結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，即將特征化結(jié)果除以歸一化因子的值。本研究采用的歸一化因子基準(zhǔn)是CML2001的最新版本的世界年人均值(CML2001-Nov.09)，得到的系統(tǒng)影響歸一化數(shù)值如表3所示，其中水資源消耗潛勢不屬于CML評價指標(biāo)體系，因此未進(jìn)行歸一化處理。由表3可以看出，海洋水生生態(tài)毒性潛勢是污水再生膜-復(fù)合處理工藝在生命周期內(nèi)影響最大的環(huán)境影響因子，非生物資源消耗潛勢、酸化潛勢、富營養(yǎng)化潛勢、淡水水生生態(tài)毒性潛勢、全球變暖潛勢、人體毒性潛勢、海洋水生生態(tài)毒性潛勢、臭氧層消耗潛勢、光化學(xué)氧化潛勢和陸地生態(tài)毒性潛勢也是重要的環(huán)境影響指標(biāo)，相比于這些指標(biāo)，臭氧層消耗潛勢則可以忽略，此結(jié)果與Hancock等得到的結(jié)論一致[14]。

表3　污水再生膜-復(fù)合處理工藝生命周期環(huán)境影響指標(biāo)的特征化結(jié)果和歸一化結(jié)果

2.2工藝各主要環(huán)節(jié)的環(huán)境影響生命周期評價

通過對歸一化結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步研究，可以分析污水再生膜-復(fù)合處理工藝生命周期過程中不同階段對于不同的環(huán)境影響類別的貢獻(xiàn)大小，從而可識別出膜工藝生命周期內(nèi)產(chǎn)生環(huán)境影響的主要階段和關(guān)鍵因子。根據(jù)本研究中污水再生處理系統(tǒng)的特點(diǎn)，擬選取為一級處理、二級處理、再生處理、污泥處置、廢水排放和替代用水6個階段為研究對象。由于臭氧層消耗潛勢指標(biāo)環(huán)境影響較小，后續(xù)不考慮系統(tǒng)各階段對其貢獻(xiàn)。污水再生膜-復(fù)合處理工藝生命周期各階段歸一化因子的結(jié)果分析如圖2所示。

(ADP：非生物資源消耗潛勢、AP：酸化潛勢、GWP：全球變暖潛勢、POCP：光化學(xué)氧化潛勢、MAETP：海洋水生生態(tài)毒性潛勢、HTP：人體毒性潛勢、TETP：陸地生態(tài)毒性潛勢、EP：富營養(yǎng)化潛勢、FAETP：淡水水生生態(tài)毒性潛勢、WDP：水資源消耗潛勢)圖2　污水再生膜-復(fù)合處理系統(tǒng)不同階段環(huán)境影響指標(biāo)的歸一化結(jié)果Fig.2　Normalization of environmental impact indices in different processing stages of membrane complex treatment system in wastewater reuse

對于非生物資源消耗潛勢，再生處理和替代水供水階段是其產(chǎn)生的主要環(huán)節(jié)，在污水再生膜-復(fù)合處理工藝中分別占16%和83%。藥劑的生產(chǎn)是產(chǎn)生非生物資源消耗潛勢的最主要原因，在污水再生膜-復(fù)合處理工藝中藥劑生產(chǎn)(如殺菌劑、絮凝劑和阻垢劑等)帶來的生物資源消耗潛勢占再生處理的89.3%，用于樹脂再生的鹽酸和氫氧化鈉生產(chǎn)帶來的生物資源消耗潛勢占到了替代供水(工業(yè)去離子水生產(chǎn))階段的62.5%和54.6%。

對于酸化潛勢、全球變暖潛勢、光化學(xué)氧化潛勢、人體毒性潛勢、陸地生態(tài)毒性潛勢和海洋水生生態(tài)毒性潛勢，在污水再生膜-復(fù)合處理工藝運(yùn)行過程中具有類似的變化規(guī)律，這是由于產(chǎn)生此類環(huán)境影響的關(guān)鍵因子均為能耗。主要階段產(chǎn)生為二級處理、再生處理、替代水供應(yīng)和污泥處理處置，能耗以電力和蒸汽為主。以全球變暖潛勢為例，污水再生膜-復(fù)合處理工藝的二級處理、再生處理和替代供水帶來的全球變暖潛勢與無污水回用的工藝對應(yīng)3個階段帶來的全球變暖潛勢相差不大，這說明污水再生膜-復(fù)合處理過程所帶來的全球變暖潛勢增加值被所減少的去離子水生產(chǎn)對應(yīng)全球變暖潛勢所抵消，與Mo等研究結(jié)果相吻合[15]。此外海洋水生生態(tài)毒性潛勢的增加是由于電力和蒸汽生產(chǎn)過程中排入空氣的氟化氫和硒等造成的，這些物質(zhì)與能源消耗關(guān)聯(lián)很高，變化趨勢與全球變暖潛勢等指標(biāo)類似。

污水再生膜-復(fù)合處理工藝的富營養(yǎng)化潛勢主要來自再生處理、污泥處理處置和替代供水階段，其中再生處理耗電增加致使氮氧化合物排放量增加，再生水替代的去離子水生產(chǎn)過程則會減少電和蒸汽生產(chǎn)排放的氮氧化合物，此外污水再生處理則還會進(jìn)一步削減尾水中的氮磷等污染物，在一定程度上降解了富營養(yǎng)化潛勢。淡水水生生態(tài)毒性潛勢主要來自于再生處理和去離子水生產(chǎn)階段，分別占污水再生膜-復(fù)合處理系統(tǒng)的15.3%和66.5%，其中去離子水生產(chǎn)階段的關(guān)鍵因子是酸堿生產(chǎn)過程中排放到水體中的重金屬，占該階段淡水水生生態(tài)毒性潛勢的77.4%。

水資源消耗潛勢隨污水回用量的增加而增加，但污水回用量并不完全等于節(jié)約的新鮮水量，因為再生處理階段需要少量補(bǔ)充水，去離子水和自來水生產(chǎn)過程中也會消耗一定量的水資源?？傮w來說，污水再生利用可在很大程度上可調(diào)節(jié)區(qū)域水資源配置。

進(jìn)一步分析污水再生處理工藝，比較其各階段環(huán)境影響評價可知(如圖3所示)，再生處理各個階段的環(huán)境影響均較大，且與能源消耗密切相關(guān)。例如三效蒸發(fā)工藝，蒸汽使用和電耗產(chǎn)生的全球變暖潛勢占整個污水再生處理階段的41.2%，占污水處理系統(tǒng)的23.1%，是再生處理工藝環(huán)境影響產(chǎn)生的重要原因之一。因此，如能利用園區(qū)內(nèi)其它工業(yè)企業(yè)產(chǎn)生的廢蒸汽進(jìn)行污水再生處理，將能大幅度的降低系統(tǒng)環(huán)境影響。

圖3　污水再生膜-復(fù)合處理工藝再生處理階段環(huán)境影響分析Fig.3　Environmental impact analysis of membrane complex treatment processing stages in wastewater reuse

3　結(jié)　論

本研究基于LCA分析評價了污水再生膜-復(fù)合處理工藝的環(huán)境影響，闡明了各階段的生命周期環(huán)境影響。結(jié)果表明系統(tǒng)最主要的環(huán)境影響類別為海洋水生態(tài)毒性潛勢，其余主要為非生物資源消耗潛勢、全球變暖潛勢、酸化潛勢、富營養(yǎng)化潛勢、淡水水生態(tài)毒性潛勢、人體毒性潛勢、光化學(xué)氧化潛勢和陸地生態(tài)毒性潛勢。其中非生物資源消耗潛勢主要來源于污水處理系統(tǒng)藥劑的消耗，富營養(yǎng)化潛勢和淡水水生態(tài)毒性潛勢來源于污染物排放，其余指標(biāo)均源自能源的消耗。

污水再生膜-復(fù)合處理工藝再生處理階段會產(chǎn)生較大的環(huán)境影響，但通過再生水對部分工業(yè)用水的替代，會在一定程度上補(bǔ)償污水再生處理產(chǎn)生的負(fù)面環(huán)境影響，除了能大量節(jié)約水資源外，還能呈現(xiàn)環(huán)境正效應(yīng)，因此從生命周期角度上看來污水再生膜-復(fù)合處理工藝出水用于工業(yè)途徑不僅具有較高的水資源效益還具有一定的環(huán)境效益。

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Life Cycle Assessment of Membrane Complex Treatment Process in Wastewater Reuse

WANG Jian-guo, TANG Lu-lu, XUE Feng, YE Hai, DING Ya-nan

(NanjingInstituteofEnvironmentalSciences,MEP,Nanjing210042,China)

Based on life cycle assessment system, this study evaluated the environmental impact in the life cycle of membrane complex treatment process (i.e. membrane filtration, reverse osmosis and electrodeionization) in wastewater reuse by the GaBi software and the CML2001 assessment method. After introducing water consumption into the index system, the environmental impact and consumption of water were further illustrated for the each key step of membrane complex treatment process in wastewater reuse. The results showed that the consumption of chemical reagents, pollutants discharge and energy consumption were the main reasons for the environmental impacts during this treatment process. Through the analysis of water consumption indices, it could be found that the replacement of some industrial water by the effluent of membrane complex treatment process could compensate the negative environmental impact brought by sewage treatment to some extent. It could not only save a large number of water, but also presented a positive environment effect. Therefore, the effluent of membrane complex treatment process in wastewater reuse used for industrial purposes could be in accordance with the basic ideas for the sustainable development of resources and the environment

Wastewater reuse; life cycle assessment; membrane complex treatment processes; water consumption

2014-12-16

環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項。

王建國(1981-)，男，山東濟(jì)寧人，2007年畢業(yè)于南京大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，碩士，工程師。主要從事環(huán)境影響評價方面的工作。

丁亞楠，450485218@qq.com。

X824

A

1001-3644(2015)02-0097-07