曹大勇，李悅，湯宇宙，母銳敏，劉樂然

（1.山東省環(huán)境保護科學(xué)研究設(shè)計院有限公司，山東濟南250013；2.山東大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，山東 濟南250061；3.山東建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東 濟南250101）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，環(huán)境污染已成為影響可持續(xù)發(fā)展的主要問題［1］。水體作為環(huán)境系統(tǒng)的重要組成部分，污染問題也日益嚴峻［2-3］。污水處理作為解決城市水污染的重要手段，對保證城市及其周邊區(qū)域的水環(huán)境質(zhì)量起到了關(guān)鍵的作用［4］。但是在污水處理過程中，需要消耗較多的資源和能源，同時也會產(chǎn)生一些環(huán)境污染物，如溫室氣體、污泥等，都會對環(huán)境產(chǎn)生負面效應(yīng)［5］。

生命周期評價LCA（Life Cycle Assessment）是對一個產(chǎn)品的生命周期中輸入、輸出及潛在環(huán)境影響的匯編和評價［6］。LCA從原材料的獲取、能源的生產(chǎn)、產(chǎn)品的制造和使用、產(chǎn)品末期的廢棄或回收等整個生命周期進行評價［7］。其主要包括目標和范圍的確定、清單分析、環(huán)境影響評價和結(jié)果解釋4個部分［8-9］。采用LCA能夠?qū)ξ鬯幚硐到y(tǒng)造成的環(huán)境影響進行深入評價分析［10］，識別產(chǎn)生環(huán)境影響的關(guān)鍵流程和關(guān)鍵物質(zhì)，并對應(yīng)提出優(yōu)化建議或減緩措施。

Beavis等發(fā)現(xiàn)污水處理工藝中采用次氯酸鈉消毒方式在反應(yīng)效率高的情況下對環(huán)境影響?。粎捬跆幚肀群醚跆幚憝h(huán)境效益更好［11］。Dixon等比較了排入蘆葦系統(tǒng)和排入生物濾池系統(tǒng)處理污水對環(huán)境造成的影響，重點考察了污泥中重金屬的影響，發(fā)現(xiàn)若蘆葦系統(tǒng)的土壤能夠得到更換并利用，環(huán)境負荷會極大減少［12］。Houillon等通過LCA比較了農(nóng)業(yè)推廣、流化床焚燒、濕式氧化、熱解、在水泥窯焚燒和填埋6種污泥處理方式，發(fā)現(xiàn)在總體環(huán)境影響特別是全球變暖方面，水泥窯焚燒影響最?。?3］。Mahgoub等運用LCA評價了城市污水處理系統(tǒng)的環(huán)境影響，并對改善環(huán)境性能的不同方案進行了評估，認為將不同類型的廢水進行分離處理是最佳方案［14］。Foley等采用LCA對污水處理廠運營階段進行考察，發(fā)現(xiàn)相比于采用合成肥料，使用廢水污泥作為肥料時，污泥中的重金屬會帶來更大的環(huán)境影響［15］。Pant等對污水處理廠的 LCA結(jié)果進行分析，指出采用更為廉價的原材料和更高效的微生物對污水處理廠的改進意義重大［16］。雖然國外的研究開展相對較早，但是由于國內(nèi)外廢水成分、處理工藝和排放標準等存在差異，LCA的背景數(shù)據(jù)也不相同，直接采用國外研究的結(jié)果評價國內(nèi)的污水處理工藝存在不妥之處。

近年來，國內(nèi)一些學(xué)者也開展了相關(guān)研究。王政等總結(jié)國內(nèi)外好氧污泥培養(yǎng)及應(yīng)用過程中存在的問題及難點，為好氧顆粒污泥的工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)［17］。王永磊等綜合分析了溫度、pH、有機物等影響厭氧氨氧化菌活性因素的最新研究進展，闡釋了部分反硝化機理，并對主流生活污水處理系統(tǒng)中應(yīng)用厭氧氨氧化工藝的可能和挑戰(zhàn)進行了展望［18］。陳郁等研究了一套適用于城市污水處理廠的LCA體系，在評價中將污水處理過程看作產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，污泥是產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品［19］。張瓊?cè)A等對污水廠進行了建設(shè)、運營和拆除全階段的LCA分析，提出了污水處理環(huán)境效益估算模型，并以量化形式給出了采用深度處理相對于二級處理的環(huán)境效益對比［20］。吉倩倩對采用三級處理工藝的污水處理廠進行LCA分析，計算出污水處理過程的投入成本及污水再生處理前后對環(huán)境的影響［21］。燕書權(quán)等對污水廠改造前后進行LCA分析并對比，發(fā)現(xiàn)由于電耗的增加，導(dǎo)致污水處理廠經(jīng)過改造的環(huán)境負荷大于改造之前［22］。侯興等對3種典型的城市污水再生工藝進行LCA分析，結(jié)果表明微絮凝—砂濾—消毒工藝在尾水用作工業(yè)冷卻水時環(huán)境影響最?。?3］。黃希望等對采用厭氧—缺氧—好氧法工藝的污水處理廠進行評價，發(fā)現(xiàn)污水處理廠能量消耗主要來自運營階段，同時分析了該工藝相對于其他工藝的優(yōu)劣［24］。

隨著我國環(huán)保壓力的不斷增加，污水廠排放標準日益嚴格，需要進行控制的污染物也越來越多［25］。根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準（征求意見稿）》的要求，2016年7月1日起新建的及2018年1月1日起敏感區(qū)域內(nèi)的城鎮(zhèn)污水處理廠，必須執(zhí)行一級A標準，其中COD、懸浮物、氨氮、總氮和總磷的排放限值分別為 50、10、5、15和0.5 mg／L［26］。相比于現(xiàn)行的排放標準［27］，征求意見稿的要求更為嚴格。此外，各地方標準也對污水廠出水做出了嚴格的限制，并增加了排污控制因子的數(shù)量［28］。

為了應(yīng)對日益嚴格的污水排放標準，污水處理廠不斷采用更為先進的工藝，整體環(huán)境負荷發(fā)生了改變，需要對現(xiàn)有污水處理工藝的環(huán)境影響進行重新識別分析。文章選取山東濟寧某污水處理廠為研究對象，進行了LCA分析，識別了污水處理過程中的關(guān)鍵流程與關(guān)鍵物質(zhì)，并進行敏感性分析。所有數(shù)據(jù)全部來自實測，減少了數(shù)據(jù)帶來的不確定性。構(gòu)建了環(huán)境影響與經(jīng)濟成本分析相結(jié)合的評價模型，進行了環(huán)境經(jīng)濟集成評價。

1 污水處理工藝的環(huán)境影響概述

1.1 污水處理廠概況

選取濟寧某污水處理廠作為研究對象，該污水處理廠位于南水北調(diào)工程沿線，采用厭氧—缺氧—好氧法與移動床生物膜反應(yīng)器技術(shù)相結(jié)合的工藝，設(shè)計日處理污水量20萬t。由于以往的研究證明污水處理廠運行階段的影響遠大于建設(shè)和拆除階段［29］，因此僅考慮污水處理廠的運行階段。根據(jù)處理工藝將污水處理分為4個階段，即機械處理階段、生物處理階段、深度處理階段與污泥處理階段。具體的系統(tǒng)邊界與工藝流程如圖1所示。取處理1萬t污水作為功能單元，量化分析污水處理過程中的能量、物料投入和環(huán)境影響。

圖1 污水處理廠系統(tǒng)邊界及工藝圖

1.2 生命周期評價和生命周期成本評價闡述

采用ReCiPemidpoint（H）模型進行生命周期評價。ReCiPe模型是目前應(yīng)用最為廣泛的LCA評價模型［30］，包括18種中間點影響類別，即氣候變化、臭氧消耗、人類毒性、光化學(xué)氧化劑形成、顆粒物形成、電離輻射、陸地酸性化、淡水水體富營養(yǎng)化、海水水體富營養(yǎng)化、陸地生態(tài)毒性、淡水生態(tài)毒性、海洋生態(tài)毒性、農(nóng)業(yè)土地占用、城鎮(zhèn)土地占用、自然土地改造、水消耗、金屬消耗、化石能源消耗。在ReCipe終點影響類別中僅包括人類健康、生態(tài)系統(tǒng)和資源剩余成本。相比于終點模型，中間點模型由于影響類型劃分細致，能夠更細致地反映出污水處理工藝的環(huán)境影響。同時采用生命周期成本分析（LCC）方法對整個研究中的經(jīng)濟成本進行分析，包括原材料購買、電力消耗、勞動力工資、廢棄處理等。

1.3 污水處理工藝污染排放清單

污水處理的能量、物料投入以及排放數(shù)據(jù)均來自濟寧某污水處理廠，除柵渣處理來自文獻［31］，聚合氯化鋁（PAC）生產(chǎn)數(shù)據(jù)來自企業(yè)生產(chǎn)報告外，其他物料的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和污染物排放數(shù)據(jù)均來自Ecoinvent3數(shù)據(jù)庫。

由于數(shù)據(jù)庫中沒有乙酸鈉的相關(guān)數(shù)據(jù)，采用提供等量碳的葡萄糖替代。這種處理方式能夠較好地解決數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)物質(zhì)缺乏的問題，目前已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用［32］。

氣體無組織排放量根據(jù)實地測量結(jié)合Screen3模型估算獲得，IPCC認為污水處理過程中微生物降解產(chǎn)生的CO2屬于生源碳，因此該部分CO2不計入溫室氣體清單中［33］。污泥的污染主要來自其中的有機質(zhì)和重金屬［34-35］，并非由污水處理廠產(chǎn)生，且已委托第三方處理，因此污泥自身的影響未包含在系統(tǒng)邊界內(nèi)。污水處理各階段輸入與輸出匯總見表1。

表1 污水處理各階段輸入與輸出匯總表

2 典型城鎮(zhèn)污水處理工藝的主要環(huán)境影響因素評價

2.1 污水處理過程的主要環(huán)境影響類型

應(yīng)用ReCiPemidpoint（H）模型對整個污水處理過程進行分析，得出17個中間點環(huán)境影響的標準化結(jié)果，如圖2所示，各階段的具體標準化結(jié)果如圖3所示。

圖2 污水處理標準化中間點影響類型圖

圖3 污水處理各階段標準化中間點影響類型圖

分析圖2、3可知，污水處理對氣候變化、陸地酸性化、淡水水體富營養(yǎng)化、人類毒性、光化學(xué)氧化劑形成、顆粒物形成、淡水生態(tài)毒性、海洋生態(tài)毒性、自然土地改造、化石能源消耗等10個方面影響較大，其他方面的影響較小。

2.2 造成環(huán)境影響的關(guān)鍵流程

為了識別出造成主要環(huán)境影響的關(guān)鍵流程，以10種環(huán)境影響類型和經(jīng)濟成本為研究對象進行分析。如圖4所示，生物處理階段的環(huán)境影響最大，深度處理階段次之，機械處理階段和污泥處理階段的環(huán)境影響相對很小。其中，生物處理階段在這10項環(huán)境影響類型中占比分別為 62.3%、60.1%、45.6%、57.4%、62.1%、60.8%、45.5%、47.0%、58.1%、61.9%，占經(jīng)濟成本的比例為 45.5%，所有項目占比均超過45%，屬于關(guān)鍵流程。深度處理階段在這10項環(huán)境影響類型中占比分別為21.7%、22.8%、53.8%、31.3%、22.2%、23.8%、54.3%、51.8%、29.1%、22.5%，占經(jīng)濟成本的比例為21.2%，所有項目占比均超過20%，在淡水水體富營養(yǎng)化、淡水生態(tài)毒性和海洋生態(tài)毒性3項中占比超過50%，同樣屬于關(guān)鍵流程。

圖4 關(guān)鍵流程識別圖

2.3 造成環(huán)境影響的關(guān)鍵物質(zhì)

為了深入分析污水處理各環(huán)節(jié)造成環(huán)境影響的關(guān)鍵物質(zhì)，需要進一步分析各類物質(zhì)在總體環(huán)境影響負荷中所占的比重。如圖5所示，生物處理和深度處理2個關(guān)鍵流程中，電力在總體環(huán)境影響中的占比分別為66.2%與34.1%，PAC在總體環(huán)境影響中的占比也達到了32.2%與62.4%。因此，電力和PAC 2種物質(zhì)是造成污水處理廠環(huán)境影響的關(guān)鍵物質(zhì)。

圖5 關(guān)鍵物質(zhì)識別圖

3 典型城鎮(zhèn)污水處理工藝的環(huán)境影響分析

3.1 環(huán)境影響的經(jīng)濟環(huán)境集成分析

經(jīng)濟環(huán)境集成評價結(jié)果如圖6所示。數(shù)據(jù)顯示，對環(huán)境和經(jīng)濟成本影響最大的階段是生物處理階段，其次為深度處理階段，污泥處置階段的環(huán)境和經(jīng)濟成本相對較小。因此，生物處理階段和深度處理階段是污水處理廠工藝優(yōu)化的重點。

3.2 環(huán)境影響的關(guān)鍵物質(zhì)敏感性分析

為了分析關(guān)鍵物質(zhì)的數(shù)據(jù)變化對LCA結(jié)果的影響程度，對電力和PAC 2種關(guān)鍵物質(zhì)進行敏感性分析。按照關(guān)鍵物質(zhì)數(shù)量改變10%的原則，比較關(guān)鍵物質(zhì)數(shù)量改變后總的環(huán)境影響的變化程度。

圖6 經(jīng)濟環(huán)境集成分析圖

電力敏感性分析結(jié)果如圖7所示。除淡水水體富營養(yǎng)化、淡水生態(tài)毒性、海洋生態(tài)毒性3項外，其余9項的結(jié)果受電力使用量變化的影響程度較大，其中化石能源消耗的變化量最大。

圖7 電力敏感性分析圖

PAC敏感性分析結(jié)果如圖8所示。PAC的消耗量減少10%后，淡水水體富營養(yǎng)化、淡水生態(tài)毒性、海洋生態(tài)毒性3項出現(xiàn)了明顯的減小，其中淡水生態(tài)毒性變化最大；綜合影響也出現(xiàn)了較大程度的減小，其他各類變化的程度不明顯。

圖8 PAC敏感性分析圖

基于敏感性分析，減少電力與PAC的使用對于減輕污水處理廠運行階段的環(huán)境影響效果明顯?？s減PAC的使用量，或者采用更為環(huán)保的絮凝劑替代PAC，是目前污水處理廠需要考慮的一個方向。此外，如果能進一步提升火力發(fā)電效率，優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)，采用低能耗的設(shè)備，污水處理廠的環(huán)境影響也會出現(xiàn)明顯的改善。

4 結(jié)論

通過LCA與LCC集成評價，量化了污水處理廠運營階段的環(huán)境影響與經(jīng)濟成本。同時根據(jù)量化結(jié)果，辨識出了污水處理過程的主要環(huán)境影響類型，識別了造成環(huán)境影響的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和關(guān)鍵物質(zhì)，并對關(guān)鍵物質(zhì)進行了敏感性分析。

（1）在ReCiPe中間點影響類型中，污水處理工藝在氣候變化、陸地酸性化、淡水水體富營養(yǎng)化、人類毒性、光化學(xué)氧化劑形成、顆粒物形成、淡水生態(tài)毒性、海洋生態(tài)毒性、自然土地改造、化石能源消耗等10個方面對環(huán)境的影響較大。

（2）關(guān)鍵流程為生物處理和深度處理，這2個流程在主要環(huán)境影響類型中的占比均超過45%和20%。同時生物處理也是經(jīng)濟成本最主要的來源。

（3）污水處理中的關(guān)鍵物質(zhì)為電力和PAC，2種關(guān)鍵物質(zhì)分別占總環(huán)境影響潛值的58.3%和39.0%。減少電力與PAC的使用對于降低環(huán)境影響負荷效果明顯。降低電力與PAC消耗量，提升火電效率，優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)，使用低能耗設(shè)備以及改用更為環(huán)保的絮凝劑，對于降低城鎮(zhèn)污水處理廠對總體環(huán)境的影響具有重要意義。

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