沈耀良

（1.蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.城市生活污水資源化利用技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇蘇州 215009；3.江蘇省水處理技術(shù)與材料協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 蘇州 215009；4.江蘇省環(huán)境科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州215009）

隨著可持續(xù)發(fā)展理念的深入人心以及循環(huán)經(jīng)濟(jì)實(shí)踐的不斷推進(jìn)，社會(huì)公眾對(duì)城市污水處理系統(tǒng)的能耗及其所產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益關(guān)注。以污染物去除、處理出水達(dá)標(biāo)排放為目標(biāo)的傳統(tǒng)城市污水處理廠，不僅因采用耗能性處理工藝而浪費(fèi)了污水中潛在的大量有價(jià)值的資源和能源，而且因有機(jī)物和氮、磷等資源轉(zhuǎn)化失散而導(dǎo)致溫室氣體（GHG）排放、水體富營(yíng)養(yǎng)化以及地表地下水及土壤污染等環(huán)境問(wèn)題。事實(shí)上，污水中各種有機(jī)物所含有的能量超過(guò)對(duì)其采用傳統(tǒng)方法處理時(shí)所需能源的10倍，若采用節(jié)能降耗、回收利用的污水處理工藝并對(duì)資源、能源加以有效合理利用，則可獲得滿足其運(yùn)行的能耗需求。目前，全球日產(chǎn)城市污水超過(guò)9億m3，若對(duì)其中資源加以利用，則一個(gè)1 000萬(wàn)人口的城市所產(chǎn)生的污水中所含營(yíng)養(yǎng)物足以滿足50萬(wàn)公頃農(nóng)田的施肥所需[1]，且當(dāng)污水的有機(jī)物濃度（COD）高于5 000 mg/L時(shí)，采用厭氧消化（AD）工藝所產(chǎn)生的沼氣可滿足城市污水處理廠自身的熱能需求[2-3]。有研究表明，采用高轉(zhuǎn)化效率的水源熱泵對(duì)某進(jìn)水COD濃度為400 mg/L的實(shí)際污水處理廠污水中潛能轉(zhuǎn)化的計(jì)算顯示，采用高效水源熱泵轉(zhuǎn)換熱能并折算為電當(dāng)量后，其總潛能值可達(dá)到1.97 kWh/m3[4]。

隨著城市的擴(kuò)張和人口的增長(zhǎng)，不僅資源、能源的緊張已成為世界各國(guó)的普遍性問(wèn)題，而且均面臨著氣候環(huán)境惡化、水資源匱乏、水環(huán)境衛(wèi)生問(wèn)題突出、污水處理技術(shù)和管理落后等一系列問(wèn)題。例如，歐洲僅在1992年至2005年之間，其污水量增長(zhǎng)量超過(guò)62%，而預(yù)計(jì)到2030年，用水量將繼續(xù)增長(zhǎng)16%，屆時(shí)將有11%的歐洲人口和17%的歐洲土地面臨嚴(yán)重的缺水問(wèn)題[5]。因而，世界各國(guó)均面臨著可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程中社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的挑戰(zhàn)。可持續(xù)發(fā)展的最低要求是“不危害支撐地球生命的自然系統(tǒng)”，以“確保技術(shù)的使用減緩對(duì)自然的壓力，并提高自然資源基礎(chǔ)的承載力”[6]。循環(huán)經(jīng)濟(jì)則以清潔生產(chǎn)模式，將經(jīng)濟(jì)活動(dòng)組織為“資源-產(chǎn)品-再生資源”的“搖籃到搖籃”的閉環(huán)流程，以源頭預(yù)防和全過(guò)程控制為原則，實(shí)現(xiàn)低投入、低污染、高效益和能源、資源的良性循環(huán)，并使環(huán)境影響降到最低程度[7-8]。

因而，基于循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念下的城市污水處理廠，必須將其生命周期間的GHG排放控制、能源資源的回收利用、高品質(zhì)處理出水等作為關(guān)鍵內(nèi)容綜合納入其中，使城市污水處理向環(huán)境友好的可持續(xù)方向發(fā)展。生命周期評(píng)價(jià)（Life Cycle Assessment，LCA）作為環(huán)境管理中確定工藝或產(chǎn)品“搖籃到墳?zāi)埂钡沫h(huán)境可行性的行之有效的方法和十分重要的工具，可對(duì)城市污水處理工藝技術(shù)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理決策以及資源投入、能耗需求、GHG排放、水體富營(yíng)養(yǎng)化、生態(tài)毒性和水體酸化以及資源能源的回收利用等所有潛在的正、負(fù)環(huán)境影響進(jìn)行系統(tǒng)和綜合的評(píng)價(jià)和分析，加深對(duì)污水處理運(yùn)行管理過(guò)程中所產(chǎn)生的環(huán)境影響的全面理解，提供能源資源回收利用和削減（除）對(duì)環(huán)境不利影響的有效途徑和方法，從而為污水處理工藝技術(shù)的改進(jìn)和優(yōu)化提供重要依據(jù)[9-11]。此外，循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念下的城市污水的低碳處理、高效控制、資源回收和能源開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，無(wú)疑將成為其發(fā)展的新方向，即：將由單純的污染物削減轉(zhuǎn)向保障水質(zhì)和資源能源利用的綜合集成，相關(guān)政策、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用實(shí)踐將隨之發(fā)生深刻的變化，從而使城市污水處理技術(shù)的優(yōu)選和污水處理廠的建設(shè)向能源工廠、資源工廠乃至肥料工廠，進(jìn)而成為互利共生的城市基礎(chǔ)設(shè)施的方向發(fā)展[12]。

1 城市污水處理生命周期評(píng)價(jià)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀

作為環(huán)境管理工具之一的生命周期評(píng)價(jià)方法，其在污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用，目的是根據(jù)污水處理系統(tǒng)的功能，對(duì)其運(yùn)行管理中資源的投入、生產(chǎn)運(yùn)行和能源資源的回收利用及最終處理出水、產(chǎn)生的污泥等副產(chǎn)品的處理、處置的整個(gè)生命周期內(nèi)進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)。雖然LCA技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用已有20多年的時(shí)間，但到目前，大多數(shù)污水處理的LCA研究報(bào)道來(lái)自歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家。發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)展的污水處理LCA研究，其主要關(guān)注的影響評(píng)價(jià)內(nèi)容和指標(biāo)是能源、資源的投入、資源的回收利用、GHG排放的氣候變化影響、土地資源的影響、水體生態(tài)毒性等，并更多地從支撐污水處理系統(tǒng)的整體社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的角度進(jìn)行全方位的評(píng)估。而在發(fā)展中國(guó)家，其城市污水的LCA研究則更多地以污水處理工藝的選擇、工藝優(yōu)化、節(jié)能降耗等為主要內(nèi)容和目標(biāo)，因而更多地圍繞污水處理工藝系統(tǒng)本身的運(yùn)行和管理效能開(kāi)展評(píng)價(jià)研究。有統(tǒng)計(jì)表明，自2000年至今，發(fā)展中國(guó)家研究者在國(guó)際刊物發(fā)表的有關(guān)污水處理生命周期評(píng)價(jià)的文獻(xiàn)報(bào)道僅有39篇，而其中37篇?jiǎng)t是2010年以后發(fā)表的。2011年以后，年均為5～7篇。在這些文獻(xiàn)中，我國(guó)學(xué)者發(fā)表的論文最多，達(dá)11篇。但筆者以“生命周期評(píng)價(jià)+城市污水處理”為關(guān)鍵詞，查詢相關(guān)中文數(shù)據(jù)庫(kù)，截至目前，卻發(fā)現(xiàn)僅有鳳毛麟角的3篇涉及城市污水處理（廠）LCA的相關(guān)報(bào)道，說(shuō)明我國(guó)研究者在此方面的研究成果更多是產(chǎn)生了國(guó)際影響。因而，如何更好地將“論文寫在中國(guó)大地上”，還值得我們深入思考。但無(wú)論如何，這也說(shuō)明我國(guó)在此方面的研究，不僅已經(jīng)起步，而且已有相關(guān)的成果并引起國(guó)際關(guān)注。

此外，城市污水處理LCA的研究和應(yīng)用，由于國(guó)情的不同所導(dǎo)致的評(píng)價(jià)范圍、目標(biāo)、清單分析內(nèi)容等的不同，其評(píng)價(jià)結(jié)果的解釋尚不能從發(fā)達(dá)國(guó)家直接簡(jiǎn)單地應(yīng)用于發(fā)展中國(guó)家，不僅因?yàn)樵S多發(fā)展中國(guó)家在其地理位置、能源使用的結(jié)構(gòu)類型、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展程度方面與發(fā)達(dá)國(guó)家不同甚或大相徑庭，而且存在財(cái)政限制、城市化進(jìn)程加速以及專業(yè)技術(shù)人員缺乏等差異，因而城市污水處理LCA的研究和應(yīng)用必須充分考慮不同國(guó)家和地區(qū)支撐污水處理系統(tǒng)（運(yùn)行和管理）的不同社會(huì)狀況和時(shí)代特征。而且，即使同屬于發(fā)展中國(guó)家，也有不同的區(qū)別。例如，金磚國(guó)家（BRICS）巴西、俄羅斯、印度、中國(guó)和南非，它們的能源使用結(jié)構(gòu)也有明顯的不同。巴西的能源以水力發(fā)電為主，其他國(guó)家則以礦物能為主。而以礦物燃料為主的國(guó)家中，我國(guó)雖正在大力研發(fā)和推進(jìn)使用可再生新能源，并取得了有目共睹的成就，但目前仍主要以燃煤為主，而俄羅斯則以天然氣為其主要能源[5，13]。再者，巴西和俄羅斯的氣候特征截然不同，而氣候?qū)ξ鬯墓芾碚?、途徑和方法有直接的影響。迄今為止，LCA的方法學(xué)和基準(zhǔn)體系仍處于不斷的發(fā)展之中，尚沒(méi)有被廣泛的接受的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)現(xiàn)有城市污水處理技術(shù)LCA研究成果的分析也表明，不同的研究其邊界的確定、功能單位的定義、影響評(píng)價(jià)方法的選擇、對(duì)結(jié)果解釋的過(guò)程等均產(chǎn)生不同的評(píng)價(jià)功能和結(jié)果，原因是目前尚無(wú)適用于不同地區(qū)和國(guó)家、不同情形的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化的方法，以保證LCA的應(yīng)用質(zhì)量和效果[14]。因而，在LCA中，必須充分根據(jù)不同的國(guó)情，因地因時(shí)制宜考慮，確定不同的目標(biāo)范圍、功能單位和清單資料。

2 城市污水處理生命周期評(píng)價(jià)的內(nèi)容與過(guò)程

在LCA方法的研究方面，由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定的環(huán)境管理標(biāo)準(zhǔn)ISO14040和ISO14044中的相關(guān)研究最有影響，體現(xiàn)了世界范圍內(nèi)的LCA研究的共識(shí)。根據(jù)ISO的定義，LCA的基本內(nèi)容和過(guò)程包括：評(píng)價(jià)對(duì)象的目標(biāo)和范圍的確定、生命周期評(píng)價(jià)的清單分析（LCI）、生命周期影響評(píng)價(jià)（LCIA）以及評(píng)價(jià)結(jié)果的解釋（ISO14040），如圖1所示[5]。 2006年，ISO 對(duì) LCA 的核心內(nèi)容作了明確的要求，并提出了相關(guān)導(dǎo)則，即《環(huán)境管理生命周期評(píng)價(jià)要求與指南》（ISO14044）[15]。目前LCA的主要研究方法包括清單分析方法和生命周期評(píng)價(jià)方法。其中，清單分析的理論方法趨于完善，側(cè)重于結(jié)合工業(yè)應(yīng)用要求而對(duì)數(shù)據(jù)采集及其處理進(jìn)行規(guī)范化。生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法研究包括評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究、影響評(píng)價(jià)特征化模型研究以及評(píng)價(jià)結(jié)果的規(guī)范化等，主要體現(xiàn)在環(huán)境損害類型的提出和壽命損害數(shù)學(xué)模型的建立，以及污染物對(duì)人體健康和生態(tài)系統(tǒng)毒性的衡量與確定。

圖1 生命周期評(píng)價(jià)（LCA）的基本框架及其應(yīng)用

2.1 城市污水處理LCA的目標(biāo)和范圍

目標(biāo)和范圍的確定是城市污水處理LCA最重要的第一步，它包括開(kāi)展LCA工作的目的、范圍和主要假定等基本要素，而正確選擇其功能單位（Functional Unit，F(xiàn)U），即評(píng)價(jià)對(duì)象中涉及所有物質(zhì)流動(dòng)、能耗物耗、資源利用、污染排放的定量參考值，是極其重要的前提。城市污水處理的LCA功能單位通常有1 kgCOD、1 t污泥、污水或污泥的人口當(dāng)量以及1 m3污水等。因而，功能單位選擇的不同，評(píng)價(jià)結(jié)果也不同。為此，須首先對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的詳細(xì)情況、各個(gè)細(xì)節(jié)、評(píng)價(jià)目標(biāo)，加以清晰而詳盡的說(shuō)明，以正確選擇FU和所需評(píng)價(jià)生命周期的階段。對(duì)城市污水處理技術(shù)和系統(tǒng)而言，其系統(tǒng)邊界通常包括一級(jí)處理和二級(jí)處理（在某些情況下，也可包括深度處理，甚至污水的收集輸送以及污水處理設(shè)施的報(bào)廢等），以及能源、物料的投入、污染物的排放等（見(jiàn)圖2）[14，16]。

圖2 城市污水處理系統(tǒng)LCA基本框架

由圖2可見(jiàn)，城市污水處理的LCA研究，因污水處理工藝的類別、資源和能源使用情況以及相關(guān)政策和立法的不同而有不同的范圍和邊界。目前，大多研究都基于對(duì)不同處理工藝的比較為目標(biāo)而進(jìn)行的定量評(píng)價(jià)，并通常將傳統(tǒng)活性污泥法（CAS）工藝作為參考，與其它“非傳統(tǒng)工藝”進(jìn)行比較。例如，常將CAS與節(jié)能型（自然）污水處理系統(tǒng)（如人工濕地、慢速滲濾等）以及其它物化和高級(jí)（強(qiáng)化）處理工藝作為比較對(duì)象。一般認(rèn)為，節(jié)能型工藝所產(chǎn)生的環(huán)境影響要低于CAS，但若以用水、占地作為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，其情形則相反，原因是它們的低處理能力對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的環(huán)境影響大于CAS。此外，也已將污水處理作為“供水-污水處理”整體的城市水循環(huán)系統(tǒng)的組成部分進(jìn)行LCA研究（見(jiàn)圖3）[16-17]。

圖3 城市污水處理系統(tǒng)LCA邊界的不同類型

城市污水處理LCA的研究中，功能單位的確定對(duì)評(píng)價(jià)的最終結(jié)果具有重要的影響。對(duì)不同進(jìn)水水質(zhì)、不同處理要求的污水處理工藝進(jìn)行LCA比較研究時(shí)，尤其如此。典型的例子是，有研究采用兩種功能單位（一是基于處理能力的單位處理水量，1 m3/d；二是基于富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的單位磷去除量，1 kgPO43-）對(duì)6種不同的城市污水處理廠工藝系統(tǒng)進(jìn)行了以環(huán)境影響為評(píng)價(jià)目標(biāo)的LCA比較分析表明，當(dāng)以單位處理水量為功能單位時(shí)，處理工藝的富營(yíng)養(yǎng)化潛勢(shì)得到緩解，但其相應(yīng)的處理成本將提高，從而使溫室效應(yīng)潛勢(shì)增強(qiáng)，而當(dāng)以單位除磷量為功能單位時(shí)，則可獲得改善環(huán)境的正向結(jié)果。研究表明，功能單位的確定，若基于目標(biāo)影響的消除，則將強(qiáng)化污水處理系統(tǒng)的污染控制效果。此外，有研究采用IPCC 2007 100年、生態(tài)足跡和ReCiPe 2008 H三種不同的影響評(píng)價(jià)方法對(duì)CAS與人工濕地的LCA研究表明[18]，絕大多數(shù)情況下，尤其對(duì)發(fā)展中國(guó)家和土地資源豐富的國(guó)家，人工濕地系統(tǒng)是最佳的環(huán)境選擇，但對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家以及土地資源緊張的國(guó)家，活性污泥系統(tǒng)將是最佳的環(huán)境選擇。尤其是，當(dāng)采用可再生資源能源時(shí)，則采用ReCiPe 2008 H方法評(píng)估的結(jié)果表明，CAS的總影響要小于人工濕地系統(tǒng)。此外，城市污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行壽命參數(shù)的變化對(duì)人工濕地系統(tǒng)影響較大，人工濕地系統(tǒng)在建設(shè)階段能耗和資源消耗最大。研究還表明，不同評(píng)價(jià)方法所得到的結(jié)果有明顯的不同。因此，在生命周期評(píng)估研究中，宜采用不同的方法和功能單位（FU）進(jìn)行多角度的綜合評(píng)價(jià)和驗(yàn)證[19]。

2.2 城市污水處理LCA的生命周期清單

由于城市污水處理的生命周期清單分析（LCI）數(shù)據(jù)的收集應(yīng)在綜合考慮各方面影響因素的前提下確定。一般而言，污水處理工藝系統(tǒng)LCA的清單數(shù)據(jù)包括污水收集階段的清單數(shù)據(jù)、污水處理階段的清單數(shù)據(jù)、污水排放及污泥處理和處置階段的清單數(shù)據(jù)。如廢水水質(zhì)、工藝運(yùn)行條件、能耗物耗、化學(xué)品的使用、污泥的生產(chǎn)、沼氣生產(chǎn)和發(fā)電以及固體廢物的運(yùn)輸?shù)萚20-21]。由于其LCA的范圍和邊界以及影響類別選擇的不同，將導(dǎo)致其評(píng)價(jià)研究的難度和復(fù)雜性也將相應(yīng)不同，因而也很難進(jìn)行整體的定量分析。因而，清單分析是開(kāi)展LCA的重要前提和組成部分。研究表明，將污水處理作為“供水-污水處理”整體的城市水循環(huán)系統(tǒng)的組成部分進(jìn)行LCA研究時(shí)（如圖3，H所示），污水處理系統(tǒng)（廠）的環(huán)境影響是相當(dāng)明顯的。由此說(shuō)明，LCA的范圍和邊界以及目標(biāo)不同，其所開(kāi)展的評(píng)價(jià)的影響類別也應(yīng)不同，而影響類別的確定是其核心內(nèi)容。

城市污水處理工藝典型的影響類別/指標(biāo)主要有：富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題、溫室效應(yīng)問(wèn)題、生態(tài)毒性問(wèn)題、酸化問(wèn)題、光化學(xué)氧化問(wèn)題、臭氧層破壞問(wèn)題、能源資源利用問(wèn)題以及用地和用水問(wèn)題等。鑒于LCA研究具有明顯的因時(shí)因地性特征，隨評(píng)價(jià)方法和模式以及所在地區(qū)國(guó)家的不同而不同。因而，加之對(duì)一些特殊工藝的清單數(shù)據(jù)的整理收集的難度和不確定性或缺乏可比性，常使評(píng)價(jià)的結(jié)果難以作出合理的解釋，因而缺乏良好的確定性。目前，對(duì)污水處理工藝的富營(yíng)養(yǎng)化和溫室氣體排放問(wèn)題是最受關(guān)注的LCA研究的環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)，但對(duì)污水處理工藝系統(tǒng)的用水和占地作為L(zhǎng)CA的環(huán)境影響指標(biāo)的研究，在近年來(lái)已得到快速的發(fā)展。其中，對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的研究，可通過(guò)采用高級(jí)（深度）污水處理技術(shù)強(qiáng)化對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的去除而實(shí)現(xiàn)，但如果僅從強(qiáng)化處理技術(shù)的角度考慮，則無(wú)疑將引起其它環(huán)境影響問(wèn)題。因而，當(dāng)今的污水處理工藝技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行管理，必須由目前的“何種污染物需要被去除”的單維度目標(biāo)思維模式向“何種物質(zhì)可加以回收利用”的全方位目標(biāo)思維模式轉(zhuǎn)變，如通過(guò)生物固體的利用和源頭分離等方法，并結(jié)合適當(dāng)?shù)墓に嚰夹g(shù)和先進(jìn)的管理模式，以獲得兩者的協(xié)同效益[5，16]。

2.3 城市污水處理LCA的結(jié)果解釋

研究表明，污水處理工藝技術(shù)LCA結(jié)果的解釋，作為L(zhǎng)CA重要的環(huán)節(jié)，要做到明確清晰并非易事。原因是，如前所述LCA范圍和邊界、功能單位、影響評(píng)價(jià)的因子等確定的不同，將導(dǎo)致對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的解釋的不同。因而，當(dāng)其LCA主要目標(biāo)是污水處理工藝技術(shù)的優(yōu)選時(shí)，僅基于LCA的評(píng)價(jià)結(jié)果，尚難以做出最優(yōu)的判斷。例如，對(duì)溶氣氣浮、澄清、活性污泥、超濾和反滲透以及UASB反應(yīng)器等不同工藝應(yīng)用于造紙廢水處理的LCA研究結(jié)果表明，就GHG排放、水回用、生態(tài)毒性及富營(yíng)養(yǎng)化等方面的環(huán)境影響而言，尚無(wú)一種最優(yōu)的工藝可選，但可為工藝技術(shù)的改進(jìn)提供較為明確的方向。如當(dāng)將UASB反應(yīng)器作為活性污泥處理工藝的預(yù)處理單元加以應(yīng)用，則可使處理工藝的GHG排放和富營(yíng)養(yǎng)化潛勢(shì)大大降低[22]。如對(duì)CAS、高速率曝氣法、延時(shí)曝氣、A/O工藝、曝氣塘和UASB反應(yīng)器工藝等基于GHG排放和能源消耗的LCA研究表明，UASB反應(yīng)器工藝因其高生物量濃度、無(wú)需供氧等特點(diǎn)，其運(yùn)行最為經(jīng)濟(jì)、GHG排放最少。上述LCA綜合了對(duì)污水處理系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境問(wèn)題兩個(gè)維度的評(píng)價(jià)和解釋，但要更好地滿足可持續(xù)發(fā)展的需要，則還應(yīng)將社會(huì)的維度納入其中，以體現(xiàn)和強(qiáng)化LCA的整體性和全面性。將污水處理系統(tǒng)的LCA、凈能量平衡計(jì)算、整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)成本的分析等不同方法相結(jié)合，將經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)等維度相互聯(lián)系在一起，以確定成本-效益（投入-產(chǎn)出）最優(yōu)的污水處理系統(tǒng)。事實(shí)上，如前所述，LCA作為一種十分有用的工具，對(duì)其結(jié)果的解釋，可在城市污水處理工藝技術(shù)的選擇、設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理等決策過(guò)程中，發(fā)揮重要的作用，尤其是將LCA與經(jīng)濟(jì)評(píng)估相結(jié)合時(shí)，對(duì)污水處理系統(tǒng)中相互制約、互為關(guān)聯(lián)的每個(gè)環(huán)節(jié)、各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)時(shí)，可在污水處理工藝系統(tǒng)工藝優(yōu)選、GHG排放消減、回收甲烷能量中發(fā)揮重要的作用，從而可更好地在清潔生產(chǎn)模式下，更好地體現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的理念，實(shí)現(xiàn)污水處理運(yùn)行、污水處理技術(shù)和污水處理管理的整體協(xié)同性和持續(xù)性[23-24]。

3 城市污水厭氧處理工藝技術(shù)的生命周期評(píng)價(jià)

雖然LCA在城市污水處理中的應(yīng)用已有20多年的時(shí)間，但在污水厭氧生物處理中尚較少，主要是因LCA評(píng)價(jià)之目的不同所致。有的基于沼氣生產(chǎn)（以單位污水的沼氣產(chǎn)量為能量單位），有的基于水處理規(guī)模（日處理水量或人口當(dāng)量）；另一方面，由于缺乏統(tǒng)一的評(píng)價(jià)方法和選擇標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的解釋尚較困難[18，24-26]。因而，在污水厭氧生物處理生命周期評(píng)價(jià)中，常采用不同的影響評(píng)價(jià)（LCIA）方法模型，其中較為常用的是CML和ReCiPe模型。但目前，污水厭氧處理，尤其是高效厭氧處理技術(shù)已成為城市污水處理中實(shí)現(xiàn)有效能源資源的回收利用乃至產(chǎn)能的關(guān)鍵性工藝，因而對(duì)厭氧生物處理過(guò)程進(jìn)行深入的LCA研究和分析，可有效促進(jìn)城市污水處理技術(shù)更好更快地向效能型和產(chǎn)能型及環(huán)境友好型方向發(fā)展[27]。

3.1 污水厭氧生物處理生命周期評(píng)價(jià)

眾所周知，污水厭氧生物處理與好氧生物處理相比，具有產(chǎn)生可作為能源利用的沼氣、污泥產(chǎn)率低（僅有10%左右的底物轉(zhuǎn)化為污泥生物量）及其對(duì)處理出水中無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物加以利用的優(yōu)點(diǎn)。由于厭氧微生物生長(zhǎng)速率緩慢，因而需要更長(zhǎng)的泥齡（SRT）方可實(shí)現(xiàn)有效的處理功能。近十年來(lái)，隨著污水分散性處理方式得到不斷重視及對(duì)處理出水質(zhì)量要求的日益嚴(yán)格，膜生物反應(yīng)器技術(shù)（MBR）的應(yīng)用如雨后春筍般得到快速發(fā)展，尤其是厭氧膜生物反應(yīng)器（AnMBR），不僅比CAS等工藝具有良好的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，而且多作為節(jié)能型工藝與其它高效厭氧處理工藝進(jìn)行LCA比較研究。但研究表明，厭氧膜生物反應(yīng)器工藝的能源回收尚難充分補(bǔ)償因膜件維護(hù)所需的能耗需求。如前所述，與其它厭氧處理工藝相比，AnMBR工藝可在中低溫（15～30℃）或高溫（55℃）條件下運(yùn)行，有研究表明，基于循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，淹沒(méi)式厭氧膜生物反應(yīng)器（SAnMBR）工藝作為城市污水處理的低耗型新工藝，對(duì)其加以研究開(kāi)發(fā)，極具良好的應(yīng)用前景[11]。但其存在的主要問(wèn)題是膜污染。膜污染導(dǎo)致膜的破壞及產(chǎn)水能力的下降，需要對(duì)其采取相應(yīng)的措施進(jìn)行清理修復(fù)，而增加能耗和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用[28]。與此同時(shí)，需要考慮對(duì)處理過(guò)程中產(chǎn)生的沼氣及出水中氮、磷的回收利用，以改善其應(yīng)用的環(huán)境可行性。據(jù)此理念，Smith等研究表明[29]，AnMBR工藝對(duì)能源的消耗是其可資回收能源的5倍，即其全球氣候變暖潛勢(shì)（Global Warming Potential，GWP）高于其他污水生物處理工藝，但其能源回收系統(tǒng)的生命周期成本則要低于常規(guī)的污水生物處理工藝。

圖4 淹沒(méi)式厭氧MBR（SAnMBR）工藝LCA的邊界

圖4所示為Pretel等人提出的SAnMBR工藝LCA的概念模型[30-31]。該系統(tǒng)由一個(gè)厭氧反應(yīng)器與兩個(gè)超濾膜SAnMBR池構(gòu)成。其運(yùn)行的固體停留時(shí)間（SRT）為70 d，溫度為20～30℃。如圖4所示，對(duì)該工藝進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)時(shí)，首先確定其系統(tǒng)邊界：（1）污水處理系統(tǒng)運(yùn)行期間各處理單元的環(huán)境影響 （不包括工藝建設(shè)期、預(yù)處理、膜生產(chǎn)和停產(chǎn)之后）；（2）出水水質(zhì)的監(jiān)測(cè)分析，評(píng)價(jià)營(yíng)養(yǎng)物回收的可行性。不考慮處理出水潛在的熱影響；（3）處理工藝系統(tǒng)的溫室效應(yīng)（GWP）。 即，將工藝系統(tǒng)的電耗作為GHG排放評(píng)價(jià)的主要因子。并在此基礎(chǔ)上，確定單位污水處理量（即，1 m3污水）作為其功能單位（FU），并以能耗、原料、空氣、占地和排放等作為其清單分析內(nèi)容，采用CML2 baseline 2000模型對(duì)能源消耗、資源回收、出水水質(zhì)和污泥處理等進(jìn)行生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)（LCIA）。結(jié)果表明，SAnMBR工藝處理處理中等濃度污水時(shí)，與其它工藝相比，其GWP值最高，說(shuō)明其能耗引起的排放是值得關(guān)注的重要問(wèn)題。同時(shí)表明，其能量消耗需求在中溫（33℃）運(yùn)行時(shí)極高，而在環(huán)境溫度下運(yùn)行時(shí)，則明顯下降。但溫度下降并非是其減少排放的關(guān)鍵。并認(rèn)為，回收污水中的營(yíng)養(yǎng)物和處理出水中的甲烷是重要的解決途徑，處理過(guò)程中損失的甲烷將大大增加該工藝的碳足跡。因?yàn)?，厭氧消化液中溶解態(tài)的甲烷，如不加回收，則其損失量可占污水處理系統(tǒng)甲烷產(chǎn)量的30%～40%。另外，Krzeminski等[32]報(bào)道了AnMBR工藝與傳統(tǒng)膜工藝的LCA比較研究的結(jié)果表明，后者主要體現(xiàn)為對(duì)淡水和海水的富營(yíng)養(yǎng)化影響，而前者則主要體現(xiàn)為較高的與能耗有關(guān)的排放問(wèn)題（即GWP）。

以上研究表明，實(shí)際上，傳統(tǒng)的厭氧生物處理工藝雖然就其以污水中污染物的去除而言，具有明顯的相對(duì)優(yōu)勢(shì)，但當(dāng)考慮其資源回收及其對(duì)外部的環(huán)境影響時(shí)，則并不總是具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，即就其整體的LCA而言，其產(chǎn)生的環(huán)境效益并不總是能與其潛在的環(huán)境影響相平衡的。如對(duì)傳統(tǒng)的厭氧生物處理工藝應(yīng)用于處理玉米淀粉生產(chǎn)廢水并考慮從其中回收生物柴油的生產(chǎn)系統(tǒng)前后的LCA表明，其生物柴油回收的能耗（大量電能的消耗）及其導(dǎo)致的GWP可達(dá)233%。雖然通過(guò)發(fā)酵生產(chǎn)生物柴油，可同時(shí)提高對(duì)廢水中有機(jī)污染物的去除率并降低處理出水對(duì)受納水體的環(huán)境影響，但需要進(jìn)一步強(qiáng)化和優(yōu)化作為可再生資源的生物柴油回收生產(chǎn)的效率，以降低其GWP[33]。

3.2 污泥厭氧消化（AD）工藝的生命周期評(píng)價(jià)

污泥處理作為整個(gè)城市污水處理系統(tǒng)不可分割的重要組成部分，對(duì)其及時(shí)、合理有效的處理和處置是消除環(huán)境影響、促進(jìn)資源利用的不可或缺的重要內(nèi)容。LCA業(yè)已較多地應(yīng)用于污水污泥處理工藝系統(tǒng)，而其研究分析的最基本目標(biāo)是對(duì)不同的處理工藝或單元進(jìn)行環(huán)境經(jīng)濟(jì)的可行性和影響度進(jìn)行比較，從而優(yōu)選處理工藝、乃至處置技術(shù)。其LCA的范圍和邊界通常僅包括污泥處理單元工藝，而不涉及污水處理單元（如圖3，G所示），而納入LCA的污泥處理單元主要有厭氧消化、（沼氣）能源回收和無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物的利用等，有的研究也將污泥的調(diào)節(jié)預(yù)處理納入其中[34-35]。目前，大多的污泥處理LCA研究與分析都是基于中溫（35℃）和含固率為3%～6%的厭氧消化（固體停留時(shí)間SRT為12～30 d）[5，36]。在LCA研究分析過(guò)程中，將污水污泥始于看作“廢物”，但通過(guò)將其中的能源和營(yíng)養(yǎng)加以回收利用，而將其看作“產(chǎn)品”，實(shí)現(xiàn)“廢物”至“產(chǎn)品”的轉(zhuǎn)化。當(dāng)污泥看作“廢物”時(shí)，其所產(chǎn)生的環(huán)境影響應(yīng)納入污水處理系統(tǒng)的LCA，當(dāng)將其看作“產(chǎn)品”時(shí)，則可按圖5所示的系統(tǒng)邊界加以評(píng)價(jià)。這樣的評(píng)價(jià)方法和思路可應(yīng)用于不同污水處理和污泥處理工藝的比較分析。但由于目前針對(duì)厭氧生物處理的LCIA尚未有可資利用的系統(tǒng)完整的清單參考值，尤其是污水污泥厭氧消化處理系統(tǒng)的功能 （污泥穩(wěn)定化工能、沼氣能源產(chǎn)生功能、消化液中營(yíng)養(yǎng)物利用功能等）尚較難以通過(guò)統(tǒng)一的系統(tǒng)因子建立相互的聯(lián)系。因?yàn)椋贚CA研究分析中的清單分析數(shù)據(jù)的來(lái)源和質(zhì)量對(duì)LCA評(píng)價(jià)的結(jié)果及其解釋的影響至關(guān)重要，雖然獲得此類數(shù)據(jù)資料的途徑方法較多，但最合適的途徑還是采用實(shí)際污水處理工藝（廠）、污泥處理系統(tǒng)的運(yùn)行控制、分析檢測(cè)和操作管理等實(shí)際數(shù)據(jù)，或通過(guò)實(shí)驗(yàn)室研究分析獲得數(shù)據(jù)。對(duì)特殊的LCA研究要求而言，污泥厭氧消化工藝的清單分析數(shù)據(jù)資料必須全面詳盡。

圖5 污水污泥厭氧消化處理LCA的邊界

污水污泥工藝環(huán)境影響的LCA方法尚在不斷完善和改進(jìn)之中。其中最常用的方法是CML法。目前，ReGiPe（模型）法因其綜合了中間類型（mid-point）和終點(diǎn)類型（end-point）而逐漸得到研究者的青睞?；谘h(huán)經(jīng)濟(jì)理念和清潔生產(chǎn)模式下的污水污泥處理和管理系統(tǒng)具有多種功能，需要對(duì)其相應(yīng)的各種影響加以綜合評(píng)價(jià)。因而，氣候變化、酸化、富營(yíng)養(yǎng)化、光化學(xué)氧化、臭氧耗竭、人體危害、生態(tài)毒性以及非生物資源耗竭等，亦是其基本的評(píng)價(jià)指標(biāo)。如目前，已有對(duì)城市固體廢棄物與城市污水污泥聯(lián)合處理實(shí)現(xiàn)能源、資源利用的環(huán)境、能源和經(jīng)濟(jì)的綜合分析的研究[36]。相關(guān)研究表明，須將污泥的預(yù)處理（包括貯存、化學(xué)調(diào)節(jié)、淘洗等）納入污水污泥LCA的整體過(guò)程，對(duì)污泥預(yù)處理的化學(xué)藥劑使用和用水、污泥消化效率、沼氣生產(chǎn)、氮磷資源回收及其環(huán)境影響進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[37-38]。據(jù)此，對(duì)中溫和高溫條件下的污泥厭氧消化處理系統(tǒng)的LCA研究表明，高溫消化因其沼氣產(chǎn)量高、氮磷資源價(jià)值高而產(chǎn)生的環(huán)境影響將更小。此外，通過(guò)以污水處理與CO2捕集相集成的方法從污水生產(chǎn)微生物柴油材料的研究也已經(jīng)有了較好的起步[39]，這種實(shí)現(xiàn)污染物去除和資源回收的污水處理清潔生產(chǎn)模式，無(wú)疑將成為今后的發(fā)展方向，也為L(zhǎng)CA在污水處理中的應(yīng)用中的清單分析內(nèi)容提出了更嚴(yán)格的要求。

LCA在污水污泥中的應(yīng)用，始于本世紀(jì)初，最初多為基于對(duì)污水處理廠污水污泥的管理（處理和處置利用）方法的比較性研究，因而并非是真正意義上的LCA，僅著重于沼氣的生產(chǎn)（如電能、熱能）與處理過(guò)程中能耗平衡分析，但通過(guò)比較也反映了能源、資源回收利用對(duì)于可持續(xù)性污泥管理的重要性。因而隨著對(duì)污水污泥厭氧處理LCA研究和應(yīng)用的發(fā)展，更加注重清單資料的分析，以獲得更加符合實(shí)際的評(píng)價(jià)結(jié)果，并由此可進(jìn)一步促進(jìn)城市污水污泥系統(tǒng)環(huán)境影響的定量化評(píng)價(jià)。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，隨著循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念的深入人心，已將城市污水處理技術(shù)系統(tǒng)作為社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境發(fā)展有機(jī)組成部分，由末端治理走向源頭控制，以污染物去除、資源利用、能源生產(chǎn)向協(xié)同的發(fā)展之路，并越來(lái)越多地利用LCA分析，對(duì)城市污水處理技術(shù)進(jìn)行了水質(zhì)水量管理、資源能源利用、成本核算和經(jīng)濟(jì)分析以及環(huán)境影響等方面的綜合評(píng)價(jià)研究，以更好地優(yōu)化城市污水處理工藝技術(shù)、充分利用污水能源資源、有效消除水體富營(yíng)養(yǎng)化、和溫室效應(yīng)等環(huán)境問(wèn)題。

LCA作為環(huán)境管理中確定工藝或產(chǎn)品“搖籃到墳?zāi)埂钡沫h(huán)境可行性的行之有效的方法和十分重要的工具，通過(guò)不同目標(biāo)和邊界、功能單位以及清單分析評(píng)價(jià)等過(guò)程，可對(duì)城市污水處理工藝技術(shù)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理決策以及資源投入、能耗需求、GHG排放、水體富營(yíng)養(yǎng)化、生態(tài)毒性和水體酸化以及資源能源的回收利用等進(jìn)行綜合的評(píng)價(jià)，提供能源資源回收利用和削減（除）對(duì)環(huán)境不利影響的有效途徑和方法，并為污水處理工藝技術(shù)的改進(jìn)和優(yōu)化提供重要依據(jù)。

但目前，我國(guó)城市污水處理技術(shù)的LCA研究的發(fā)展尚有待加強(qiáng)，尤其是根據(jù)LCA的基本特征，著力于圍繞利用城市污水處理技術(shù)的優(yōu)化和資源和能源的利用，借鑒國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，對(duì)不同類別的城市污水處理技術(shù)和工藝，尤其是對(duì)基于高效厭氧處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)有效能源資源的回收的關(guān)鍵性工藝的LCA研究和分析，可有效促進(jìn)城市污水處理技術(shù)更好更快地向效能和產(chǎn)能型及環(huán)境友好型方向發(fā)展，不斷完善清單分析資料庫(kù)的建立，改進(jìn)分析方法，從而提出符合我國(guó)國(guó)情的城市污水處理技術(shù)優(yōu)化和節(jié)能降耗工藝技術(shù)，并真正發(fā)揮其優(yōu)化和提升我國(guó)城市污水處理技術(shù)的應(yīng)有作用。