陳明如，張澤瀚，郭 旭，于占成，馬可可，白 昱，馮健恒，周斌龍，周 律

（1.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084；2.北京市房山區(qū)水務(wù)局農(nóng)村健康飲水事務(wù)中心，北京 102488）

水環(huán)境中的磷元素是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的主要因素〔1〕，為改善自然水體水質(zhì)，需控制污水處理廠總磷的排放。總磷在長江流域是首要污染物，生態(tài)環(huán)境部等17 個(gè)部門共同印發(fā)的《深入打好長江保護(hù)修復(fù)攻堅(jiān)戰(zhàn)行動(dòng)方案》特別強(qiáng)調(diào)要加強(qiáng)對(duì)磷污染的綜合治理，嚴(yán)格控制磷的排放。關(guān)于總磷的最高允許排放質(zhì)量濃度，我國《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)為0.5 mg/L〔2〕，北京市《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 11/890—2012）A 標(biāo)準(zhǔn)（簡稱“京標(biāo)A”）為0.2 mg/L〔3〕，昆明市《城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放限值》（DB 5301/T 43—2020）A 標(biāo)準(zhǔn)為0.05 mg/L〔4〕。美國環(huán)境保護(hù)署（US EPA）〔5〕認(rèn)為排入水庫、湖泊的水總磷宜小于0.05 mg/L，排入其他水體的水總磷宜小于0.1 mg/L。歐盟（EU）〔6〕認(rèn)為當(dāng)湖泊中總磷達(dá)到0.02 mg/L、河水中總磷達(dá)到0.01～0.07 mg/L 時(shí)，水體就開始發(fā)生富營養(yǎng)化。陳旭華〔7〕認(rèn)為非富營養(yǎng)化狀態(tài)的水中總磷應(yīng)小于0.01 mg/L。因此，為了防止水體富營養(yǎng)化，有必要進(jìn)行深度除磷。目前傳統(tǒng)的污水處理方法難以滿足除磷需求，亟需探索極限除磷的方法〔8-10〕。

常見的深度除磷方法包括混凝法、電絮凝法、吸附法和膜分離法等〔11〕，天然吸附材料的吸附容量小，人工改進(jìn)的吸附材料制備成本高、易造成二次污染，膜分離法具有膜污染、濃水難以處理、成本高等缺點(diǎn)，而混凝法和電絮凝法具有操作簡單、效果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此混凝法是目前最常用的污水深度除磷方法〔12〕。

傳統(tǒng)混凝法通過投加化學(xué)藥劑使水中溶解態(tài)的磷轉(zhuǎn)化成非溶解性磷酸鹽，鋁鹽是常用的除磷藥劑，效果優(yōu)于鐵鹽〔13-14〕，聚合氯化鋁（PAC）是污水處理廠最常用的混凝劑〔15〕。電絮凝法通過犧牲陽極產(chǎn)生Al3+，除磷機(jī)理與傳統(tǒng)混凝法類似〔16〕，該方法原位產(chǎn)出混凝劑，金屬離子的利用效率更高，污泥量小〔17〕。電絮凝常用的極板材料是鋁和鐵，因鋁極板除磷效果優(yōu)于鐵極板，采用鋁極板的電絮凝法除磷可代表電絮凝法〔18〕。研究表明，電絮凝法除磷效果優(yōu)于傳統(tǒng)混凝法，且電絮凝法處理單位磷消耗的鋁更少〔17〕。但目前對(duì)電絮凝法與傳統(tǒng)混凝法除磷的環(huán)境影響和費(fèi)用缺乏系統(tǒng)性對(duì)比評(píng)價(jià)，影響了污水除磷方法的科學(xué)選擇。

本研究采用生命周期評(píng)價(jià)（Life cycle assessment，LCA）和生命周期費(fèi)用（Life cycle cost，LCC）方法，從多角度對(duì)比了采用鋁電極的電絮凝法和以PAC 為混凝劑的傳統(tǒng)混凝法除磷的優(yōu)劣，以期為除磷方法的選擇提供幫助。

1 生命周期評(píng)價(jià)與生命周期費(fèi)用分析方法

LCA 評(píng)價(jià)根據(jù)《環(huán)境管理 生命周期評(píng)價(jià) 原則與框架》（GB/T 24040—2008/ISO 14040：2006）〔19〕，LCC 評(píng)價(jià)根據(jù)《Eco-efficiency Assessment of Product Systems：Principles，Requirements and Guidelines》（ISO 14045：2012）〔20〕。LCA 通過eFootprint 軟件完成，該軟件由首屆全生命周期碳中和創(chuàng)新大賽組織方提供。

1.1 目標(biāo)和范圍

LCA 和LCC 的目標(biāo)是對(duì)比電絮凝法除磷與傳統(tǒng)混凝法除磷的生命周期環(huán)境影響、費(fèi)用和生態(tài)效率。電絮凝法除磷與傳統(tǒng)混凝法除磷的應(yīng)用背景為二沉池后深度除磷，范圍包含建設(shè)和運(yùn)行階段，功能單元為處理單位體積（1 m3）的水。

系統(tǒng)邊界見圖1。前景過程為構(gòu)筑物的建設(shè)和運(yùn)行，背景過程為材料制造、能源生產(chǎn)和運(yùn)輸。

圖1 系統(tǒng)邊界Fig. 1 System boundaries

生命周期分析根據(jù)不同的除磷方法、出水磷濃度分為7 個(gè)情景，見表1。除磷方法為電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法。出水磷質(zhì)量濃度為0.3、0.2、0.1、0.01 mg/L，分別對(duì)應(yīng)京標(biāo)B、京標(biāo)A、Ⅱ類地表水、水體富營養(yǎng)化界限的磷濃度要求。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果〔17〕，傳統(tǒng)混凝法無法實(shí)現(xiàn)出水總磷小于0.01 mg/L，而電絮凝法可以實(shí)現(xiàn)出水總磷小于0.01 mg/L，因此要求出水總磷質(zhì)量濃度小于0.01 mg/L 時(shí)只能采用電絮凝法。

表1 不同情景的除磷方法和出水磷濃度Table 1 Phosphorus removal methods and effluent phosphorus concentrations of different scenarios

1.2 生命周期清單分析

建設(shè)階段的生命周期清單見表2。建設(shè)階段的主要過程為池體建設(shè)，還包括電源、加藥裝置、強(qiáng)化傳質(zhì)裝置等的購置與安裝。電絮凝法主要適用于中小規(guī)模城鎮(zhèn)的污水處理〔21〕，因此選用10 000 m3/d 的規(guī)模進(jìn)行計(jì)算，該規(guī)模在中國城鎮(zhèn)污水處理廠中占比較高，具有代表性〔22-23〕。建設(shè)過程清單的具體數(shù)據(jù)根據(jù)文獻(xiàn)〔14，21，24-26〕確定。

表2 建設(shè)階段生命周期清單Table 2 Life cycle inventory of construction stage

電絮凝法在運(yùn)行階段的生命周期清單見表3。結(jié)合實(shí)際污水水質(zhì)，運(yùn)行過程中的電流密度、停留時(shí)間等因素由前期試驗(yàn)確定，以使除磷方法在最佳范圍內(nèi)運(yùn)行〔17〕。污泥處理處置過程中，污泥經(jīng)重力濃縮和板框機(jī)脫水后外運(yùn)填埋，產(chǎn)生的污泥量由試驗(yàn)確定〔17〕，處理單位污泥的能耗通過文獻(xiàn)〔27〕確定。

表3 電絮凝法運(yùn)行階段生命周期清單Table 3 Life cycle inventory of operation stage with electrocoagulation method

傳統(tǒng)混凝法在運(yùn)行階段的生命周期清單見表4。結(jié)合實(shí)際污水水質(zhì)，運(yùn)行過程中投藥量、停留時(shí)間等因素由前期試驗(yàn)確定，以使除磷方法在最佳范圍內(nèi)運(yùn)行〔17〕。PAC 符合相應(yīng)規(guī)范〔28〕，當(dāng)PAC 的鹽基度等指標(biāo)不同時(shí)除磷效果略有區(qū)別〔29〕，本研究按行業(yè)平均值計(jì)算。污泥處理處置過程同電絮凝法。

表4 傳統(tǒng)混凝法運(yùn)行階段生命周期清單Table 4 Life cycle inventory of operation stage with chemical coagulation method

背景數(shù)據(jù)庫為CLCD-China-ECER 0.8 數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫由首屆全生命周期碳中和創(chuàng)新大賽及組織方提供。

1.3 生命周期影響評(píng)價(jià)

在生命周期影響評(píng)價(jià)階段，由清單數(shù)據(jù)計(jì)算得到了量化的環(huán)境影響的指標(biāo)，各項(xiàng)指標(biāo)及含義如下：全球變暖潛勢(shì)量化了溫室氣體造成的全球氣溫升高〔30〕，初級(jí)能源消耗量化了使用的一次能源的量〔31〕，水資源消耗量化了使用的淡水資源的量〔32〕，酸化潛勢(shì)量化了排放的酸性氣體可解離出的H+的量〔30〕，非生物資源消耗潛勢(shì)量化了使用的非生物質(zhì)資源的量〔32〕，富營養(yǎng)化潛勢(shì)量化了排放到水體中的營養(yǎng)物質(zhì)導(dǎo)致生物過度生長的情況〔30〕，可吸入無機(jī)物量化了人體吸入無機(jī)物對(duì)健康造成的傷害〔30〕，臭氧層消耗潛勢(shì)量化了臭氧層中因排放化合物造成的臭氧分解〔32〕，光化學(xué)臭氧合成潛勢(shì)量化了由排放的非甲烷揮發(fā)性有機(jī)物造成的光化學(xué)臭氧合成〔33〕，土地占用指標(biāo)量化了農(nóng)業(yè)用地的使用情況〔32〕。

1.4 費(fèi)用分析

在LCC 中，電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法除磷建設(shè)階段的費(fèi)用通過文獻(xiàn)〔25，34〕估算。運(yùn)行過程中各項(xiàng)目的單價(jià)均為中國市場(chǎng)單價(jià)，鋁板21 250 元/t，PAC 2 000 元/t，電價(jià)0.725 元/（kW·h），污泥濃縮費(fèi)用169元/t（干污泥）、填埋費(fèi)用3 252 元/t（干污泥）〔35〕。

1.5 生態(tài)效率

生態(tài)效率（Eco-efficiency）比較的是生命周期影響和生命周期費(fèi)用的關(guān)系，通常采用二維圖形式〔36〕。為使不同單位的指標(biāo)具有可比性，需要?dú)w一化處理〔37〕，本研究通過指標(biāo)數(shù)值除以該指標(biāo)的最大值進(jìn)行歸一化處理。二維圖中點(diǎn)的縱坐標(biāo)越小代表該情景對(duì)環(huán)境越友好，橫坐標(biāo)越小表示投資效益越高〔38〕。

2 結(jié)果與討論

2.1 電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法除磷的生命周期環(huán)境影響

不同情景的環(huán)境影響見圖2。

根據(jù)圖2，當(dāng)出水磷濃度相同時(shí)，對(duì)比電絮凝法與傳統(tǒng)混凝法除磷環(huán)境影響。對(duì)于全球變暖潛勢(shì)、初級(jí)能源消耗、非生物資源消耗潛勢(shì)和臭氧層消耗潛勢(shì)這4 項(xiàng)指標(biāo)，電絮凝法是傳統(tǒng)混凝法的1.44～2.31 倍；對(duì)于可吸入無機(jī)物、光化學(xué)臭氧合成潛勢(shì)和土地占用這3 項(xiàng)指標(biāo)，傳統(tǒng)混凝法是電絮凝法的1.19～2.91 倍；對(duì)于酸化潛勢(shì)、富營養(yǎng)化潛勢(shì)和水資源消耗這3 項(xiàng)指標(biāo)，二者結(jié)果相近，差距小于10%?？傮w而言，電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法除磷的環(huán)境影響相近，但電絮凝法操作簡便、處理效果好，具有較大的應(yīng)用前景。

在電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法除磷過程中，環(huán)境影響主要來自運(yùn)行過程中鋁的消耗。除土地占用、臭氧層消耗潛勢(shì)外，其他環(huán)境影響指標(biāo)中鋁貢獻(xiàn)率為52%～92%。電絮凝法消耗的鋁來自鋁極板，目前鋁板主要采用電解鋁法制備，制備過程中需將Al3+還原，環(huán)境影響較大。傳統(tǒng)混凝法中的鋁來自PAC，PAC 制備過程中不涉及鋁的價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)變，制備簡便，環(huán)境影響小。雖然研究表明電絮凝法消耗的鋁少于傳統(tǒng)混凝法〔17〕，但是電絮凝法中鋁極板生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的環(huán)境影響較大，因此在全球變暖潛勢(shì)、初級(jí)能源消耗、非生物資源消耗潛勢(shì)和臭氧層消耗潛勢(shì)方面，電絮凝法較傳統(tǒng)混凝法差。在改進(jìn)電絮凝法除磷時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮改進(jìn)鋁的來源和利用效率。

在電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法除磷過程中，建設(shè)過程和污泥處理處置過程造成的環(huán)境影響較小，與已有研究一致〔25〕。對(duì)于建設(shè)過程的貢獻(xiàn)率，電絮凝法中光化學(xué)臭氧合成潛勢(shì)為3%～12%，土地占用為7%～45%，其他評(píng)價(jià)指標(biāo)為1%～7%；傳統(tǒng)混凝法中臭氧層消耗潛勢(shì)、光化學(xué)臭氧合成潛勢(shì)和土地占用為25%～42%，其他評(píng)價(jià)指標(biāo)為7%～29%。當(dāng)處理規(guī)模不同時(shí)，LCA 的差異主要體現(xiàn)在建設(shè)過程，而運(yùn)行過程在不同規(guī)模時(shí)較為相似；在大部分指標(biāo)中建設(shè)過程的貢獻(xiàn)較小，因此本研究的結(jié)果也適用于規(guī)模相似的其他情景。電絮凝法在建設(shè)過程中占地面積小、池體構(gòu)造簡單，因此在建設(shè)過程貢獻(xiàn)較大的環(huán)境影響方面（如光化學(xué)臭氧合成潛勢(shì)和土地占用），電絮凝法優(yōu)于傳統(tǒng)混凝法。對(duì)于電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法除磷過程，出水磷濃度越低，環(huán)境影響越大。當(dāng)出水磷質(zhì)量濃度從0.3 mg/L 降至0.2 mg/L 時(shí)，電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法除磷的各項(xiàng)環(huán)境影響指標(biāo)提升了1.3～1.5 倍；當(dāng)出水磷質(zhì)量濃度從0.3 mg/L 降至0.1 mg/L 時(shí)，電絮凝法除磷的光化學(xué)臭氧合成潛勢(shì)提升了1.8 倍，土地占用提升了1.6 倍，其他各項(xiàng)指標(biāo)提升了1.9～2.0 倍，傳統(tǒng)混凝法除磷的各項(xiàng)環(huán)境影響指標(biāo)提升了1.5～1.8 倍。傳統(tǒng)混凝法除磷的環(huán)境影響隨出水磷濃度的變化較小，這是因?yàn)殡娦跄ㄒ子诳刂魄忆X的利用率較高，除磷需要的鋁耗、電耗與去除的磷幾乎成正比，而傳統(tǒng)混凝法的鋁利用率較低，無論去除多少磷均需投加大量的PAC。當(dāng)出水磷質(zhì)量濃度從0.3 mg/L 降至0.01 mg/L時(shí)，電絮凝法除磷的土地占用提升了6.7 倍，其他各項(xiàng)指標(biāo)提升了9.1～11.4 倍。當(dāng)出水磷濃度降低時(shí)，除磷過程中對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響顯著提升，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求確定合理的除磷目標(biāo)。

2.2 電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法除磷的生命周期費(fèi)用

不同情景的費(fèi)用見圖3。

根據(jù)圖3，當(dāng)出水磷濃度相同時(shí)，電絮凝法的費(fèi)用是傳統(tǒng)混凝法的56%～63%，電絮凝法費(fèi)用低于傳統(tǒng)混凝法。

在電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法除磷過程中，費(fèi)用主要來自運(yùn)行過程中鋁的消耗和污泥處理處置。電絮凝法的鋁極板貢獻(xiàn)率為36%～45%，污泥處理處置貢獻(xiàn)率為34%～42%；傳統(tǒng)混凝法的PAC 貢獻(xiàn)率為33%～36%，污泥處理處置貢獻(xiàn)率為50%～54%。電絮凝產(chǎn)生的污泥少于傳統(tǒng)混凝法，這是電絮凝法費(fèi)用低于傳統(tǒng)混凝法的主要原因。建設(shè)過程造成的費(fèi)用較小。若想降低電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法的費(fèi)用，有效辦法是降低污泥量或污泥處理的單價(jià)以及降低鋁板或PAC 的單價(jià)和用量。

當(dāng)出水磷濃度降低時(shí)，費(fèi)用有所上升。當(dāng)出水磷質(zhì)量濃度從0.3 mg/L 降低至0.2 mg/L 時(shí)，電絮凝法費(fèi)用增加了1.4 倍，傳統(tǒng)混凝法費(fèi)用增加了1.5 倍；當(dāng)出水磷質(zhì)量濃度從0.3 mg/L 降至0.1 mg/L 時(shí)，電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法費(fèi)用均增加了1.8 倍；當(dāng)出水磷質(zhì)量濃度從0.3 mg/L 降至0.01 mg/L 時(shí)，電絮凝法費(fèi)用增加了8.1 倍。隨著出水磷濃度降低，費(fèi)用增長比環(huán)境影響小，這是由于建設(shè)過程的費(fèi)用基本不隨出水磷濃度變化，出水磷濃度降低僅改變了運(yùn)行過程。在實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合理的出水磷濃度，避免不必要的費(fèi)用增長。

2.3 電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法除磷的生命周期生態(tài)效率

不同情景的生態(tài)效率見圖4。

根據(jù)圖4，電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法的非生物資源消耗潛勢(shì)、臭氧層消耗潛勢(shì)生態(tài)效率相似，其他8個(gè)指標(biāo)電絮凝法的生態(tài)效率更高?？傮w而言，電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法環(huán)境影響相似，而電絮凝法費(fèi)用低，因此電絮凝法生態(tài)效率高。當(dāng)出水磷濃度降低時(shí)，生命周期影響和生命周期費(fèi)用均增加，生態(tài)效率降低。因此，當(dāng)出水磷濃度能滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保需求時(shí)，不宜過度追求出水磷濃度的降低。

3 結(jié)論

1）對(duì)于小于10 000 m3/d 的中小規(guī)模城鎮(zhèn)的污水處理，電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法除磷的生命周期影響相近，電絮凝法生命周期費(fèi)用低、生態(tài)效率高，建設(shè)過程中用地小、池體構(gòu)造簡單、操作簡便，處理效果優(yōu)于傳統(tǒng)混凝法，具有替代傳統(tǒng)混凝法用于深度除磷的優(yōu)勢(shì)。

2）運(yùn)行過程中的鋁極板或PAC 消耗對(duì)電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法除磷的生命周期環(huán)境影響貢獻(xiàn)最大，運(yùn)行過程中的鋁極板或PAC 消耗和污泥處理處置過程對(duì)生命周期費(fèi)用的貢獻(xiàn)最大。優(yōu)化鋁極板或PAC 使用效率從而減小鋁極板或PAC 的用量，或使用對(duì)環(huán)境負(fù)面影響較小的鋁極板或PAC，可大幅優(yōu)化電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法除磷過程。

3）當(dāng)出水總磷要求提高，即磷濃度降低時(shí)，電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法除磷的生命周期影響、生命周期費(fèi)用增加，生態(tài)效率下降。電絮凝法更易于控制，出水磷濃度低于傳統(tǒng)混凝法。