典型城鎮污水處理工藝的環境影響評價研究

曹大勇，李悅，湯宇宙，母銳敏，劉樂然

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

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，環境污染已成為影響可持續發展的主要問題［1］。水體作為環境系統的重要組成部分，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域的水環境質量起到了關鍵的作用［4］。但是在污水處理過程中，需要消耗較多的資源和能源，同時也會產生一些環境污染物，如溫室氣體、污泥等，都會對環境產生負面效應［5］。

生命周期評價LCA（Life Cycle Assessment）是對一個產品的生命周期中輸入、輸出及潛在環境影響的匯編和評價［6］。LCA從原材料的獲取、能源的生產、產品的制造和使用、產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、環境影響評價和結果解釋4個部分［8-9］。采用LCA能夠對污水處理系統造成的環境影響進行深入評價分析［10］，識別產生環境影響的關鍵流程和關鍵物質，并對應提出優化建議或減緩措施。

Beavis等發現污水處理工藝中采用次氯酸鈉消毒方式在反應效率高的情況下對環境影響??；厭氧處理比好氧處理環境效益更好［11］。Dixon等比較了排入蘆葦系統和排入生物濾池系統處理污水對環境造成的影響，重點考察了污泥中重金屬的影響，發現若蘆葦系統的土壤能夠得到更換并利用，環境負荷會極大減少［12］。Houillon等通過LCA比較了農業推廣、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，發現在總體環境影響特別是全球變暖方面，水泥窯焚燒影響最小［13］。Mahgoub等運用LCA評價了城市污水處理系統的環境影響，并對改善環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，發現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境影響［15］。Pant等對污水處理廠的 LCA結果進行分析，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，但是由于國內外廢水成分、處理工藝和排放標準等存在差異，LCA的背景數據也不相同，直接采用國外研究的結果評價國內的污水處理工藝存在不妥之處。

近年來，國內一些學者也開展了相關研究。王政等總結國內外好氧污泥培養及應用過程中存在的問題及難點，為好氧顆粒污泥的工程應用提供了理論依據［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中應用厭氧氨氧化工藝的可能和挑戰進行了展望［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品的生產過程，污泥是產品生產過程中的副產品［19］。張瓊華等對污水廠進行了建設、運營和拆除全階段的LCA分析，提出了污水處理環境效益估算模型，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境的影響［21］。燕書權等對污水廠改造前后進行LCA分析并對比，發現由于電耗的增加，導致污水處理廠經過改造的環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，結果表明微絮凝—砂濾—消毒工藝在尾水用作工業冷卻水時環境影響最?。?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，發現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劣［24］。

隨著我國環保壓力的不斷增加，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《城鎮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日起敏感區域內的城鎮污水處理廠，必須執行一級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量［28］。

為了應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，整體環境負荷發生了改變，需要對現有污水處理工藝的環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鍵流程與關鍵物質，并進行敏感性分析。所有數據全部來自實測，減少了數據帶來的不確定性。構建了環境影響與經濟成本分析相結合的評價模型，進行了環境經濟集成評價。

1 污水處理工藝的環境影響概述

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工程沿線，采用厭氧—缺氧—好氧法與移動床生物膜反應器技術相結合的工藝，設計日處理污水量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和拆除階段［29］，因此僅考慮污水處理廠的運行階段。根據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、物料投入和環境影響。

圖1 污水處理廠系統邊界及工藝圖

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、淡水水體富營養化、海水水體富營養化、陸地生態毒性、淡水生態毒性、海洋生態毒性、農業土地占用、城鎮土地占用、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、生態系統和資源剩余成本。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據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）生產數據來自企業生產報告外，其他物料的生產數據和污染物排放數據均來自Ecoinvent3數據庫。

由于數據庫中沒有乙酸鈉的相關數據，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據庫中對應物質缺乏的問題，目前已經得到了廣泛的應用［32］。

氣體無組織排放量根據實地測量結合Screen3模型估算獲得，IPCC認為污水處理過程中微生物降解產生的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和重金屬［34-35］，并非由污水處理廠產生，且已委托第三方處理，因此污泥自身的影響未包含在系統邊界內。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 典型城鎮污水處理工藝的主要環境影響因素評價

2.1 污水處理過程的主要環境影響類型

應用ReCiPemidpoint（H）模型對整個污水處理過程進行分析，得出17個中間點環境影響的標準化結果，如圖2所示，各階段的具體標準化結果如圖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、淡水水體富營養化、人類毒性、光化學氧化劑形成、顆粒物形成、淡水生態毒性、海洋生態毒性、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 造成環境影響的關鍵流程

為了識別出造成主要環境影響的關鍵流程，以10種環境影響類型和經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境影響相對很小。其中，生物處理階段在這10項環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%，占經濟成本的比例為 45.5%，所有項目占比均超過45%，屬于關鍵流程。深度處理階段在這10項環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%，在淡水水體富營養化、淡水生態毒性和海洋生態毒性3項中占比超過50%，同樣屬于關鍵流程。

圖4 關鍵流程識別圖

2.3 造成環境影響的關鍵物質

為了深入分析污水處理各環節造成環境影響的關鍵物質，需要進一步分析各類物質在總體環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個關鍵流程中，電力在總體環境影響中的占比分別為66.2%與34.1%，PAC在總體環境影響中的占比也達到了32.2%與62.4%。因此，電力和PAC 2種物質是造成污水處理廠環境影響的關鍵物質。

圖5 關鍵物質識別圖

3 典型城鎮污水處理工藝的環境影響分析

3.1 環境影響的經濟環境集成分析

經濟環境集成評價結果如圖6所示。數據顯示，對環境和經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，污泥處置階段的環境和經濟成本相對較小。因此，生物處理階段和深度處理階段是污水處理廠工藝優化的重點。

3.2 環境影響的關鍵物質敏感性分析

為了分析關鍵物質的數據變化對LCA結果的影響程度，對電力和PAC 2種關鍵物質進行敏感性分析。按照關鍵物質數量改變10%的原則，比較關鍵物質數量改變后總的環境影響的變化程度。

圖6 經濟環境集成分析圖

電力敏感性分析結果如圖7所示。除淡水水體富營養化、淡水生態毒性、海洋生態毒性3項外，其余9項的結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敏感性分析結果如圖8所示。PAC的消耗量減少10%后，淡水水體富營養化、淡水生態毒性、海洋生態毒性3項出現了明顯的減小，其中淡水生態毒性變化最大；綜合影響也出現了較大程度的減小，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境影響效果明顯。縮減PAC的使用量，或者采用更為環保的絮凝劑替代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電效率，優化電力結構，采用低能耗的設備，污水處理廠的環境影響也會出現明顯的改善。

4 結論

通過LCA與LCC集成評價，量化了污水處理廠運營階段的環境影響與經濟成本。同時根據量化結果，辨識出了污水處理過程的主要環境影響類型，識別了造成環境影響的關鍵環節和關鍵物質，并對關鍵物質進行了敏感性分析。

（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、淡水水體富營養化、人類毒性、光化學氧化劑形成、顆粒物形成、淡水生態毒性、海洋生態毒性、自然土地改造、化石能源消耗等10個方面對環境的影響較大。

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

（3）污水處理中的關鍵物質為電力和PAC，2種關鍵物質分別占總環境影響潛值的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，優化電力結構，使用低能耗設備以及改用更為環保的絮凝劑，對于降低城鎮污水處理廠對總體環境的影響具有重要意義。

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