污水再生膜-复合处理工艺的生命周期评价

王建国，汤露露，薛　峰，叶　海，丁亚楠

(环境保护部南京环境科学研究所，南京　210042)

· 环境评价 ·

污水再生膜-复合处理工艺的生命周期评价

王建国，汤露露，薛峰，叶海，丁亚楠

(环境保护部南京环境科学研究所，南京210042)

本研究基于生命周期评价体系，利用GaBi软件和CML2001评价方法，系统评估了污水再生膜-复合处理工艺(膜过滤、反渗透和电去离子)在其生命周期内的环境影响，并在指标体系中引入水资源的消耗，进一步阐明污水再生膜-复合处理工艺各主要环节的环境影响和水资源消耗。结果表明污水再生膜-复合处理工艺过程中药剂的消耗、污染物排放和能源的消耗是产生环境影响的主要原因。通过对水资源消耗指标的分析发现，膜-复合处理工艺出水对部分工业用水的替代，会在一定程度上补偿污水再生处理产生的负面环境影响，除了能大量节约水资源外，还能呈现环境正效应，因此污水再生膜-复合处理工艺出水用于工业用途符合资源和环境可持续发展的基本思想。

污水再生利用；生命周期评价；膜-复合处理工艺；水资源消耗

我国是一个水资源贫乏的国家，水资源人均占有量低、时空分布不均匀且水污染严重[1]。在众多缓解水资源危机的措施中，污水再生利用因具有环境效益显著、水源可靠、保证率高、成本低、距离用户较近等优点而备受关注，现阶段污水再生利用已经成为缓解我国水资源短缺、控制水环境污染的重要途径之一[2]。然而污水再生处理过程本身也会造成环境影响，不同的处理工艺以及同一种处理工艺出水用于不同途径过程中所表现的环境特性及其对资源和能源的消耗都不相同[3]。传统的污水再生处理工艺的选择和评价常采用技术经济比选法，弱化甚至忽略了污水再生处理技术的环境影响和对资源、能源的消耗，无法全面系统地评价污水再生处理过程中的综合环境效应。

生命周期评价评价(life cycle assessment, LCA)是评价产品或者系统从原材料开采、运输、加工、使用到最终处置过程全生命周期环境影响的工具，目前已经在污水处理领域得到了广泛的应用[4, 5]。国外关于污水再生利用的LCA研究比较成熟，普遍采用CML2001、EDIP、EI99等指标体系进行评价，而国内关于污水再生利用的LCA研究仍处于尝试和探索阶段。王巧提出了城市污水再生利用工程的LCA模型，但仅以污水处理厂的二级处理为案例进行了核算[6]。熊家晴等提出了针对城市再生水产品评价的生命周期综合价值模型，修正了再生水生命周期能耗成本的计算方法，但忽略了再生水对城市供水的替代作用[7]。随着我国对水资源使用管理的日趋严格，再生水对新鲜水资源的替代作用已经成为污水再生利用被关注的主要原因。然而现有的污水再生处理工艺的LCA研究并未将水资源的消耗作为一个重要指标纳入指标体系中，不符合可持续发展战略的基本思想。

膜技术被认为是21世纪最具发展前途和潜力的水处理新技术之一，目前已经被广泛的应用于城市污水和工业污水的再生处理过程中[8]。本研究以污水再生膜-复合处理工艺为研究对象，建立LCA分析框架，定量评估其生命周期内的环境影响，并进一步在指标体系中引入水资源的消耗，阐明污水再生膜-复合处理工艺各主要环节的环境影响和水资源消耗，研究成果有望为污水再生膜-复合处理工艺的优化提供基础，为区域水资源管理提供参考。

1　研究方法

1.1研究目标和范围

本研究以苏州某工业园区的污水再生利用系统为研究对象，其二级处理工艺为SBR和A/O，再生处理工艺为膜过滤、反渗透和电去离子，设计污水再生处理量为2万吨/天，处理后出水经企业自带的反渗透和混床处理后直接回用。其中再生处理系统流程膜过滤、反渗透和电去离子工序产生的浓水部分回流上一级处理工序，部分进入蒸发器，浓盐水蒸发会产生盐泥，目前试运行阶段产量极少，只做堆存处理，本研究根据已有文献报道假设其处理方式为安全填埋[9]。对该污水再生利用系统进行生命周期评价的目标是评价其在生命周期内对环境的影响和资源能源的消耗，因目前没有拆除阶段的相关数据，本研究重点考察污水再生膜-复合处理工艺在建设和运行阶段的环境影响和水资源消耗。功能单元定义为污水再生膜-复合处理工艺处理1吨污水。LCA分析框架如图1所示，其中再生水所代替掉的工业用水生产量以负值计算。

图1　污水再生膜-复合处理工艺生命周期评价框架Fig.1　Framework of life cycle assessment of membrane complex treatment processes in wastewater reuse

1.2清单分析

本研究以污水处理系统处理1吨污水为功能单位，LCA清单分析的结果如表1所示。其中主要的假设和相关数据参考如下：① 能耗：系统的能耗包括电能和蒸汽，其生产数据来源于中国电网数据库和中国典型蒸汽生产过程数据库；② 药剂：系统中所用药剂的生产数据来自Ecoinvent数据库，无法直接中数据库或的数据参考Li等人的研究[10]；③ 污泥处理处置：假设污泥处置方式为安全填埋，相关数据参考黄等人的研究[11]；④ 交通运输：假设液氮运输距离为40km，药剂运输距离为50km，污泥运往填埋场的距离为50km，运输车辆为卡车，运输过程中的背景数参考黄等人的研究[11]；⑤ 废气：系统无组织排放的氨气和硫化氢数据参考园区监测报告和环境影响评价报告。本研究依据现有条件选用GaBi4软件进行清单分析。

表1　污水再生膜-复合处理工艺的生命周期清单分析结果

2　结果和讨论

2.1污水再生膜-复合处理工艺的生命周期环境影响评价

2.1.1特征化结果分析

在清单分析的基础上，参考CML2001环境影响评价方法的特征因子对污水再生膜-复合处理系统进行评价。除此之外，针对污水再生利用显著的水资源效益，本研究还增设了水资源消耗势能指标，用于衡量系统生命周期消耗的水资源净值，研究结果可为污水处理过程中的水资源管理提供一定的参考。环境影响指标的特征化结果如表2所示，相比于无回用，污水再生膜-复合处理工艺处理1吨污水并用于工业企业不仅能够显著减少所有环境影响(除富营养化潜势)，还能节约1吨的新鲜水资源。这说明污水再生工业利用所补偿的环境影响足以抵消污水再生处理增加的环境影响，并节约了水资源。此外还发现污水再生膜-复合处理系统的环境影响和水资源消耗主要来自于运行阶段，其建造阶段的环境影响和水资源消耗仅占系统总环境影响的2%～3%，与Raluy等得到的结论一致[12,13]。

表2　污水再生膜-复合处理工艺生命周期环境影响指标的特征化结果

2.1.2归一化结果分析

为了比较各环境影响指标的重要性，对特性化结果进行归一化处理，即将特征化结果除以归一化因子的值。本研究采用的归一化因子基准是CML2001的最新版本的世界年人均值(CML2001-Nov.09)，得到的系统影响归一化数值如表3所示，其中水资源消耗潜势不属于CML评价指标体系，因此未进行归一化处理。由表3可以看出，海洋水生生态毒性潜势是污水再生膜-复合处理工艺在生命周期内影响最大的环境影响因子，非生物资源消耗潜势、酸化潜势、富营养化潜势、淡水水生生态毒性潜势、全球变暖潜势、人体毒性潜势、海洋水生生态毒性潜势、臭氧层消耗潜势、光化学氧化潜势和陆地生态毒性潜势也是重要的环境影响指标，相比于这些指标，臭氧层消耗潜势则可以忽略，此结果与Hancock等得到的结论一致[14]。

表3　污水再生膜-复合处理工艺生命周期环境影响指标的特征化结果和归一化结果

2.2工艺各主要环节的环境影响生命周期评价

通过对归一化结果进行进一步研究，可以分析污水再生膜-复合处理工艺生命周期过程中不同阶段对于不同的环境影响类别的贡献大小，从而可识别出膜工艺生命周期内产生环境影响的主要阶段和关键因子。根据本研究中污水再生处理系统的特点，拟选取为一级处理、二级处理、再生处理、污泥处置、废水排放和替代用水6个阶段为研究对象。由于臭氧层消耗潜势指标环境影响较小，后续不考虑系统各阶段对其贡献。污水再生膜-复合处理工艺生命周期各阶段归一化因子的结果分析如图2所示。

(ADP：非生物资源消耗潜势、AP：酸化潜势、GWP：全球变暖潜势、POCP：光化学氧化潜势、MAETP：海洋水生生态毒性潜势、HTP：人体毒性潜势、TETP：陆地生态毒性潜势、EP：富营养化潜势、FAETP：淡水水生生态毒性潜势、WDP：水资源消耗潜势)图2　污水再生膜-复合处理系统不同阶段环境影响指标的归一化结果Fig.2　Normalization of environmental impact indices in different processing stages of membrane complex treatment system in wastewater reuse

对于非生物资源消耗潜势，再生处理和替代水供水阶段是其产生的主要环节，在污水再生膜-复合处理工艺中分别占16%和83%。药剂的生产是产生非生物资源消耗潜势的最主要原因，在污水再生膜-复合处理工艺中药剂生产(如杀菌剂、絮凝剂和阻垢剂等)带来的生物资源消耗潜势占再生处理的89.3%，用于树脂再生的盐酸和氢氧化钠生产带来的生物资源消耗潜势占到了替代供水(工业去离子水生产)阶段的62.5%和54.6%。

对于酸化潜势、全球变暖潜势、光化学氧化潜势、人体毒性潜势、陆地生态毒性潜势和海洋水生生态毒性潜势，在污水再生膜-复合处理工艺运行过程中具有类似的变化规律，这是由于产生此类环境影响的关键因子均为能耗。主要阶段产生为二级处理、再生处理、替代水供应和污泥处理处置，能耗以电力和蒸汽为主。以全球变暖潜势为例，污水再生膜-复合处理工艺的二级处理、再生处理和替代供水带来的全球变暖潜势与无污水回用的工艺对应3个阶段带来的全球变暖潜势相差不大，这说明污水再生膜-复合处理过程所带来的全球变暖潜势增加值被所减少的去离子水生产对应全球变暖潜势所抵消，与Mo等研究结果相吻合[15]。此外海洋水生生态毒性潜势的增加是由于电力和蒸汽生产过程中排入空气的氟化氢和硒等造成的，这些物质与能源消耗关联很高，变化趋势与全球变暖潜势等指标类似。

污水再生膜-复合处理工艺的富营养化潜势主要来自再生处理、污泥处理处置和替代供水阶段，其中再生处理耗电增加致使氮氧化合物排放量增加，再生水替代的去离子水生产过程则会减少电和蒸汽生产排放的氮氧化合物，此外污水再生处理则还会进一步削减尾水中的氮磷等污染物，在一定程度上降解了富营养化潜势。淡水水生生态毒性潜势主要来自于再生处理和去离子水生产阶段，分别占污水再生膜-复合处理系统的15.3%和66.5%，其中去离子水生产阶段的关键因子是酸碱生产过程中排放到水体中的重金属，占该阶段淡水水生生态毒性潜势的77.4%。

水资源消耗潜势随污水回用量的增加而增加，但污水回用量并不完全等于节约的新鲜水量，因为再生处理阶段需要少量补充水，去离子水和自来水生产过程中也会消耗一定量的水资源。总体来说，污水再生利用可在很大程度上可调节区域水资源配置。

进一步分析污水再生处理工艺，比较其各阶段环境影响评价可知(如图3所示)，再生处理各个阶段的环境影响均较大，且与能源消耗密切相关。例如三效蒸发工艺，蒸汽使用和电耗产生的全球变暖潜势占整个污水再生处理阶段的41.2%，占污水处理系统的23.1%，是再生处理工艺环境影响产生的重要原因之一。因此，如能利用园区内其它工业企业产生的废蒸汽进行污水再生处理，将能大幅度的降低系统环境影响。

图3　污水再生膜-复合处理工艺再生处理阶段环境影响分析Fig.3　Environmental impact analysis of membrane complex treatment processing stages in wastewater reuse

3　结　论

本研究基于LCA分析评价了污水再生膜-复合处理工艺的环境影响，阐明了各阶段的生命周期环境影响。结果表明系统最主要的环境影响类别为海洋水生态毒性潜势，其余主要为非生物资源消耗潜势、全球变暖潜势、酸化潜势、富营养化潜势、淡水水生态毒性潜势、人体毒性潜势、光化学氧化潜势和陆地生态毒性潜势。其中非生物资源消耗潜势主要来源于污水处理系统药剂的消耗，富营养化潜势和淡水水生态毒性潜势来源于污染物排放，其余指标均源自能源的消耗。

污水再生膜-复合处理工艺再生处理阶段会产生较大的环境影响，但通过再生水对部分工业用水的替代，会在一定程度上补偿污水再生处理产生的负面环境影响，除了能大量节约水资源外，还能呈现环境正效应，因此从生命周期角度上看来污水再生膜-复合处理工艺出水用于工业途径不仅具有较高的水资源效益还具有一定的环境效益。

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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

环境保护部南京环境科学研究所中央级公益性科研院所基本科研业务专项。

王建国(1981-)，男，山东济宁人，2007年毕业于南京大学环境工程专业，硕士，工程师。主要从事环境影响评价方面的工作。

丁亚楠，450485218@qq.com。

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1001-3644(2015)02-0097-07