典型城镇污水处理工艺的环境影响评价研究

曹大勇，李悦，汤宇宙，母锐敏，刘乐然

（1.山东省环境保护科学研究设计院有限公司，山东济南250013；2.山东大学 能源与动力工程学院，山东 济南250061；3.山东建筑大学 市政与环境工程学院，山东 济南250101）

0 引言

随着社会经济的快速发展，环境污染已成为影响可持续发展的主要问题［1］。水体作为环境系统的重要组成部分，污染问题也日益严峻［2-3］。污水处理作为解决城市水污染的重要手段，对保证城市及其周边区域的水环境质量起到了关键的作用［4］。但是在污水处理过程中，需要消耗较多的资源和能源，同时也会产生一些环境污染物，如温室气体、污泥等，都会对环境产生负面效应［5］。

生命周期评价LCA（Life Cycle Assessment）是对一个产品的生命周期中输入、输出及潜在环境影响的汇编和评价［6］。LCA从原材料的获取、能源的生产、产品的制造和使用、产品末期的废弃或回收等整个生命周期进行评价［7］。其主要包括目标和范围的确定、清单分析、环境影响评价和结果解释4个部分［8-9］。采用LCA能够对污水处理系统造成的环境影响进行深入评价分析［10］，识别产生环境影响的关键流程和关键物质，并对应提出优化建议或减缓措施。

Beavis等发现污水处理工艺中采用次氯酸钠消毒方式在反应效率高的情况下对环境影响小；厌氧处理比好氧处理环境效益更好［11］。Dixon等比较了排入芦苇系统和排入生物滤池系统处理污水对环境造成的影响，重点考察了污泥中重金属的影响，发现若芦苇系统的土壤能够得到更换并利用，环境负荷会极大减少［12］。Houillon等通过LCA比较了农业推广、流化床焚烧、湿式氧化、热解、在水泥窑焚烧和填埋6种污泥处理方式，发现在总体环境影响特别是全球变暖方面，水泥窑焚烧影响最小［13］。Mahgoub等运用LCA评价了城市污水处理系统的环境影响，并对改善环境性能的不同方案进行了评估，认为将不同类型的废水进行分离处理是最佳方案［14］。Foley等采用LCA对污水处理厂运营阶段进行考察，发现相比于采用合成肥料，使用废水污泥作为肥料时，污泥中的重金属会带来更大的环境影响［15］。Pant等对污水处理厂的 LCA结果进行分析，指出采用更为廉价的原材料和更高效的微生物对污水处理厂的改进意义重大［16］。虽然国外的研究开展相对较早，但是由于国内外废水成分、处理工艺和排放标准等存在差异，LCA的背景数据也不相同，直接采用国外研究的结果评价国内的污水处理工艺存在不妥之处。

近年来，国内一些学者也开展了相关研究。王政等总结国内外好氧污泥培养及应用过程中存在的问题及难点，为好氧颗粒污泥的工程应用提供了理论依据［17］。王永磊等综合分析了温度、pH、有机物等影响厌氧氨氧化菌活性因素的最新研究进展，阐释了部分反硝化机理，并对主流生活污水处理系统中应用厌氧氨氧化工艺的可能和挑战进行了展望［18］。陈郁等研究了一套适用于城市污水处理厂的LCA体系，在评价中将污水处理过程看作产品的生产过程，污泥是产品生产过程中的副产品［19］。张琼华等对污水厂进行了建设、运营和拆除全阶段的LCA分析，提出了污水处理环境效益估算模型，并以量化形式给出了采用深度处理相对于二级处理的环境效益对比［20］。吉倩倩对采用三级处理工艺的污水处理厂进行LCA分析，计算出污水处理过程的投入成本及污水再生处理前后对环境的影响［21］。燕书权等对污水厂改造前后进行LCA分析并对比，发现由于电耗的增加，导致污水处理厂经过改造的环境负荷大于改造之前［22］。侯兴等对3种典型的城市污水再生工艺进行LCA分析，结果表明微絮凝—砂滤—消毒工艺在尾水用作工业冷却水时环境影响最小［23］。黄希望等对采用厌氧—缺氧—好氧法工艺的污水处理厂进行评价，发现污水处理厂能量消耗主要来自运营阶段，同时分析了该工艺相对于其他工艺的优劣［24］。

随着我国环保压力的不断增加，污水厂排放标准日益严格，需要进行控制的污染物也越来越多［25］。根据《城镇污水处理厂污染物排放标准（征求意见稿）》的要求，2016年7月1日起新建的及2018年1月1日起敏感区域内的城镇污水处理厂，必须执行一级A标准，其中COD、悬浮物、氨氮、总氮和总磷的排放限值分别为 50、10、5、15和0.5 mg／L［26］。相比于现行的排放标准［27］，征求意见稿的要求更为严格。此外，各地方标准也对污水厂出水做出了严格的限制，并增加了排污控制因子的数量［28］。

为了应对日益严格的污水排放标准，污水处理厂不断采用更为先进的工艺，整体环境负荷发生了改变，需要对现有污水处理工艺的环境影响进行重新识别分析。文章选取山东济宁某污水处理厂为研究对象，进行了LCA分析，识别了污水处理过程中的关键流程与关键物质，并进行敏感性分析。所有数据全部来自实测，减少了数据带来的不确定性。构建了环境影响与经济成本分析相结合的评价模型，进行了环境经济集成评价。

1 污水处理工艺的环境影响概述

1.1 污水处理厂概况

选取济宁某污水处理厂作为研究对象，该污水处理厂位于南水北调工程沿线，采用厌氧—缺氧—好氧法与移动床生物膜反应器技术相结合的工艺，设计日处理污水量20万t。由于以往的研究证明污水处理厂运行阶段的影响远大于建设和拆除阶段［29］，因此仅考虑污水处理厂的运行阶段。根据处理工艺将污水处理分为4个阶段，即机械处理阶段、生物处理阶段、深度处理阶段与污泥处理阶段。具体的系统边界与工艺流程如图1所示。取处理1万t污水作为功能单元，量化分析污水处理过程中的能量、物料投入和环境影响。

图1 污水处理厂系统边界及工艺图

1.2 生命周期评价和生命周期成本评价阐述

采用ReCiPemidpoint（H）模型进行生命周期评价。ReCiPe模型是目前应用最为广泛的LCA评价模型［30］，包括18种中间点影响类别，即气候变化、臭氧消耗、人类毒性、光化学氧化剂形成、颗粒物形成、电离辐射、陆地酸性化、淡水水体富营养化、海水水体富营养化、陆地生态毒性、淡水生态毒性、海洋生态毒性、农业土地占用、城镇土地占用、自然土地改造、水消耗、金属消耗、化石能源消耗。在ReCipe终点影响类别中仅包括人类健康、生态系统和资源剩余成本。相比于终点模型，中间点模型由于影响类型划分细致，能够更细致地反映出污水处理工艺的环境影响。同时采用生命周期成本分析（LCC）方法对整个研究中的经济成本进行分析，包括原材料购买、电力消耗、劳动力工资、废弃处理等。

1.3 污水处理工艺污染排放清单

污水处理的能量、物料投入以及排放数据均来自济宁某污水处理厂，除栅渣处理来自文献［31］，聚合氯化铝（PAC）生产数据来自企业生产报告外，其他物料的生产数据和污染物排放数据均来自Ecoinvent3数据库。

由于数据库中没有乙酸钠的相关数据，采用提供等量碳的葡萄糖替代。这种处理方式能够较好地解决数据库中对应物质缺乏的问题，目前已经得到了广泛的应用［32］。

气体无组织排放量根据实地测量结合Screen3模型估算获得，IPCC认为污水处理过程中微生物降解产生的CO2属于生源碳，因此该部分CO2不计入温室气体清单中［33］。污泥的污染主要来自其中的有机质和重金属［34-35］，并非由污水处理厂产生，且已委托第三方处理，因此污泥自身的影响未包含在系统边界内。污水处理各阶段输入与输出汇总见表1。

表1 污水处理各阶段输入与输出汇总表

2 典型城镇污水处理工艺的主要环境影响因素评价

2.1 污水处理过程的主要环境影响类型

应用ReCiPemidpoint（H）模型对整个污水处理过程进行分析，得出17个中间点环境影响的标准化结果，如图2所示，各阶段的具体标准化结果如图3所示。

图2 污水处理标准化中间点影响类型图

图3 污水处理各阶段标准化中间点影响类型图

分析图2、3可知，污水处理对气候变化、陆地酸性化、淡水水体富营养化、人类毒性、光化学氧化剂形成、颗粒物形成、淡水生态毒性、海洋生态毒性、自然土地改造、化石能源消耗等10个方面影响较大，其他方面的影响较小。

2.2 造成环境影响的关键流程

为了识别出造成主要环境影响的关键流程，以10种环境影响类型和经济成本为研究对象进行分析。如图4所示，生物处理阶段的环境影响最大，深度处理阶段次之，机械处理阶段和污泥处理阶段的环境影响相对很小。其中，生物处理阶段在这10项环境影响类型中占比分别为 62.3%、60.1%、45.6%、57.4%、62.1%、60.8%、45.5%、47.0%、58.1%、61.9%，占经济成本的比例为 45.5%，所有项目占比均超过45%，属于关键流程。深度处理阶段在这10项环境影响类型中占比分别为21.7%、22.8%、53.8%、31.3%、22.2%、23.8%、54.3%、51.8%、29.1%、22.5%，占经济成本的比例为21.2%，所有项目占比均超过20%，在淡水水体富营养化、淡水生态毒性和海洋生态毒性3项中占比超过50%，同样属于关键流程。

图4 关键流程识别图

2.3 造成环境影响的关键物质

为了深入分析污水处理各环节造成环境影响的关键物质，需要进一步分析各类物质在总体环境影响负荷中所占的比重。如图5所示，生物处理和深度处理2个关键流程中，电力在总体环境影响中的占比分别为66.2%与34.1%，PAC在总体环境影响中的占比也达到了32.2%与62.4%。因此，电力和PAC 2种物质是造成污水处理厂环境影响的关键物质。

图5 关键物质识别图

3 典型城镇污水处理工艺的环境影响分析

3.1 环境影响的经济环境集成分析

经济环境集成评价结果如图6所示。数据显示，对环境和经济成本影响最大的阶段是生物处理阶段，其次为深度处理阶段，污泥处置阶段的环境和经济成本相对较小。因此，生物处理阶段和深度处理阶段是污水处理厂工艺优化的重点。

3.2 环境影响的关键物质敏感性分析

为了分析关键物质的数据变化对LCA结果的影响程度，对电力和PAC 2种关键物质进行敏感性分析。按照关键物质数量改变10%的原则，比较关键物质数量改变后总的环境影响的变化程度。

图6 经济环境集成分析图

电力敏感性分析结果如图7所示。除淡水水体富营养化、淡水生态毒性、海洋生态毒性3项外，其余9项的结果受电力使用量变化的影响程度较大，其中化石能源消耗的变化量最大。

图7 电力敏感性分析图

PAC敏感性分析结果如图8所示。PAC的消耗量减少10%后，淡水水体富营养化、淡水生态毒性、海洋生态毒性3项出现了明显的减小，其中淡水生态毒性变化最大；综合影响也出现了较大程度的减小，其他各类变化的程度不明显。

图8 PAC敏感性分析图

基于敏感性分析，减少电力与PAC的使用对于减轻污水处理厂运行阶段的环境影响效果明显。缩减PAC的使用量，或者采用更为环保的絮凝剂替代PAC，是目前污水处理厂需要考虑的一个方向。此外，如果能进一步提升火力发电效率，优化电力结构，采用低能耗的设备，污水处理厂的环境影响也会出现明显的改善。

4 结论

通过LCA与LCC集成评价，量化了污水处理厂运营阶段的环境影响与经济成本。同时根据量化结果，辨识出了污水处理过程的主要环境影响类型，识别了造成环境影响的关键环节和关键物质，并对关键物质进行了敏感性分析。

（1）在ReCiPe中间点影响类型中，污水处理工艺在气候变化、陆地酸性化、淡水水体富营养化、人类毒性、光化学氧化剂形成、颗粒物形成、淡水生态毒性、海洋生态毒性、自然土地改造、化石能源消耗等10个方面对环境的影响较大。

（2）关键流程为生物处理和深度处理，这2个流程在主要环境影响类型中的占比均超过45%和20%。同时生物处理也是经济成本最主要的来源。

（3）污水处理中的关键物质为电力和PAC，2种关键物质分别占总环境影响潜值的58.3%和39.0%。减少电力与PAC的使用对于降低环境影响负荷效果明显。降低电力与PAC消耗量，提升火电效率，优化电力结构，使用低能耗设备以及改用更为环保的絮凝剂，对于降低城镇污水处理厂对总体环境的影响具有重要意义。

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