基于LCA 的城镇污水处理厂水源热泵能源回收的环境影响研究

周善英 齐书亭 刘佳昕 朴文华

（1 延吉市污水处理有限公司 吉林延吉 133000 2 延边大学地理与海洋科学学院 吉林珲春 133300）

0 引言

2020 年9 月22 日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上提出：“提高国家自主贡献力度，采取有力措施，二氧化碳排放在2030 年前达到峰值，力争2060 年前实现碳中和”［1-2］。随着我国城镇污水排放标准的提高和污水处理工艺的升级，污水处理厂的出水水质得到改良，但是污水处理过程中依然需要大量的能耗和化学药品的投加，从而造成了直接和间接的温室气体排放［3］。国际能源署（IEA）数据显示，2021 年我国的碳排放量占全球总量的33%，其中污水处理行业占全社会的1%～2%，是不可忽视的碳减排领域［4］。

本研究以吉林省延边朝鲜族自治州延吉市污水处理厂为例，利用生命周期评价方法（Life Cycle Assessment，LCA）对其提标改造前后的环境影响进行分析评价，并以水源热泵能源回收方案为例，模拟了能量不同回用率情境下的碳排放量，分析了污水处理厂的碳中和潜力，为未来污水处理厂的节能减排走向提供科学依据，对污水处理行业的可持续发展有指导意义。

1 研究对象与方法

1.1 污水处理厂概要

延吉市位于中国东北地区中部的吉林省延边朝鲜族自治州，与俄罗斯、朝鲜接壤。延吉市污水处理厂于2007 年8 月正式投产运行，占地面积为20.3 hm2。升级改造前采用A/O 工艺，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB 18918—2002）》一级B 标准。2020 年改造后，A/A/O+MBBR 工艺处理污水量为20 万m3/d，出水水质达到 《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB 18918—2002）》一级A 标准。本文基于污水处理厂提标改造前2019 年和提标改造后2021 年的相关数据进行分析。

1.2 污水处理厂出水水质变化特征

经提标改造后，此污水处理厂的出水化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、总氮（TN）浓度和总磷（TP）浓度有明显改善情况，且呈现季节性变化，冬季质量浓度明显高于夏季质量浓度，但各项出水水质指标均达到设计标准并保持稳定，达到地表水Ⅴ类水质标准，出水COD 基本保持在24.7～29.8 mg/L，BOD 基本保持在4.3～9.3 mg/L，出水TP 质量浓度基本保持在0.1～0.3 mg/L，出水TN 质量浓度基本保持在8.8～13.1 mg/L。该污水处理厂具有稳定的出水水质、达到地表水Ⅴ类水质标准等特性，可较好地满足污水源热泵系统稳定、高效运行的需求。

1.3 生命周期评价方法

LCA 是ISO14040 提出的1 种用于评估产品或服务在其整个生命周期中对环境的影响的方法［5］，包括目标与范围的确定、清单分析、影响评价和结果解释。生命周期的思想常应用于绿色包装、绿色制造、清洁生产审核、环境标签。随着温室气体、碳排放、碳中和成为国际社会的关注焦点，基于LCA 的碳足迹研究已经成为了量化评估企业、组织国家碳排放的重要方法。通过LCA 方法，可以评估整个生命周期内所涉及的碳排放源，并计算出总的碳足迹。

1.3.1 研究目的与范围

基于LCA 方法，对改造前后的A/O、A/A/O+MBBR工艺和水源热泵不同出水回用率情景进行环境影响核算，比较不同能源回用情景和升级前后污水处理工艺的节能降耗情况。功能单位是1 000 m3/d 的污水处理量。

1.3.2 清单数据

根据目标和范围，收集污水处理厂提标改造前和2021 年提标改造后的运行数据，如表1 所示，包括污水处理过程中的电耗、药品消耗、污泥产量及出水水质和温室气体排放量。电耗、化学药品和水质数据由污水处理厂提供，CH4和N2O 的排放量是用COD 和NH3-N 的去除量和温室气体排放系数计算得出［6-7］。

表1 延吉市污水处理厂生命周期评价清单数据

1.3.3 生命周期影响评价

本研究选取了5 种环境影响类别，即全球变暖潜力（GWP）、酸化潜力（AP）、富营养化潜力（EP）、淡水水生态毒性潜力（FAETP）和光化学烟雾产生潜力（POCP）。利用GaBi9.2 中CML2001-Jan.2016 方法对提标改造前后污水处理厂的环境影响进行量化。

2 基于污水源热泵系统的污水处理厂

2.1 污水源热泵基本原理

污水源热泵系统就是利用借助污水源热泵压缩机系统，消耗少量电能［8］。污水作为冷热源与二次循环水经过换热设备进行热量交换。在冬季，热泵“汲取”污水中的能量，经管网供给用户供热；在夏季，热泵带走室内热量并将热量转移到污水中，为室内制冷［9］。我国已有城市污水处理厂将污水源热泵应用于污水处理中，证明污水源热泵系统作为空调冷热源具有较大的节能减排潜力［10］。

已有研究发现污水源热泵系统能效比通常为4.0～4.5，即当输入1 kW 的电能，得到可用电能将为4.0～4.5 kW［11］。冬季，污水温度高于室外环境空气温度，蒸发器中蒸发温度提高，能效比也相应提高，同时避免了空气源热泵冬季除霜的问题。夏季，水体温度比室外环境空气温度低，冷凝器中冷凝温度降低，相较风冷式和冷却塔式系统，冷却效果较好，机组效率相应提高，能源利用效率高于以上形式的中央空调系统。因此，污水源热泵系统节能效益十分显著。

2.2 能源回收方案的建立

本研究选取的污水处理厂经2020 年提标改造后处理量达到20 万m3/d，充足的出水量为污水源热泵运行提供了前提条件。且污水处理厂的出水水质稳定地达到地表水Ⅴ类水质标准，可较好地满足污水源热泵系统稳定、高效运行的需求。

能源回收方案基于改造后的A/A/O+MBBR 工艺构建，经生物处理后的水回流至水源热泵中进行热交换，交换的热量用于污水处理厂内部供暖使用。本研究为探讨水源热泵的能源回收系统的最佳效益，基于GaBi 9.2软件模拟了不同出水回用率情景（10%、20%、30%、40%、50%、60%）下的LCA 特征化结果。

3 结果分析

3.1 升级前后污水处理工艺生命周期评价

本研究基于LCA 方法，利用GaBi9.2 软件中CML2001-Jan.2016 方法对污水处理厂提标改造前后运行过程中产生的环境影响进行综合分析，结果如表2 所示。由表2 可知，此污水处理厂经过提标改造后EP、AP、GWP 有所改善，提标改造前分别为8.6×10-3kg Phosphate eq.、2.87×10-3kg SO2eq.和10.86×10-1kg CO2eq.，经提标改造后各个指标分别降低了44.77%、14.63%、40.61%。但是FAETP 和POCP 等环境影响指标均高于改造前A/O 工艺，主要原因是提标改造后电耗增加了。其他LCA 研究结果中也得出类似结果，电耗是FAETP和POCP 的主要贡献者［12］。

表2 提标改造前后污水处理厂的环境影响特征化结果

FAETP 环境影响主要是由电力生产过程排放的污染物进入水体引起的，电力生产过程中会产生大量的氟化氢等污染物进入水体，使得FAETP 环境影响增加。POCP 是排入大气的NOx 和碳氢化合物受太阳紫外线作用，发生光化学反应所产生的1 种有刺激性的烟雾。POCP 主要与电耗相关，在产电和用电过程中所产生的碳氢化合物等都对POCP 有一定影响。

3.2 水源热泵能源回收方案的生命周期评价

在升级后A/A/O+MBBR 工艺基础上，进行水源热泵能源回用时，模拟回用率从10%～60%下工艺产生的环境影响，不同回用率下的环境影响特征化结果见表3。与升级前后2 种工艺相比，除EP 以外，AP、FAETP、GWP等环境影响潜值都在回用率为40%～50%时出现了最大负值，随着回用率的提高，会带来负值的增加，但是实际上有很大的限制因素。

表3 基于LCA 的水源热泵不同回用率方案的环境影响特征化结果

当模拟10%～60%的污水回用到水源热泵时，结果显示除了富营养化（EP）以外的所有环境指标均出现减少情况。温室效应（GWP）指标显示，当利用率为40%～50%时可达到碳中和，利用率为50%～60%时可以产生额外的碳收益。

4 结论

（1）提标改造前后的污水处理工艺的生命周期环境影响结果表明EP、AP 和GWP 有所改善，下降到44.77%、14.63%、40.61%。而FAETP 和POCP 并没有得到改善，其原因是由于提标改造后电耗的增加。

（2）污水处理厂水源热泵能源回用方案可以减少污水处理厂的碳排放，结果显示，除EP 以外，AP、FAETP、GWP 等环境影响潜值都在回用率为40%～50%时出现了最大负值。

（3）当40%～50%的污水回用到水源热泵时，能源回收产生的环境影响是最可观，能源回用率从50%～60%时，不仅可以完全补偿运行阶段能源消耗所产生的碳排放，也可以产生额外的环境与经济效益。