垂直流人工濕地的生命周期評價*

呂慧瑜 夏訓峰 王京剛 王麗君 韋 超

(1.北京化工大學化學工程學院，北京 100029；2.中國環境科學研究院水環境系統工程研究室，北京 100012)

垂直流人工濕地的生命周期評價*

呂慧瑜1,2夏訓峰2王京剛1#王麗君2韋 超1,2

(1.北京化工大學化學工程學院，北京 100029；2.中國環境科學研究院水環境系統工程研究室，北京 100012)

以設計處理水量為70m3/d的垂直流人工濕地為評價對象，處理1m3污水為評價單元，分別對濕地建設階段和運行階段的全球變暖、酸化、富營養化、光化學臭氧合成以及粉塵、固廢等5 種影響類型進行生命周期評價。結果表明：全球變暖的主要貢獻因子為CO2和N2O，兩者的貢獻達到了82.2%，主要是由建設階段產生的；酸化的主要貢獻因子為NOx，占酸化總量的70.1%，主要由建設階段產生；富營養化的主要貢獻因子為總氮、氨氮和總磷，3者的貢獻達到89.4%，主要是由運行階段產生；光化學臭氧合成的主要貢獻因子為CH4，占光化學臭氧合成總潛力的77.5%，主要來源于運行階段；固廢、粉塵主要來源于建設階段。5種影響類型的環境影響指數為富營養化>光化學臭氧合成>固廢、粉塵>全球變暖>酸化。

垂直流人工濕地 污水處理技術 生命周期評價

Abstract: A vertical flow constructed wetland that had 70 m3/d processing capacity was applied as the evaluation subject,a life cycle assessment on construction stage and running stage for global warming,acidification,eutrophication,photochemical ozone synthesis and dust & solid waste were evaluated based on 1 m3wastewater treatment unit. Results show that:the main contributors to global warming were CO2and N2O which were discharged from construction stage,accounting for 82.2%;the main contributor to acidification was NOxwhich was discharged from construction stage,accounting for 70.1%;the main contributors to eutrophication were total nitrogen,ammonia nitrogen and total phosphorus which were discharged from running stage,accounting for 89.4%;the main contributor to photochemical ozone synthesis was CH4which was discharged from running stage,accounting for 77.5%;dust & solid waste were discharged from construction stage. The environment impact index showed that eutrophication>photochemical ozone synthesis>dust & solid waste>global warming>acidification.

Keywords: vertical flow construsted wetland; wastewater treatment technology; life cycle assessment

人工濕地是20世紀70年代發展起來的一種新興污水處理技術，因其出水水質穩定、基建和運行費用低、抗沖擊力強、操作與管理方便等優點[1]，正在被越來越多地應用于中小城鎮和農村生活污水處理[2]。垂直流人工濕地的污水處理能力更強，占地面積更小，因而應用也最廣泛[3]。生命周期評價(LCA)是對一個產品系統的生命周期中輸入、輸出及其潛在環境影響的綜合評價[4]。VALERIE等[5]對垂直流人工濕地和表面流人工濕地的環境影響進行了生命周期評價和比較。國內也有學者采用LCA對人工濕地的環境影響進行評價[6]。需要指出的是，以往研究的人工濕地沒有考慮污泥的處理與處置。本研究對垂直流人工濕地的評價，不僅包括了濕地運行過程的環境負荷，還包括了上游原材料開采、運輸和生產環節等產生的環境影響。

1 LCA方法

1.1 評價對象

評價對象為常州市一農民安置小區處理生活污水的垂直流人工濕地處理系統，服務人口為700人，設計處理水量為70 m3/d，設計進出水水質見表1。

1.2 評價內容

本研究的評價范圍只包括垂直流人工濕地處理系統的建設階段與運行階段，其運行流程如圖1所示。人工濕地的生命周期設定為15年，對每處理1 m3污水進行生命周期評價。主要考慮全球變暖、酸化、富營養化、光化學臭氧合成以及粉塵、固廢等5 種影響類型。

表1 設計進出水水質

圖1 人工濕地運行流程Fig.1 Operation process of constructed wetland system

1.3 評價方法

根據文獻[7]的方法進行生命周期評價。

建設階段人工濕地系統材料消耗清單見表2。建材的原材料開采、加工生產過程中的污染物排放數據參考劉順妮[7]、龔志起[8]、李蔓[9]的研究成果。建設過程中機械的施工能耗數據來自文獻[10]。

表2 建設階段人工濕地系統材料消耗清單

運行階段主要數據來源：項目建材消耗量根據表1的數據進行計算[11-13]；運輸以及電力、煤、原油、天然氣、柴油等相關數據來自文獻[14]，其中運輸采用公路運輸；運行過程中人工濕地和污泥消化的溫室氣體排放數據參考文獻[11]和文獻[15]；兩臺提升水泵功率均為4.5 kW，間歇運行，每天運行40 min，耗電量為3 kW·h/d；由于政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》不考慮將廢水處理生物碳源的CO2排放計入溫室氣體排放清單，因此垂直流人工濕地廢水處理生物的直接溫室氣體排放只考慮N2O和CH4，兩者的直接排放量分別為0.288 0、0.037 4 kg/d[15]；初沉池污泥消化的CH4排放量為0.720 0 kg/d。CH4修正因子(MCF)取0.1。

全球變暖潛力均以CO2作為當量，CH4、N2O和CO的當量系數分別為25、320、2。酸化量以SO2作為當量，NOx的當量系數為0.7。富營養化程度以正磷酸鹽作為當量，NOx、氨氮、總磷、總氮和COD的當量系數分別為1.35、3.64、32.0、4.43、0.23。光化學臭氧合成潛力以C2H4作為當量，CO和CH4的當量系數分別為0.030、0.007[16]。環境影響評價指數計算參考楊建新等[14]的研究成果。

2 結果分析

2.1 全球變暖

全球變暖潛力的評價結果見圖2。由圖2可見，人工濕地處理1 m3污水的全球變暖總潛力為2.941 kg/a，主要貢獻因子為CO2和N2O，兩者的貢獻達到了82.2%。除CH4外，全球變暖潛力主要是由建設階段產生的。

圖2 全球變暖潛力評價結果Fig.2 The global warming potential assessment result

2.2 酸 化

酸化量的評價結果見圖3。由圖3可見，人工濕地處理1 m3污水的酸化總量為4.95 g/a，主要貢獻因子為NOx，占酸化總量的70.1%，主要也是由建設階段產生。

圖3 酸化量評價結果Fig.3 The acidification assessment result

2.3 富營養化

富營養化程度的評價結果見圖4。由圖4可見，人工濕地處理1 m3污水的總富營養化程度為0.196 kg/a，主要貢獻因子為總氮、氨氮和總磷，3者的貢獻達到89.4%。除NOx外，富營養化主要是由運行階段造成的。

圖4 富營養化程度評價結果Fig.4 The eutrophication assessment result

2.4 光化學臭氧合成

光化學臭氧合成潛力的評價結果見圖5。由圖5可見，人工濕地處理1 m3污水的光化學臭氧合成總潛力為9.743 g/a，主要貢獻因子為CH4，占光化學臭氧合成總潛力的77.5%，主要來源于運行階段。

2.5 固廢、粉塵

處理1 m3污水的粉塵量為8.47 g/a，主要來源于建設階段。處理1 m3污水的固廢量為4.65 g/a，主要也來源于建設階段。

2.6 總體環境影響評價結果

5種影響類型的總體環境影響評價結果如表3所示。5種影響類型的環境影響指數為富營養化>光化學臭氧合成>固廢、粉塵>全球變暖>酸化。

圖5 光化學臭氧合成潛力評價結果Fig.5 The photochemical ozone synthesis potential assessment result

影響類型環境影響指數全球變暖2.81×10-4酸化1.01×10-4富營養化2.31×10-3光化學臭氧合成1.87×10-3固廢、粉塵2.99×10-4

2.7 改進評價建議

(1) 建設階段，可以通過改善材料的生產工藝來降低能耗。熱耗是造成水泥生產工藝能量消耗巨大的主要原因，因此要降低水泥的生產能耗就要降低水泥的燃煤熱耗。由于摻入礦渣可以取代部分熟料，且礦渣制備消耗的能量小于其取代的熟料。因此，適量加入礦渣可以降低水泥生產過程的能耗。

(2) 在PVC管材生產中，通過采取氯化氫合成爐余熱蒸汽利用、離心母液熱量回用、干燥蒸汽冷凝水回用、干燥螺旋輸送器安裝變頻裝置[17]等節能措施，降低每噸PVC管材生產的電耗、水耗等。

(3) 運行階段，可以通過優化人工濕地系統的設計參數來控制溫室氣體的排放。CH4在引起全球變暖方面僅次于CO2，全球變暖效率是CO2的20～32倍。CH4產生、氧化和傳輸3個過程受到多種環境因素的影響，其中控制濕地CH4排放的最主要因素為濕地水位[18]。水位決定了土壤厭氧程度，氧化還原電位隨著土壤水位的升高而大幅降低，厭氧環境有利于產甲烷菌的生存，會產生更多CH4[19-20]。因此，可以通過控制濕地合適的水位來削減CH4的排放。

3 結 論

對垂直流人工濕地的全球變暖、酸化、富營養化、光化學臭氧合成以及固廢、粉塵等5種影響類型進行了生命周期評價。全球變暖的主要貢獻因子為CO2和N2O，兩者的貢獻達到了82.2%，主要是由建設階段產生的；酸化的主要貢獻因子為NOx，占酸化總量的70.1%，主要由建設階段產生；富營養化的主要貢獻因子為總氮、氨氮和總磷，3者的貢獻達到89.4%，主要是由運行階段產生的；光化學臭氧合成的主要貢獻因子為CH4，占光化學臭氧合成總潛力的77.5%，主要來源于運行階段；固廢、粉塵主要來源于建設階段。5種影響類型的環境影響指數為富營養化>光化學臭氧合成>固廢、粉塵>全球變暖>酸化。

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Lifecycleassessmentofveticalflowconstructedwetland

LYUHuiyu1,2,XIAXunfeng2,WANGJinggang1,WANGLijun2,WEIChao1,2.

(1.CollegeofChemicalEngineering,BeijingUniversityofChemicalTechnology，Beijing100029;2.LaboratoryofWaterEnvironmentalSystemsEngineering,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012)

2016-07-18)

呂慧瑜，女，1994年生，碩士研究生，研究方向為污水處理技術的生命周期評價。#

。

*國家水體污染控制與治理科技重大專項(No.2015ZX07103-007)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.08.011