地下土壤滲濾系統處理農村生活污水的生命周期評價

呂慧瑜，高生旺，黃秋霖,王麗君，夏訓峰

(1.中國環境科學研究院，北京 100012；2.北京化工大學，北京 100029;3.蒼南縣建筑設計研究院，浙江 溫州 325800)

長期以來，生活污水的治理主要集中在城市人口密集地區，而多數農村地區因無管網覆蓋而難以收集，一般經過簡易三格化糞池處理后直接排入周邊水體，對水環境造成了嚴重的污染，影響了農村居民的身體健康與經濟發展[1-3]。

地下土壤滲濾系統是一種基于生態學原理的分散式污水處理技術，具有出水水質穩定、受季節影響小、運行費用低等優點[4-5]。該污水處理系統在運行過程中可降低原水中的污染物，但其從建設到運行的生命周期過程中也會消耗資源、能源并排放污染物。傳統上對污水處理技術的評價多考慮其技術經濟因素，而沒有加入環境因素的考量，忽略了污水處理設施在建設和運行期間直接和間接的環境排放負面影響。因此，污水處理技術自身建設和運行產生的環境影響也應當作為技術評估的重要內容。

生命周期評價(Life Cycle Assessment，簡稱LCA)是從生命周期視角對產品進行環境影響評價的一種環境管理工具。LCA在國內外已經得到了廣泛的應用，取得了很多成果。目前，已有學者對污水生態處理技術進行了生命周期評價及其對比研究，如Valerie等[6]對垂直流和水平流人工濕地進行了生命周期對比研究，結果表明垂直流人工濕地總的環境較小；Zhao等[7]對比分析了天津垂直流和水平流人工濕地的溫室氣體排放；趙玉峰[8]采用LCA方法對表面流人工濕地等面源污染治理技術的環境影響進行了生命周期評價。但上述這些研究都沒有把污泥處理分析加入LCA到研究中。為此，本文將系統運行期間的直接污染物排放以及廢棄物和污泥的處理分析加入地下土壤滲濾系統的生命周期評價研究中，對比分析了生命周期各個過程中非生物資源耗竭、酸化、富營養化、全球變暖和固體廢物等環境影響類型，并確定了主要的環境影響類型和造成環境影響的關鍵環節，形成對地下土壤滲濾系統完整的生命周期評價研究。

1 地下土壤滲濾系統生命周期評價

1.1 目標與范圍定義

本文以上海市某村莊的污水處理系統——地下土壤滲濾系統作為研究對象[2,9]，該地下土壤滲濾處理系統的工藝流程為：生活污水→化糞池→格柵→調節池→地下滲濾場→出水排放→污泥處理。根據國內現有的數據資料，本文利用ebalance ECER軟件對地下土壤滲濾系統進行生命周期評價，目的在于分析地下土壤滲濾處理技術的環境影響類型及其水平，確定其造成環境影響的關鍵環節，為農村生活污水生態處理技術的生命周期評價提供數據支持，為農村生活污水處理技術的進一步改善提供科學依據。

本次LCA研究的功能單元為處理1 m3生活污水，研究范圍界定為地下土壤滲濾系統的建設階段和運行階段，廢棄階段暫不考慮。該系統邊界主要為污水處理設施的建設、污水處理及副產品的處理過程，包括污水處理設施的建設、污水的處理、廢棄物和污泥的處理及出水排放，見圖1。其整個污水處理系統設計處理水量為100 m3/d，生命周期設定為20年。

圖1 地下土壤滲濾系統邊界Fig.1 Boundary of subsurface soil infiltration system

1.2 地下土壤滲濾系統清單數據分析

LCA研究的范圍主要包括污水處理系統的建設階段和運行階段，建設階段考慮產品的生產和運輸過程，運行階段考慮電力消耗和環境排放以及廢棄物和污泥處理過程的電耗和污染物排放。數據來源主要為：原材料開采、生產過程、運輸、電力生產數據來自中國生命周期參考數據庫(CLCD)[10]；運行過程中溫室氣體的排放數據主要參考IPCC指南和相關文獻的研究成果[11-13]；柵渣和污泥處理的能耗及其污染物排放數據參考曹秀芹等[3]和劉夏璐等[10]的研究成果。

地下土壤滲濾系統的建筑材料主要包括磚塊、混凝土、砂、碎石、聚氯乙烯薄膜、水泥、黏土、爐渣和土工布等。本研究不將工業廢棄物爐渣作為資源消耗，這里只考慮運輸這些廢棄物的能源消耗及排放[14]。水泥、混凝土、磚塊、砂、碎石、黏土、聚氯乙烯薄膜和土工布等材料生產過程中污染物排放數據以及運輸、電力生產的數據均來自CLCD。假定所有原材料和最終產品均由10 t載重柴油汽車運輸，最終產品的平均運輸距離為100 km，柵渣和污泥外運處置的運輸距離為50 km。其中，污泥濃縮脫水后和柵渣外運進行填埋處置。

地下土壤滲濾系統的能源消耗主要包括柴油消耗和電耗。其中，電力主要用于土壤滲濾場的格柵和水泵的運行；柴油用于土方開挖以及原材料、建筑材料、柵渣和污泥的運輸[15]。

本文考慮的直接排放的環境污染物主要有CH4和N2O。其中，CH4主要來自于化糞池中糞便的消化和土壤滲濾場的排放；N2O主要來自于土壤滲濾場的排放。化糞池的處理效率為50%，CH4的排放量采用IPCC的CH4排放因子進行計算[11]：

CH4排放因子(EF)=最大CH4產生能力(Bo)×CH4轉換因子(MCF)

(1)

化糞池的Bo取值為0.6 kgCH4/kgBOD，MCF取值為0.1(定期掏空)，因此CH4排放因子為0.06[12]。根據污水中的有機物含量和排放因子，計算出化糞池CH4的單位排放量為0.012 kg/d。地下土壤滲濾系統的進水中，有0.8%～1.3%的BOD轉換成CH4氣體，有2.4%～3.7%的總氮轉換成N2O氣體[13]。

地下土壤滲濾系統輸入與輸出的能量和物質見表1。由整個系統的輸入與輸出的能量和物質數據，可以得到地下土壤滲濾系統以功能單位為依據的生命周期清單表，見表2。

表1 地下土壤滲濾系統輸入與輸出的能量和物質Table 1 Energy and matter input and output from subsurface soil infiltration system

表2 地下土壤滲濾系統的生命周期清單表Table 2 Life cycle inventory of the energy and matter input and output from subsurface soil infiltration system

注：表中除電耗單位為kW·h/m3外，其他單位均為kg/m3。

1.3 地下土壤滲濾系統生命周期的環境影響評價

1.3.1 環境影響的分類

針對地下土壤滲濾系統，本文主要考慮的環境影響類型有非生物資源耗竭(ADP)、酸化(AP)、富營養化(EP)、全球變暖(GWP)和固體廢物(Solid Waste)。根據ebalance ECER軟件中內置的分類原則，對地下土壤滲濾系統的原材料消耗、能源消耗和環境排放物質清單進行了分類，歸納出不同的環境影響類型，見表3。

表3 地下土壤滲濾系統環境影響的分類Table 3 Classification for the environmental impact of subsurface soil infiltration system

1.3.2 環境影響的特征化分析

根據ebalance ECER軟件中內置的特征化模型，對地下土壤滲濾系統生命周期的環境影響進行特征化分析，其結果見表4。

表4 地下土壤滲濾系統生命周期的環境影響特征化分析結果(單位：kg/m3)Table 4 Characterization of the life cycle environmental impact of subsurface soil infiltration system (unit:kg/m3)

1.3.3 環境影響的歸一化處理

利用ebalance ECER軟件中特有的CN-2005歸一化模型，對地下土壤滲濾系統生命周期的環境影響特征化分析結果進行歸一化處理，其結果見表5。

表5 地下土壤滲濾系統生命周期的環境影響歸一化分析結果Table 5 Nomalization of the life cycle environmental impact of subsurface soil infiltration system

2 評價結果分析

2.1 地下土壤滲濾系統生命周期的環境影響分析

根據表5的歸一化分析結果，可得出地下土壤滲濾系統生命周期的環境影響歸一化值，見圖2。

圖2 地下土壤滲濾系統生命周期的環境影響歸一化值Fig.2 Normalization of the life cycle impact assessment of subsurface soil infiltration system

由圖2可見，地下土壤滲濾系統生命周期的環境影響歸一化值大小依次為富營養化、全球變暖、酸化、固體廢物和非生物資源耗竭。其中，富營養化是地下土壤滲濾系統環境影響的主要類型，占環境影響總值的75.9%；全球變暖次之，占環境影響總值的13.5%；酸化占環境影響總值的6.2%；固體廢物占環境影響總值的3.9%；非生物資源耗竭的環境影響歸一化值最小。

富營養化是地下土壤滲濾系統環境影響最主要的類型，它的環境負荷絕大部分來自出水排放，而出水中含有的氮、磷造成了富營養化影響，因此可通過優化地下土壤滲濾系統設計的方式來改善出水水質；全球變暖的環境影響主要來源于地下滲濾場、化糞池的溫室氣體排放，化糞池厭氧反應釋放了大量的CH4，而地下滲濾場運行時產生了CH4和N2O溫室氣體；酸化的環境影響主要來自建筑材料的生產過程、柴油貨車運輸過程中排放的SO2和NOx；固體廢物的環境影響主要來源于化糞池、調節池和地下滲濾場。

對地下土壤滲濾系統各部分(包括污水收集階段和處理出水排放階段)的環境影響值和環境影響比例繪圖，其結果見圖3和圖4。

圖3 地下土壤滲濾系統各部分的環境影響值Fig.3 Environmental impact value of various parts in subsurface soil infiltration system

由圖3可見，地下土壤滲濾系統出水排放部分的環境影響值最大，占地下土壤滲濾系統環境影響總值的65.5%；地下滲濾場次之，占環境影響總值的20.6%；化糞池的環境影響再次之，占環境影響總值的8.4%；其他部分的環境影響較小,占環境影響總值的6%左右。

圖4 地下土壤滲濾系統各部分的環境影響比例Fig.4 Environmental impact potential proportion of various parts in subsurface soil infiltration system

由圖4可見，地下土壤滲濾系統出水排放部分具有富營養化的環境影響比例最大值，占富營養化環境影響總值的86.3%，這是由于出水中的氮、磷造成了富營養化影響；地下滲濾場的非生物資源耗竭、酸化、全球變暖的環境影響比例均為各部分環境影響比例的最大值，分別占各環境影響類型總值的68.0%、60.1%、52.4%，這是由于地下滲濾場面積較大，土方開挖時挖掘機所需的能源消耗較多且需要大量填料，而建筑材料的運輸過程消耗柴油并排放大量的污染物，因此造成非生物資源耗竭和酸化的環境影響較大，另外地下滲濾場運行時排放的溫室氣體N2O和CH4雖然排放量不大，但溫室效應明顯；固體廢物的影響主要來源于調節池水泵的電耗和地下滲濾場發電過程中產生的廢棄物。

2.2 地下土壤滲濾系統清單數據的敏感度分析

敏感度分析是定量分析數學模型輸入變量對輸出結果影響程度的方法[16]。分析清單數據(清單數據可反映單位變化率引起的指標變化率)對各指標的靈敏度，可辨識最有效的改進點。敏感度定義為

Smn=(ΔOm/Om)/(ΔIn/In)

(2)

式中：Smn為In對Om的敏感度；Om為第m種未達標的LCA結果指標值；ΔOm/Om為未達標指標值變化率；In為第n種過程清單數據值；ΔIn/In為清單數據值變化率。

根據生命周期環境影響評價結果對地下土壤滲濾系統各部分的主要原材料、運輸、電力清單數據進行敏感度分析，其結果見表6。

表6 地下土壤滲濾系統各部分的主要原材料、運輸、電力清單數據的敏感度分析Table 6 Sensitivity analysis on raw materials,transport,and electricity inventory of various parts in subsurface soil infiltration system

由表6可知，運輸投入對LCA結果的影響最大，要減小地下土壤滲濾系統各環境影響指標的影響值，就要減少運輸距離、柴油消耗或排放；運輸投入是影響ADP、AP、EP、GWP指標最關鍵的清單數據，鋼筋投入對ADP指標也有部分影響，電耗投入是影響固體廢物的指標最關鍵的清單數據，而混凝土投入和磚塊投入對各環境影響指標的影響相對較小。

2.3 改進建議

(1) 通過優化地下土壤滲濾系統的設計來提高系統的處理效率，改善出水水質。在應用地下土壤滲濾系統來去除污染物時，基質具有重要的作用價值，所以通過改良系統中的基質可以提升滲透速率，進而增強水力負荷；另一個提高系統處理效率的方法是改進系統填料的類型和設置[17]，這是當前解決地下土壤滲濾系統處理效率不高的重要手段。

(2) 減少溫室氣體排放是減小全球變暖潛值的主要措施。在保證化糞池中糞便消化時間的情況下，適當縮短化糞池掏空的周期，可以減少化糞池CH4的排放；通過對地下土壤滲濾場進行通風，增大滲濾系統的ORP值，可減少滲濾系統CH4和N2O的排放[13]。

(3) 合理選用運輸的渠道和能源，降低運輸能耗和環境排放。根據以往交通運輸業完成單位換算周轉量的碳排放量數據來看，鐵路運輸的單位換算周轉量的碳排放量為0.021 7 kg/(t·km)，公路運輸為0.121 8 kg/(t·km)，水路運輸為0.011 5 kg/(t·km)[18]，因此部分路段可以考慮采用鐵路運輸的方式。

(4) 目前關于污水泵采取的節能技術措施主要包括[19]：科學設置水泵的運行臺數，合理調節水泵的運行工況；應用水泵的變頻調速技術和優化組合控制技術；對水泵采用變角變速調節和削切葉輪直徑；對泵殼和泵輪進行表面處理及抗腐蝕處理。

3 結 論

(1) 地下土壤滲濾系統處理1 m3農村生活污水的非生物資源耗竭、酸化、富營養化、全球變暖和固體廢物環境影響歸一化值分別為4.84×10-15、6.39×10-14、7.77×10-13、1.39×10-13和3.97×10-14，富營養化和全球變暖是地下土壤滲濾系統環境影響的主要類型。

(2) 整個地下土壤滲濾系統中，出水排放的環境影響值最大，且由于出水中的氮磷排放，其環境影響表現為富營養化。地下滲濾場的環境影響值次之，這是由于建設期的能源和建筑材料的消耗、建筑產品運輸過程中柴油消耗和環境排放，以及運行時的溫室氣體排放，其非生物資源耗竭、酸化、全球變暖和固體廢物的環境影響值為地下土壤滲濾系統各部分環境影響的最高值。

(3) 從環保角度出發，地下土壤滲濾系統的主要環境影響類型為富營養化和全球變暖，主要影響因素為出水排放。因此，應著重考慮優化地下土壤滲濾系統的設計，改善出水水質；同時，采取措施減少化糞池和地下土壤滲濾場的溫室氣體排放，共同達到減小地下土壤滲濾系統處理生活污水的環境負荷的目的。

(4) 地下土壤滲濾系統各部分的主要原材料、運輸、電力清單數據的敏感度分析表明：運輸投入是影響酸化、富營養化指標的最關鍵的清單數據，磚塊投入是影響全球變暖指標的關鍵清單數據，而電耗投入是影響固體廢物指標的最關鍵的清單數據。因此，減少運輸中柴油消耗和環境排放，以及減少磚塊和電耗投入是降低地下土壤滲濾系統環境負荷的主要切入點。