污水處理廠提標改造的全生命周期綜合影響評價

摘要：污水處理廠在建設、運行、改造和拆除過程中不可避免的會產生各種各樣的廢棄物，危害環境健康。通過污水處理全生命周期方法，評估實際污水處理廠提標改造的綜合影響后表明，若僅提高出水排放標準，污水處理則會對整體環境產生負效益。采用合理的排放標準、光伏發電和污泥資源利用，可以彌補對總環境的負面影響，可將綜合影響指標從2.04í104""t/FU分別降至2.01í104、2.00í104和9.22í103"t/FU，降幅為1.33%、1.79%、54.75%。

關鍵詞：污水處理"""全生命周期評價"""提標改造"""環境影響

中圖分類號：X506

Assessment"of"the"Comprehensive"Effect"of"the"Whole"Life"Cycle"of"the"Upgrading"and"Reconstruction"of"Wastewater"Treatment"Plants

—Taking"an"Urban"Wastewater"Treatment"Plant"as"an"Example

LU"Yunxia1"""AN"Hao2*

• Nanjing"Municipal"Research"Institute"of"Eco-Environmental"Protection，"Nanjing，"Jiangsu"Province，"210013"China;"2."China"MCC5"Group"Corp."Ltd.，"Chengdu，"Sichuan"Province，"610063"China）

Abstract："Wastewater"treatment"plants"will"inevitably"produce"various"waste"in"the"process"of"construction，"operation，"remodelling"and"dismantlement，"which"can"harm"environmental"health."This"paper"assesses"the"comprehensive"impact"of"the"actual"upgrading"and"recontruction"of"wastewater"treatment"plants"with"the"whole"life"cycle"approach"of"sewage"treatment，"and"results"show"that"if"only"the"effluent"discharge"standard"is"improved，"wastewater"treatment"will"have"negtive"benefits"to"the"overall"environment."Adopting"reasonable"discharge"standards，"photovoltaic"power"generation"and"sludge"resource"utilization"can"help"compensate"for"negative"impacts"on"the"overall"environment，"and"reduce"the"comprehensive"impact"indicators"from"2.04í104"t/FU"to"2.01í104，"2.00í104"and"9.22í103"t/FU"respectively，"with"a"reduction"of"1.33%，"1.79%"and"54.75%.

Key"Words："Wastewater"treatment;"Whole"life"cycle"assessment;"Upgrading"and"reconstruction;"Environmental"impact

隨著排放標準的提高，污水處理工藝流程相應延長，污水處理的能耗日趨增大，藥劑投加量也隨之增加，由此產生了一系列的環境負面效益[1]。

本研究以山東省濰坊市某城市污水廠實施的提標改造為例，采用LCA的相關原理和方法，對案例廠提標改造全生命周期的環境綜合效益進行量化評估，分析負面效益產生（或增加）的關鍵驅動因子，研究預支對應的解決措施和方法，以期為構建綜合效益高、碳排放量低的污水治理模式提供支撐。

1"研究方法

1.1"污水處理廠概況

山東濰坊某城市污水廠總設計規模為10×104"m3/d（其中，一期5×104"m3/d，二期5×104"m3/d）。主要接納服務區內居民生活污水和部分工業區的納管尾水。一期出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB"18918—2002）一級B標準；二期擴建時，同步對一期進行了改造，出水執行一級A標準。2019年，對污水廠進行進一步提標改造，出水執行《地表水環境質量標準》（GB"3838—2002）的IV類標準（不考察TN）。

1.2"生命周期影響評價

依據ISO"14040的基本原理，LCA評估分為4個階段。

1.2.1"目標與范圍

項目邊界以提升泵房進水為起點，以消毒池出水口為終點，涵蓋建設、運行和拆除3個階段。

1.2.2"清單分析

本研究所采用的清單由輸入、輸出和回收3個部分組成。

1.2.3"影響評價

生命周期影響評價（LCIA）是LCA體系的核心組成部分。ISO和EPA等組織將LCIA評估過程分為分類、特征化與量化3個步驟[2]。

（1）分類。

環境影響通常分為資源消耗、生態影響和健康風險三大類[3]。包括全球變暖潛能P1、其他影響P2、水體富營養化潛能P3、水體黑臭潛能P4、生物毒性潛能P5、不可再生資源消耗P6、土地填埋消耗P7、大氣酸化潛能P8、可再生資源消耗P9等9個子類。

（2）特征化。

按式（1-1）計算，得到環境影響負荷值（EB）。

式（1）中：mi表示第i種物質的清單分析排放量；EFi表示第i種物質的某類環境影響的相關性系數。

（3）量化。

對式（1）的結果進行歸一化處理（NEB）。其中，本研究采用層次分析法（AHP）構建A-P判斷矩陣，并依據濰坊區域社會經濟條件，并參考相關文獻的報道[3]，采用九標標度法，依次計算得到P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8和P9的權重：

W"="[0.308、0.224、0.157、0.108、0.074、0.051、0.035、0.025、0.0179]T

采用式（2）核算LCIA結果，作為案例廠提標改造情境下評價“綜合效益”的方法。

式（2）中，NEBi表示第i種環境負荷歸一化結果。

2"評價結果與討論

2.1"數據清單

案例污水廠相關物質消耗清單和進出水水質指標，如表1所示。其中，將LCIA的功能單位定義為是1"FU"="1×104"m3。

上述表1中，輸入的資源和消耗的能源所涉及到的環境影響相關系數和特征化因子、污水和污泥處理與處置過程的碳排放相關系數，均采用文獻中數據核算獲得[3]。

2.2"特征化及量化結果分析

特征化和量化結果如圖1所示，與相關研究結論基本一致[3]：污水處理廠環境負荷中，全球變暖影響和土地填埋空間消耗潛能影響顯著。在特征化的基礎上，綜合考慮區位自然地理和社會經濟發展情況，進行歸一化處理后，全球變暖影響因其全球性影響且影響時間較長、賦值權重較大，比重上升明顯；可再生資源消耗下降最為明顯，主要是其所賦權重較小，導致其量化結果所占比重與特征化結果相比，降幅顯著。

2.3"全生命周期綜合影響結果

通過式（2），計算可以得到提標改造情況下，案例污水廠的LCIA分別為：

LCIA1=9.515í103，LCIA2=1.089í104，LCIA總=2.04í104。

從LCIA的計算結果分析可知，僅考慮提標改造，二期對環境影響更大、環境綜合效益更低，這與相關研究結論相同[3]。主要原因是項目所在區域以火電為主，工藝整體能耗和藥耗增加，會引起全生命周期范圍內的溫室氣體排放、大氣酸化等環境影響數值增大。

2.4"污水廠提標優化路徑研究

2.4.1"清潔能源利用對環境產生的綜合效益分析

案例污水廠太陽能光伏發電系統設計規模為750""kWp，采用2"376塊320""Wp的多晶硅光伏組件，敷設面積為4752"m2。測算得到光伏系統25年總發電量約為21"077"080.44"kWh，平均日發電量為2"309.8"kWh/d。

通過式（2）計算可以得到光伏系統指標值為：LCIA光=3.65í102。

將光伏系統納入污水廠全生命周期影響整體評價，則LCIA￠總=2.00í104，LCIA降低1.79%，即其對環境綜合影響會產生正效益，這與相關研究結論一致[3]。

2.4.2"污泥資源化利用

目前，案例廠服務區內未建成污泥焚燒中心，為充分利用區域資源，綜合考慮運距及處理處置費用等，并參考國內相關區域污水廠污泥處理處置情況[4-5]，案例廠污泥資源化擬采用熱解+厭氧消化。厭氧消化的平均回收潛力采用文獻報道的1482"kWh/t[5]。通過表2折算干污泥量，計算得案例廠可回收的能量為67958.09"kWh/d。通過式（1）、式（2），計算可以得到污泥資源化指標值為：LCIA泥="1.12í104。

根據污水廠總體能耗計算可得，案例廠僅通過熱解+厭氧消化的方式對污泥進行資源化利用，在不考慮其他損失的條件下，LCIA合可由原來的2.04í104降低至9.22í103，降低54.75%，減排效益明顯，基本達到國內外先進的污泥資源量利用的電能、熱能水平[4]。

2.4.3"再生水利用

案例廠現有出水數據與相關標準對比后可知，案例廠實際出水水質明顯優于《地表水環境質量標準》（GB"3838—2002）V類，完全符合再生水水質需滿足《城市污水再生利用城市雜用水水質》（GB/T"18920—2020）和《再生水水質標準》（SL"368—2006）的要求。

城市給水系統主要包括取水、制水、供水系統，均為間接碳排放[6-7]，案例廠的再生水利用過程碳排放核算結果中，能耗強度W制為0.232"kWh/m3，W管為907.41"kWh（再生水的平均提升高程，綜合考慮濰坊地區地形特點，由出水井取水計，取10"m）。則自來水制備能耗量為2"113"086.84"kWh/a，碳排放量為1"699"344.44"kg/a；再生水利用能耗量為331"203.7037"kWh/a，碳排放量為266"354.018"5"kg/a。由于案例廠的出水水質已經滿足相關再生水利用標準，再生水利用可實現顯著的理論碳減排效益（84.33%），這相關減排效益與文獻報道的結果基本相同[6]。

同時，再生水利用時，尾水中所含污染物與直接排放相比，可尾水中所含減少剩余污染物直接進入天然水體所帶來的環境風險。

3"結論與展望

（1）從短期看，提標有益于水體外源污染物減排，但現有污水廠深度處理普遍依賴外部藥劑添加進行過程強化，這使得污水處理往往過度。污水尾水COD標準若能維持在合理區間，則綜合考慮全生命周期的影響，環境正效益會更明顯。

（2）案例廠除磷采用了大量的外加化學藥劑，并采用自來水對PAM藥劑進行溶解分散，這導致了案例廠可再生資源消耗影響明顯高于其他研究結果。后續需要進一步優化除P工藝，提升生物除磷效果，降低藥劑用量和新鮮用水量。

（3）案例廠接納了較高比例的工業納管尾水，這導致了上游企業工藝調整后，尾水中物質組分變化導致對污水處理工藝產生沖擊，進而增加藥劑投加（包括碳源、混凝劑、活性炭等）的用量，最終導致整體環境效益的下降。因此，需要盡快建立水質監控預警體系，提升污水廠抗沖擊負荷和緩沖能力，降低對應急藥劑的依賴。

（4）全生命周期綜合效益結果分析可以表明，綠色能源的使用，可提升污水廠的整體環境效益，后續應繼續挖掘污水潛能（如污水余溫熱能等），進一步降低污水廠對外部能源的需求，提升污水廠能源回收和碳中和的能力。

（5）依據國內現有成熟的污泥資源化項目進行核算，案例廠理論可回收的能量為67"958.09"kWh/d，污泥資源化可使LCIA合由2.04í104降低至9.22í103，降低54.75%，減排效益明顯。

（6）由于尾水再生利用并未納入LCA評估范圍。但是案例廠尾水出水水質完全滿足相關規范要求，按照25%再生水利用率考察，84.33%的碳減排潛力表明，案例廠尾水具有較好的利用潛力，在污水廠后續的優化改造中，應充分考慮尾水的再生利用。

參考文獻

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