运用生命周期分析（LCA）评估和选择废水处理工艺

杨健，陆雍森，施鼎方
同济大学，上海　200092

　　摘要：科学地确定水处理的工艺路线是工程技术人员和政府希望的。本文以污水处理中的生物滤池法和活性污泥法为例，运用LCA技术，以污水处理工艺设施为主线，从设施的设计、材料和能源的获取、施工建设、运行管理和报废拆除的全过程将技术、经济、社会和心理等因素与环境保护联系起来，以全面揭示两种处理方案的优缺点。LCA技术是确定污水处理工艺的一种有效手段。
　　关键词：生命周期分析；污水处理；环境影响；评估
　　中图分类号：X703
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009-2455(2000)03-0004-03

Application of Life-Cycle Annalysis LCA in Evaluation and Selection of Wastewater Treatment
Processes
YANG Jian,LU Yong-sen,SHI Ding-Fang

　　Abstract: Scientific determination of water treatment process in expected by engineering technicians and the goverment．In this paper biological filter tank process and activated sludge process used in sewwage treatment are taken as examples with the application of LCA technology?using a sewage treatment process facility as the main line.Technical economincal social and psychological factorsin the whole process of the facility including designingobtaining of materials and energy construction operational management discarding and removing of it are related to environmental protection with the advantages and disadvantages of the two treatment processes revealed in an all-round way．LCA technology is an effective means in determining sewage treatment processes．
　　Key words:life-cycle analysis；sewage treatment；enviromental impact；evaluation

　　“生命周期分析”(LCA)是评价一种产品或一类设施从“摇篮到坟墓”全过程总体环境影响的手段，从区域、国家乃至全球的广度及其可持续发展的高度来观察问题。因此，运用ＬＣＡ对不同产品或设施的各个替代方案进行评估就可能高屋建瓴地选择出优化的方案。LCA一般分为四个阶段：①确定分析的目标和范围；②建立盘查清单(Inventory)；③定量和定性地分析清单中各个重要项目的潜在环境影响；④对分析结果进行综合并取得评价结论。废水处理工艺的功能是将水中的污染物经过分离、分解，转化成为无害、少害或易于处置的物质，使废水得到净化。传统上评估和选择废水处理工艺常采用技术—经济比较法。这类方法未充分考虑不同方案的环境影响，在技术和经济方面的考虑也具有一定局限性。LCA以工艺设施为主线，除了强调其必须具有令人满意的废水处理和污泥的处理与处置功能以外，还从设施的设计、材料和能源的获取、施工过程、运行管理和报废拆除的全过程将技术、经济、社会和心理等因素与环境保护联系起来。因此，LCA在评价废水处理设施产生的环境污染和生态影响的同时，还考虑设施的资源和能源消耗水平，还将资源消耗和污染排放与全球环境问题联系起来，以全面揭示一种工艺设施方案的优缺点。

1　目标和范围

1.1　评价功能单元及待比较的设施方案
1.1.1　评价功能单元的确定
　　一个废水处理设施的功能单元指其处理规模，即废水处理能力。众所周知，一个处理设施的费用和性能具有规模效应。因此，用LCA评估不同工艺设施时必须先确定处理规模的大小。现以小型城镇废水处理设施为案例进行研究。该设施的服务人口约1000人，旱流废水量平均200 m3/d。某区域为控制日益恶化的水环境，拟兴建一批这样规模的废水二级处理设施。
1.1.2　待评价的工艺方案
　　该拟建废水处理厂可选用的工艺方案众多。经研究决定第一方案为组合式活性污泥法，由两套钢制的矩形曝气池和两套钢制的二沉池组成。第二方案为生物滤池处理系统，由一座竖流式初沉池、二座圆形的普通滴滤池(以炉渣为填料)和一座竖流式二沉池组成。该方案各个池子采用钢板和混凝土混合结构。污泥都采用浓缩、脱水后作农肥。
1.2　界定地理和时间因素的范围
　　该类小型处理设施拟建设在邻近农村的居住区或小城镇。该区域位于平均气温大于10 ℃的地区，可以方便地提供小片的土地供建设用。
1.3　数据来源及统计性质
　　开展LCA所需数据可以向地方性和全国性设计和施工单位收集，同时查阅文献资料。经过分析、归纳后，一般可取平均值。由于条件限制未能给出数据统计特性及其数值。

2　建立盘查清单

2.1　废水处理设施的输入—输出
　　在废水处理设施的生命周期内由环境输入的能源、资源和处理对象以及输出到环境中的污染物和造成的影响示意于图１。由环境输入的资源指各种材料以及生产这些材料的自然资源?如矿石、水、空气等。原废水是处理的对象。能源包括煤、石油和电力等，并将其折算成吉焦耳(1GJ＝10⁹J)。

2.2　LCA盘查清单
2.2.1　盘查清单的内容
　　废水处理设施LCA的盘查清单包含许多项目。表1列出废水处理设施在生命周期内可能产生的环境影响以及要考虑的项目。

表1 废水处理厂生命周期中可能产生的环境影响总览 项目 施工建设阶段 生产运行阶段 报废拆除阶段 原材料消耗 钢、铁、水泥、水、PVC、炉渣、铜、粘土、集料、沥青、环氧树脂等 可忽略 表层土、填充材料 废气排放 CO₂、SO₂、NOx、CO、碳氢化合物、颗粒物、飞灰、有机氯化物 VOC、CO₂、SO₂、NOx、CO颗粒物、飞灰、臭气等 CO₂、SO₂、NOx、CO、颗粒物等 废气排放 BOD、COD、SS、Hg、Pb，硫化物、酚类、有机氯化物 BOD、SS、总氮、各种金属、有机污染物 可忽略 固体废弃物 无机废物、炉渣、粉尘、碳氢化合物、开挖土方、木材 污泥、金属、栅渣 钢、泥土、炉渣、铜、PVC等 其它影响 噪声、振动、交通运输、视觉污染、清除植被和对野生动物的滋扰 噪声、气味、视觉污染、蚊蝇、交通运输等 噪声、振动、交通运输等

2.2.2　施工阶段的盘查清单数据分析
　　施工建设阶段包括从原材料的开采一直到整个废水厂建成为止的所有活动。上述两类处理设施在施工阶段所需各种建筑材料的数量及制作、这些建筑材料所需的各种原材料耗量见表2。

表2 两种工艺施工阶段原材料消耗数量举例 序号 制成品 原材料 活性污泥工艺 生活滤池工艺 1 钢 铁矿石 26.2 55.5 煤炭 12.8 27.0 2 炉渣 锅炉炉渣 0 350

表3 施工建设阶段的总能耗 序号 项目 活性污泥工艺 生活滤池工艺 1 原材料自身总能量 613 2620 2 交通运输总能耗 49.2 372 3 现场施工总能耗 22.5 374 4 总能耗 684 3370

　　这两类工艺设施在整个施工阶段生产(包括运送建筑材料、现场施工等活动)都需要能源(见表3)。某一种材料的总生产能量是该材料作为燃料的热值和生产1kg该种材料所需的能量的总和^[1]。现场施工活动的各种单元操作以及运输材料所需的能量可查阅相关的燃料消耗指标。本阶段的污染物排放一方面直接源自建筑材料的生产制作，另一方面源自能源的生产^[2]。
2.2.3　生产运行阶段的盘查清单数据分析
　　废水厂的运行实践表明，由于处理技术的不断发展，废水量的增长以及出水排放要求的不断提高，大部分废水处理厂在15～20a内需要某种程度的改造和更新。因此，废水处理设施运行上产生的环境问题可按15a的运行期进行考虑。在处理设施的运行阶段中材料的消耗数量很小，可忽略不计。运行阶段的能源消耗(见表4)包括废水处理过程所需的电力和运输车辆所需的燃油，其中废水处理的电耗可占总能耗的８５％以上。运行阶段排入大气的污染物(见表4)源自三个方面：①废水处理的氧化过程；②电厂发电过程；③运送污泥和人员车辆的燃油燃烧。在所有这些污染源所产生的废气排放中，CO₂可占总份额的97％左右。
　　就水资源利用而言，这两种处理设施最重要的是处理后废水排入水体的问题。根据处理后出水的水质分析结果，可计算出废水厂在整个生命周期中所排放的SS和BOD数量^[3](见表4)。废水处理过程所排出的固体废物包括污泥和栅渣，其数量可依据二种设施的实测记录进行统计估算^[4]。当污泥运出用作农肥时，污泥中的重金属将排入周围环境，因此两种处理设施的污泥分析须列出各种重金属的数量，可用来评估15a中污泥中所含重金属的排放总量。

表4 两种处理设施生命周期内环境影响总量 序号 生命周期阶段 环境影响项目 活性污泥法 生活滤池 1 施工建设阶段 原材料消耗/t 458 3720 能耗/GJ 684 2620 大气污染物排放/t 62 291 废弃原材料/t 29 190 固体废物（能源生产）/t 8 22 开掘挖土/t 264 5680 2 生产运行阶段 能耗/GJ 13500 2391 大气污染物排放/t 2392 1070 废水排放BOD/t 10.5 10.5 废水排放SS/t 4.3 4.3 干污泥/t 290 180 污泥中含重金属/t 0.3 0.1 固体废物（能源生产）/t 224 38 3 报废拆除阶段 材料消耗/t 290 2712 能耗/GJ 16 381 大气污染物排放/t 1 29 固体废物/t 118 2960

2.2.4　报废拆除阶段的盘查清单分析
　　当废水厂15a的运行期满后，大多数废水厂需要改造更新或进行拆除。在本LCA中，按处理设施需拆除所产生的环境影响进行了评估。拆除通常是指把原有废水处理厂地下0.9 m以上的设施全部拆除，然后恢复现场。因此，在拆除阶段消耗的材料主要是大块填充材料和表层覆盖物。本阶段的能源消耗主要与进行拆除作业的机器设备有关，同时会产生与能源生产相应的污染。本阶段产生的固体废物有废钢铁、混凝土和炉渣，如果经济上有效益可进行回收利用。拆除阶段还可能会对周围环境产生滋扰作用，破坏野生环境，并对视觉环境造成不可修复的变化^[5]。

3　处理工艺的生命周期分析

3.1　材料消耗和能源消耗的比较
　　从能源消耗的比较可以看出，生物滤池法在生命周期内的能耗远小于活性污泥法。就本例而言，生物滤池法比活性污泥法可节省能耗62％；但生物滤池处理工艺在施工建设阶段的物耗则大幅度高于活性污泥法，所产生的环境影响也较大。
3.2　运行效果的比较
　　对上述两种处理设施的盘查清单分析后可见，活性污泥法提高出水水质的潜力较大，然而生物滤池却在承受冲击负荷和水量水质变化方面的性能优于活性污泥法，这一优点对于小型废水处理厂特别重要；其次，活性污泥法处理工艺需要的原材料和占地面积都比较少。然而，本案例中尽管生物滤池占地较大，但这在当地可作为次要因素考虑；再者，从运行管理角度看，小型废水处理厂宜采用象生物滤池工艺这样运行管理简便的设施。
　　因此，通过生命周期分析可确认本案例中生物滤池处理设施具有环境效益好、处理效果稳定、运行管理方便等明显的优点。相形之下，活性污泥法具有的一些优点却显得不那么重要了。通过以上的综合分析比较可见，就整个生命周期而言，生物滤池处理设施是与本例中类似的中小型废水处理厂应采用的最佳环保实用技术。如果采用改进的工艺，生物滤池的优点可能更为突出。
3.3　污染物环境影响的比较
　　两种废水处理设施在生命周期内的资源消耗与污染物排放的比较结果见表1。

表5 两种处理设施主要环境影响总量的比较 序号 环境影响项目 活性污泥法 生活滤池 1 原材料消耗/t 748 6432 2 能耗/GJ 14200 5400 3 为水排放BOD/t 20 20 4 废水排放SS/t 10 10 5 大气污染物排放/t 2250 1390 6 固体废物/t 669 3390

4　结论

4.1　生命周期分析表明，除了要把建设处理效果好的废水和污泥处置设施作为控制水污染的重要环保对策之外，还必须考虑废水处理厂整个生命周期内在其它方面所产生的重要环境影响，这涉及设施的设计、材料和能源和获取、施工过程、运行管理和报废拆除的全过程，将技术、经济、社会和心理等因素与环境保护联系起来。因此，LCA除了在评价废水处理设施产生的环境污染和生态影响的同时，考虑设施和资源和能源消耗水平，还将资源消耗和污染排放与全球环境问题联系起来，以全面揭示一种工艺设施方案的优缺点。
4.2　从生命周期的资源、能源消耗和污染物排放量和其他方面的总体影响考虑，生物滤池法比活性污泥法更为实用和有利于环境保护。

参考文献：

　　[1].Young,D.F,Koopman B.Electricity use in small wastewater treatment plants [J].　J.Envir.Eng.，1992,117:300～305．
　　[2].Lidgate,D.The environmental impact of energy production [J].Energy World,1992,196:16～19．
　　[3].Jack Gdiden et al.Environmental Imapct data Book[M].New York:An Arobor Sci Publ.Inc.,1991，250～253．
?　[4].Larry W.canter.Environmental Imapct Assessment[M]．London McGraw-Hill Inc.,1996,56～57．
　?[5]. 陆雍森，等.环境评价[M].上海：同济大学出版社，1999，75～77．

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作者简介：
　　杨健?(1953－)男，同济大学环境科学与工程学院博士研究生，副教授。
　　陆雍森，男，同济大学环境科学与工程学院教授，博士生导师。
　　施鼎方，男，同济大学环境科学与工程学院讲师。