楊健，陸雍森，施鼎方
同濟大學，上?！?00092

　　摘要：科學地確定水處理的工藝路線是工程技術(shù)人員和政府希望的。本文以污水處理中的生物濾池法和活性污泥法為例，運用LCA技術(shù)，以污水處理工藝設施為主線，從設施的設計、材料和能源的獲取、施工建設、運行管理和報廢拆除的全過程將技術(shù)、經(jīng)濟、社會和心理等因素與環(huán)境保護聯(lián)系起來，以全面揭示兩種處理方案的優(yōu)缺點。LCA技術(shù)是確定污水處理工藝的一種有效手段。
　　關(guān)鍵詞：生命周期分析；污水處理；環(huán)境影響；評估
　　中圖分類號：X703
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：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)是評價一種產(chǎn)品或一類設施從“搖籃到墳墓”全過程總體環(huán)境影響的手段，從區(qū)域、國家乃至全球的廣度及其可持續(xù)發(fā)展的高度來觀察問題。因此，運用ＬＣＡ對不同產(chǎn)品或設施的各個替代方案進行評估就可能高屋建瓴地選擇出優(yōu)化的方案。LCA一般分為四個階段：①確定分析的目標和范圍；②建立盤查清單(Inventory)；③定量和定性地分析清單中各個重要項目的潛在環(huán)境影響；④對分析結(jié)果進行綜合并取得評價結(jié)論。廢水處理工藝的功能是將水中的污染物經(jīng)過分離、分解，轉(zhuǎn)化成為無害、少害或易于處置的物質(zhì)，使廢水得到凈化。傳統(tǒng)上評估和選擇廢水處理工藝常采用技術(shù)—經(jīng)濟比較法。這類方法未充分考慮不同方案的環(huán)境影響，在技術(shù)和經(jīng)濟方面的考慮也具有一定局限性。LCA以工藝設施為主線，除了強調(diào)其必須具有令人滿意的廢水處理和污泥的處理與處置功能以外，還從設施的設計、材料和能源的獲取、施工過程、運行管理和報廢拆除的全過程將技術(shù)、經(jīng)濟、社會和心理等因素與環(huán)境保護聯(lián)系起來。因此，LCA在評價廢水處理設施產(chǎn)生的環(huán)境污染和生態(tài)影響的同時，還考慮設施的資源和能源消耗水平，還將資源消耗和污染排放與全球環(huán)境問題聯(lián)系起來，以全面揭示一種工藝設施方案的優(yōu)缺點。

1　目標和范圍

1.1　評價功能單元及待比較的設施方案
1.1.1　評價功能單元的確定
　　一個廢水處理設施的功能單元指其處理規(guī)模，即廢水處理能力。眾所周知，一個處理設施的費用和性能具有規(guī)模效應。因此，用LCA評估不同工藝設施時必須先確定處理規(guī)模的大小?，F(xiàn)以小型城鎮(zhèn)廢水處理設施為案例進行研究。該設施的服務人口約1000人，旱流廢水量平均200 m3/d。某區(qū)域為控制日益惡化的水環(huán)境，擬興建一批這樣規(guī)模的廢水二級處理設施。
1.1.2　待評價的工藝方案
　　該擬建廢水處理廠可選用的工藝方案眾多。經(jīng)研究決定第一方案為組合式活性污泥法，由兩套鋼制的矩形曝氣池和兩套鋼制的二沉池組成。第二方案為生物濾池處理系統(tǒng)，由一座豎流式初沉池、二座圓形的普通滴濾池(以爐渣為填料)和一座豎流式二沉池組成。該方案各個池子采用鋼板和混凝土混合結(jié)構(gòu)。污泥都采用濃縮、脫水后作農(nóng)肥。
1.2　界定地理和時間因素的范圍
　　該類小型處理設施擬建設在鄰近農(nóng)村的居住區(qū)或小城鎮(zhèn)。該區(qū)域位于平均氣溫大于10 ℃的地區(qū)，可以方便地提供小片的土地供建設用。
1.3　數(shù)據(jù)來源及統(tǒng)計性質(zhì)
　　開展LCA所需數(shù)據(jù)可以向地方性和全國性設計和施工單位收集，同時查閱文獻資料。經(jīng)過分析、歸納后，一般可取平均值。由于條件限制未能給出數(shù)據(jù)統(tǒng)計特性及其數(shù)值。

2　建立盤查清單

2.1　廢水處理設施的輸入—輸出
　　在廢水處理設施的生命周期內(nèi)由環(huán)境輸入的能源、資源和處理對象以及輸出到環(huán)境中的污染物和造成的影響示意于圖１。由環(huán)境輸入的資源指各種材料以及生產(chǎn)這些材料的自然資源?如礦石、水、空氣等。原廢水是處理的對象。能源包括煤、石油和電力等，并將其折算成吉焦耳(1GJ＝10⁹J)。

2.2　LCA盤查清單
2.2.1　盤查清單的內(nèi)容
　　廢水處理設施LCA的盤查清單包含許多項目。表1列出廢水處理設施在生命周期內(nèi)可能產(chǎn)生的環(huán)境影響以及要考慮的項目。

表1 廢水處理廠生命周期中可能產(chǎn)生的環(huán)境影響總覽 項目 施工建設階段 生產(chǎn)運行階段 報廢拆除階段 原材料消耗 鋼、鐵、水泥、水、PVC、爐渣、銅、粘土、集料、瀝青、環(huán)氧樹脂等 可忽略 表層土、填充材料 廢氣排放 CO₂、SO₂、NOx、CO、碳氫化合物、顆粒物、飛灰、有機氯化物 VOC、CO₂、SO₂、NOx、CO顆粒物、飛灰、臭氣等 CO₂、SO₂、NOx、CO、顆粒物等 廢氣排放 BOD、COD、SS、Hg、Pb，硫化物、酚類、有機氯化物 BOD、SS、總氮、各種金屬、有機污染物 可忽略 固體廢棄物 無機廢物、爐渣、粉塵、碳氫化合物、開挖土方、木材 污泥、金屬、柵渣 鋼、泥土、爐渣、銅、PVC等 其它影響 噪聲、振動、交通運輸、視覺污染、清除植被和對野生動物的滋擾 噪聲、氣味、視覺污染、蚊蠅、交通運輸?shù)? 噪聲、振動、交通運輸?shù)?

2.2.2　施工階段的盤查清單數(shù)據(jù)分析
　　施工建設階段包括從原材料的開采一直到整個廢水廠建成為止的所有活動。上述兩類處理設施在施工階段所需各種建筑材料的數(shù)量及制作、這些建筑材料所需的各種原材料耗量見表2。

表2 兩種工藝施工階段原材料消耗數(shù)量舉例 序號 制成品 原材料 活性污泥工藝 生活濾池工藝 1 鋼 鐵礦石 26.2 55.5 煤炭 12.8 27.0 2 爐渣 鍋爐爐渣 0 350

表3 施工建設階段的總能耗 序號 項目 活性污泥工藝 生活濾池工藝 1 原材料自身總能量 613 2620 2 交通運輸總能耗 49.2 372 3 現(xiàn)場施工總能耗 22.5 374 4 總能耗 684 3370

　　這兩類工藝設施在整個施工階段生產(chǎn)(包括運送建筑材料、現(xiàn)場施工等活動)都需要能源(見表3)。某一種材料的總生產(chǎn)能量是該材料作為燃料的熱值和生產(chǎn)1kg該種材料所需的能量的總和^[1]?，F(xiàn)場施工活動的各種單元操作以及運輸材料所需的能量可查閱相關(guān)的燃料消耗指標。本階段的污染物排放一方面直接源自建筑材料的生產(chǎn)制作，另一方面源自能源的生產(chǎn)^[2]。
2.2.3　生產(chǎn)運行階段的盤查清單數(shù)據(jù)分析
　　廢水廠的運行實踐表明，由于處理技術(shù)的不斷發(fā)展，廢水量的增長以及出水排放要求的不斷提高，大部分廢水處理廠在15～20a內(nèi)需要某種程度的改造和更新。因此，廢水處理設施運行上產(chǎn)生的環(huán)境問題可按15a的運行期進行考慮。在處理設施的運行階段中材料的消耗數(shù)量很小，可忽略不計。運行階段的能源消耗(見表4)包括廢水處理過程所需的電力和運輸車輛所需的燃油，其中廢水處理的電耗可占總能耗的８５％以上。運行階段排入大氣的污染物(見表4)源自三個方面：①廢水處理的氧化過程；②電廠發(fā)電過程；③運送污泥和人員車輛的燃油燃燒。在所有這些污染源所產(chǎn)生的廢氣排放中，CO₂可占總份額的97％左右。
　　就水資源利用而言，這兩種處理設施最重要的是處理后廢水排入水體的問題。根據(jù)處理后出水的水質(zhì)分析結(jié)果，可計算出廢水廠在整個生命周期中所排放的SS和BOD數(shù)量^[3](見表4)。廢水處理過程所排出的固體廢物包括污泥和柵渣，其數(shù)量可依據(jù)二種設施的實測記錄進行統(tǒng)計估算^[4]。當污泥運出用作農(nóng)肥時，污泥中的重金屬將排入周圍環(huán)境，因此兩種處理設施的污泥分析須列出各種重金屬的數(shù)量，可用來評估15a中污泥中所含重金屬的排放總量。

表4 兩種處理設施生命周期內(nèi)環(huán)境影響總量 序號 生命周期階段 環(huán)境影響項目 活性污泥法 生活濾池 1 施工建設階段 原材料消耗/t 458 3720 能耗/GJ 684 2620 大氣污染物排放/t 62 291 廢棄原材料/t 29 190 固體廢物（能源生產(chǎn)）/t 8 22 開掘挖土/t 264 5680 2 生產(chǎn)運行階段 能耗/GJ 13500 2391 大氣污染物排放/t 2392 1070 廢水排放BOD/t 10.5 10.5 廢水排放SS/t 4.3 4.3 干污泥/t 290 180 污泥中含重金屬/t 0.3 0.1 固體廢物（能源生產(chǎn)）/t 224 38 3 報廢拆除階段 材料消耗/t 290 2712 能耗/GJ 16 381 大氣污染物排放/t 1 29 固體廢物/t 118 2960

2.2.4　報廢拆除階段的盤查清單分析
　　當廢水廠15a的運行期滿后，大多數(shù)廢水廠需要改造更新或進行拆除。在本LCA中，按處理設施需拆除所產(chǎn)生的環(huán)境影響進行了評估。拆除通常是指把原有廢水處理廠地下0.9 m以上的設施全部拆除，然后恢復現(xiàn)場。因此，在拆除階段消耗的材料主要是大塊填充材料和表層覆蓋物。本階段的能源消耗主要與進行拆除作業(yè)的機器設備有關(guān)，同時會產(chǎn)生與能源生產(chǎn)相應的污染。本階段產(chǎn)生的固體廢物有廢鋼鐵、混凝土和爐渣，如果經(jīng)濟上有效益可進行回收利用。拆除階段還可能會對周圍環(huán)境產(chǎn)生滋擾作用，破壞野生環(huán)境，并對視覺環(huán)境造成不可修復的變化^[5]。

3　處理工藝的生命周期分析

3.1　材料消耗和能源消耗的比較
　　從能源消耗的比較可以看出，生物濾池法在生命周期內(nèi)的能耗遠小于活性污泥法。就本例而言，生物濾池法比活性污泥法可節(jié)省能耗62％；但生物濾池處理工藝在施工建設階段的物耗則大幅度高于活性污泥法，所產(chǎn)生的環(huán)境影響也較大。
3.2　運行效果的比較
　　對上述兩種處理設施的盤查清單分析后可見，活性污泥法提高出水水質(zhì)的潛力較大，然而生物濾池卻在承受沖擊負荷和水量水質(zhì)變化方面的性能優(yōu)于活性污泥法，這一優(yōu)點對于小型廢水處理廠特別重要；其次，活性污泥法處理工藝需要的原材料和占地面積都比較少。然而，本案例中盡管生物濾池占地較大，但這在當?shù)乜勺鳛榇我蛩乜紤]；再者，從運行管理角度看，小型廢水處理廠宜采用象生物濾池工藝這樣運行管理簡便的設施。
　　因此，通過生命周期分析可確認本案例中生物濾池處理設施具有環(huán)境效益好、處理效果穩(wěn)定、運行管理方便等明顯的優(yōu)點。相形之下，活性污泥法具有的一些優(yōu)點卻顯得不那么重要了。通過以上的綜合分析比較可見，就整個生命周期而言，生物濾池處理設施是與本例中類似的中小型廢水處理廠應采用的最佳環(huán)保實用技術(shù)。如果采用改進的工藝，生物濾池的優(yōu)點可能更為突出。
3.3　污染物環(huán)境影響的比較
　　兩種廢水處理設施在生命周期內(nèi)的資源消耗與污染物排放的比較結(jié)果見表1。

表5 兩種處理設施主要環(huán)境影響總量的比較 序號 環(huán)境影響項目 活性污泥法 生活濾池 1 原材料消耗/t 748 6432 2 能耗/GJ 14200 5400 3 為水排放BOD/t 20 20 4 廢水排放SS/t 10 10 5 大氣污染物排放/t 2250 1390 6 固體廢物/t 669 3390

4　結(jié)論

4.1　生命周期分析表明，除了要把建設處理效果好的廢水和污泥處置設施作為控制水污染的重要環(huán)保對策之外，還必須考慮廢水處理廠整個生命周期內(nèi)在其它方面所產(chǎn)生的重要環(huán)境影響，這涉及設施的設計、材料和能源和獲取、施工過程、運行管理和報廢拆除的全過程，將技術(shù)、經(jīng)濟、社會和心理等因素與環(huán)境保護聯(lián)系起來。因此，LCA除了在評價廢水處理設施產(chǎn)生的環(huán)境污染和生態(tài)影響的同時，考慮設施和資源和能源消耗水平，還將資源消耗和污染排放與全球環(huán)境問題聯(lián)系起來，以全面揭示一種工藝設施方案的優(yōu)缺點。
4.2　從生命周期的資源、能源消耗和污染物排放量和其他方面的總體影響考慮，生物濾池法比活性污泥法更為實用和有利于環(huán)境保護。

參考文獻：

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作者簡介：
　　楊健?(1953－)男，同濟大學環(huán)境科學與工程學院博士研究生，副教授。
　　陸雍森，男，同濟大學環(huán)境科學與工程學院教授，博士生導師。
　　施鼎方，男，同濟大學環(huán)境科學與工程學院講師。