廢水處理環(huán)境影響負荷的生命周期評價

孟繁宇，樊慶鋅，趙慶良，王宇珅

(哈爾濱工業(yè)大學城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，哈爾濱150090，fanqingxin@hit.edu.cn)

工業(yè)廢水處理的功能是將廢水中的污染物經(jīng)過分離、分解，轉(zhuǎn)化為無害、少害或易于處置的物質(zhì)，使廢水得到凈化，但其產(chǎn)生的噪聲、惡臭、污泥以及能源生產(chǎn)過程中排放的各種大氣污染物和處理后廢水中殘存的污染物，如不進行有效治理都可能造成二次污染，對廢水處理廠周圍環(huán)境乃至全球環(huán)境產(chǎn)生重要的環(huán)境影響［1］.生命周期評價作為匯總和評估一個產(chǎn)品(或服務)體系在其整個壽命期間的所有投入及產(chǎn)出對環(huán)境造成的潛在影響的方法［2］，它的一個重要功能即是評估能量物質(zhì)利用和廢物排放對環(huán)境的影響［3］，尋求改善環(huán)境影響的機會.目前生命周期的評價方法在不同的國家已被應用到污水［4］和污泥［5］的處理過程中.

本文以哈爾濱某制藥廢水處理為例，將ISO14040《生命周期評價 －原則與框架》、ISO14041《目的與范圍的確定和清單分析》、ISO14042《生命周期影響評價》和ISO14043《生命周期影響解釋》中規(guī)定的方法應用到廢水處理的全過程，通過能源和資源的利用分析、環(huán)境釋放的識別量化，清單數(shù)據(jù)特征化以及加權(quán)評價，研究廢水處理系統(tǒng)對環(huán)境的影響，并根據(jù)研究結(jié)果提出改善措施.

1 廢水處理生命周期環(huán)境影響負荷

1.1 案例描述

該制藥廠主要生產(chǎn)抗生素及30多種原料藥和制劑品種.其廢水處理分廠主要負責處理廠區(qū)的生產(chǎn)和生活廢水，平均處理水量1.5萬m3/d.處理后出水沒有回用，直接排入河流，匯入松花江.

1.2 定義系統(tǒng)邊界及環(huán)境影響因子分析

本系統(tǒng)的LCA邊界從廢水進入處理工藝開始，以處理后達標水的排放和污泥處置為結(jié)束.系統(tǒng)的輸入包括運行階段所有的原料，能源消耗以及原水，輸出則包括所有的廢氣，固體廢物，噪聲以及出水.由于生命周期評價對噪聲沒有相關的標準要求.因此本文不考慮噪聲影響.其工藝流程和框架分析見圖1.

在定義的系統(tǒng)邊界內(nèi)，重點分析廢水處理全生命周期過程的環(huán)境釋放.通過對廢水處理工藝流程的每個工序具體分析，可確定其主要環(huán)境影響因子，如表1所示.

圖1 生命周期分析框架及工藝流程

表1 環(huán)境影響因子分析

1.3 定義功能單位

定義功能單位的目的在于為廢水處理系統(tǒng)有關的輸入和輸出數(shù)據(jù)提供參考基準，本論文采用該廢水處理廠的年處理量作為功能單位，即處理每540萬t廢水平均造成的環(huán)境影響.

1.4 生命周期清單分析

生命周期清單分析是對廢水處理全過程資源、能源輸入和對環(huán)境釋放的輸出進行以數(shù)據(jù)為基礎的客觀量化過程，是下一步影響評價的依據(jù).由于廠內(nèi)蒸汽和電均來自自備電廠，而電廠是采用燃煤發(fā)電的，因此原煤和電的消耗統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為標準煤的消耗.

本研究生命周期清單分析中所收集的數(shù)據(jù)均為原始數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)類型包括測算數(shù)據(jù)和非測算數(shù)據(jù).測算數(shù)據(jù)主要是對廢水處理過程中排放的大氣污染物、出水中污染物進行監(jiān)測和取樣，以保證清單分析數(shù)據(jù)的準確性.廢水水質(zhì)監(jiān)測分別在廠區(qū)進水口、廢水處理廠排放口布設采樣點，并連續(xù)監(jiān)測3天，平均每天采樣監(jiān)測1次，分析方法為國標水質(zhì)分析方法.廢水處理全過程的廢氣統(tǒng)一收集，經(jīng)堿洗噴淋處理后，經(jīng)3個60 m排氣筒排入空氣.因此分別在3個排放口設采樣點，以塑料采氣袋采集，連續(xù)監(jiān)測3 d，平均每天采樣監(jiān)測1次.由于主要污染物為有機污染物，分析方法為氣相色譜法.

本文非測算的數(shù)據(jù)主要通過現(xiàn)場實地調(diào)研獲得，大部分來自廠區(qū)原有生產(chǎn)過程說明書和工藝技術(shù)分析材料.

1.5 生命周期影響評價

1.5.1 環(huán)境影響分類

將廢水處理系統(tǒng)生命周期環(huán)境影響分為8個影響類型:不可再生資源的消耗;填埋空間的消耗;全球變暖的影響;光化學煙霧的影響;酸化影響;氣溶膠影響;水體富營養(yǎng)化影響;潛在健康影響.

1.5.2 特征化

特征化是利用環(huán)境負荷指標方法將相同影響類型下的不同影響因子進行匯總，并把每個影響類型對環(huán)境的影響程度定量化［6］，每一種影響類型的綜合環(huán)境負荷B為

式中:i=a、b、c，為影響物質(zhì);m為影響物質(zhì)質(zhì)量; Fpi為物質(zhì)對某類環(huán)境造成影響的相關性系數(shù)(來自美國環(huán)?？偩趾吐?lián)合國政府間氣候變化專門委員會).特征化結(jié)果見表2.

1.6 加權(quán)綜合評價

加權(quán)綜合評價是對每一類環(huán)境影響分別確定其權(quán)重，然后將其表示影響程度的特征化值乘以相應的權(quán)重，得出的最終的環(huán)境負荷影響值.本文采用改進的層次分析法確定各環(huán)境影響類型的權(quán)重，即:①采用指數(shù)標度的標度體系判斷影響因子間的相對重要程度:針對九標度理論的標度數(shù)值之間差距較大的問題，本文選擇蘇為華［7］提出的指數(shù)形式的比例標度體系，用于對兩兩比較的重要性賦值;②用模糊三角數(shù)描述兩兩指標間的關系［8］:首先標出最有可能值m，表示對兩指標相互關系的基本評價，接著標出上下界a和b.則指標i相對于指標j的相對重要性aij為

得到兩兩判斷矩陣T為

③對判斷矩陣的自協(xié)調(diào)自修正［9］:對兩兩判斷矩陣T進一步作自協(xié)調(diào)、自修正變化得到一致化的矩陣P.P與T的轉(zhuǎn)化公式為

表2 特征化結(jié)果

權(quán)重為

權(quán)重向量為

改進的層次分析法不僅克服了兩兩判斷值過于僵硬的問題和九標度理論中表述重要程度的不合理因素，也簡化了繁瑣的一致性檢驗.通過加權(quán)綜合評價得到的各環(huán)境影響因子最終的環(huán)境影響負荷值見圖2.

2 結(jié)果討論及生命周期解釋

通過對該工業(yè)廢水處理過程的全生命周期的環(huán)境負荷研究結(jié)果表明:廢水處理過程對不可再生資源消耗、填埋空間、潛在健康影響、全球變暖、水體富營養(yǎng)化的影響相對較大，分別占32.71%，31.796%，22.76%，9.38%， 和2.23%.不可再生資源消耗由煤的用量來決定，其中絕大部分是由于電能的消耗轉(zhuǎn)換為煤的消耗，因此，廢水處理廠能耗問題仍然是環(huán)境影響的最重要方面.其次，廢水處理過程中對物理填埋空間的消耗也是非常巨大的，它主要由脫水污泥的空間體積決定，占所有固體廢棄物總量的99.8%，因此，污泥處理已成為廢水處理急需解決的難題.工業(yè)廢水尤其是含有機物較多的制藥廢水，會產(chǎn)生嚴重的氣味等特征性環(huán)境污染，對人體健康危害較大，通過分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過堿洗噴淋處理后的廢氣，其有害性物質(zhì)含量并不高，對潛在健康影響比重最大的是SO2，占92.21%，其次是NOX和苯，分別占7.47%和0.33%.廢水處理過程對全球氣候變暖也存在一定的貢獻，相關的氣體排放主要有NOX，CH4，CO，對氣候變化的貢獻分別占85.69%，9.51%和4.04%.盡管NOX排放量較小，但是它的GWP相關系數(shù)為CO2的310倍，因此NOX的影響不容忽視.

圖2 各環(huán)境影響因子最終的環(huán)境負荷影響值

本文根據(jù)廢水處理生命周期影響負荷的研究所發(fā)現(xiàn)的問題，對廢水處理過程的管理提出相應的建議.首先，節(jié)能降耗是控制對不可再生資源耗竭的重要措施，對供電單位進行選擇和管理也有助于降低廢水處理過程在生命周期內(nèi)的環(huán)境影響.其次，針對污泥產(chǎn)生量大的問題，建議污泥經(jīng)厭氧消化后進行土地利用，可大大減小污泥體積，節(jié)省物理填埋空間，同時，也是目前污泥處理處置經(jīng)濟效益與環(huán)境效益最大的方式［10］，對于混合廢氣經(jīng)處理后仍存在難聞氣味的問題，建議在廠區(qū)內(nèi)開展綠化，通過綠色植物的吸附，以達到削減臭味的目的.而燃煤產(chǎn)生的SO2和NOX的控制，建議將原有拋煤機鍋爐改為循環(huán)流化床鍋爐，并采用同步脫硫脫硝技術(shù)，以防止全球變暖影響的惡化和人體健康影響的加劇.

3 結(jié)語

生命周期評價作為一種新型的環(huán)境影響評價技術(shù)和方法體系，評價一個產(chǎn)品或服務的潛在環(huán)境影響是LCA的一個重要功能.利用生命周期評價的方法來研究廢水處理過程的環(huán)境影響負荷，是把一項減污的設施作為污染的控制對象來考慮，分析廢水處理過程資源消耗和環(huán)境釋放對各種環(huán)境問題的貢獻值，目的是找到關鍵的影響因子，并針對問題提出相應的改進措施，以更好地發(fā)揮廢水處理過程的減污作用，減少二次污染，使環(huán)境效益最大化.

［1］LIM S R，PARK J M.Environmental impact minimization of a total wastewater treatment network system from a life cycle perspective［J］.Journal of Environmental Management，2009，90:1454－1462.

［2］ISO 14040－2006 Environmental management Life cycle assessment Principles and framework［S］.Geneva:International Organization for Standardization，2006.

［3］WITTMAIER M，LANGER S，SAWILLA B.Possibilities and limitations of life cycle assessment(LCA)in the developmentof waste utilization systems－Applied examples for a region in Northern Germany［J］.Waste Management，2009，29:1732－1738.

［4］ZHANG Qionghua.Application of life cycle assessment for an evaluation of wastewater treatment and reuse project［J］.Bioresource Technology，2010，101(5): 1421－1425.

［5］HONG J L，HONG J M，OTAKI M，et al.Environmental and economic life cycle assessment for sewage sludge treatment processes in Japan［J］.Waste Management，2009，29:696－703.

［6］余建朋，鄭澤根.城市污水處理廠全過程生命周期評價模式探討［J］.土木建筑與環(huán)境工程，2009，31 (2):148－151.

［7］樊為剛，侯麗紅.層次分析法的改進［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2005，4:153.

［8］蘇為華.多指標綜合評價理論與方法問題的研究［D］.廈門:廈門大學，2000.

［9］賈 華.層次分析法中權(quán)重算法的一種改進［J］.武測科技，1995，3:25－30.

［10］MURRAY A，HORVATH A，NELSON K.Hybrid lifecycle environmental and cost inventory of sewage sludge treatment and end-use Scenarios:a case study from China［J］.Environ Sci Technol，2008，42:3163－3169.