電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法深度除磷費用和效益比較

陳明如，張澤瀚，郭 旭，于占成，馬可可，白 昱，馮健恒，周斌龍，周 律

（1.清華大學環(huán)境學院，北京 100084；2.北京市房山區(qū)水務局農村健康飲水事務中心，北京 102488）

水環(huán)境中的磷元素是導致水體富營養(yǎng)化的主要因素〔1〕，為改善自然水體水質，需控制污水處理廠總磷的排放。總磷在長江流域是首要污染物，生態(tài)環(huán)境部等17 個部門共同印發(fā)的《深入打好長江保護修復攻堅戰(zhàn)行動方案》特別強調要加強對磷污染的綜合治理，嚴格控制磷的排放。關于總磷的最高允許排放質量濃度，我國《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A 標準為0.5 mg/L〔2〕，北京市《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標準》（DB 11/890—2012）A 標準（簡稱“京標A”）為0.2 mg/L〔3〕，昆明市《城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放限值》（DB 5301/T 43—2020）A 標準為0.05 mg/L〔4〕。美國環(huán)境保護署（US EPA）〔5〕認為排入水庫、湖泊的水總磷宜小于0.05 mg/L，排入其他水體的水總磷宜小于0.1 mg/L。歐盟（EU）〔6〕認為當湖泊中總磷達到0.02 mg/L、河水中總磷達到0.01～0.07 mg/L 時，水體就開始發(fā)生富營養(yǎng)化。陳旭華〔7〕認為非富營養(yǎng)化狀態(tài)的水中總磷應小于0.01 mg/L。因此，為了防止水體富營養(yǎng)化，有必要進行深度除磷。目前傳統(tǒng)的污水處理方法難以滿足除磷需求，亟需探索極限除磷的方法〔8-10〕。

常見的深度除磷方法包括混凝法、電絮凝法、吸附法和膜分離法等〔11〕，天然吸附材料的吸附容量小，人工改進的吸附材料制備成本高、易造成二次污染，膜分離法具有膜污染、濃水難以處理、成本高等缺點，而混凝法和電絮凝法具有操作簡單、效果穩(wěn)定等優(yōu)點，因此混凝法是目前最常用的污水深度除磷方法〔12〕。

傳統(tǒng)混凝法通過投加化學藥劑使水中溶解態(tài)的磷轉化成非溶解性磷酸鹽，鋁鹽是常用的除磷藥劑，效果優(yōu)于鐵鹽〔13-14〕，聚合氯化鋁（PAC）是污水處理廠最常用的混凝劑〔15〕。電絮凝法通過犧牲陽極產生Al3+，除磷機理與傳統(tǒng)混凝法類似〔16〕，該方法原位產出混凝劑，金屬離子的利用效率更高，污泥量小〔17〕。電絮凝常用的極板材料是鋁和鐵，因鋁極板除磷效果優(yōu)于鐵極板，采用鋁極板的電絮凝法除磷可代表電絮凝法〔18〕。研究表明，電絮凝法除磷效果優(yōu)于傳統(tǒng)混凝法，且電絮凝法處理單位磷消耗的鋁更少〔17〕。但目前對電絮凝法與傳統(tǒng)混凝法除磷的環(huán)境影響和費用缺乏系統(tǒng)性對比評價，影響了污水除磷方法的科學選擇。

本研究采用生命周期評價（Life cycle assessment，LCA）和生命周期費用（Life cycle cost，LCC）方法，從多角度對比了采用鋁電極的電絮凝法和以PAC 為混凝劑的傳統(tǒng)混凝法除磷的優(yōu)劣，以期為除磷方法的選擇提供幫助。

1 生命周期評價與生命周期費用分析方法

LCA 評價根據《環(huán)境管理 生命周期評價 原則與框架》（GB/T 24040—2008/ISO 14040：2006）〔19〕，LCC 評價根據《Eco-efficiency Assessment of Product Systems：Principles，Requirements and Guidelines》（ISO 14045：2012）〔20〕。LCA 通過eFootprint 軟件完成，該軟件由首屆全生命周期碳中和創(chuàng)新大賽組織方提供。

1.1 目標和范圍

LCA 和LCC 的目標是對比電絮凝法除磷與傳統(tǒng)混凝法除磷的生命周期環(huán)境影響、費用和生態(tài)效率。電絮凝法除磷與傳統(tǒng)混凝法除磷的應用背景為二沉池后深度除磷，范圍包含建設和運行階段，功能單元為處理單位體積（1 m3）的水。

系統(tǒng)邊界見圖1。前景過程為構筑物的建設和運行，背景過程為材料制造、能源生產和運輸。

圖1 系統(tǒng)邊界Fig. 1 System boundaries

生命周期分析根據不同的除磷方法、出水磷濃度分為7 個情景，見表1。除磷方法為電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法。出水磷質量濃度為0.3、0.2、0.1、0.01 mg/L，分別對應京標B、京標A、Ⅱ類地表水、水體富營養(yǎng)化界限的磷濃度要求。根據試驗結果〔17〕，傳統(tǒng)混凝法無法實現(xiàn)出水總磷小于0.01 mg/L，而電絮凝法可以實現(xiàn)出水總磷小于0.01 mg/L，因此要求出水總磷質量濃度小于0.01 mg/L 時只能采用電絮凝法。

表1 不同情景的除磷方法和出水磷濃度Table 1 Phosphorus removal methods and effluent phosphorus concentrations of different scenarios

1.2 生命周期清單分析

建設階段的生命周期清單見表2。建設階段的主要過程為池體建設，還包括電源、加藥裝置、強化傳質裝置等的購置與安裝。電絮凝法主要適用于中小規(guī)模城鎮(zhèn)的污水處理〔21〕，因此選用10 000 m3/d 的規(guī)模進行計算，該規(guī)模在中國城鎮(zhèn)污水處理廠中占比較高，具有代表性〔22-23〕。建設過程清單的具體數(shù)據根據文獻〔14，21，24-26〕確定。

表2 建設階段生命周期清單Table 2 Life cycle inventory of construction stage

電絮凝法在運行階段的生命周期清單見表3。結合實際污水水質，運行過程中的電流密度、停留時間等因素由前期試驗確定，以使除磷方法在最佳范圍內運行〔17〕。污泥處理處置過程中，污泥經重力濃縮和板框機脫水后外運填埋，產生的污泥量由試驗確定〔17〕，處理單位污泥的能耗通過文獻〔27〕確定。

表3 電絮凝法運行階段生命周期清單Table 3 Life cycle inventory of operation stage with electrocoagulation method

傳統(tǒng)混凝法在運行階段的生命周期清單見表4。結合實際污水水質，運行過程中投藥量、停留時間等因素由前期試驗確定，以使除磷方法在最佳范圍內運行〔17〕。PAC 符合相應規(guī)范〔28〕，當PAC 的鹽基度等指標不同時除磷效果略有區(qū)別〔29〕，本研究按行業(yè)平均值計算。污泥處理處置過程同電絮凝法。

表4 傳統(tǒng)混凝法運行階段生命周期清單Table 4 Life cycle inventory of operation stage with chemical coagulation method

背景數(shù)據庫為CLCD-China-ECER 0.8 數(shù)據庫，該數(shù)據庫由首屆全生命周期碳中和創(chuàng)新大賽及組織方提供。

1.3 生命周期影響評價

在生命周期影響評價階段，由清單數(shù)據計算得到了量化的環(huán)境影響的指標，各項指標及含義如下：全球變暖潛勢量化了溫室氣體造成的全球氣溫升高〔30〕，初級能源消耗量化了使用的一次能源的量〔31〕，水資源消耗量化了使用的淡水資源的量〔32〕，酸化潛勢量化了排放的酸性氣體可解離出的H+的量〔30〕，非生物資源消耗潛勢量化了使用的非生物質資源的量〔32〕，富營養(yǎng)化潛勢量化了排放到水體中的營養(yǎng)物質導致生物過度生長的情況〔30〕，可吸入無機物量化了人體吸入無機物對健康造成的傷害〔30〕，臭氧層消耗潛勢量化了臭氧層中因排放化合物造成的臭氧分解〔32〕，光化學臭氧合成潛勢量化了由排放的非甲烷揮發(fā)性有機物造成的光化學臭氧合成〔33〕，土地占用指標量化了農業(yè)用地的使用情況〔32〕。

1.4 費用分析

在LCC 中，電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法除磷建設階段的費用通過文獻〔25，34〕估算。運行過程中各項目的單價均為中國市場單價，鋁板21 250 元/t，PAC 2 000 元/t，電價0.725 元/（kW·h），污泥濃縮費用169元/t（干污泥）、填埋費用3 252 元/t（干污泥）〔35〕。

1.5 生態(tài)效率

生態(tài)效率（Eco-efficiency）比較的是生命周期影響和生命周期費用的關系，通常采用二維圖形式〔36〕。為使不同單位的指標具有可比性，需要歸一化處理〔37〕，本研究通過指標數(shù)值除以該指標的最大值進行歸一化處理。二維圖中點的縱坐標越小代表該情景對環(huán)境越友好，橫坐標越小表示投資效益越高〔38〕。

2 結果與討論

2.1 電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法除磷的生命周期環(huán)境影響

不同情景的環(huán)境影響見圖2。

根據圖2，當出水磷濃度相同時，對比電絮凝法與傳統(tǒng)混凝法除磷環(huán)境影響。對于全球變暖潛勢、初級能源消耗、非生物資源消耗潛勢和臭氧層消耗潛勢這4 項指標，電絮凝法是傳統(tǒng)混凝法的1.44～2.31 倍；對于可吸入無機物、光化學臭氧合成潛勢和土地占用這3 項指標，傳統(tǒng)混凝法是電絮凝法的1.19～2.91 倍；對于酸化潛勢、富營養(yǎng)化潛勢和水資源消耗這3 項指標，二者結果相近，差距小于10%?？傮w而言，電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法除磷的環(huán)境影響相近，但電絮凝法操作簡便、處理效果好，具有較大的應用前景。

在電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法除磷過程中，環(huán)境影響主要來自運行過程中鋁的消耗。除土地占用、臭氧層消耗潛勢外，其他環(huán)境影響指標中鋁貢獻率為52%～92%。電絮凝法消耗的鋁來自鋁極板，目前鋁板主要采用電解鋁法制備，制備過程中需將Al3+還原，環(huán)境影響較大。傳統(tǒng)混凝法中的鋁來自PAC，PAC 制備過程中不涉及鋁的價態(tài)轉變，制備簡便，環(huán)境影響小。雖然研究表明電絮凝法消耗的鋁少于傳統(tǒng)混凝法〔17〕，但是電絮凝法中鋁極板生產時產生的環(huán)境影響較大，因此在全球變暖潛勢、初級能源消耗、非生物資源消耗潛勢和臭氧層消耗潛勢方面，電絮凝法較傳統(tǒng)混凝法差。在改進電絮凝法除磷時，應重點考慮改進鋁的來源和利用效率。

在電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法除磷過程中，建設過程和污泥處理處置過程造成的環(huán)境影響較小，與已有研究一致〔25〕。對于建設過程的貢獻率，電絮凝法中光化學臭氧合成潛勢為3%～12%，土地占用為7%～45%，其他評價指標為1%～7%；傳統(tǒng)混凝法中臭氧層消耗潛勢、光化學臭氧合成潛勢和土地占用為25%～42%，其他評價指標為7%～29%。當處理規(guī)模不同時，LCA 的差異主要體現(xiàn)在建設過程，而運行過程在不同規(guī)模時較為相似；在大部分指標中建設過程的貢獻較小，因此本研究的結果也適用于規(guī)模相似的其他情景。電絮凝法在建設過程中占地面積小、池體構造簡單，因此在建設過程貢獻較大的環(huán)境影響方面（如光化學臭氧合成潛勢和土地占用），電絮凝法優(yōu)于傳統(tǒng)混凝法。對于電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法除磷過程，出水磷濃度越低，環(huán)境影響越大。當出水磷質量濃度從0.3 mg/L 降至0.2 mg/L 時，電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法除磷的各項環(huán)境影響指標提升了1.3～1.5 倍；當出水磷質量濃度從0.3 mg/L 降至0.1 mg/L 時，電絮凝法除磷的光化學臭氧合成潛勢提升了1.8 倍，土地占用提升了1.6 倍，其他各項指標提升了1.9～2.0 倍，傳統(tǒng)混凝法除磷的各項環(huán)境影響指標提升了1.5～1.8 倍。傳統(tǒng)混凝法除磷的環(huán)境影響隨出水磷濃度的變化較小，這是因為電絮凝法易于控制且鋁的利用率較高，除磷需要的鋁耗、電耗與去除的磷幾乎成正比，而傳統(tǒng)混凝法的鋁利用率較低，無論去除多少磷均需投加大量的PAC。當出水磷質量濃度從0.3 mg/L 降至0.01 mg/L時，電絮凝法除磷的土地占用提升了6.7 倍，其他各項指標提升了9.1～11.4 倍。當出水磷濃度降低時，除磷過程中對環(huán)境的負面影響顯著提升，因此應根據實際需求確定合理的除磷目標。

2.2 電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法除磷的生命周期費用

不同情景的費用見圖3。

根據圖3，當出水磷濃度相同時，電絮凝法的費用是傳統(tǒng)混凝法的56%～63%，電絮凝法費用低于傳統(tǒng)混凝法。

在電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法除磷過程中，費用主要來自運行過程中鋁的消耗和污泥處理處置。電絮凝法的鋁極板貢獻率為36%～45%，污泥處理處置貢獻率為34%～42%；傳統(tǒng)混凝法的PAC 貢獻率為33%～36%，污泥處理處置貢獻率為50%～54%。電絮凝產生的污泥少于傳統(tǒng)混凝法，這是電絮凝法費用低于傳統(tǒng)混凝法的主要原因。建設過程造成的費用較小。若想降低電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法的費用，有效辦法是降低污泥量或污泥處理的單價以及降低鋁板或PAC 的單價和用量。

當出水磷濃度降低時，費用有所上升。當出水磷質量濃度從0.3 mg/L 降低至0.2 mg/L 時，電絮凝法費用增加了1.4 倍，傳統(tǒng)混凝法費用增加了1.5 倍；當出水磷質量濃度從0.3 mg/L 降至0.1 mg/L 時，電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法費用均增加了1.8 倍；當出水磷質量濃度從0.3 mg/L 降至0.01 mg/L 時，電絮凝法費用增加了8.1 倍。隨著出水磷濃度降低，費用增長比環(huán)境影響小，這是由于建設過程的費用基本不隨出水磷濃度變化，出水磷濃度降低僅改變了運行過程。在實際應用過程中，應根據實際情況選擇合理的出水磷濃度，避免不必要的費用增長。

2.3 電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法除磷的生命周期生態(tài)效率

不同情景的生態(tài)效率見圖4。

根據圖4，電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法的非生物資源消耗潛勢、臭氧層消耗潛勢生態(tài)效率相似，其他8個指標電絮凝法的生態(tài)效率更高?？傮w而言，電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法環(huán)境影響相似，而電絮凝法費用低，因此電絮凝法生態(tài)效率高。當出水磷濃度降低時，生命周期影響和生命周期費用均增加，生態(tài)效率降低。因此，當出水磷濃度能滿足當?shù)丨h(huán)保需求時，不宜過度追求出水磷濃度的降低。

3 結論

1）對于小于10 000 m3/d 的中小規(guī)模城鎮(zhèn)的污水處理，電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法除磷的生命周期影響相近，電絮凝法生命周期費用低、生態(tài)效率高，建設過程中用地小、池體構造簡單、操作簡便，處理效果優(yōu)于傳統(tǒng)混凝法，具有替代傳統(tǒng)混凝法用于深度除磷的優(yōu)勢。

2）運行過程中的鋁極板或PAC 消耗對電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法除磷的生命周期環(huán)境影響貢獻最大，運行過程中的鋁極板或PAC 消耗和污泥處理處置過程對生命周期費用的貢獻最大。優(yōu)化鋁極板或PAC 使用效率從而減小鋁極板或PAC 的用量，或使用對環(huán)境負面影響較小的鋁極板或PAC，可大幅優(yōu)化電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法除磷過程。

3）當出水總磷要求提高，即磷濃度降低時，電絮凝法和傳統(tǒng)混凝法除磷的生命周期影響、生命周期費用增加，生態(tài)效率下降。電絮凝法更易于控制，出水磷濃度低于傳統(tǒng)混凝法。