基于LCA 的城鎮(zhèn)污水處理廠水源熱泵能源回收的環(huán)境影響研究

周善英 齊書亭 劉佳昕 樸文華

（1 延吉市污水處理有限公司 吉林延吉 133000 2 延邊大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院 吉林琿春 133300）

0 引言

2020 年9 月22 日，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上提出：“提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取有力措施，二氧化碳排放在2030 年前達(dá)到峰值，力爭2060 年前實現(xiàn)碳中和”［1-2］。隨著我國城鎮(zhèn)污水排放標(biāo)準(zhǔn)的提高和污水處理工藝的升級，污水處理廠的出水水質(zhì)得到改良，但是污水處理過程中依然需要大量的能耗和化學(xué)藥品的投加，從而造成了直接和間接的溫室氣體排放［3］。國際能源署（IEA）數(shù)據(jù)顯示，2021 年我國的碳排放量占全球總量的33%，其中污水處理行業(yè)占全社會的1%～2%，是不可忽視的碳減排領(lǐng)域［4］。

本研究以吉林省延邊朝鮮族自治州延吉市污水處理廠為例，利用生命周期評價方法（Life Cycle Assessment，LCA）對其提標(biāo)改造前后的環(huán)境影響進(jìn)行分析評價，并以水源熱泵能源回收方案為例，模擬了能量不同回用率情境下的碳排放量，分析了污水處理廠的碳中和潛力，為未來污水處理廠的節(jié)能減排走向提供科學(xué)依據(jù)，對污水處理行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有指導(dǎo)意義。

1 研究對象與方法

1.1 污水處理廠概要

延吉市位于中國東北地區(qū)中部的吉林省延邊朝鮮族自治州，與俄羅斯、朝鮮接壤。延吉市污水處理廠于2007 年8 月正式投產(chǎn)運(yùn)行，占地面積為20.3 hm2。升級改造前采用A/O 工藝，出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB 18918—2002）》一級B 標(biāo)準(zhǔn)。2020 年改造后，A/A/O+MBBR 工藝處理污水量為20 萬m3/d，出水水質(zhì)達(dá)到 《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB 18918—2002）》一級A 標(biāo)準(zhǔn)。本文基于污水處理廠提標(biāo)改造前2019 年和提標(biāo)改造后2021 年的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.2 污水處理廠出水水質(zhì)變化特征

經(jīng)提標(biāo)改造后，此污水處理廠的出水化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、總氮（TN）濃度和總磷（TP）濃度有明顯改善情況，且呈現(xiàn)季節(jié)性變化，冬季質(zhì)量濃度明顯高于夏季質(zhì)量濃度，但各項出水水質(zhì)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)并保持穩(wěn)定，達(dá)到地表水Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，出水COD 基本保持在24.7～29.8 mg/L，BOD 基本保持在4.3～9.3 mg/L，出水TP 質(zhì)量濃度基本保持在0.1～0.3 mg/L，出水TN 質(zhì)量濃度基本保持在8.8～13.1 mg/L。該污水處理廠具有穩(wěn)定的出水水質(zhì)、達(dá)到地表水Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等特性，可較好地滿足污水源熱泵系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運(yùn)行的需求。

1.3 生命周期評價方法

LCA 是ISO14040 提出的1 種用于評估產(chǎn)品或服務(wù)在其整個生命周期中對環(huán)境的影響的方法［5］，包括目標(biāo)與范圍的確定、清單分析、影響評價和結(jié)果解釋。生命周期的思想常應(yīng)用于綠色包裝、綠色制造、清潔生產(chǎn)審核、環(huán)境標(biāo)簽。隨著溫室氣體、碳排放、碳中和成為國際社會的關(guān)注焦點，基于LCA 的碳足跡研究已經(jīng)成為了量化評估企業(yè)、組織國家碳排放的重要方法。通過LCA 方法，可以評估整個生命周期內(nèi)所涉及的碳排放源，并計算出總的碳足跡。

1.3.1 研究目的與范圍

基于LCA 方法，對改造前后的A/O、A/A/O+MBBR工藝和水源熱泵不同出水回用率情景進(jìn)行環(huán)境影響核算，比較不同能源回用情景和升級前后污水處理工藝的節(jié)能降耗情況。功能單位是1 000 m3/d 的污水處理量。

1.3.2 清單數(shù)據(jù)

根據(jù)目標(biāo)和范圍，收集污水處理廠提標(biāo)改造前和2021 年提標(biāo)改造后的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如表1 所示，包括污水處理過程中的電耗、藥品消耗、污泥產(chǎn)量及出水水質(zhì)和溫室氣體排放量。電耗、化學(xué)藥品和水質(zhì)數(shù)據(jù)由污水處理廠提供，CH4和N2O 的排放量是用COD 和NH3-N 的去除量和溫室氣體排放系數(shù)計算得出［6-7］。

表1 延吉市污水處理廠生命周期評價清單數(shù)據(jù)

1.3.3 生命周期影響評價

本研究選取了5 種環(huán)境影響類別，即全球變暖潛力（GWP）、酸化潛力（AP）、富營養(yǎng)化潛力（EP）、淡水水生態(tài)毒性潛力（FAETP）和光化學(xué)煙霧產(chǎn)生潛力（POCP）。利用GaBi9.2 中CML2001-Jan.2016 方法對提標(biāo)改造前后污水處理廠的環(huán)境影響進(jìn)行量化。

2 基于污水源熱泵系統(tǒng)的污水處理廠

2.1 污水源熱泵基本原理

污水源熱泵系統(tǒng)就是利用借助污水源熱泵壓縮機(jī)系統(tǒng)，消耗少量電能［8］。污水作為冷熱源與二次循環(huán)水經(jīng)過換熱設(shè)備進(jìn)行熱量交換。在冬季，熱泵“汲取”污水中的能量，經(jīng)管網(wǎng)供給用戶供熱；在夏季，熱泵帶走室內(nèi)熱量并將熱量轉(zhuǎn)移到污水中，為室內(nèi)制冷［9］。我國已有城市污水處理廠將污水源熱泵應(yīng)用于污水處理中，證明污水源熱泵系統(tǒng)作為空調(diào)冷熱源具有較大的節(jié)能減排潛力［10］。

已有研究發(fā)現(xiàn)污水源熱泵系統(tǒng)能效比通常為4.0～4.5，即當(dāng)輸入1 kW 的電能，得到可用電能將為4.0～4.5 kW［11］。冬季，污水溫度高于室外環(huán)境空氣溫度，蒸發(fā)器中蒸發(fā)溫度提高，能效比也相應(yīng)提高，同時避免了空氣源熱泵冬季除霜的問題。夏季，水體溫度比室外環(huán)境空氣溫度低，冷凝器中冷凝溫度降低，相較風(fēng)冷式和冷卻塔式系統(tǒng)，冷卻效果較好，機(jī)組效率相應(yīng)提高，能源利用效率高于以上形式的中央空調(diào)系統(tǒng)。因此，污水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能效益十分顯著。

2.2 能源回收方案的建立

本研究選取的污水處理廠經(jīng)2020 年提標(biāo)改造后處理量達(dá)到20 萬m3/d，充足的出水量為污水源熱泵運(yùn)行提供了前提條件。且污水處理廠的出水水質(zhì)穩(wěn)定地達(dá)到地表水Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可較好地滿足污水源熱泵系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運(yùn)行的需求。

能源回收方案基于改造后的A/A/O+MBBR 工藝構(gòu)建，經(jīng)生物處理后的水回流至水源熱泵中進(jìn)行熱交換，交換的熱量用于污水處理廠內(nèi)部供暖使用。本研究為探討水源熱泵的能源回收系統(tǒng)的最佳效益，基于GaBi 9.2軟件模擬了不同出水回用率情景（10%、20%、30%、40%、50%、60%）下的LCA 特征化結(jié)果。

3 結(jié)果分析

3.1 升級前后污水處理工藝生命周期評價

本研究基于LCA 方法，利用GaBi9.2 軟件中CML2001-Jan.2016 方法對污水處理廠提標(biāo)改造前后運(yùn)行過程中產(chǎn)生的環(huán)境影響進(jìn)行綜合分析，結(jié)果如表2 所示。由表2 可知，此污水處理廠經(jīng)過提標(biāo)改造后EP、AP、GWP 有所改善，提標(biāo)改造前分別為8.6×10-3kg Phosphate eq.、2.87×10-3kg SO2eq.和10.86×10-1kg CO2eq.，經(jīng)提標(biāo)改造后各個指標(biāo)分別降低了44.77%、14.63%、40.61%。但是FAETP 和POCP 等環(huán)境影響指標(biāo)均高于改造前A/O 工藝，主要原因是提標(biāo)改造后電耗增加了。其他LCA 研究結(jié)果中也得出類似結(jié)果，電耗是FAETP和POCP 的主要貢獻(xiàn)者［12］。

表2 提標(biāo)改造前后污水處理廠的環(huán)境影響特征化結(jié)果

FAETP 環(huán)境影響主要是由電力生產(chǎn)過程排放的污染物進(jìn)入水體引起的，電力生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的氟化氫等污染物進(jìn)入水體，使得FAETP 環(huán)境影響增加。POCP 是排入大氣的NOx 和碳?xì)浠衔锸芴栕贤饩€作用，發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的1 種有刺激性的煙霧。POCP 主要與電耗相關(guān)，在產(chǎn)電和用電過程中所產(chǎn)生的碳?xì)浠衔锏榷紝OCP 有一定影響。

3.2 水源熱泵能源回收方案的生命周期評價

在升級后A/A/O+MBBR 工藝基礎(chǔ)上，進(jìn)行水源熱泵能源回用時，模擬回用率從10%～60%下工藝產(chǎn)生的環(huán)境影響，不同回用率下的環(huán)境影響特征化結(jié)果見表3。與升級前后2 種工藝相比，除EP 以外，AP、FAETP、GWP等環(huán)境影響潛值都在回用率為40%～50%時出現(xiàn)了最大負(fù)值，隨著回用率的提高，會帶來負(fù)值的增加，但是實際上有很大的限制因素。

表3 基于LCA 的水源熱泵不同回用率方案的環(huán)境影響特征化結(jié)果

當(dāng)模擬10%～60%的污水回用到水源熱泵時，結(jié)果顯示除了富營養(yǎng)化（EP）以外的所有環(huán)境指標(biāo)均出現(xiàn)減少情況。溫室效應(yīng)（GWP）指標(biāo)顯示，當(dāng)利用率為40%～50%時可達(dá)到碳中和，利用率為50%～60%時可以產(chǎn)生額外的碳收益。

4 結(jié)論

（1）提標(biāo)改造前后的污水處理工藝的生命周期環(huán)境影響結(jié)果表明EP、AP 和GWP 有所改善，下降到44.77%、14.63%、40.61%。而FAETP 和POCP 并沒有得到改善，其原因是由于提標(biāo)改造后電耗的增加。

（2）污水處理廠水源熱泵能源回用方案可以減少污水處理廠的碳排放，結(jié)果顯示，除EP 以外，AP、FAETP、GWP 等環(huán)境影響潛值都在回用率為40%～50%時出現(xiàn)了最大負(fù)值。

（3）當(dāng)40%～50%的污水回用到水源熱泵時，能源回收產(chǎn)生的環(huán)境影響是最可觀，能源回用率從50%～60%時，不僅可以完全補(bǔ)償運(yùn)行階段能源消耗所產(chǎn)生的碳排放，也可以產(chǎn)生額外的環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益。