造紙廢水治理工藝的生態(tài)效益計算方法探討

羅方玲 韋保仁

(蘇州科技學院環(huán)境科學與工程學院，江蘇蘇州，215009)

生態(tài)效益 (Eco-efficiency)的概念，最早由世界企業(yè)可持續(xù)發(fā)展委員會 (WBCSD)提出［1-2］，其目標是在減少資源使用和對環(huán)境沖擊的同時，將產(chǎn)品附加值或獲利增加到最大。生態(tài)效益的核心理念是“以少生多 (Producing more from less)”，即降低對自然環(huán)境的影響、減少資源使用量以及增加產(chǎn)品和服務的價值。瑞士學者Stephan Schmidheiny在1992年的著作《改變經(jīng)營之道》中指出，處于可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn)的企業(yè)通過使環(huán)境績效和經(jīng)濟績效的同時改善，仍能掌握商機和優(yōu)勢，并獲取利潤。生態(tài)效益并不是不強調(diào)利潤目標，只是這個目標的達成是通過“以少生多”和提高資源生產(chǎn)力為主要途徑。生態(tài)效益改變了過去企業(yè)視環(huán)保為企業(yè)經(jīng)營的一種威脅 (增加其成本)的觀念，將環(huán)保視為促使企業(yè)革新、使其更符合經(jīng)濟效益和獲得市場認同的一個動力。追求生態(tài)效益的企業(yè)，由于持續(xù)地減少污染和資源的消耗，通過生產(chǎn)和提供成本更低、更環(huán)保的產(chǎn)品與服務，提高了產(chǎn)品的附加值，企業(yè)在創(chuàng)造經(jīng)濟價值的同時，也能兼顧生態(tài)平衡。因此，生態(tài)效益可以作為一個衡量企業(yè)經(jīng)濟和環(huán)境綜合效益的有效指標，追求生態(tài)效益在一定程度上能提高企業(yè)競爭力。

目前生態(tài)效益概念的定義在我國尚缺乏一致性，多數(shù)學者選擇能源消耗強度和環(huán)境排放強度或碳足跡［3-4］來進行研究，即僅強調(diào)對環(huán)境的影響。有關研究則僅限生態(tài)效益向經(jīng)濟效益的轉換［5］。而WBCSD提出的生態(tài)效益評價在我國還處于起步階段，研究也多限于其理論與方法的探討［6-7］，少數(shù)學者［8-9］就其評價體系構建與應用進行了探索性研究。而國外學者們［10-12］則較早地提出了一些生態(tài)效益評估方法。

本課題將造紙廢水治理工藝系統(tǒng)看作一個特殊的產(chǎn)品進行研究，收集了蘇州某造紙企業(yè)新舊兩條廢水治理工藝生命周期過程中的有關數(shù)據(jù)，采用瑞典查爾模斯理工大學Steen教授描述的方法，即由生命周期費用 (LCC)與生命周期評價 (LCA)的比率來計量企業(yè)生態(tài)效益，結合LCC分析及LCA的技術方法，參照GUY SKANTZE等人［13-14］的實例應用研究，應用德國GaBi軟件，計算了該企業(yè)新舊兩條廢水治理工藝系統(tǒng)的生態(tài)效益，以期為其他企業(yè)、領域生態(tài)效益計算的技術路線和方法的制定提供參考，并提供一些可供參考的生態(tài)效益數(shù)據(jù)。本課題使用的GaBi軟件是一款由德國PE公司最新研發(fā)的支持LCA和LCC計算、碳足跡計算等多種環(huán)過程的應用軟件，按生命周期流程輸入相應的原料和能源數(shù)據(jù)清單，通過相應的平衡表運算即可輸出并查看所需結果，如生命周期清單、碳排放、LCC等。

1 研究對象和邊界范圍

1.1 研究對象

以蘇州某造紙企業(yè)活性污泥處理系統(tǒng)為研究對象，計算并比較該企業(yè)新舊兩條廢水治理工藝的生態(tài)效益，定義的新工藝與舊工藝的區(qū)別為新工藝在廢水處理工藝前加入超濾系統(tǒng)。兩種工藝的各項數(shù)據(jù)來自現(xiàn)場調(diào)查，取各年平均值。

該企業(yè)處理的廢水包括:抄紙廢水和涂布廢水。主要廢水處理單元包括:超濾設備、加藥反應池、一沉池、穩(wěn)流池、曝氣池和二沉池等。污泥處理單元包括:污泥混合池、儲泥池和污泥脫水等。該企業(yè)于2006年從芬蘭引入超濾系統(tǒng)，通過循環(huán)回用涂料廢水中的固體顏料，降低造紙生產(chǎn)對環(huán)境的污染，節(jié)約生產(chǎn)成本，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)。

圖1 造紙廢水處理工藝的系統(tǒng)邊界圖

1.2 研究范圍和功能單位

研究范圍定義為:蘇州某造紙企業(yè)廢水處理設施的建設階段，包括建筑材料的開采、生產(chǎn)和運輸;運行階段，包括藥品的生產(chǎn)、廢水處理、污泥處理與處置;廢水處理設施的拆除階段。研究的系統(tǒng)邊界如圖1所示。

由于企業(yè)技術的改進，在造紙和廢水處理過程中存在部分水的回用，本研究的功能單位定義為生產(chǎn)1 t銅版紙。

2 工藝系統(tǒng)清單分析

為了使本研究具有可比性，結合蘇州某造紙企業(yè)廢水處理工藝過程的特點，進行如下假設:建筑原料的運輸采用10 t大卡車，壓縮比為2∶1，車輛的燃油類型均為柴油;能源輸入與污染物輸出只考慮生產(chǎn)性輸入與輸出，不計工作人員的辦公和生活能源輸入與污染物輸出。

2.1 施工建設階段

施工建設階段的碳排放為建筑原料的生產(chǎn)、運輸和建筑施工3個階段碳排放的總和。其中建筑材料的運輸和建筑施工階段為耗能耗電過程。由于處理技術的不斷發(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15～20年內(nèi)需要某種程度的改造和更新。因此，施工建設階段的建筑材料消耗量按20年的運行期進行考慮，能耗問題也按20年運行期進行考慮。建筑材料運輸里程平均取20 km。

用于廢水處理廠建設的建筑材料主要包括:水泥、鋸材、鋼材、砂等，對建筑材料消耗量的研究結果以及超濾設備中主要材料不銹鋼和填料聚乙烯醇(PVC)的消耗。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查等的統(tǒng)計結果，施工建設階段主要原料輸入及運輸、建筑施工過程的電耗、能耗清單如表1所示。

表1 施工建設階段單位物耗、能耗

2.2 運行階段

運行階段包括藥品的生產(chǎn)和運輸、廢水處理、污泥的處理與處置。其中廢水經(jīng)處理達標后排入太湖，污泥經(jīng)處理與處置后外運。

運行中需投放的化學品包括:聚合氯化鋁(PAC)、聚丙烯酰胺 (PAM)、尿素和磷酸。其中PAC作為混凝劑并用于污泥脫水、PAM作為助凝劑投入加藥反應池。尿素和磷酸作為營養(yǎng)物質投入曝氣池，保證微生物的正常生長和繁殖。耗能設備包括:超濾設備、廢水泵、冷卻塔、曝氣機、污泥泵、加藥泵、攪拌機和壓濾機。其中功率較大的耗能設備為:曝氣機、超濾設備、污泥泵，分別占總能耗的32%、27%、20%。最終換算成統(tǒng)一的功能單位，得出上超濾前后的能耗分別為:7.56 kWh/t、9.56 kWh/t。

運行階段的藥品用量、能源消耗量及最終污染物排放量的數(shù)據(jù)均來自該企業(yè)的廢水年報，如表2所示。其中Ciba 5540為陰離子型PAM，用于廢水;陽離子型PAM(CPAM)用于污泥脫水。

表2 企業(yè)造紙廢水處理化學品用量 t/t紙

需使用的化學品PAC、PAM、尿素和磷酸為次級資源，電為次級能源，在其生產(chǎn)、加工和運輸過程中均會對環(huán)境產(chǎn)生影響，這些次級資源和能源在生產(chǎn)、加工和運輸過程中對環(huán)境產(chǎn)生的影響，也應納入評價之中。

GaBi軟件具有較為完整的數(shù)據(jù)庫，可將輸入的資源和能源轉化為初級數(shù)據(jù)。該軟件中已有PAC、尿素、磷酸、電的數(shù)據(jù)清單，PAM的清單需自己創(chuàng)建。其中生產(chǎn)1 t PAM的資源、能源消耗及污染物排放清單，利用了李好管等人［15-17］的研究成果。因GaBi軟件數(shù)據(jù)庫中沒有PAM的清單，計算輸入時需創(chuàng)建上游物質鏈接，直至清單中的物質在軟件中都能找到。

2.3 拆除階段

拆除階段只考慮廢水處理設備的拆除過程，不包括拆除后建筑垃圾的處理與處置。拆除階段為耗能耗電過程，其能源消耗主要與進行拆除作業(yè)的機器設備有關。根據(jù)有關文獻［18］，拆除階段能耗按建設能耗的90%計算。拆除階段能耗清單見表3。

表3 拆除階段能耗及建筑垃圾清單

3 生態(tài)效益的計算

WBCSD提出的量化生態(tài)效益理念的通式為:生式中分子和分母根據(jù)實際情況可有多種不同的具體表示方式。本課題選取公式 (1)進行計算。

公式 (1)由Steen等人［10］提出，式中LCC為生命周期費用，作為產(chǎn)品或服務價值的表征量。目前國際上對LCC還沒有一個統(tǒng)一的定義，但通過歸納國內(nèi)外有關研究的成果，全生命周期主要包括設備、項目或系統(tǒng)的規(guī)劃、設計、制造、購置、安裝、運行、維修、改造、更新直至報廢的全過程，因此LCC包括設備、項目或系統(tǒng)整個生命周期的所有費用，包括內(nèi)部性和外部性的。LCC可被視為消費者對產(chǎn)品或服務的支付意愿，某種程度上反映了產(chǎn)品或服務的價值。LCC計算所需要的數(shù)據(jù)主要來源于實地和市場調(diào)查。EDC是產(chǎn)品或服務的環(huán)境損害費用，評價指標包括溫室效應、酸雨效應、臭氧層破壞、光化學效應、水體富營養(yǎng)化和非可再生能源儲備的消耗6大類。各項環(huán)境指標的數(shù)據(jù)來源于產(chǎn)品或服務的LCA。LCC［19］是一種評價產(chǎn)品、工藝過程或活動從原料采集和加工到生產(chǎn)、運輸、銷售、使用、回收、養(yǎng)護、循環(huán)利用和最終處理等整個生命周期系統(tǒng)有關的環(huán)境負荷的過程。COMSOLI等人［20］提出的LCA的基本技術框架，包括目標與范圍的定義、清單分析、影響評價和改善評價。LCC和LCA結果均由GaBi軟件計算獲得。

3.1 生命周期費用LCC

本研究系統(tǒng)的LCC包括:建材的購買和運輸;施工階段的能耗和人工費用;運行階段藥品的投入和能耗以及拆除階段的能耗費用。此過程所有價格清單數(shù)據(jù)均來自市場調(diào)查，非精確數(shù)據(jù)。

運用GaBi軟件計算產(chǎn)品或服務的LCC，需先在plan菜單下按一定格式輸入其生命周期流程，然后在數(shù)據(jù)庫對象中輸入各項輸入輸出數(shù)據(jù)并做好對應鏈接，最后通過平衡表運算輸出結果。進行LCC分析時，需輸入的數(shù)據(jù)為各項輸入、輸出、機器及人工市場價格。因所用軟件默認貨幣單位為歐元，將收集的以上數(shù)據(jù)預處理后乘以人民幣兌歐元的匯率輸入軟件計算得該造紙企業(yè)生產(chǎn)1 t銅版紙，上超濾前后新舊兩條廢水處理工藝的LCC分別為317歐元和236歐元。

3.2 環(huán)境損害費用EDC

本課題選用的LCA方法體系為CML 2001［21］。該方法是萊頓大學環(huán)境研究中心在2001年所發(fā)表的一種方法，考慮的影響分為3大類:材料和能源的消耗、污染和損害。CML 2001是GaBi軟件自帶的LCA評價方法體系之一。將收集的數(shù)據(jù)輸入軟件計算并根據(jù)各項指標單位環(huán)境負荷值［22］換算得該企業(yè)新舊兩條廢水處理工藝非可再生能源儲備的消耗及環(huán)境損害指標排放及費用分別如表4和表5所示。

由表4和表5知，上超濾前后新舊兩條廢水處理工藝的EDC分別為31.14歐元、17.76歐元。

表4 單位產(chǎn)品非可再生資源的消耗

表5 單位產(chǎn)品環(huán)境損害指標排放

3.3 生態(tài)效益

生態(tài)效益所以上超濾前后新舊兩條造紙廢水治理工藝的生態(tài)效益分別為:上超濾前90.18%，上超濾后92.47%。

4 結論

采用生命周期費用 (LCC)與生命周期評價(LCA)的比率 (LCC/LCA)計量企業(yè)生態(tài)效益，結合LCC分析及LCA的技術方法，參照GUY SKANTZE、Steen教授等的實例研究，應用德國GaBi軟件，統(tǒng)計計算了蘇州某造紙企業(yè)引進超濾設備前后新舊兩條廢水處理工藝系統(tǒng)的生態(tài)效益。

4.1 上超濾設備前后兩條造紙廢水治理工藝的生態(tài)效益均高達90%以上，這說明相對于產(chǎn)生的價值來說，兩條工藝對環(huán)境產(chǎn)生的沖擊較小，有利于該企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。引進超濾設備后，新工藝的生態(tài)效益略高于舊工藝，表明超濾設備能降低系統(tǒng)單位價值量對環(huán)境的沖擊。

4.2 單獨分析比較兩條工藝對環(huán)境的負荷，上超濾后比上超濾前要小得多，上超濾后系統(tǒng)的環(huán)境損害費用 (EDC)從上超濾前的31.14歐元降到了17.76歐元。這是由于超濾設備可以回收廢水中的涂料，大量降低污泥產(chǎn)生的同時也減少了聚合氯化鋁 (PAC)的使用，降低廢水治理對環(huán)境的影響，減小環(huán)境負荷，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)。

4.3 從LCC分析結果看，上超濾后系統(tǒng)的LCC較上超濾前降低了。對工藝系統(tǒng)LCC的分析計入了外部性費用，即將系統(tǒng)在生命周期過程中環(huán)境負荷的外部不經(jīng)濟性內(nèi)部化了，降低部分實際是造成環(huán)境影響導致的外部不經(jīng)濟性，因此，上超濾后系統(tǒng)LCC的降低意味著系統(tǒng)潛在價值的增加。

綜合來看，超濾設備能增加造紙廢水治理工藝的潛在價值，同時降低工藝生命周期過程中對環(huán)境的沖擊，符合生態(tài)效益的目標，能更好地促進企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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