垂直流人工濕地的生命周期評價*

呂慧瑜 夏訓峰 王京剛 王麗君 韋 超

(1.北京化工大學化學工程學院，北京 100029；2.中國環(huán)境科學研究院水環(huán)境系統(tǒng)工程研究室，北京 100012)

垂直流人工濕地的生命周期評價*

呂慧瑜1,2夏訓峰2王京剛1#王麗君2韋 超1,2

(1.北京化工大學化學工程學院，北京 100029；2.中國環(huán)境科學研究院水環(huán)境系統(tǒng)工程研究室，北京 100012)

以設計處理水量為70m3/d的垂直流人工濕地為評價對象，處理1m3污水為評價單元，分別對濕地建設階段和運行階段的全球變暖、酸化、富營養(yǎng)化、光化學臭氧合成以及粉塵、固廢等5 種影響類型進行生命周期評價。結果表明：全球變暖的主要貢獻因子為CO2和N2O，兩者的貢獻達到了82.2%，主要是由建設階段產生的；酸化的主要貢獻因子為NOx，占酸化總量的70.1%，主要由建設階段產生；富營養(yǎng)化的主要貢獻因子為總氮、氨氮和總磷，3者的貢獻達到89.4%，主要是由運行階段產生；光化學臭氧合成的主要貢獻因子為CH4，占光化學臭氧合成總潛力的77.5%，主要來源于運行階段；固廢、粉塵主要來源于建設階段。5種影響類型的環(huán)境影響指數(shù)為富營養(yǎng)化>光化學臭氧合成>固廢、粉塵>全球變暖>酸化。

垂直流人工濕地 污水處理技術 生命周期評價

Abstract: A vertical flow constructed wetland that had 70 m3/d processing capacity was applied as the evaluation subject,a life cycle assessment on construction stage and running stage for global warming,acidification,eutrophication,photochemical ozone synthesis and dust & solid waste were evaluated based on 1 m3wastewater treatment unit. Results show that:the main contributors to global warming were CO2and N2O which were discharged from construction stage,accounting for 82.2%;the main contributor to acidification was NOxwhich was discharged from construction stage,accounting for 70.1%;the main contributors to eutrophication were total nitrogen,ammonia nitrogen and total phosphorus which were discharged from running stage,accounting for 89.4%;the main contributor to photochemical ozone synthesis was CH4which was discharged from running stage,accounting for 77.5%;dust & solid waste were discharged from construction stage. The environment impact index showed that eutrophication>photochemical ozone synthesis>dust & solid waste>global warming>acidification.

Keywords: vertical flow construsted wetland; wastewater treatment technology; life cycle assessment

人工濕地是20世紀70年代發(fā)展起來的一種新興污水處理技術，因其出水水質穩(wěn)定、基建和運行費用低、抗沖擊力強、操作與管理方便等優(yōu)點[1]，正在被越來越多地應用于中小城鎮(zhèn)和農村生活污水處理[2]。垂直流人工濕地的污水處理能力更強，占地面積更小，因而應用也最廣泛[3]。生命周期評價(LCA)是對一個產品系統(tǒng)的生命周期中輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響的綜合評價[4]。VALERIE等[5]對垂直流人工濕地和表面流人工濕地的環(huán)境影響進行了生命周期評價和比較。國內也有學者采用LCA對人工濕地的環(huán)境影響進行評價[6]。需要指出的是，以往研究的人工濕地沒有考慮污泥的處理與處置。本研究對垂直流人工濕地的評價，不僅包括了濕地運行過程的環(huán)境負荷，還包括了上游原材料開采、運輸和生產環(huán)節(jié)等產生的環(huán)境影響。

1 LCA方法

1.1 評價對象

評價對象為常州市一農民安置小區(qū)處理生活污水的垂直流人工濕地處理系統(tǒng)，服務人口為700人，設計處理水量為70 m3/d，設計進出水水質見表1。

1.2 評價內容

本研究的評價范圍只包括垂直流人工濕地處理系統(tǒng)的建設階段與運行階段，其運行流程如圖1所示。人工濕地的生命周期設定為15年，對每處理1 m3污水進行生命周期評價。主要考慮全球變暖、酸化、富營養(yǎng)化、光化學臭氧合成以及粉塵、固廢等5 種影響類型。

表1 設計進出水水質

圖1 人工濕地運行流程Fig.1 Operation process of constructed wetland system

1.3 評價方法

根據(jù)文獻[7]的方法進行生命周期評價。

建設階段人工濕地系統(tǒng)材料消耗清單見表2。建材的原材料開采、加工生產過程中的污染物排放數(shù)據(jù)參考劉順妮[7]、龔志起[8]、李蔓[9]的研究成果。建設過程中機械的施工能耗數(shù)據(jù)來自文獻[10]。

表2 建設階段人工濕地系統(tǒng)材料消耗清單

運行階段主要數(shù)據(jù)來源：項目建材消耗量根據(jù)表1的數(shù)據(jù)進行計算[11-13]；運輸以及電力、煤、原油、天然氣、柴油等相關數(shù)據(jù)來自文獻[14]，其中運輸采用公路運輸；運行過程中人工濕地和污泥消化的溫室氣體排放數(shù)據(jù)參考文獻[11]和文獻[15]；兩臺提升水泵功率均為4.5 kW，間歇運行，每天運行40 min，耗電量為3 kW·h/d；由于政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》不考慮將廢水處理生物碳源的CO2排放計入溫室氣體排放清單，因此垂直流人工濕地廢水處理生物的直接溫室氣體排放只考慮N2O和CH4，兩者的直接排放量分別為0.288 0、0.037 4 kg/d[15]；初沉池污泥消化的CH4排放量為0.720 0 kg/d。CH4修正因子(MCF)取0.1。

全球變暖潛力均以CO2作為當量，CH4、N2O和CO的當量系數(shù)分別為25、320、2。酸化量以SO2作為當量，NOx的當量系數(shù)為0.7。富營養(yǎng)化程度以正磷酸鹽作為當量，NOx、氨氮、總磷、總氮和COD的當量系數(shù)分別為1.35、3.64、32.0、4.43、0.23。光化學臭氧合成潛力以C2H4作為當量，CO和CH4的當量系數(shù)分別為0.030、0.007[16]。環(huán)境影響評價指數(shù)計算參考楊建新等[14]的研究成果。

2 結果分析

2.1 全球變暖

全球變暖潛力的評價結果見圖2。由圖2可見，人工濕地處理1 m3污水的全球變暖總潛力為2.941 kg/a，主要貢獻因子為CO2和N2O，兩者的貢獻達到了82.2%。除CH4外，全球變暖潛力主要是由建設階段產生的。

圖2 全球變暖潛力評價結果Fig.2 The global warming potential assessment result

2.2 酸 化

酸化量的評價結果見圖3。由圖3可見，人工濕地處理1 m3污水的酸化總量為4.95 g/a，主要貢獻因子為NOx，占酸化總量的70.1%，主要也是由建設階段產生。

圖3 酸化量評價結果Fig.3 The acidification assessment result

2.3 富營養(yǎng)化

富營養(yǎng)化程度的評價結果見圖4。由圖4可見，人工濕地處理1 m3污水的總富營養(yǎng)化程度為0.196 kg/a，主要貢獻因子為總氮、氨氮和總磷，3者的貢獻達到89.4%。除NOx外，富營養(yǎng)化主要是由運行階段造成的。

圖4 富營養(yǎng)化程度評價結果Fig.4 The eutrophication assessment result

2.4 光化學臭氧合成

光化學臭氧合成潛力的評價結果見圖5。由圖5可見，人工濕地處理1 m3污水的光化學臭氧合成總潛力為9.743 g/a，主要貢獻因子為CH4，占光化學臭氧合成總潛力的77.5%，主要來源于運行階段。

2.5 固廢、粉塵

處理1 m3污水的粉塵量為8.47 g/a，主要來源于建設階段。處理1 m3污水的固廢量為4.65 g/a，主要也來源于建設階段。

2.6 總體環(huán)境影響評價結果

5種影響類型的總體環(huán)境影響評價結果如表3所示。5種影響類型的環(huán)境影響指數(shù)為富營養(yǎng)化>光化學臭氧合成>固廢、粉塵>全球變暖>酸化。

圖5 光化學臭氧合成潛力評價結果Fig.5 The photochemical ozone synthesis potential assessment result

影響類型環(huán)境影響指數(shù)全球變暖2.81×10-4酸化1.01×10-4富營養(yǎng)化2.31×10-3光化學臭氧合成1.87×10-3固廢、粉塵2.99×10-4

2.7 改進評價建議

(1) 建設階段，可以通過改善材料的生產工藝來降低能耗。熱耗是造成水泥生產工藝能量消耗巨大的主要原因，因此要降低水泥的生產能耗就要降低水泥的燃煤熱耗。由于摻入礦渣可以取代部分熟料，且礦渣制備消耗的能量小于其取代的熟料。因此，適量加入礦渣可以降低水泥生產過程的能耗。

(2) 在PVC管材生產中，通過采取氯化氫合成爐余熱蒸汽利用、離心母液熱量回用、干燥蒸汽冷凝水回用、干燥螺旋輸送器安裝變頻裝置[17]等節(jié)能措施，降低每噸PVC管材生產的電耗、水耗等。

(3) 運行階段，可以通過優(yōu)化人工濕地系統(tǒng)的設計參數(shù)來控制溫室氣體的排放。CH4在引起全球變暖方面僅次于CO2，全球變暖效率是CO2的20～32倍。CH4產生、氧化和傳輸3個過程受到多種環(huán)境因素的影響，其中控制濕地CH4排放的最主要因素為濕地水位[18]。水位決定了土壤厭氧程度，氧化還原電位隨著土壤水位的升高而大幅降低，厭氧環(huán)境有利于產甲烷菌的生存，會產生更多CH4[19-20]。因此，可以通過控制濕地合適的水位來削減CH4的排放。

3 結 論

對垂直流人工濕地的全球變暖、酸化、富營養(yǎng)化、光化學臭氧合成以及固廢、粉塵等5種影響類型進行了生命周期評價。全球變暖的主要貢獻因子為CO2和N2O，兩者的貢獻達到了82.2%，主要是由建設階段產生的；酸化的主要貢獻因子為NOx，占酸化總量的70.1%，主要由建設階段產生；富營養(yǎng)化的主要貢獻因子為總氮、氨氮和總磷，3者的貢獻達到89.4%，主要是由運行階段產生的；光化學臭氧合成的主要貢獻因子為CH4，占光化學臭氧合成總潛力的77.5%，主要來源于運行階段；固廢、粉塵主要來源于建設階段。5種影響類型的環(huán)境影響指數(shù)為富營養(yǎng)化>光化學臭氧合成>固廢、粉塵>全球變暖>酸化。

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Lifecycleassessmentofveticalflowconstructedwetland

LYUHuiyu1,2,XIAXunfeng2,WANGJinggang1,WANGLijun2,WEIChao1,2.

(1.CollegeofChemicalEngineering,BeijingUniversityofChemicalTechnology，Beijing100029;2.LaboratoryofWaterEnvironmentalSystemsEngineering,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012)

2016-07-18)

呂慧瑜，女，1994年生，碩士研究生，研究方向為污水處理技術的生命周期評價。#

。

*國家水體污染控制與治理科技重大專項(No.2015ZX07103-007)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.08.011