垂直流人工濕地的生命周期評(píng)價(jià)*

呂慧瑜 夏訓(xùn)峰 王京剛 王麗君 韋 超

(1.北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，北京 100029；2.中國環(huán)境科學(xué)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(píng)價(jià)*

呂慧瑜1,2夏訓(xùn)峰2王京剛1#王麗君2韋 超1,2

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

以設(shè)計(jì)處理水量為70m3/d的垂直流人工濕地為評(píng)價(jià)對(duì)象，處理1m3污水為評(píng)價(jià)單元，分別對(duì)濕地建設(shè)階段和運(yùn)行階段的全球變暖、酸化、富營養(yǎng)化、光化學(xué)臭氧合成以及粉塵、固廢等5 種影響類型進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：全球變暖的主要貢獻(xiàn)因子為CO2和N2O，兩者的貢獻(xiàn)達(dá)到了82.2%，主要是由建設(shè)階段產(chǎn)生的；酸化的主要貢獻(xiàn)因子為NOx，占酸化總量的70.1%，主要由建設(shè)階段產(chǎn)生；富營養(yǎng)化的主要貢獻(xiàn)因子為總氮、氨氮和總磷，3者的貢獻(xiàn)達(dá)到89.4%，主要是由運(yùn)行階段產(chǎn)生；光化學(xué)臭氧合成的主要貢獻(xiàn)因子為CH4，占光化學(xué)臭氧合成總潛力的77.5%，主要來源于運(yùn)行階段；固廢、粉塵主要來源于建設(shè)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(xué)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(shù) 生命周期評(píng)價(jià)

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(jì)70年代發(fā)展起來的一種新興污水處理技術(shù)，因其出水水質(zhì)穩(wěn)定、基建和運(yùn)行費(fèi)用低、抗沖擊力強(qiáng)、操作與管理方便等優(yōu)點(diǎn)[1]，正在被越來越多地應(yīng)用于中小城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活污水處理[2]。垂直流人工濕地的污水處理能力更強(qiáng)，占地面積更小，因而應(yīng)用也最廣泛[3]。生命周期評(píng)價(jià)(LCA)是對(duì)一個(gè)產(chǎn)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(píng)價(jià)[4]。VALERIE等[5]對(duì)垂直流人工濕地和表面流人工濕地的環(huán)境影響進(jìn)行了生命周期評(píng)價(jià)和比較。國內(nèi)也有學(xué)者采用LCA對(duì)人工濕地的環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)[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(duì)垂直流人工濕地的評(píng)價(jià)，不僅包括了濕地運(yùn)行過程的環(huán)境負(fù)荷，還包括了上游原材料開采、運(yùn)輸和生產(chǎn)環(huán)節(jié)等產(chǎn)生的環(huán)境影響。

1 LCA方法

1.1 評(píng)價(jià)對(duì)象

評(píng)價(jià)對(duì)象為常州市一農(nóng)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(wù)人口為700人，設(shè)計(jì)處理水量為70 m3/d，設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見表1。

1.2 評(píng)價(jià)內(nèi)容

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

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

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

1.3 評(píng)價(jià)方法

根據(jù)文獻(xiàn)[7]的方法進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)。

建設(shè)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(chǎn)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(shè)過程中機(jī)械的施工能耗數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[10]。

表2 建設(shè)階段人工濕地系統(tǒng)材料消耗清單

運(yùn)行階段主要數(shù)據(jù)來源：項(xiàng)目建材消耗量根據(jù)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算[11-13]；運(yùn)輸以及電力、煤、原油、天然氣、柴油等相關(guān)數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[14]，其中運(yùn)輸采用公路運(yùn)輸；運(yùn)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(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[15]；兩臺(tái)提升水泵功率均為4.5 kW，間歇運(yùn)行，每天運(yùn)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(huì)(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(jì)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(dāng)量，CH4、N2O和CO的當(dāng)量系數(shù)分別為25、320、2。酸化量以SO2作為當(dāng)量，NOx的當(dāng)量系數(shù)為0.7。富營養(yǎng)化程度以正磷酸鹽作為當(dāng)量，NOx、氨氮、總磷、總氮和COD的當(dāng)量系數(shù)分別為1.35、3.64、32.0、4.43、0.23。光化學(xué)臭氧合成潛力以C2H4作為當(dāng)量，CO和CH4的當(dāng)量系數(shù)分別為0.030、0.007[16]。環(huán)境影響評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算參考楊建新等[14]的研究成果。

2 結(jié)果分析

2.1 全球變暖

全球變暖潛力的評(píng)價(jià)結(jié)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(xiàn)因子為CO2和N2O，兩者的貢獻(xiàn)達(dá)到了82.2%。除CH4外，全球變暖潛力主要是由建設(shè)階段產(chǎn)生的。

圖2 全球變暖潛力評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.2 The global warming potential assessment result

2.2 酸 化

酸化量的評(píng)價(jià)結(jié)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(xiàn)因子為NOx，占酸化總量的70.1%，主要也是由建設(shè)階段產(chǎn)生。

圖3 酸化量評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.3 The acidification assessment result

2.3 富營養(yǎng)化

富營養(yǎng)化程度的評(píng)價(jià)結(jié)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(xiàn)因子為總氮、氨氮和總磷，3者的貢獻(xiàn)達(dá)到89.4%。除NOx外，富營養(yǎng)化主要是由運(yùn)行階段造成的。

圖4 富營養(yǎng)化程度評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.4 The eutrophication assessment result

2.4 光化學(xué)臭氧合成

光化學(xué)臭氧合成潛力的評(píng)價(jià)結(jié)果見圖5。由圖5可見，人工濕地處理1 m3污水的光化學(xué)臭氧合成總潛力為9.743 g/a，主要貢獻(xiàn)因子為CH4，占光化學(xué)臭氧合成總潛力的77.5%，主要來源于運(yùn)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(shè)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(shè)階段。

2.6 總體環(huán)境影響評(píng)價(jià)結(jié)果

5種影響類型的總體環(huán)境影響評(píng)價(jià)結(jié)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(xué)臭氧合成>固廢、粉塵>全球變暖>酸化。

圖5 光化學(xué)臭氧合成潛力評(píng)價(jià)結(jié)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(xué)臭氧合成1.87×10-3固廢、粉塵2.99×10-4

2.7 改進(jìn)評(píng)價(jià)建議

(1) 建設(shè)階段，可以通過改善材料的生產(chǎn)工藝來降低能耗。熱耗是造成水泥生產(chǎn)工藝能量消耗巨大的主要原因，因此要降低水泥的生產(chǎn)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(chǎn)過程的能耗。

(2) 在PVC管材生產(chǎn)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(chǎn)的電耗、水耗等。

(3) 運(yùn)行階段，可以通過優(yōu)化人工濕地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(chǎn)生、氧化和傳輸3個(gè)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(chǎn)甲烷菌的生存，會(huì)產(chǎn)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(jié) 論

對(duì)垂直流人工濕地的全球變暖、酸化、富營養(yǎng)化、光化學(xué)臭氧合成以及固廢、粉塵等5種影響類型進(jìn)行了生命周期評(píng)價(jià)。全球變暖的主要貢獻(xiàn)因子為CO2和N2O，兩者的貢獻(xiàn)達(dá)到了82.2%，主要是由建設(shè)階段產(chǎn)生的；酸化的主要貢獻(xiàn)因子為NOx，占酸化總量的70.1%，主要由建設(shè)階段產(chǎn)生；富營養(yǎng)化的主要貢獻(xiàn)因子為總氮、氨氮和總磷，3者的貢獻(xiàn)達(dá)到89.4%，主要是由運(yùn)行階段產(chǎn)生的；光化學(xué)臭氧合成的主要貢獻(xiàn)因子為CH4，占光化學(xué)臭氧合成總潛力的77.5%，主要來源于運(yùn)行階段；固廢、粉塵主要來源于建設(shè)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(xué)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?yàn)槲鬯幚砑夹g(shù)的生命周期評(píng)價(jià)。#

。

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

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.08.011