城市污水處理工藝：生命周期評價

沈耀良

（1.蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.城市生活污水資源化利用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，江蘇蘇州 215009；3.江蘇省水處理技術(shù)與材料協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 蘇州 215009；4.江蘇省環(huán)境科學(xué)與工程重點實驗室，江蘇 蘇州215009）

隨著可持續(xù)發(fā)展理念的深入人心以及循環(huán)經(jīng)濟實踐的不斷推進，社會公眾對城市污水處理系統(tǒng)的能耗及其所產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境問題日益關(guān)注。以污染物去除、處理出水達標(biāo)排放為目標(biāo)的傳統(tǒng)城市污水處理廠，不僅因采用耗能性處理工藝而浪費了污水中潛在的大量有價值的資源和能源，而且因有機物和氮、磷等資源轉(zhuǎn)化失散而導(dǎo)致溫室氣體（GHG）排放、水體富營養(yǎng)化以及地表地下水及土壤污染等環(huán)境問題。事實上，污水中各種有機物所含有的能量超過對其采用傳統(tǒng)方法處理時所需能源的10倍，若采用節(jié)能降耗、回收利用的污水處理工藝并對資源、能源加以有效合理利用，則可獲得滿足其運行的能耗需求。目前，全球日產(chǎn)城市污水超過9億m3，若對其中資源加以利用，則一個1 000萬人口的城市所產(chǎn)生的污水中所含營養(yǎng)物足以滿足50萬公頃農(nóng)田的施肥所需[1]，且當(dāng)污水的有機物濃度（COD）高于5 000 mg/L時，采用厭氧消化（AD）工藝所產(chǎn)生的沼氣可滿足城市污水處理廠自身的熱能需求[2-3]。有研究表明，采用高轉(zhuǎn)化效率的水源熱泵對某進水COD濃度為400 mg/L的實際污水處理廠污水中潛能轉(zhuǎn)化的計算顯示，采用高效水源熱泵轉(zhuǎn)換熱能并折算為電當(dāng)量后，其總潛能值可達到1.97 kWh/m3[4]。

隨著城市的擴張和人口的增長，不僅資源、能源的緊張已成為世界各國的普遍性問題，而且均面臨著氣候環(huán)境惡化、水資源匱乏、水環(huán)境衛(wèi)生問題突出、污水處理技術(shù)和管理落后等一系列問題。例如，歐洲僅在1992年至2005年之間，其污水量增長量超過62%，而預(yù)計到2030年，用水量將繼續(xù)增長16%，屆時將有11%的歐洲人口和17%的歐洲土地面臨嚴(yán)重的缺水問題[5]。因而，世界各國均面臨著可持續(xù)發(fā)展進程中社會、環(huán)境和經(jīng)濟的挑戰(zhàn)?？沙掷m(xù)發(fā)展的最低要求是“不危害支撐地球生命的自然系統(tǒng)”，以“確保技術(shù)的使用減緩對自然的壓力，并提高自然資源基礎(chǔ)的承載力”[6]。循環(huán)經(jīng)濟則以清潔生產(chǎn)模式，將經(jīng)濟活動組織為“資源-產(chǎn)品-再生資源”的“搖籃到搖籃”的閉環(huán)流程，以源頭預(yù)防和全過程控制為原則，實現(xiàn)低投入、低污染、高效益和能源、資源的良性循環(huán)，并使環(huán)境影響降到最低程度[7-8]。

因而，基于循環(huán)經(jīng)濟理念下的城市污水處理廠，必須將其生命周期間的GHG排放控制、能源資源的回收利用、高品質(zhì)處理出水等作為關(guān)鍵內(nèi)容綜合納入其中，使城市污水處理向環(huán)境友好的可持續(xù)方向發(fā)展。生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）作為環(huán)境管理中確定工藝或產(chǎn)品“搖籃到墳?zāi)埂钡沫h(huán)境可行性的行之有效的方法和十分重要的工具，可對城市污水處理工藝技術(shù)的設(shè)計、運行管理決策以及資源投入、能耗需求、GHG排放、水體富營養(yǎng)化、生態(tài)毒性和水體酸化以及資源能源的回收利用等所有潛在的正、負環(huán)境影響進行系統(tǒng)和綜合的評價和分析，加深對污水處理運行管理過程中所產(chǎn)生的環(huán)境影響的全面理解，提供能源資源回收利用和削減（除）對環(huán)境不利影響的有效途徑和方法，從而為污水處理工藝技術(shù)的改進和優(yōu)化提供重要依據(jù)[9-11]。此外，循環(huán)經(jīng)濟理念下的城市污水的低碳處理、高效控制、資源回收和能源開發(fā)和應(yīng)用，無疑將成為其發(fā)展的新方向，即：將由單純的污染物削減轉(zhuǎn)向保障水質(zhì)和資源能源利用的綜合集成，相關(guān)政策、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用實踐將隨之發(fā)生深刻的變化，從而使城市污水處理技術(shù)的優(yōu)選和污水處理廠的建設(shè)向能源工廠、資源工廠乃至肥料工廠，進而成為互利共生的城市基礎(chǔ)設(shè)施的方向發(fā)展[12]。

1 城市污水處理生命周期評價的研究應(yīng)用現(xiàn)狀

作為環(huán)境管理工具之一的生命周期評價方法，其在污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用，目的是根據(jù)污水處理系統(tǒng)的功能，對其運行管理中資源的投入、生產(chǎn)運行和能源資源的回收利用及最終處理出水、產(chǎn)生的污泥等副產(chǎn)品的處理、處置的整個生命周期內(nèi)進行全面的評價。雖然LCA技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用已有20多年的時間，但到目前，大多數(shù)污水處理的LCA研究報道來自歐美等發(fā)達國家。發(fā)達國家開展的污水處理LCA研究，其主要關(guān)注的影響評價內(nèi)容和指標(biāo)是能源、資源的投入、資源的回收利用、GHG排放的氣候變化影響、土地資源的影響、水體生態(tài)毒性等，并更多地從支撐污水處理系統(tǒng)的整體社會、經(jīng)濟和環(huán)境的角度進行全方位的評估。而在發(fā)展中國家，其城市污水的LCA研究則更多地以污水處理工藝的選擇、工藝優(yōu)化、節(jié)能降耗等為主要內(nèi)容和目標(biāo)，因而更多地圍繞污水處理工藝系統(tǒng)本身的運行和管理效能開展評價研究。有統(tǒng)計表明，自2000年至今，發(fā)展中國家研究者在國際刊物發(fā)表的有關(guān)污水處理生命周期評價的文獻報道僅有39篇，而其中37篇則是2010年以后發(fā)表的。2011年以后，年均為5～7篇。在這些文獻中，我國學(xué)者發(fā)表的論文最多，達11篇。但筆者以“生命周期評價+城市污水處理”為關(guān)鍵詞，查詢相關(guān)中文數(shù)據(jù)庫，截至目前，卻發(fā)現(xiàn)僅有鳳毛麟角的3篇涉及城市污水處理（廠）LCA的相關(guān)報道，說明我國研究者在此方面的研究成果更多是產(chǎn)生了國際影響。因而，如何更好地將“論文寫在中國大地上”，還值得我們深入思考。但無論如何，這也說明我國在此方面的研究，不僅已經(jīng)起步，而且已有相關(guān)的成果并引起國際關(guān)注。

此外，城市污水處理LCA的研究和應(yīng)用，由于國情的不同所導(dǎo)致的評價范圍、目標(biāo)、清單分析內(nèi)容等的不同，其評價結(jié)果的解釋尚不能從發(fā)達國家直接簡單地應(yīng)用于發(fā)展中國家，不僅因為許多發(fā)展中國家在其地理位置、能源使用的結(jié)構(gòu)類型、社會經(jīng)濟的發(fā)展程度方面與發(fā)達國家不同甚或大相徑庭，而且存在財政限制、城市化進程加速以及專業(yè)技術(shù)人員缺乏等差異，因而城市污水處理LCA的研究和應(yīng)用必須充分考慮不同國家和地區(qū)支撐污水處理系統(tǒng)（運行和管理）的不同社會狀況和時代特征。而且，即使同屬于發(fā)展中國家，也有不同的區(qū)別。例如，金磚國家（BRICS）巴西、俄羅斯、印度、中國和南非，它們的能源使用結(jié)構(gòu)也有明顯的不同。巴西的能源以水力發(fā)電為主，其他國家則以礦物能為主。而以礦物燃料為主的國家中，我國雖正在大力研發(fā)和推進使用可再生新能源，并取得了有目共睹的成就，但目前仍主要以燃煤為主，而俄羅斯則以天然氣為其主要能源[5，13]。再者，巴西和俄羅斯的氣候特征截然不同，而氣候?qū)ξ鬯墓芾碚?、途徑和方法有直接的影響。迄今為止，LCA的方法學(xué)和基準(zhǔn)體系仍處于不斷的發(fā)展之中，尚沒有被廣泛的接受的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。對現(xiàn)有城市污水處理技術(shù)LCA研究成果的分析也表明，不同的研究其邊界的確定、功能單位的定義、影響評價方法的選擇、對結(jié)果解釋的過程等均產(chǎn)生不同的評價功能和結(jié)果，原因是目前尚無適用于不同地區(qū)和國家、不同情形的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化的方法，以保證LCA的應(yīng)用質(zhì)量和效果[14]。因而，在LCA中，必須充分根據(jù)不同的國情，因地因時制宜考慮，確定不同的目標(biāo)范圍、功能單位和清單資料。

2 城市污水處理生命周期評價的內(nèi)容與過程

在LCA方法的研究方面，由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定的環(huán)境管理標(biāo)準(zhǔn)ISO14040和ISO14044中的相關(guān)研究最有影響，體現(xiàn)了世界范圍內(nèi)的LCA研究的共識。根據(jù)ISO的定義，LCA的基本內(nèi)容和過程包括：評價對象的目標(biāo)和范圍的確定、生命周期評價的清單分析（LCI）、生命周期影響評價（LCIA）以及評價結(jié)果的解釋（ISO14040），如圖1所示[5]。 2006年，ISO 對 LCA 的核心內(nèi)容作了明確的要求，并提出了相關(guān)導(dǎo)則，即《環(huán)境管理生命周期評價要求與指南》（ISO14044）[15]。目前LCA的主要研究方法包括清單分析方法和生命周期評價方法。其中，清單分析的理論方法趨于完善，側(cè)重于結(jié)合工業(yè)應(yīng)用要求而對數(shù)據(jù)采集及其處理進行規(guī)范化。生命周期環(huán)境影響評價方法研究包括評價指標(biāo)體系研究、影響評價特征化模型研究以及評價結(jié)果的規(guī)范化等，主要體現(xiàn)在環(huán)境損害類型的提出和壽命損害數(shù)學(xué)模型的建立，以及污染物對人體健康和生態(tài)系統(tǒng)毒性的衡量與確定。

圖1 生命周期評價（LCA）的基本框架及其應(yīng)用

2.1 城市污水處理LCA的目標(biāo)和范圍

目標(biāo)和范圍的確定是城市污水處理LCA最重要的第一步，它包括開展LCA工作的目的、范圍和主要假定等基本要素，而正確選擇其功能單位（Functional Unit，F(xiàn)U），即評價對象中涉及所有物質(zhì)流動、能耗物耗、資源利用、污染排放的定量參考值，是極其重要的前提。城市污水處理的LCA功能單位通常有1 kgCOD、1 t污泥、污水或污泥的人口當(dāng)量以及1 m3污水等。因而，功能單位選擇的不同，評價結(jié)果也不同。為此，須首先對評價對象的詳細情況、各個細節(jié)、評價目標(biāo)，加以清晰而詳盡的說明，以正確選擇FU和所需評價生命周期的階段。對城市污水處理技術(shù)和系統(tǒng)而言，其系統(tǒng)邊界通常包括一級處理和二級處理（在某些情況下，也可包括深度處理，甚至污水的收集輸送以及污水處理設(shè)施的報廢等），以及能源、物料的投入、污染物的排放等（見圖2）[14，16]。

圖2 城市污水處理系統(tǒng)LCA基本框架

由圖2可見，城市污水處理的LCA研究，因污水處理工藝的類別、資源和能源使用情況以及相關(guān)政策和立法的不同而有不同的范圍和邊界。目前，大多研究都基于對不同處理工藝的比較為目標(biāo)而進行的定量評價，并通常將傳統(tǒng)活性污泥法（CAS）工藝作為參考，與其它“非傳統(tǒng)工藝”進行比較。例如，常將CAS與節(jié)能型（自然）污水處理系統(tǒng)（如人工濕地、慢速滲濾等）以及其它物化和高級（強化）處理工藝作為比較對象。一般認(rèn)為，節(jié)能型工藝所產(chǎn)生的環(huán)境影響要低于CAS，但若以用水、占地作為評價指標(biāo)時，其情形則相反，原因是它們的低處理能力對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的環(huán)境影響大于CAS。此外，也已將污水處理作為“供水-污水處理”整體的城市水循環(huán)系統(tǒng)的組成部分進行LCA研究（見圖3）[16-17]。

圖3 城市污水處理系統(tǒng)LCA邊界的不同類型

城市污水處理LCA的研究中，功能單位的確定對評價的最終結(jié)果具有重要的影響。對不同進水水質(zhì)、不同處理要求的污水處理工藝進行LCA比較研究時，尤其如此。典型的例子是，有研究采用兩種功能單位（一是基于處理能力的單位處理水量，1 m3/d；二是基于富營養(yǎng)化問題的單位磷去除量，1 kgPO43-）對6種不同的城市污水處理廠工藝系統(tǒng)進行了以環(huán)境影響為評價目標(biāo)的LCA比較分析表明，當(dāng)以單位處理水量為功能單位時，處理工藝的富營養(yǎng)化潛勢得到緩解，但其相應(yīng)的處理成本將提高，從而使溫室效應(yīng)潛勢增強，而當(dāng)以單位除磷量為功能單位時，則可獲得改善環(huán)境的正向結(jié)果。研究表明，功能單位的確定，若基于目標(biāo)影響的消除，則將強化污水處理系統(tǒng)的污染控制效果。此外，有研究采用IPCC 2007 100年、生態(tài)足跡和ReCiPe 2008 H三種不同的影響評價方法對CAS與人工濕地的LCA研究表明[18]，絕大多數(shù)情況下，尤其對發(fā)展中國家和土地資源豐富的國家，人工濕地系統(tǒng)是最佳的環(huán)境選擇，但對發(fā)達國家以及土地資源緊張的國家，活性污泥系統(tǒng)將是最佳的環(huán)境選擇。尤其是，當(dāng)采用可再生資源能源時，則采用ReCiPe 2008 H方法評估的結(jié)果表明，CAS的總影響要小于人工濕地系統(tǒng)。此外，城市污水處理系統(tǒng)的運行壽命參數(shù)的變化對人工濕地系統(tǒng)影響較大，人工濕地系統(tǒng)在建設(shè)階段能耗和資源消耗最大。研究還表明，不同評價方法所得到的結(jié)果有明顯的不同。因此，在生命周期評估研究中，宜采用不同的方法和功能單位（FU）進行多角度的綜合評價和驗證[19]。

2.2 城市污水處理LCA的生命周期清單

由于城市污水處理的生命周期清單分析（LCI）數(shù)據(jù)的收集應(yīng)在綜合考慮各方面影響因素的前提下確定。一般而言，污水處理工藝系統(tǒng)LCA的清單數(shù)據(jù)包括污水收集階段的清單數(shù)據(jù)、污水處理階段的清單數(shù)據(jù)、污水排放及污泥處理和處置階段的清單數(shù)據(jù)。如廢水水質(zhì)、工藝運行條件、能耗物耗、化學(xué)品的使用、污泥的生產(chǎn)、沼氣生產(chǎn)和發(fā)電以及固體廢物的運輸?shù)萚20-21]。由于其LCA的范圍和邊界以及影響類別選擇的不同，將導(dǎo)致其評價研究的難度和復(fù)雜性也將相應(yīng)不同，因而也很難進行整體的定量分析。因而，清單分析是開展LCA的重要前提和組成部分。研究表明，將污水處理作為“供水-污水處理”整體的城市水循環(huán)系統(tǒng)的組成部分進行LCA研究時（如圖3，H所示），污水處理系統(tǒng)（廠）的環(huán)境影響是相當(dāng)明顯的。由此說明，LCA的范圍和邊界以及目標(biāo)不同，其所開展的評價的影響類別也應(yīng)不同，而影響類別的確定是其核心內(nèi)容。

城市污水處理工藝典型的影響類別/指標(biāo)主要有：富營養(yǎng)化問題、溫室效應(yīng)問題、生態(tài)毒性問題、酸化問題、光化學(xué)氧化問題、臭氧層破壞問題、能源資源利用問題以及用地和用水問題等。鑒于LCA研究具有明顯的因時因地性特征，隨評價方法和模式以及所在地區(qū)國家的不同而不同。因而，加之對一些特殊工藝的清單數(shù)據(jù)的整理收集的難度和不確定性或缺乏可比性，常使評價的結(jié)果難以作出合理的解釋，因而缺乏良好的確定性。目前，對污水處理工藝的富營養(yǎng)化和溫室氣體排放問題是最受關(guān)注的LCA研究的環(huán)境影響評價指標(biāo)，但對污水處理工藝系統(tǒng)的用水和占地作為LCA的環(huán)境影響指標(biāo)的研究，在近年來已得到快速的發(fā)展。其中，對富營養(yǎng)化問題的研究，可通過采用高級（深度）污水處理技術(shù)強化對營養(yǎng)物的去除而實現(xiàn)，但如果僅從強化處理技術(shù)的角度考慮，則無疑將引起其它環(huán)境影響問題。因而，當(dāng)今的污水處理工藝技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計、建設(shè)和運行管理，必須由目前的“何種污染物需要被去除”的單維度目標(biāo)思維模式向“何種物質(zhì)可加以回收利用”的全方位目標(biāo)思維模式轉(zhuǎn)變，如通過生物固體的利用和源頭分離等方法，并結(jié)合適當(dāng)?shù)墓に嚰夹g(shù)和先進的管理模式，以獲得兩者的協(xié)同效益[5，16]。

2.3 城市污水處理LCA的結(jié)果解釋

研究表明，污水處理工藝技術(shù)LCA結(jié)果的解釋，作為LCA重要的環(huán)節(jié)，要做到明確清晰并非易事。原因是，如前所述LCA范圍和邊界、功能單位、影響評價的因子等確定的不同，將導(dǎo)致對評價結(jié)果的解釋的不同。因而，當(dāng)其LCA主要目標(biāo)是污水處理工藝技術(shù)的優(yōu)選時，僅基于LCA的評價結(jié)果，尚難以做出最優(yōu)的判斷。例如，對溶氣氣浮、澄清、活性污泥、超濾和反滲透以及UASB反應(yīng)器等不同工藝應(yīng)用于造紙廢水處理的LCA研究結(jié)果表明，就GHG排放、水回用、生態(tài)毒性及富營養(yǎng)化等方面的環(huán)境影響而言，尚無一種最優(yōu)的工藝可選，但可為工藝技術(shù)的改進提供較為明確的方向。如當(dāng)將UASB反應(yīng)器作為活性污泥處理工藝的預(yù)處理單元加以應(yīng)用，則可使處理工藝的GHG排放和富營養(yǎng)化潛勢大大降低[22]。如對CAS、高速率曝氣法、延時曝氣、A/O工藝、曝氣塘和UASB反應(yīng)器工藝等基于GHG排放和能源消耗的LCA研究表明，UASB反應(yīng)器工藝因其高生物量濃度、無需供氧等特點，其運行最為經(jīng)濟、GHG排放最少。上述LCA綜合了對污水處理系統(tǒng)的經(jīng)濟和環(huán)境問題兩個維度的評價和解釋，但要更好地滿足可持續(xù)發(fā)展的需要，則還應(yīng)將社會的維度納入其中，以體現(xiàn)和強化LCA的整體性和全面性。將污水處理系統(tǒng)的LCA、凈能量平衡計算、整個運行周期內(nèi)成本的分析等不同方法相結(jié)合，將經(jīng)濟、環(huán)境和社會等維度相互聯(lián)系在一起，以確定成本-效益（投入-產(chǎn)出）最優(yōu)的污水處理系統(tǒng)。事實上，如前所述，LCA作為一種十分有用的工具，對其結(jié)果的解釋，可在城市污水處理工藝技術(shù)的選擇、設(shè)計、運行管理等決策過程中，發(fā)揮重要的作用，尤其是將LCA與經(jīng)濟評估相結(jié)合時，對污水處理系統(tǒng)中相互制約、互為關(guān)聯(lián)的每個環(huán)節(jié)、各項技術(shù)進行生命周期評價時，可在污水處理工藝系統(tǒng)工藝優(yōu)選、GHG排放消減、回收甲烷能量中發(fā)揮重要的作用，從而可更好地在清潔生產(chǎn)模式下，更好地體現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟的理念，實現(xiàn)污水處理運行、污水處理技術(shù)和污水處理管理的整體協(xié)同性和持續(xù)性[23-24]。

3 城市污水厭氧處理工藝技術(shù)的生命周期評價

雖然LCA在城市污水處理中的應(yīng)用已有20多年的時間，但在污水厭氧生物處理中尚較少，主要是因LCA評價之目的不同所致。有的基于沼氣生產(chǎn)（以單位污水的沼氣產(chǎn)量為能量單位），有的基于水處理規(guī)模（日處理水量或人口當(dāng)量）；另一方面，由于缺乏統(tǒng)一的評價方法和選擇標(biāo)準(zhǔn)，對評價結(jié)果的解釋尚較困難[18，24-26]。因而，在污水厭氧生物處理生命周期評價中，常采用不同的影響評價（LCIA）方法模型，其中較為常用的是CML和ReCiPe模型。但目前，污水厭氧處理，尤其是高效厭氧處理技術(shù)已成為城市污水處理中實現(xiàn)有效能源資源的回收利用乃至產(chǎn)能的關(guān)鍵性工藝，因而對厭氧生物處理過程進行深入的LCA研究和分析，可有效促進城市污水處理技術(shù)更好更快地向效能型和產(chǎn)能型及環(huán)境友好型方向發(fā)展[27]。

3.1 污水厭氧生物處理生命周期評價

眾所周知，污水厭氧生物處理與好氧生物處理相比，具有產(chǎn)生可作為能源利用的沼氣、污泥產(chǎn)率低（僅有10%左右的底物轉(zhuǎn)化為污泥生物量）及其對處理出水中無機營養(yǎng)物加以利用的優(yōu)點。由于厭氧微生物生長速率緩慢，因而需要更長的泥齡（SRT）方可實現(xiàn)有效的處理功能。近十年來，隨著污水分散性處理方式得到不斷重視及對處理出水質(zhì)量要求的日益嚴(yán)格，膜生物反應(yīng)器技術(shù)（MBR）的應(yīng)用如雨后春筍般得到快速發(fā)展，尤其是厭氧膜生物反應(yīng)器（AnMBR），不僅比CAS等工藝具有良好的競爭優(yōu)勢，而且多作為節(jié)能型工藝與其它高效厭氧處理工藝進行LCA比較研究。但研究表明，厭氧膜生物反應(yīng)器工藝的能源回收尚難充分補償因膜件維護所需的能耗需求。如前所述，與其它厭氧處理工藝相比，AnMBR工藝可在中低溫（15～30℃）或高溫（55℃）條件下運行，有研究表明，基于循環(huán)經(jīng)濟理念，淹沒式厭氧膜生物反應(yīng)器（SAnMBR）工藝作為城市污水處理的低耗型新工藝，對其加以研究開發(fā)，極具良好的應(yīng)用前景[11]。但其存在的主要問題是膜污染。膜污染導(dǎo)致膜的破壞及產(chǎn)水能力的下降，需要對其采取相應(yīng)的措施進行清理修復(fù)，而增加能耗和運轉(zhuǎn)費用[28]。與此同時，需要考慮對處理過程中產(chǎn)生的沼氣及出水中氮、磷的回收利用，以改善其應(yīng)用的環(huán)境可行性。據(jù)此理念，Smith等研究表明[29]，AnMBR工藝對能源的消耗是其可資回收能源的5倍，即其全球氣候變暖潛勢（Global Warming Potential，GWP）高于其他污水生物處理工藝，但其能源回收系統(tǒng)的生命周期成本則要低于常規(guī)的污水生物處理工藝。

圖4 淹沒式厭氧MBR（SAnMBR）工藝LCA的邊界

圖4所示為Pretel等人提出的SAnMBR工藝LCA的概念模型[30-31]。該系統(tǒng)由一個厭氧反應(yīng)器與兩個超濾膜SAnMBR池構(gòu)成。其運行的固體停留時間（SRT）為70 d，溫度為20～30℃。如圖4所示，對該工藝進行生命周期評價時，首先確定其系統(tǒng)邊界：（1）污水處理系統(tǒng)運行期間各處理單元的環(huán)境影響 （不包括工藝建設(shè)期、預(yù)處理、膜生產(chǎn)和停產(chǎn)之后）；（2）出水水質(zhì)的監(jiān)測分析，評價營養(yǎng)物回收的可行性。不考慮處理出水潛在的熱影響；（3）處理工藝系統(tǒng)的溫室效應(yīng)（GWP）。 即，將工藝系統(tǒng)的電耗作為GHG排放評價的主要因子。并在此基礎(chǔ)上，確定單位污水處理量（即，1 m3污水）作為其功能單位（FU），并以能耗、原料、空氣、占地和排放等作為其清單分析內(nèi)容，采用CML2 baseline 2000模型對能源消耗、資源回收、出水水質(zhì)和污泥處理等進行生命周期環(huán)境影響評價（LCIA）。結(jié)果表明，SAnMBR工藝處理處理中等濃度污水時，與其它工藝相比，其GWP值最高，說明其能耗引起的排放是值得關(guān)注的重要問題。同時表明，其能量消耗需求在中溫（33℃）運行時極高，而在環(huán)境溫度下運行時，則明顯下降。但溫度下降并非是其減少排放的關(guān)鍵。并認(rèn)為，回收污水中的營養(yǎng)物和處理出水中的甲烷是重要的解決途徑，處理過程中損失的甲烷將大大增加該工藝的碳足跡。因為，厭氧消化液中溶解態(tài)的甲烷，如不加回收，則其損失量可占污水處理系統(tǒng)甲烷產(chǎn)量的30%～40%。另外，Krzeminski等[32]報道了AnMBR工藝與傳統(tǒng)膜工藝的LCA比較研究的結(jié)果表明，后者主要體現(xiàn)為對淡水和海水的富營養(yǎng)化影響，而前者則主要體現(xiàn)為較高的與能耗有關(guān)的排放問題（即GWP）。

以上研究表明，實際上，傳統(tǒng)的厭氧生物處理工藝雖然就其以污水中污染物的去除而言，具有明顯的相對優(yōu)勢，但當(dāng)考慮其資源回收及其對外部的環(huán)境影響時，則并不總是具有絕對的優(yōu)勢，即就其整體的LCA而言，其產(chǎn)生的環(huán)境效益并不總是能與其潛在的環(huán)境影響相平衡的。如對傳統(tǒng)的厭氧生物處理工藝應(yīng)用于處理玉米淀粉生產(chǎn)廢水并考慮從其中回收生物柴油的生產(chǎn)系統(tǒng)前后的LCA表明，其生物柴油回收的能耗（大量電能的消耗）及其導(dǎo)致的GWP可達233%。雖然通過發(fā)酵生產(chǎn)生物柴油，可同時提高對廢水中有機污染物的去除率并降低處理出水對受納水體的環(huán)境影響，但需要進一步強化和優(yōu)化作為可再生資源的生物柴油回收生產(chǎn)的效率，以降低其GWP[33]。

3.2 污泥厭氧消化（AD）工藝的生命周期評價

污泥處理作為整個城市污水處理系統(tǒng)不可分割的重要組成部分，對其及時、合理有效的處理和處置是消除環(huán)境影響、促進資源利用的不可或缺的重要內(nèi)容。LCA業(yè)已較多地應(yīng)用于污水污泥處理工藝系統(tǒng)，而其研究分析的最基本目標(biāo)是對不同的處理工藝或單元進行環(huán)境經(jīng)濟的可行性和影響度進行比較，從而優(yōu)選處理工藝、乃至處置技術(shù)。其LCA的范圍和邊界通常僅包括污泥處理單元工藝，而不涉及污水處理單元（如圖3，G所示），而納入LCA的污泥處理單元主要有厭氧消化、（沼氣）能源回收和無機營養(yǎng)物的利用等，有的研究也將污泥的調(diào)節(jié)預(yù)處理納入其中[34-35]。目前，大多的污泥處理LCA研究與分析都是基于中溫（35℃）和含固率為3%～6%的厭氧消化（固體停留時間SRT為12～30 d）[5，36]。在LCA研究分析過程中，將污水污泥始于看作“廢物”，但通過將其中的能源和營養(yǎng)加以回收利用，而將其看作“產(chǎn)品”，實現(xiàn)“廢物”至“產(chǎn)品”的轉(zhuǎn)化。當(dāng)污泥看作“廢物”時，其所產(chǎn)生的環(huán)境影響應(yīng)納入污水處理系統(tǒng)的LCA，當(dāng)將其看作“產(chǎn)品”時，則可按圖5所示的系統(tǒng)邊界加以評價。這樣的評價方法和思路可應(yīng)用于不同污水處理和污泥處理工藝的比較分析。但由于目前針對厭氧生物處理的LCIA尚未有可資利用的系統(tǒng)完整的清單參考值，尤其是污水污泥厭氧消化處理系統(tǒng)的功能 （污泥穩(wěn)定化工能、沼氣能源產(chǎn)生功能、消化液中營養(yǎng)物利用功能等）尚較難以通過統(tǒng)一的系統(tǒng)因子建立相互的聯(lián)系。因為，在LCA研究分析中的清單分析數(shù)據(jù)的來源和質(zhì)量對LCA評價的結(jié)果及其解釋的影響至關(guān)重要，雖然獲得此類數(shù)據(jù)資料的途徑方法較多，但最合適的途徑還是采用實際污水處理工藝（廠）、污泥處理系統(tǒng)的運行控制、分析檢測和操作管理等實際數(shù)據(jù)，或通過實驗室研究分析獲得數(shù)據(jù)。對特殊的LCA研究要求而言，污泥厭氧消化工藝的清單分析數(shù)據(jù)資料必須全面詳盡。

圖5 污水污泥厭氧消化處理LCA的邊界

污水污泥工藝環(huán)境影響的LCA方法尚在不斷完善和改進之中。其中最常用的方法是CML法。目前，ReGiPe（模型）法因其綜合了中間類型（mid-point）和終點類型（end-point）而逐漸得到研究者的青睞?；谘h(huán)經(jīng)濟理念和清潔生產(chǎn)模式下的污水污泥處理和管理系統(tǒng)具有多種功能，需要對其相應(yīng)的各種影響加以綜合評價。因而，氣候變化、酸化、富營養(yǎng)化、光化學(xué)氧化、臭氧耗竭、人體危害、生態(tài)毒性以及非生物資源耗竭等，亦是其基本的評價指標(biāo)。如目前，已有對城市固體廢棄物與城市污水污泥聯(lián)合處理實現(xiàn)能源、資源利用的環(huán)境、能源和經(jīng)濟的綜合分析的研究[36]。相關(guān)研究表明，須將污泥的預(yù)處理（包括貯存、化學(xué)調(diào)節(jié)、淘洗等）納入污水污泥LCA的整體過程，對污泥預(yù)處理的化學(xué)藥劑使用和用水、污泥消化效率、沼氣生產(chǎn)、氮磷資源回收及其環(huán)境影響進行綜合評價[37-38]。據(jù)此，對中溫和高溫條件下的污泥厭氧消化處理系統(tǒng)的LCA研究表明，高溫消化因其沼氣產(chǎn)量高、氮磷資源價值高而產(chǎn)生的環(huán)境影響將更小。此外，通過以污水處理與CO2捕集相集成的方法從污水生產(chǎn)微生物柴油材料的研究也已經(jīng)有了較好的起步[39]，這種實現(xiàn)污染物去除和資源回收的污水處理清潔生產(chǎn)模式，無疑將成為今后的發(fā)展方向，也為LCA在污水處理中的應(yīng)用中的清單分析內(nèi)容提出了更嚴(yán)格的要求。

LCA在污水污泥中的應(yīng)用，始于本世紀(jì)初，最初多為基于對污水處理廠污水污泥的管理（處理和處置利用）方法的比較性研究，因而并非是真正意義上的LCA，僅著重于沼氣的生產(chǎn)（如電能、熱能）與處理過程中能耗平衡分析，但通過比較也反映了能源、資源回收利用對于可持續(xù)性污泥管理的重要性。因而隨著對污水污泥厭氧處理LCA研究和應(yīng)用的發(fā)展，更加注重清單資料的分析，以獲得更加符合實際的評價結(jié)果，并由此可進一步促進城市污水污泥系統(tǒng)環(huán)境影響的定量化評價。

4 結(jié)語

目前，隨著循環(huán)經(jīng)濟理念的深入人心，已將城市污水處理技術(shù)系統(tǒng)作為社會、經(jīng)濟和環(huán)境發(fā)展有機組成部分，由末端治理走向源頭控制，以污染物去除、資源利用、能源生產(chǎn)向協(xié)同的發(fā)展之路，并越來越多地利用LCA分析，對城市污水處理技術(shù)進行了水質(zhì)水量管理、資源能源利用、成本核算和經(jīng)濟分析以及環(huán)境影響等方面的綜合評價研究，以更好地優(yōu)化城市污水處理工藝技術(shù)、充分利用污水能源資源、有效消除水體富營養(yǎng)化、和溫室效應(yīng)等環(huán)境問題。

LCA作為環(huán)境管理中確定工藝或產(chǎn)品“搖籃到墳?zāi)埂钡沫h(huán)境可行性的行之有效的方法和十分重要的工具，通過不同目標(biāo)和邊界、功能單位以及清單分析評價等過程，可對城市污水處理工藝技術(shù)的設(shè)計、運行管理決策以及資源投入、能耗需求、GHG排放、水體富營養(yǎng)化、生態(tài)毒性和水體酸化以及資源能源的回收利用等進行綜合的評價，提供能源資源回收利用和削減（除）對環(huán)境不利影響的有效途徑和方法，并為污水處理工藝技術(shù)的改進和優(yōu)化提供重要依據(jù)。

但目前，我國城市污水處理技術(shù)的LCA研究的發(fā)展尚有待加強，尤其是根據(jù)LCA的基本特征，著力于圍繞利用城市污水處理技術(shù)的優(yōu)化和資源和能源的利用，借鑒國外的先進技術(shù)與經(jīng)驗，對不同類別的城市污水處理技術(shù)和工藝，尤其是對基于高效厭氧處理技術(shù)實現(xiàn)有效能源資源的回收的關(guān)鍵性工藝的LCA研究和分析，可有效促進城市污水處理技術(shù)更好更快地向效能和產(chǎn)能型及環(huán)境友好型方向發(fā)展，不斷完善清單分析資料庫的建立，改進分析方法，從而提出符合我國國情的城市污水處理技術(shù)優(yōu)化和節(jié)能降耗工藝技術(shù)，并真正發(fā)揮其優(yōu)化和提升我國城市污水處理技術(shù)的應(yīng)有作用。