地下土壤滲濾系統(tǒng)處理農(nóng)村生活污水的生命周期評價(jià)

呂慧瑜，高生旺，黃秋霖,王麗君，夏訓(xùn)峰

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；2.北京化工大學(xué)，北京 100029;3.蒼南縣建筑設(shè)計(jì)研究院，浙江 溫州 325800)

長期以來，生活污水的治理主要集中在城市人口密集地區(qū)，而多數(shù)農(nóng)村地區(qū)因無管網(wǎng)覆蓋而難以收集，一般經(jīng)過簡易三格化糞池處理后直接排入周邊水體，對水環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，影響了農(nóng)村居民的身體健康與經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1-3]。

地下土壤滲濾系統(tǒng)是一種基于生態(tài)學(xué)原理的分散式污水處理技術(shù)，具有出水水質(zhì)穩(wěn)定、受季節(jié)影響小、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。該污水處理系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可降低原水中的污染物，但其從建設(shè)到運(yùn)行的生命周期過程中也會消耗資源、能源并排放污染物。傳統(tǒng)上對污水處理技術(shù)的評價(jià)多考慮其技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素，而沒有加入環(huán)境因素的考量，忽略了污水處理設(shè)施在建設(shè)和運(yùn)行期間直接和間接的環(huán)境排放負(fù)面影響。因此，污水處理技術(shù)自身建設(shè)和運(yùn)行產(chǎn)生的環(huán)境影響也應(yīng)當(dāng)作為技術(shù)評估的重要內(nèi)容。

生命周期評價(jià)(Life Cycle Assessment，簡稱LCA)是從生命周期視角對產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境影響評價(jià)的一種環(huán)境管理工具。LCA在國內(nèi)外已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，取得了很多成果。目前，已有學(xué)者對污水生態(tài)處理技術(shù)進(jìn)行了生命周期評價(jià)及其對比研究，如Valerie等[6]對垂直流和水平流人工濕地進(jìn)行了生命周期對比研究，結(jié)果表明垂直流人工濕地總的環(huán)境較小；Zhao等[7]對比分析了天津垂直流和水平流人工濕地的溫室氣體排放；趙玉峰[8]采用LCA方法對表面流人工濕地等面源污染治理技術(shù)的環(huán)境影響進(jìn)行了生命周期評價(jià)。但上述這些研究都沒有把污泥處理分析加入LCA到研究中。為此，本文將系統(tǒng)運(yùn)行期間的直接污染物排放以及廢棄物和污泥的處理分析加入地下土壤滲濾系統(tǒng)的生命周期評價(jià)研究中，對比分析了生命周期各個過程中非生物資源耗竭、酸化、富營養(yǎng)化、全球變暖和固體廢物等環(huán)境影響類型，并確定了主要的環(huán)境影響類型和造成環(huán)境影響的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，形成對地下土壤滲濾系統(tǒng)完整的生命周期評價(jià)研究。

1 地下土壤滲濾系統(tǒng)生命周期評價(jià)

1.1 目標(biāo)與范圍定義

本文以上海市某村莊的污水處理系統(tǒng)——地下土壤滲濾系統(tǒng)作為研究對象[2,9]，該地下土壤滲濾處理系統(tǒng)的工藝流程為：生活污水→化糞池→格柵→調(diào)節(jié)池→地下滲濾場→出水排放→污泥處理。根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資料，本文利用ebalance ECER軟件對地下土壤滲濾系統(tǒng)進(jìn)行生命周期評價(jià)，目的在于分析地下土壤滲濾處理技術(shù)的環(huán)境影響類型及其水平，確定其造成環(huán)境影響的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為農(nóng)村生活污水生態(tài)處理技術(shù)的生命周期評價(jià)提供數(shù)據(jù)支持，為農(nóng)村生活污水處理技術(shù)的進(jìn)一步改善提供科學(xué)依據(jù)。

本次LCA研究的功能單元為處理1 m3生活污水，研究范圍界定為地下土壤滲濾系統(tǒng)的建設(shè)階段和運(yùn)行階段，廢棄階段暫不考慮。該系統(tǒng)邊界主要為污水處理設(shè)施的建設(shè)、污水處理及副產(chǎn)品的處理過程，包括污水處理設(shè)施的建設(shè)、污水的處理、廢棄物和污泥的處理及出水排放，見圖1。其整個污水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理水量為100 m3/d，生命周期設(shè)定為20年。

圖1 地下土壤滲濾系統(tǒng)邊界Fig.1 Boundary of subsurface soil infiltration system

1.2 地下土壤滲濾系統(tǒng)清單數(shù)據(jù)分析

LCA研究的范圍主要包括污水處理系統(tǒng)的建設(shè)階段和運(yùn)行階段，建設(shè)階段考慮產(chǎn)品的生產(chǎn)和運(yùn)輸過程，運(yùn)行階段考慮電力消耗和環(huán)境排放以及廢棄物和污泥處理過程的電耗和污染物排放。數(shù)據(jù)來源主要為：原材料開采、生產(chǎn)過程、運(yùn)輸、電力生產(chǎn)數(shù)據(jù)來自中國生命周期參考數(shù)據(jù)庫(CLCD)[10]；運(yùn)行過程中溫室氣體的排放數(shù)據(jù)主要參考IPCC指南和相關(guān)文獻(xiàn)的研究成果[11-13]；柵渣和污泥處理的能耗及其污染物排放數(shù)據(jù)參考曹秀芹等[3]和劉夏璐等[10]的研究成果。

地下土壤滲濾系統(tǒng)的建筑材料主要包括磚塊、混凝土、砂、碎石、聚氯乙烯薄膜、水泥、黏土、爐渣和土工布等。本研究不將工業(yè)廢棄物爐渣作為資源消耗，這里只考慮運(yùn)輸這些廢棄物的能源消耗及排放[14]。水泥、混凝土、磚塊、砂、碎石、黏土、聚氯乙烯薄膜和土工布等材料生產(chǎn)過程中污染物排放數(shù)據(jù)以及運(yùn)輸、電力生產(chǎn)的數(shù)據(jù)均來自CLCD。假定所有原材料和最終產(chǎn)品均由10 t載重柴油汽車運(yùn)輸，最終產(chǎn)品的平均運(yùn)輸距離為100 km，柵渣和污泥外運(yùn)處置的運(yùn)輸距離為50 km。其中，污泥濃縮脫水后和柵渣外運(yùn)進(jìn)行填埋處置。

地下土壤滲濾系統(tǒng)的能源消耗主要包括柴油消耗和電耗。其中，電力主要用于土壤滲濾場的格柵和水泵的運(yùn)行；柴油用于土方開挖以及原材料、建筑材料、柵渣和污泥的運(yùn)輸[15]。

本文考慮的直接排放的環(huán)境污染物主要有CH4和N2O。其中，CH4主要來自于化糞池中糞便的消化和土壤滲濾場的排放；N2O主要來自于土壤滲濾場的排放?；S池的處理效率為50%，CH4的排放量采用IPCC的CH4排放因子進(jìn)行計(jì)算[11]：

CH4排放因子(EF)=最大CH4產(chǎn)生能力(Bo)×CH4轉(zhuǎn)換因子(MCF)

(1)

化糞池的Bo取值為0.6 kgCH4/kgBOD，MCF取值為0.1(定期掏空)，因此CH4排放因子為0.06[12]。根據(jù)污水中的有機(jī)物含量和排放因子，計(jì)算出化糞池CH4的單位排放量為0.012 kg/d。地下土壤滲濾系統(tǒng)的進(jìn)水中，有0.8%～1.3%的BOD轉(zhuǎn)換成CH4氣體，有2.4%～3.7%的總氮轉(zhuǎn)換成N2O氣體[13]。

地下土壤滲濾系統(tǒng)輸入與輸出的能量和物質(zhì)見表1。由整個系統(tǒng)的輸入與輸出的能量和物質(zhì)數(shù)據(jù)，可以得到地下土壤滲濾系統(tǒng)以功能單位為依據(jù)的生命周期清單表，見表2。

表1 地下土壤滲濾系統(tǒng)輸入與輸出的能量和物質(zhì)Table 1 Energy and matter input and output from subsurface soil infiltration system

表2 地下土壤滲濾系統(tǒng)的生命周期清單表Table 2 Life cycle inventory of the energy and matter input and output from subsurface soil infiltration system

注：表中除電耗單位為kW·h/m3外，其他單位均為kg/m3。

1.3 地下土壤滲濾系統(tǒng)生命周期的環(huán)境影響評價(jià)

1.3.1 環(huán)境影響的分類

針對地下土壤滲濾系統(tǒng)，本文主要考慮的環(huán)境影響類型有非生物資源耗竭(ADP)、酸化(AP)、富營養(yǎng)化(EP)、全球變暖(GWP)和固體廢物(Solid Waste)。根據(jù)ebalance ECER軟件中內(nèi)置的分類原則，對地下土壤滲濾系統(tǒng)的原材料消耗、能源消耗和環(huán)境排放物質(zhì)清單進(jìn)行了分類，歸納出不同的環(huán)境影響類型，見表3。

表3 地下土壤滲濾系統(tǒng)環(huán)境影響的分類Table 3 Classification for the environmental impact of subsurface soil infiltration system

1.3.2 環(huán)境影響的特征化分析

根據(jù)ebalance ECER軟件中內(nèi)置的特征化模型，對地下土壤滲濾系統(tǒng)生命周期的環(huán)境影響進(jìn)行特征化分析，其結(jié)果見表4。

表4 地下土壤滲濾系統(tǒng)生命周期的環(huán)境影響特征化分析結(jié)果(單位：kg/m3)Table 4 Characterization of the life cycle environmental impact of subsurface soil infiltration system (unit:kg/m3)

1.3.3 環(huán)境影響的歸一化處理

利用ebalance ECER軟件中特有的CN-2005歸一化模型，對地下土壤滲濾系統(tǒng)生命周期的環(huán)境影響特征化分析結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，其結(jié)果見表5。

表5 地下土壤滲濾系統(tǒng)生命周期的環(huán)境影響歸一化分析結(jié)果Table 5 Nomalization of the life cycle environmental impact of subsurface soil infiltration system

2 評價(jià)結(jié)果分析

2.1 地下土壤滲濾系統(tǒng)生命周期的環(huán)境影響分析

根據(jù)表5的歸一化分析結(jié)果，可得出地下土壤滲濾系統(tǒng)生命周期的環(huán)境影響歸一化值，見圖2。

圖2 地下土壤滲濾系統(tǒng)生命周期的環(huán)境影響歸一化值Fig.2 Normalization of the life cycle impact assessment of subsurface soil infiltration system

由圖2可見，地下土壤滲濾系統(tǒng)生命周期的環(huán)境影響歸一化值大小依次為富營養(yǎng)化、全球變暖、酸化、固體廢物和非生物資源耗竭。其中，富營養(yǎng)化是地下土壤滲濾系統(tǒng)環(huán)境影響的主要類型，占環(huán)境影響總值的75.9%；全球變暖次之，占環(huán)境影響總值的13.5%；酸化占環(huán)境影響總值的6.2%；固體廢物占環(huán)境影響總值的3.9%；非生物資源耗竭的環(huán)境影響歸一化值最小。

富營養(yǎng)化是地下土壤滲濾系統(tǒng)環(huán)境影響最主要的類型，它的環(huán)境負(fù)荷絕大部分來自出水排放，而出水中含有的氮、磷造成了富營養(yǎng)化影響，因此可通過優(yōu)化地下土壤滲濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方式來改善出水水質(zhì)；全球變暖的環(huán)境影響主要來源于地下滲濾場、化糞池的溫室氣體排放，化糞池厭氧反應(yīng)釋放了大量的CH4，而地下滲濾場運(yùn)行時產(chǎn)生了CH4和N2O溫室氣體；酸化的環(huán)境影響主要來自建筑材料的生產(chǎn)過程、柴油貨車運(yùn)輸過程中排放的SO2和NOx；固體廢物的環(huán)境影響主要來源于化糞池、調(diào)節(jié)池和地下滲濾場。

對地下土壤滲濾系統(tǒng)各部分(包括污水收集階段和處理出水排放階段)的環(huán)境影響值和環(huán)境影響比例繪圖，其結(jié)果見圖3和圖4。

圖3 地下土壤滲濾系統(tǒng)各部分的環(huán)境影響值Fig.3 Environmental impact value of various parts in subsurface soil infiltration system

由圖3可見，地下土壤滲濾系統(tǒng)出水排放部分的環(huán)境影響值最大，占地下土壤滲濾系統(tǒng)環(huán)境影響總值的65.5%；地下滲濾場次之，占環(huán)境影響總值的20.6%；化糞池的環(huán)境影響再次之，占環(huán)境影響總值的8.4%；其他部分的環(huán)境影響較小,占環(huán)境影響總值的6%左右。

圖4 地下土壤滲濾系統(tǒng)各部分的環(huán)境影響比例Fig.4 Environmental impact potential proportion of various parts in subsurface soil infiltration system

由圖4可見，地下土壤滲濾系統(tǒng)出水排放部分具有富營養(yǎng)化的環(huán)境影響比例最大值，占富營養(yǎng)化環(huán)境影響總值的86.3%，這是由于出水中的氮、磷造成了富營養(yǎng)化影響；地下滲濾場的非生物資源耗竭、酸化、全球變暖的環(huán)境影響比例均為各部分環(huán)境影響比例的最大值，分別占各環(huán)境影響類型總值的68.0%、60.1%、52.4%，這是由于地下滲濾場面積較大，土方開挖時挖掘機(jī)所需的能源消耗較多且需要大量填料，而建筑材料的運(yùn)輸過程消耗柴油并排放大量的污染物，因此造成非生物資源耗竭和酸化的環(huán)境影響較大，另外地下滲濾場運(yùn)行時排放的溫室氣體N2O和CH4雖然排放量不大，但溫室效應(yīng)明顯；固體廢物的影響主要來源于調(diào)節(jié)池水泵的電耗和地下滲濾場發(fā)電過程中產(chǎn)生的廢棄物。

2.2 地下土壤滲濾系統(tǒng)清單數(shù)據(jù)的敏感度分析

敏感度分析是定量分析數(shù)學(xué)模型輸入變量對輸出結(jié)果影響程度的方法[16]。分析清單數(shù)據(jù)(清單數(shù)據(jù)可反映單位變化率引起的指標(biāo)變化率)對各指標(biāo)的靈敏度，可辨識最有效的改進(jìn)點(diǎn)。敏感度定義為

Smn=(ΔOm/Om)/(ΔIn/In)

(2)

式中：Smn為In對Om的敏感度；Om為第m種未達(dá)標(biāo)的LCA結(jié)果指標(biāo)值；ΔOm/Om為未達(dá)標(biāo)指標(biāo)值變化率；In為第n種過程清單數(shù)據(jù)值；ΔIn/In為清單數(shù)據(jù)值變化率。

根據(jù)生命周期環(huán)境影響評價(jià)結(jié)果對地下土壤滲濾系統(tǒng)各部分的主要原材料、運(yùn)輸、電力清單數(shù)據(jù)進(jìn)行敏感度分析，其結(jié)果見表6。

表6 地下土壤滲濾系統(tǒng)各部分的主要原材料、運(yùn)輸、電力清單數(shù)據(jù)的敏感度分析Table 6 Sensitivity analysis on raw materials,transport,and electricity inventory of various parts in subsurface soil infiltration system

由表6可知，運(yùn)輸投入對LCA結(jié)果的影響最大，要減小地下土壤滲濾系統(tǒng)各環(huán)境影響指標(biāo)的影響值，就要減少運(yùn)輸距離、柴油消耗或排放；運(yùn)輸投入是影響ADP、AP、EP、GWP指標(biāo)最關(guān)鍵的清單數(shù)據(jù)，鋼筋投入對ADP指標(biāo)也有部分影響，電耗投入是影響固體廢物的指標(biāo)最關(guān)鍵的清單數(shù)據(jù)，而混凝土投入和磚塊投入對各環(huán)境影響指標(biāo)的影響相對較小。

2.3 改進(jìn)建議

(1) 通過優(yōu)化地下土壤滲濾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來提高系統(tǒng)的處理效率，改善出水水質(zhì)。在應(yīng)用地下土壤滲濾系統(tǒng)來去除污染物時，基質(zhì)具有重要的作用價(jià)值，所以通過改良系統(tǒng)中的基質(zhì)可以提升滲透速率，進(jìn)而增強(qiáng)水力負(fù)荷；另一個提高系統(tǒng)處理效率的方法是改進(jìn)系統(tǒng)填料的類型和設(shè)置[17]，這是當(dāng)前解決地下土壤滲濾系統(tǒng)處理效率不高的重要手段。

(2) 減少溫室氣體排放是減小全球變暖潛值的主要措施。在保證化糞池中糞便消化時間的情況下，適當(dāng)縮短化糞池掏空的周期，可以減少化糞池CH4的排放；通過對地下土壤滲濾場進(jìn)行通風(fēng)，增大滲濾系統(tǒng)的ORP值，可減少滲濾系統(tǒng)CH4和N2O的排放[13]。

(3) 合理選用運(yùn)輸?shù)那篮湍茉?，降低運(yùn)輸能耗和環(huán)境排放。根據(jù)以往交通運(yùn)輸業(yè)完成單位換算周轉(zhuǎn)量的碳排放量數(shù)據(jù)來看，鐵路運(yùn)輸?shù)膯挝粨Q算周轉(zhuǎn)量的碳排放量為0.021 7 kg/(t·km)，公路運(yùn)輸為0.121 8 kg/(t·km)，水路運(yùn)輸為0.011 5 kg/(t·km)[18]，因此部分路段可以考慮采用鐵路運(yùn)輸?shù)姆绞健?/p>

(4) 目前關(guān)于污水泵采取的節(jié)能技術(shù)措施主要包括[19]：科學(xué)設(shè)置水泵的運(yùn)行臺數(shù)，合理調(diào)節(jié)水泵的運(yùn)行工況；應(yīng)用水泵的變頻調(diào)速技術(shù)和優(yōu)化組合控制技術(shù)；對水泵采用變角變速調(diào)節(jié)和削切葉輪直徑；對泵殼和泵輪進(jìn)行表面處理及抗腐蝕處理。

3 結(jié) 論

(1) 地下土壤滲濾系統(tǒng)處理1 m3農(nóng)村生活污水的非生物資源耗竭、酸化、富營養(yǎng)化、全球變暖和固體廢物環(huán)境影響歸一化值分別為4.84×10-15、6.39×10-14、7.77×10-13、1.39×10-13和3.97×10-14，富營養(yǎng)化和全球變暖是地下土壤滲濾系統(tǒng)環(huán)境影響的主要類型。

(2) 整個地下土壤滲濾系統(tǒng)中，出水排放的環(huán)境影響值最大，且由于出水中的氮磷排放，其環(huán)境影響表現(xiàn)為富營養(yǎng)化。地下滲濾場的環(huán)境影響值次之，這是由于建設(shè)期的能源和建筑材料的消耗、建筑產(chǎn)品運(yùn)輸過程中柴油消耗和環(huán)境排放，以及運(yùn)行時的溫室氣體排放，其非生物資源耗竭、酸化、全球變暖和固體廢物的環(huán)境影響值為地下土壤滲濾系統(tǒng)各部分環(huán)境影響的最高值。

(3) 從環(huán)保角度出發(fā)，地下土壤滲濾系統(tǒng)的主要環(huán)境影響類型為富營養(yǎng)化和全球變暖，主要影響因素為出水排放。因此，應(yīng)著重考慮優(yōu)化地下土壤滲濾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，改善出水水質(zhì)；同時，采取措施減少化糞池和地下土壤滲濾場的溫室氣體排放，共同達(dá)到減小地下土壤滲濾系統(tǒng)處理生活污水的環(huán)境負(fù)荷的目的。

(4) 地下土壤滲濾系統(tǒng)各部分的主要原材料、運(yùn)輸、電力清單數(shù)據(jù)的敏感度分析表明：運(yùn)輸投入是影響酸化、富營養(yǎng)化指標(biāo)的最關(guān)鍵的清單數(shù)據(jù)，磚塊投入是影響全球變暖指標(biāo)的關(guān)鍵清單數(shù)據(jù)，而電耗投入是影響固體廢物指標(biāo)的最關(guān)鍵的清單數(shù)據(jù)。因此，減少運(yùn)輸中柴油消耗和環(huán)境排放，以及減少磚塊和電耗投入是降低地下土壤滲濾系統(tǒng)環(huán)境負(fù)荷的主要切入點(diǎn)。