導讀：污水處理作為消除水環(huán)境污染的重要功能單元缺乏評價它在改善水環(huán)境之外存在的其它環(huán)境影響。通過修正并優(yōu)化用于污水處理全生命周期（LCA）評價方法，建立全生命周期評價與多目標數(shù)學規(guī)劃法相耦合（LCA-MOP）模型評價實際污水處理廠后揭示，污水處理廠對環(huán)境產(chǎn)生的綜合效益居然是負值！當出水排放標準提高時，污水處理對環(huán)境產(chǎn)生的負效益則會加劇。著眼于全生命周期，傳統(tǒng)污水處理實際上是一種環(huán)境的“污染源”，至少有將水污染轉嫁為大氣污染之嫌。因此，改善水體環(huán)境質量一味依靠提高污水處理排放標準，并重在考核出水水質和運行成本，勢必將污水處理推向“污染大戶”的邊緣。為使污水處理對環(huán)境產(chǎn)生的負效益降至最低程度，必須大力發(fā)展可持續(xù)污水處理技術，盡可能實現(xiàn)污水資源化、能源化之遠大目標。只有污水處理升級至 “綠色”并逐漸向“藍色”過渡，方有可能實現(xiàn)對環(huán)境的“零”影響、甚至取得“正”效益。

郝曉地（1960-），男，山西柳林人，教授，從事市政與環(huán)境工程專業(yè)教學與科研工作，主要研究方向為污水生物脫氮除磷技術、污水處理數(shù)學模擬技術、可持續(xù)環(huán)境生物技術�，F(xiàn)為國際水協(xié)期刊《Water Research》區(qū)域主編（Editor）。

傳統(tǒng)污水處理以能源、資源消耗為代價而去除污水中有機物（COD）與營養(yǎng)物質（N、P），以獲得期望的水環(huán)境效益。某種程度上說，傳統(tǒng)污水處理有將水污染轉化為大氣污染之嫌疑，且存在所含熱能/化學能及不可再生資源（磷）流失現(xiàn)象。僅僅關注出水水質，一味提高排放標準的作法可能對環(huán)境綜合效益并不一定非常有利，可能還會帶來負作用。因此，需要對污水處理進行環(huán)境綜合效益評價，不僅關注出水水質，還應包括能源/資源消耗以及其它環(huán)境影響在內的環(huán)境綜合效益指標，以綜合衡量污水處理產(chǎn)生的環(huán)境綜合效應。

01

評價方法

對污水處理廠LCA評價中，提高污水處理廠出水水質有利于降低受納水體富營養(yǎng)化和緩解黑臭現(xiàn)象。但是，出水水質提高意味著污水處理藥耗/能耗、溫室氣體排放量等相應增加。因此，出水水質與能耗/溫室氣體間平衡需要最優(yōu)化決策。本研究通過建立LCA-MOP（Life Cycle Assessment-Multi-Objective Programming）環(huán)境綜合影響評價及優(yōu)化相耦合模型，嘗試對分別滿足一級A出水和“準四類水”兩種標準下實際污水處理廠進行環(huán)境綜合效益評價，以分析出水標準提高對環(huán)境產(chǎn)生的綜合影響，試圖尋求環(huán)境綜合影響最小化的有效途徑。

02

應用案例分析

2.1 目標與范圍界定

應用案例采用山西某市一市政污水處理廠建設、運行實際數(shù)據(jù)及拆除估算值。該廠一期工程為氧化溝工藝，設計流量Q=10萬m3/d（實際Q=5.92萬m3/d）；二期工程采用5段Bardenpho工藝，設計流量Q=10萬m3/d（實際Q=9.15萬m3/d）。污水經(jīng)兩期工藝分別處理后，在高效纖維濾池內加入化學藥劑，用以強化除磷。該廠出水水質設計標準為一級A，服務年限20年；剩余污泥脫水后外運（6 km）填埋處理。評價中將功能單位（Functional Unit，F(xiàn)U）定義為處理1萬m3污水產(chǎn)生的環(huán)境影響，即，F(xiàn)U=1萬m3。

2.2 數(shù)據(jù)清單

應用案例數(shù)據(jù)清單顯示于表1。因該污水廠一、二期處理水匯合后經(jīng)過濾池深度處理，故最終出水數(shù)據(jù)相同�？芍�，該廠出水除SS外，其余均低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》征求意見稿中特別排放限值，即，地表水環(huán)境質量標準IV 類，所以，出水總體上接近“準四類水”。因此，應用評價以此標準為依據(jù)。

表1案例污水處理廠LCA評價主要影響物清單

2.3 環(huán)境影響分類

污水處理LCA 環(huán)境效益評價時需要對環(huán)境影響進行分類，以確定不同影響之數(shù)值。受案例污水處理廠實際數(shù)據(jù)所限，案例評價只選取那些重要環(huán)境影響指標，如表2所示。

表2 案例污水處理廠環(huán)境影響分類

影響類別	污染物質	排放來源
全球變暖潛能	CO2、CH4、NOx	處理過程形成的直接排放以及能耗、藥耗形成的間接排放
水體富營養(yǎng)化潛能	P、N	出水排放
大氣酸化潛能	SO2、NOx	消耗電能生產(chǎn)過程
非生物資源枯竭潛能	煤、石油	消耗電能生產(chǎn)過程、物料運輸過程
人體毒性潛能	Cu、Hg、Cd	出水排放
黑臭水體潛能	COD、NH4+	出水排放
填埋空間消耗	脫水污泥、建筑垃圾	污水處理過程、建筑物拆除

影響類別

污染物質

排放來源

全球變暖潛能

CO2、CH4、NOx

處理過程形成的直接排放以及能耗、藥耗形成的間接排放

水體富營養(yǎng)化潛能

P、N

出水排放

大氣酸化潛能

SO2、NOx

消耗電能生產(chǎn)過程

非生物資源枯竭潛能

煤、石油

消耗電能生產(chǎn)過程、物料運輸過程

人體毒性潛能

Cu、Hg、Cd

出水排放

黑臭水體潛能

COD、NH4+

出水排放

填埋空間消耗

脫水污泥、建筑垃圾

污水處理過程、建筑物拆除

03

評價“準四類水”影響

3.1 LCA特征化結果與分析

經(jīng)統(tǒng)計分析，最終可以得到案例污水處理廠在LCA框架下，處理1 FU（1萬m3）污水達到“準四類水”標準后，因材耗、能耗及直接環(huán)境排放造成的環(huán)境影響結果，如表3所示的特征化結果。案例污水處理廠不同階段對環(huán)境影響占比見圖1。

表3 案例污水處理廠環(huán)境影響特征化結果

特征化結果表明，污水處理廠對環(huán)境產(chǎn)生的凈效益為負值；若沒有足夠環(huán)境影響抵消手段（如，能源、資源回收）時，污水處理對環(huán)境產(chǎn)生的負影響很大。如果出水排放標準更加嚴格，僅靠延長工藝流程來滿足出水要求，勢必導致建設與拆除階段對環(huán)境的影響增大。因此，一味靠提高出水標準而改善水體環(huán)境質量的結果恐怕適得其反，反而產(chǎn)生更大的環(huán)境綜合影響，并不“環(huán)保”。

3.2 環(huán)境影響標準化結果

因不同環(huán)境影響類型潛能值均以不同參照物作為當量基礎，致不同環(huán)境影響類型間無法直接進行比較，所以，需要將特征化結果進行數(shù)據(jù)歸一化（標準化），以得到無量綱可比對數(shù)值。所有基準值計算均采用同一年數(shù)據(jù)（2010年）進行歸一化計算。在“準四類水”標準之下，案例污水處理廠LCA歸一化因子與計算結果示于表4。

表4 案例污水處理廠環(huán)境影響總量歸一化結果

歸一化結果顯示，出水水質與溫室效應等環(huán)境影響類別處于矛盾位置，即，如果不斷提高出水排放標準BOP與EP固然會下降，但伴隨而來的則是GWP等項升高。進一步說明，一味提高出水排放標準，僅關注出水水質和運行成本，而不從宏觀角度把握污水處理廠環(huán)境綜合影響指標，最終確實將得到并不整體“環(huán)保”的結果。

3.3 環(huán)境影響量化結果

根據(jù)文獻和案例污水處理廠當?shù)夭煌�環(huán)境影響之重要性，可以得到不同環(huán)境影響類型相對重要性判斷矩陣。經(jīng)計算，判斷矩陣A的一致性指標CR=0.06<0.1，說明該判斷矩陣具有邏輯一致性。最終得到案例污水處理廠各環(huán)境影響類型在環(huán)境綜合影響指標值中的權重值。

3.4 案例廠環(huán)境綜合效益

通過計算可以得到在達到“準四類水”標準情況下，每FU污水處理造成的LCA環(huán)境綜合影響指標值分別為：LCIA1=2.96，LCIA2=3.27。從每FU污水處理造成的LCA環(huán)境綜合影響指標值分析，采用五段Bardenpho為二期工藝對環(huán)境影響程度更大，即，綜合環(huán)境效益更低，這與目前研究認識水平完全一致。

整體上看，環(huán)境綜合影響指標由出水水質黑臭潛能、溫室效應潛能、填埋空間消耗和非生物資源枯竭潛能所決定，其余影響類型對環(huán)境綜合影響的貢獻幾乎可以忽略。此外，這四項影響類型改善手段處于矛盾位置，可為后面多目標優(yōu)化提供基礎，即，通過適當降低出水要求，滿足設計出水標準（一級A）有可能會使得LCIA降低。

04

降低出水標準對環(huán)境綜合效益

如上所述，不同環(huán)境影響類型之間存在矛盾，如，提高出水水質雖然可以降低黑臭潛值和富營養(yǎng)化潛值，但伴隨而來的卻是溫室氣體排放量增加、能耗增多導致的大氣酸化和不可再生資源消耗增多。因此，有必要對不同環(huán)境影響類型進行權衡，以獲得污水處理廠環(huán)境綜合影響最優(yōu)化決策，即，使環(huán)境綜合影響數(shù)值降至最低。為此，將上述案例研究采用多目標決策方法進行評價。

經(jīng)計算，一級A出水下的環(huán)境綜合影響指標值分別為，一期LCIA1’=2.77、二期LCIA2’=3.13。相比“準四類水標準”，環(huán)境綜合影響值（LCIA）分別降低6.4%和4.3%，對環(huán)境綜合影響均有所減少。一期環(huán)境綜合影響降低比例較大，主要是因為工藝流程簡單，單位電耗等比二期降幅大。二期LCIA雖然減少比例不是很大，但亦明顯表明，在達到設計出水標準（一級A）后，再進一步提高出水水質，追求所謂的地表四類水、甚至于更高要求，最終對環(huán)境產(chǎn)生的綜合效益將會降低。

出水標準適當降低，對環(huán)境產(chǎn)生的綜合影響更小是主要因為C、N、P去除量分別減少，使污水處理過程直接碳排放大為減少。其次，由于出水標準降低，單位電耗減少，因電耗帶來的間接碳排和電能生產(chǎn)過程污染物排放量亦大幅減少。再者，除P壓力減少，使藥耗也會相應降低，亦對間接碳排減少、物耗降低和化學污泥量減少有所貢獻。可見，適當降低出水排放標準，可有效提高污水處理廠對環(huán)境產(chǎn)生的綜合效益，會使污水處理廠變得更加“環(huán)保”。

05

結論

修正并優(yōu)化用于污水處理全生命周期（LCA）評價方法，建立全生命周期與多目標數(shù)學規(guī)劃法相耦合（LCA-MOP）模型，評價結果表明，在一級A出水標準下進一步將出水標準提高至“準四類水”，污水處理廠作為消除水環(huán)境污染（黑臭水體與水體富營養(yǎng)化）單位亦會在能源、資源消耗以及溫室氣體排放等方面產(chǎn)生不利于環(huán)境的負面影響，使環(huán)境綜合效益凈值變?yōu)樨摂?shù)。換句話說，出水標準提高所帶來的水環(huán)境效益很容易被所增加的能源消耗、資源消耗以及伴隨的大氣污染等負影響所抵消，結果其實是對總環(huán)境質量做無用功。

因此，在對污水處理廠環(huán)境效益評價和目標改善中，應該摒棄僅著眼于出水水質和運行成本這樣的硬性指標，應采用LCA評價方法綜合評價對環(huán)境產(chǎn)生的凈影響。傳統(tǒng)污水處理的確存在著“污染轉嫁”現(xiàn)象，實際上是一個將水污染轉嫁為大氣污染的過程。為此，確實應該大力發(fā)展可持續(xù)污水處理技術，實現(xiàn)污水處理資源化、能源化未來目標，以此來消減污水處理實際上為環(huán)境“污染源”的嫌疑。污水處理只有上升至“綠色”、并逐漸過渡到“藍色”，方能實現(xiàn)正的環(huán)境效益。

本文詳細內容請查閱《中國給水排水》2019年第6期：污水處理環(huán)境綜合效益評價方法及案例應用；作者為郝曉地，王向陽，江瀚，李爽。

該文標準引用格式：

郝曉地，王向陽，江瀚，等.污水處理環(huán)境綜合效益評價方法及案例應用［J］.中國給水排水，2019,35（6）:6-15.

Hao Xiaodi, Wang Xiangyang, Jiang Han, et al. Evaluation method of the environmental comprehensive benefit for wastewater treatment and a case study［J］. China Water ＆Wastewater，2019,35（6）：6-15 (in Chinese).

編輯：丁彩娟

制作：文凱

審核：李德強