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污水处理综合环境效益评价

作者:王向阳 郝晓地等 发表时间:2022-04-22 09:26:22 来源:水业碳中和资讯

 编者按:传统污水处理以消耗能量、资源为代价将污水中所谓污染物质去除殆尽,以改善水环境作为唯一目的。其实,这是一种“以能消能”、“污染转嫁”的不可持续方式。若以综合环境效益去评价污水处理,单一水净化目的可能对综合环境效益而言并不一定正向有利,甚至可能带来负作用,特别是在当前“双碳”目标形势下。为此,早在几年前我们便建立了污水处理综合环境效益评价方法,并运用实际案例评价。本期介绍2019年已发表文章的评价方法和分析结果。

 01评价方法

 对污水处理厂LCA评价中,提高污水处理厂出水水质有利于降低受纳水体富营养化和缓解黑臭现象。但是,出水水质提高意味着污水处理药耗/能耗、温室气体排放量等相应增加。因此,出水水质与能耗/温室气体间平衡需要最优化决策。本研究通过建立LCA-MOP(Life Cycle Assessment-Multi-Objective Programming)环境综合影响评价及优化相耦合模型,尝试对分别满足一级A出水和“准四类水”两种标准下实际污水处理厂进行环境综合效益评价,以分析出水标准提高对环境产生的综合影响,试图寻求环境综合影响最小化的有效途径。

 02应用案例

 应用案例采用山西某市一市政污水处理厂建设、运行实际数据及拆除估算值。该厂一期工程为氧化沟工艺,设计流量Q=10×104m3/d(实际Q=5.92×104m3/d);二期工程采用5段Bardenpho工艺,设计流量Q=10×104m3/d(实际Q=9.15×104m3/d)。污水经两期工艺分别处理后,在高效纤维滤池内加入化学药剂,用以强化除磷。该厂出水水质设计标准为一级A,服务年限20年:剩余污泥脱水后外运(6km)填埋处理。评价中将功能单位(Functional Unit,FU)定义为处理1×104m3污水产生的环境影响,即,FU=1×104m3。应用案例数据清单显示于表3。

 

 因该污水厂一、二期处理水汇合后经过滤池深度处理,故最终出水数据相同。由表3可知,该厂出水除SS外,其余均低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》征求意见稿中特别排放限值,即,地表水环境质量标准Ⅳ类,所以,出水总体上接近“准Ⅳ类水”。因此,应用评价以此标准为依据。

 污水处理LCA环境效益评价时需要对环境影响进行分类,以确定不同影响之数值。受案例污水处理厂实际数据所限,案例评价只选取那些重要环境影响指标,具体指标见表4。

 

 03评价“准Ⅳ类水”影响

 LCA特征化结果与分析

 经统计分析,终可以得到案例污水处理厂在LCA框架下,处理1FU(1×104m3)污水达到“准Ⅳ类水”标准后,环境影响特征化结果如表5所示,案例污水处理厂不同阶段对环境影响占比见图2。

 

 特征化结果表明,污水处理厂对环境产生的净效益为负值;若没有足够环境影响抵消手段(如能源、资源回收)时,污水处理对环境产生的负影响很大。如果出水排放标准更加严格,仅靠延长工艺流程来满足出水要求,势必导致建设与拆除阶段对环境的影响增大。因此,一味靠提高出水标准而改善水体环境质量的结果恐怕会产生更大的环境综合影响,并不“环保”。

 环境影响标准化结果

 因不同环境影响类型潜能值均以不同参照物作为当量基础,致使不同环境影响类型间无法直接进行比较,所以,需要将特征化结果进行数据归一化(标准化),以得到无量纲可比对数值。所有基准值计算均采用同一年数据(2010年)进行归一化计算。在“准Ⅳ类水”标准下,案例污水处理厂LCA归一化因子与计算结果见表6。

 

 归一化结果显示,虽然GWP总量较大,但对污水处理厂综合环境影响指标的贡献与出水黑臭潜能程度相当。出水水质与温室效应等环境影响类别处于矛盾位置。进一步说明,一味提高出水排放标准,仅关注出水水质和运行成本,而不从宏观角度把握污水处理厂环境综合影响指标,最终将得到并不整体“环保”的结果。

 环境影响量化结果

 经计算,判断矩阵A的一致性指标CR=0.06<0.1,说明该判断矩阵具有逻辑一致性。最终得到案例污水处理厂各环境影响类型在环境综合影响指标值中的权重值。

 

 案例厂环境综合效益

 整体上看,环境综合影响指标由出水水质黑臭潜能、温室效应潜能、填埋空间消耗和非生物资源枯竭潜能所决定,其余影响类型对环境综合影响的贡献几乎可以忽略。此外,通过适当降低出水要求,满足设计出水标准(一级A)有可能会使LCIA降低。

 04降低出水标准对环境产生的综合效益

 最终得到一级A出水下的环境综合影响指标值,相比“准Ⅳ类水标准”,环境综合影响值(LCIA)分别降低6.4%和4.3%,对环境综合影响均有所降低。结果表明,在达到设计出水标准(一级A)后,再进一步提高出水水质,最终对环境产生的综合效益将会降低。适当降低出水排放标准,可使污水处理过程直接碳排、间接碳排、物耗和电能生产过程污染物排放量大为减少,将有效提高污水处理厂对环境产生的综合效益,使污水处理厂变得更加“环保”。

 05结论

 出水标准提高所带来的水环境效益很容易被所增加的能源消耗、资源消耗以及伴随的大气污染等负影响所抵消,结果其实是对总环境质量做无用功。在对污水处理厂环境效益评价和目标改善中,应采用LCA方法综合评价对环境产生的净影响。此外,应大力发展可持续污水处理技术,实现污水处理资源化、能源化未来目标,污水处理只有上升至“绿色”并逐渐过渡到“蓝色”,方能实现正的环境效益。


污水处理综合环境效益评价
编者按:传统污水处理以消耗能量、资源为代价将污水中所谓污染物质去除殆尽,以改善水环境作为唯一目的。其实,这是一种“以能消能”、“污染转嫁”的不可持续方式。若以综合环境效益去评价污水处理,单一水净化目的可能对综合环境效益而言并不一定正向有利,甚至可能带来负作用,特别是在当前“双碳”目标形势下。为此,早在几年前我们便建立了污水处理综合环境效益评价方法,并运用实际案例评价。本期介绍2019年已发表文章的
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