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    污水處理環(huán)境綜合效益評(píng)價(jià)方法及案例應(yīng)用
    發(fā)布時(shí)間:2019.04.08    新聞來源:官網(wǎng)   瀏覽次數(shù):

    傳統(tǒng)污水處理以能源、資源消耗為代價(jià)而去除污水中有機(jī)物(COD)與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(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(zhuǎn)化為大氣污染之嫌疑,且存在所含熱能/化學(xué)能及不可再生資源(磷)流失現(xiàn)象。僅僅關(guān)注出水水質(zhì),一味提高排放標(biāo)準(zhǔn)的作法可能對(duì)環(huán)境綜合效益并不一定非常有利,可能還會(huì)帶來負(fù)作用。因此,需要對(duì)污水處理進(jìn)行環(huán)境綜合效益評(píng)價(jià),不僅關(guān)注出水水質(zhì),還應(yīng)包括能源/資源消耗以及其它環(huán)境影響在內(nèi)的環(huán)境綜合效益指標(biāo),以綜合衡量污水處理產(chǎn)生的環(huán)境綜合效應(yīng)。

    01 評(píng)價(jià)方法

    對(duì)污水處理廠LCA評(píng)價(jià)中,提高污水處理廠出水水質(zhì)有利于降低受納水體富營(yíng)養(yǎng)化和緩解黑臭現(xiàn)象。但是,出水水質(zhì)提高意味著污水處理藥耗/能耗、溫室氣體排放量等相應(yīng)增加。因此,出水水質(zhì)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(píng)價(jià)及優(yōu)化相耦合模型,嘗試對(duì)分別滿足一級(jí)A出水和“準(zhǔn)四類水”兩種標(biāo)準(zhǔn)下實(shí)際污水處理廠進(jìn)行環(huán)境綜合效益評(píng)價(jià),以分析出水標(biāo)準(zhǔn)提高對(duì)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(yīng)用案例分析

    2.1 目標(biāo)與范圍界定

    應(yīng)用案例采用山西某市一市政污水處理廠建設(shè)、運(yùn)行實(shí)際數(shù)據(jù)及拆除估算值。該廠一期工程為氧化溝工藝,設(shè)計(jì)流量Q=10萬(wàn)m3/d(實(shí)際Q=5.92萬(wàn)m3/d);二期工程采用5段Bardenpho工藝,設(shè)計(jì)流量Q=10萬(wàn)m3/d(實(shí)際Q=9.15萬(wàn)m3/d)。污水經(jīng)兩期工藝分別處理后,在高效纖維濾池內(nèi)加入化學(xué)藥劑,用以強(qiáng)化除磷。該廠出水水質(zhì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為一級(jí)A,服務(wù)年限20年;剩余污泥脫水后外運(yùn)(6 km)填埋處理。評(píng)價(jià)中將功能單位(Functional Unit,F(xiàn)U)定義為處理1萬(wàn)m3污水產(chǎn)生的環(huán)境影響,即,F(xiàn)U=1萬(wàn)m3

    2.2 數(shù)據(jù)清單

    應(yīng)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?dāng)?shù)據(jù)相同。可知,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(biāo)準(zhǔn)》征求意見稿中特別排放限值,即,地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)IV類,所以,出水總體上接近“準(zhǔn)四類水”。因此,應(yīng)用評(píng)價(jià)以此標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)。

    表1 案例污水處理廠LCA評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)時(shí)需要對(duì)環(huán)境影響進(jìn)行分類,以確定不同影響之?dāng)?shù)值。受案例污水處理廠實(shí)際數(shù)據(jù)所限,案例評(píng)價(jià)只選取那些重要環(huán)境影響指標(biāo),如表2所示。

    03 評(píng)價(jià)“準(zhǔn)四類水”影響

    3.1 LCA特征化結(jié)果與分析

    經(jīng)統(tǒng)計(jì)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(wàn)m3)污水達(dá)到“準(zhǔn)四類水”標(biāo)準(zhǔn)后,因材耗、能耗及直接環(huán)境排放造成的環(huán)境影響結(jié)果,如表3所示的特征化結(jié)果。案例污水處理廠不同階段對(duì)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(jié)果

    圖1 案例污水處理廠不同階段對(duì)環(huán)境影響占比

    特征化結(jié)果表明,污水處理廠對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的凈效益為負(fù)值;若沒有足夠環(huán)境影響抵消手段(如,能源、資源回收)時(shí),污水處理對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)影響很大。如果出水排放標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格,僅靠延長(zhǎng)工藝流程來滿足出水要求,勢(shì)必導(dǎo)致建設(shè)與拆除階段對(duì)環(huán)境的影響增大。因此,一味靠提高出水標(biāo)準(zhǔn)而改善水體環(huán)境質(zhì)量的結(jié)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)!。

    3.2 環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果

    因不同環(huán)境影響類型潛能值均以不同參照物作為當(dāng)量基礎(chǔ),致不同環(huán)境影響類型間無法直接進(jìn)行比較,所以,需要將特征化結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化(標(biāo)準(zhǔn)化),以得到無量綱可比對(duì)數(shù)值。所有基準(zhǔn)值計(jì)算均采用同一年數(shù)據(jù)(2010年)進(jìn)行歸一化計(jì)算。在“準(zhǔn)四類水”標(biāo)準(zhǔn)之下,案例污水處理廠LCA歸一化因子與計(jì)算結(jié)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(jié)果

    歸一化結(jié)果顯示,出水水質(zhì)與溫室效應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)BOP與EP固然會(huì)下降,但伴隨而來的則是GWP等項(xiàng)升高。進(jìn)一步說明,一味提高出水排放標(biāo)準(zhǔn),僅關(guān)注出水水質(zhì)和運(yùn)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(biāo),最終確實(shí)將得到并不整體“環(huán)!钡慕Y(jié)果。

    3.3 環(huán)境影響量化結(jié)果

    根據(jù)文獻(xiàn)和案例污水處理廠當(dāng)?shù)夭煌h(huán)境影響之重要性,可以得到不同環(huán)境影響類型相對(duì)重要性判斷矩陣。經(jīng)計(jì)算,判斷矩陣A的一致性指標(biāo)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(biāo)值中的權(quán)重值。

    3.4 案例廠環(huán)境綜合效益

    通過計(jì)算可以得到在達(dá)到“準(zhǔn)四類水”標(biāo)準(zhǔn)情況下,每FU污水處理造成的LCA環(huán)境綜合影響指標(biāo)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(biāo)值分析,采用五段Bardenpho為二期工藝對(duì)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(rèn)識(shí)水平完全一致。

    整體上看,環(huán)境綜合影響指標(biāo)由出水水質(zhì)黑臭潛能、溫室效應(yīng)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(duì)環(huán)境綜合影響的貢獻(xiàn)幾乎可以忽略。此外,這四項(xiàng)影響類型改善手段處于矛盾位置,可為后面多目標(biāo)優(yōu)化提供基礎(chǔ),即,通過適當(dāng)降低出水要求,滿足設(shè)計(jì)出水標(biāo)準(zhǔn)(一級(jí)A)有可能會(huì)使得LCIA降低。

    04 降低出水標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(zhì)雖然可以降低黑臭潛值和富營(yíng)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(dǎo)致的大氣酸化和不可再生資源消耗增多。因此,有必要對(duì)不同環(huán)境影響類型進(jìn)行權(quán)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(biāo)決策方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

    經(jīng)計(jì)算,一級(jí)A出水下的環(huán)境綜合影響指標(biāo)值分別為,一期LCIA1’=2.77、二期LCIA2’=3.13。相比“準(zhǔn)四類水標(biāo)準(zhǔn)”,環(huán)境綜合影響值(LCIA)分別降低6.4%和4.3%,對(duì)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?yàn)楣に嚵鞒毯?jiǎn)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(dá)到設(shè)計(jì)出水標(biāo)準(zhǔn)(一級(jí)A)后,再進(jìn)一步提高出水水質(zhì),追求所謂的地表四類水、甚至于更高要求,最終對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的綜合效益將會(huì)降低。

    出水標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)降低,對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的綜合影響更小是主要因?yàn)镃、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(biāo)準(zhǔn)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(huì)相應(yīng)降低,亦對(duì)間接碳排減少、物耗降低和化學(xué)污泥量減少有所貢獻(xiàn)?梢,適當(dāng)降低出水排放標(biāo)準(zhǔn),可有效提高污水處理廠對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的綜合效益,會(huì)使污水處理廠變得更加“環(huán)保”。

    05 結(jié)論

    修正并優(yōu)化用于污水處理全生命周期(LCA)評(píng)價(jià)方法,建立全生命周期與多目標(biāo)數(shù)學(xué)規(guī)劃法相耦合(LCA-MOP)模型,評(píng)價(jià)結(jié)果表明,在一級(jí)A出水標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)一步將出水標(biāo)準(zhǔn)提高至“準(zhǔn)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(yíng)養(yǎng)化)單位亦會(huì)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(fù)面影響,使環(huán)境綜合效益凈值變?yōu)樨?fù)數(shù)。換句話說,出水標(biāo)準(zhǔn)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(fù)影響所抵消,結(jié)果其實(shí)是對(duì)總環(huán)境質(zhì)量做無用功。

    因此,在對(duì)污水處理廠環(huán)境效益評(píng)價(jià)和目標(biāo)改善中,應(yīng)該摒棄僅著眼于出水水質(zhì)和運(yùn)行成本這樣的硬性指標(biāo),應(yīng)采用LCA評(píng)價(jià)方法綜合評(píng)價(jià)對(duì)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(zhuǎn)嫁”現(xiàn)象,實(shí)際上是一個(gè)將水污染轉(zhuǎn)嫁為大氣污染的過程。為此,確實(shí)應(yīng)該大力發(fā)展可持續(xù)污水處理技術(shù),實(shí)現(xiàn)污水處理資源化、能源化未來目標(biāo),以此來消減污水處理實(shí)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(lán)色”,方能實(shí)現(xiàn)正的環(huán)境效益。

     
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