污水处理环境综合效益评价方法及案例应用

导读：污水处理作为消除水环境污染的重要功能单元缺乏评价它在改善水环境之外存在的其它环境影响。通过修正并优化用于污水处理全生命周期（LCA）评价方法，建立全生命周期评价与多目标数学规划法相耦合（LCA-MOP）模型评价实际污水处理厂后揭示，污水处理厂对环境产生的综合效益居然是负值！当出水排放标准提高时，污水处理对环境产生的负效益则会加剧。着眼于全生命周期，传统污水处理实际上是一种环境的“污染源”，至少有将水污染转嫁为大气污染之嫌。因此，改善水体环境质量一味依靠提高污水处理排放标准，并重在考核出水水质和运行成本，势必将污水处理推向“污染大户”的边缘。为使污水处理对环境产生的负效益降至最低程度，必须大力发展可持续污水处理技术，尽可能实现污水资源化、能源化之远大目标。只有污水处理升级至 “绿色”并逐渐向“蓝色”过渡，方有可能实现对环境的“零”影响、甚至取得“正”效益。

郝晓地（1960-），男，山西柳林人，教授，从事市政与环境工程专业教学与科研工作，主要研究方向为污水生物脱氮除磷技术、污水处理数学模拟技术、可持续环境生物技术。现为国际水协期刊《Water Research》区域主编（Editor）。

传统污水处理以能源、资源消耗为代价而去除污水中有机物（COD）与营养物质（N、P），以获得期望的水环境效益。某种程度上说，传统污水处理有将水污染转化为大气污染之嫌疑，且存在所含热能/化学能及不可再生资源（磷）流失现象。仅仅关注出水水质，一味提高排放标准的作法可能对环境综合效益并不一定非常有利，可能还会带来负作用。因此，需要对污水处理进行环境综合效益评价，不仅关注出水水质，还应包括能源/资源消耗以及其它环境影响在内的环境综合效益指标，以综合衡量污水处理产生的环境综合效应。

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 应用案例分析

2.1 目标与范围界定

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=10万m³/d（实际Q=5.92万m³/d）；二期工程采用5段Bardenpho工艺，设计流量Q=10万m³/d（实际Q=9.15万m³/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（6 km）填埋处理。评价中将功能单位（Functional Unit，FU）定义为处理1万m³污水产生的环境影响，即，FU=1万m³。

2.2 数据清单

应用案例数据清单显示于表1。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。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“准四类水”。因此，应用评价以此标准为依据。

表1 案例污水处理厂LCA评价主要影响物清单

2.3 环境影响分类

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，如表2所示。

03 评价“准四类水”影响

3.1 LCA特征化结果与分析

经统计分析，最终可以得到案例污水处理厂在LCA框架下，处理1 FU（1万m³）污水达到“准四类水”标准后，因材耗、能耗及直接环境排放造成的环境影响结果，如表3所示的特征化结果。案例污水处理厂不同阶段对环境影响占比见图1。

表3 案例污水处理厂环境影响特征化结果

图1 案例污水处理厂不同阶段对环境影响占比

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适得其反，反而产生更大的环境综合影响，并不“环保”。

3.2 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“准四类水”标准之下，案例污水处理厂LCA归一化因子与计算结果示于表4。

表4 案例污水处理厂环境影响总量归一化结果

归一化结果显示，出水水质与温室效应等环境影响类别处于矛盾位置，即，如果不断提高出水排放标准BOP与EP固然会下降，但伴随而来的则是GWP等项升高。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，最终确实将得到并不整体“环保”的结果。

3.3 环境影响量化结果

根据文献和案例污水处理厂当地不同环境影响之重要性，可以得到不同环境影响类型相对重要性判断矩阵。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。

3.4 案例厂环境综合效益

通过计算可以得到在达到“准四类水”标准情况下，每FU污水处理造成的LCA环境综合影响指标值分别为：LCIA1=2.96，LCIA2=3.27。从每FU污水处理造成的LCA环境综合影响指标值分析，采用五段Bardenpho为二期工艺对环境影响程度更大，即，综合环境效益更低，这与目前研究认识水平完全一致。

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，这四项影响类型改善手段处于矛盾位置，可为后面多目标优化提供基础，即，通过适当降低出水要求，满足设计出水标准（一级A）有可能会使得LCIA降低。

04 降低出水标准对环境综合效益

如上所述，不同环境影响类型之间存在矛盾，如，提高出水水质虽然可以降低黑臭潜值和富营养化潜值，但伴随而来的却是温室气体排放量增加、能耗增多导致的大气酸化和不可再生资源消耗增多。因此，有必要对不同环境影响类型进行权衡，以获得污水处理厂环境综合影响最优化决策，即，使环境综合影响数值降至最低。为此，将上述案例研究采用多目标决策方法进行评价。

经计算，一级A出水下的环境综合影响指标值分别为，一期LCIA1’=2.77、二期LCIA2’=3.13。相比“准四类水标准”，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减少。一期环境综合影响降低比例较大，主要是因为工艺流程简单，单位电耗等比二期降幅大。二期LCIA虽然减少比例不是很大，但亦明显表明，在达到设计出水标准（一级A）后，再进一步提高出水水质，追求所谓的地表四类水、甚至于更高要求，最终对环境产生的综合效益将会降低。

出水标准适当降低，对环境产生的综合影响更小是主要因为C、N、P去除量分别减少，使污水处理过程直接碳排放大为减少。其次，由于出水标准降低，单位电耗减少，因电耗带来的间接碳排和电能生产过程污染物排放量亦大幅减少。再者，除P压力减少，使药耗也会相应降低，亦对间接碳排减少、物耗降低和化学污泥量减少有所贡献。可见，适当降低出水排放标准，可有效提高污水处理厂对环境产生的综合效益，会使污水处理厂变得更加“环保”。

05 结论

修正并优化用于污水处理全生命周期（LCA）评价方法，建立全生命周期与多目标数学规划法相耦合（LCA-MOP）模型，评价结果表明，在一级A出水标准下进一步将出水标准提高至“准四类水”，污水处理厂作为消除水环境污染（黑臭水体与水体富营养化）单位亦会在能源、资源消耗以及温室气体排放等方面产生不利于环境的负面影响，使环境综合效益净值变为负数。换句话说，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。

因此，在对污水处理厂环境效益评价和目标改善中，应该摒弃仅着眼于出水水质和运行成本这样的硬性指标，应采用LCA评价方法综合评价对环境产生的净影响。传统污水处理的确存在着“污染转嫁”现象，实际上是一个将水污染转嫁为大气污染的过程。为此，确实应该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，以此来消减污水处理实际上为环境“污染源”的嫌疑。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。