編者按：

本文翻譯自Ll.Corominas, J.Foley, J.S.Guest , A.Hospido, H.F.Larsen, S.Morera, A Shaw文章。

生命周期評價(jià)(以下簡稱LCA)是一種定量分析與評價(jià)某種產(chǎn)品、服務(wù)或流程從”搖籃到墳?zāi)?rdquo;全過程中產(chǎn)生的影響。LCA第一次應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域是二十世紀(jì)九十年代。顯然地，為了尋求更加環(huán)�？沙掷m(xù)的污水處理方法，LCA作為一種有價(jià)值的工具，可用于闡明污水處理廠設(shè)計(jì)和運(yùn)營過程中產(chǎn)生的更廣泛的環(huán)境影響。隨著公共事業(yè)管理者、相關(guān)從業(yè)者與研究者對LCA在污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越感興趣，綜述LCA已取得成績和描述未來面臨的挑戰(zhàn)就顯得非常重要。本文對45篇與LCA和污水處理相關(guān)的論文作了一次全面的綜述。對于這些論文的分析表明，在ISO標(biāo)準(zhǔn)的約束下，功能單元、系統(tǒng)邊界定義以及影響評價(jià)方法的選擇和結(jié)果解釋所遵循的步驟間存在著變化性。為了保證評價(jià)結(jié)果的質(zhì)量與清晰度，有必要更加嚴(yán)格遵守ISO標(biāo)準(zhǔn)，本文還論述了LCA應(yīng)用與污水處理過程中出現(xiàn)的新挑戰(zhàn)，包括：從污染物的去除到資源的回收過程的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化，為了適應(yīng)新目標(biāo)化合物L(fēng)CA所要做的適應(yīng)性改變，區(qū)域因素的發(fā)展，數(shù)據(jù)質(zhì)量的改善，降低不確定度。最后強(qiáng)調(diào)了決策者之間需要更好的合作與溝通。

生命周期評價(jià)（LCA）是一種用來量化產(chǎn)品各個(gè)階段、服務(wù)或者流程從搖籃到墳?zāi)沟倪^程的影響的方法。LCA于20世紀(jì)60年代開始運(yùn)用，從那以后，在不同學(xué)科上，制定出大量方法。二十世紀(jì)九十年代末，隨著LCA標(biāo)準(zhǔn)化的壓力不斷增大，國際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)14000系列的生物評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)變應(yīng)運(yùn)而生。ISO 14040和14044標(biāo)準(zhǔn)（ISO 14040,2006;ISO 14044，2006）定義了一種總體的方法，但是在LCA應(yīng)用領(lǐng)域，這些標(biāo)準(zhǔn)并沒有定義相關(guān)細(xì)節(jié)。最近幾年，LCA在迅速增長刊物和數(shù)據(jù)庫完善下，它作為一種環(huán)境可持續(xù)評估工具已經(jīng)開始得到普及。

LCA于90年代開始應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域。從那以后，超過40份研究報(bào)告已經(jīng)在國際同行評審期刊上發(fā)表，運(yùn)用一系列的數(shù)據(jù)、邊界條件以及影響評價(jià)方法來對研究結(jié)果進(jìn)行解釋。為了追求更加環(huán)�？沙掷m(xù)的污水處理方式，很明顯，LCA是一種有價(jià)值的工具，用于闡明設(shè)計(jì)和運(yùn)營決定過程對環(huán)境造成的更廣泛的影響(Guest et al., 2009; Larsen et al., 2010)。在污水處理系統(tǒng)中，隨著來自LCA應(yīng)用方面的公用事業(yè)、從業(yè)人員和研究人員的興趣不斷增加，綜述LCA已取得成績和描述未來面臨的挑戰(zhàn)就顯得非常重要。

盡管水環(huán)境衛(wèi)生可以追溯到兩河流域時(shí)代(Lofrano and Brown, 2010)，但是當(dāng)前運(yùn)用的活性污泥工藝直到1913年才在英國被第一次提出(Lofrano and Brown, 2010)。在二十世紀(jì)，水環(huán)境衛(wèi)生系統(tǒng)使大量的人口免于疾病的侵?jǐn)_。然而，社會(huì)并沒有意識(shí)到存在著和水環(huán)境衛(wèi)生聯(lián)系的其他環(huán)境代價(jià)。在世界環(huán)境與發(fā)展委員會(huì)定義了可持續(xù)發(fā)展策略后(WCED, 1987)，一些污水處理從業(yè)人員和研究者開始采用LCA對污水處理過程對環(huán)境造成的影響來進(jìn)行評價(jià)。LCA的演化史可以通過參考文獻(xiàn)中的論文和已被評價(jià)的不同的目標(biāo)來了解。表格1列出了本次綜述的所有文獻(xiàn)以及它們的主要特點(diǎn)。

傳統(tǒng)活性污泥工藝環(huán)保成效的評估

據(jù)我們所知，第一篇關(guān)于LCA應(yīng)用于污水處理廠的研究報(bào)告發(fā)表于國際同行評審期刊，重點(diǎn)圍繞清單分析階段來評價(jià)不同的小規(guī)模的污水處理技術(shù)(Emmerson et al., 1995)，強(qiáng)調(diào)了伴隨能源產(chǎn)生過程CO2¬排放的重要性，由此，引入在環(huán)境績效評價(jià)過程中的二級(jí)（背景）影響。能源消耗被認(rèn)定為是化石能源削減和溫室氣體排放的主要因素。除了系統(tǒng)運(yùn)營評價(jià)之外，（污水處理廠）建設(shè)與拆除過程也被納入評價(jià)之中。后來，一種更加復(fù)雜的LCA方法被用來評價(jià)荷蘭陸地污水處理的社會(huì)可持續(xù)性(Roeleveld et al., 1997)，結(jié)果強(qiáng)調(diào)了減少出水污染（N,P）以及污泥產(chǎn)量最小化。與以前的研究完全相反，研究結(jié)論顯示能源消耗所造成的環(huán)境影響非常低。此結(jié)論是在將結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化后得出的，即荷蘭污水處理所造成的環(huán)境影響最后以占總環(huán)境影響的百分?jǐn)?shù)的形式表現(xiàn)出來。結(jié)果顯示，在當(dāng)時(shí)，污水處理廠消耗的能源只占總能源消耗的不到1％。這個(gè)例子強(qiáng)調(diào)了在LCA研究中標(biāo)準(zhǔn)化的作用。施工影響和化學(xué)物質(zhì)的運(yùn)用在他們的評價(jià)過程中不是那么重要。自從Roeleveld的這次研究之后，LCA法開始被用于評價(jià)各類傳統(tǒng)的污水處理廠。

第一，LCA已被用于表現(xiàn)特定研究案例的環(huán)境影響(Clauson-Kaaset al., 2001; Hospido et al., 2004; Pasqualino et al., 2009;Bravo and Ferrer, 2011; Venkatesh and Brattebø, 2011)。

第二，LCA已應(yīng)用于評價(jià)活性污泥模型所做的動(dòng)態(tài)模擬的結(jié)果當(dāng)中；在Flores-Alsina et al. (2010)和Corominas et al. （2013）的研究案例中，評價(jià)了脫氮（N）的控制策略，在Foley et al. (2010a)案例中，分析了多種生物營養(yǎng)物質(zhì)的去除組合。第三，LCA研究已用于比較在單一系統(tǒng)下的不同組合的表現(xiàn)，以改善性能(Mels et al., 1999; Vidal et al., 2002; Rebitzer et al., 2003;Clauson-Kaas et al., 2004)。

最后，比較了多種傳統(tǒng)的處理系統(tǒng)(Gallego et al., 2008;Hospido et al., 2008; Rodriguez-Garcia et al., 2011)。所有涉及營養(yǎng)物質(zhì)去除的研究結(jié)果都非常相似，突出了由污染水體排放、污泥處理與處置以及能源消耗所各自主要引起的水體富營養(yǎng)化、毒性和全球變暖種類影響之間的權(quán)衡關(guān)系。各地水質(zhì)的改善是以能源和化工生產(chǎn)所引起的區(qū)域/全球效應(yīng)為代價(jià)的�？偟膩碚f，最好的替代方案似乎是那些能產(chǎn)生更低營養(yǎng)物質(zhì)排放的方案。

非傳統(tǒng)技術(shù)評價(jià)

對于非傳統(tǒng)技術(shù)，我們知道任何未基于活性污泥的技術(shù)都需要一個(gè)沉淀池。現(xiàn)實(shí)情況是傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)既昂貴又耗能，這在小型社區(qū)（<2000人口當(dāng)量）是尤其麻煩的。經(jīng)過LCA評價(jià)后，和傳統(tǒng)的技術(shù)相比，構(gòu)筑的濕地、生物濾池以及砂濾系統(tǒng)是可行的替代方案(Brix, 1999; Dixon et al., 2003; Vlasopoulos et al., 2006; Machado et al., 2007; Nogueira et al., 2009; Kalbar et al., 2012a; Yildirim and Topkaya, 2012)，并且能造成更低的環(huán)境影響。盡管這些工藝技術(shù)含量低，需要占用更大的場地，但是這些技術(shù)卻更加適合在農(nóng)村地區(qū)來開展，因?yàn)槟芎牡颓夷芨咝У厝コ�重金屬�?/p>

隨著污水處理的新興技術(shù)（例如微生物燃料電池、微生物電解池(Foley et al., 2010b)、高級(jí)氧化技術(shù)(Mun˜oz et al., 2005)、膜生物反應(yīng)器(Tangsubkul et al., 2006; Vlasopoulos et al., 2006; Ortiz et al., 2007; Høibye et al., 2008; Wenzel et al., 2008; Foley et al., 2010a,b; Hospido et al., 2012; Remy and Jekel, 2012)）不斷發(fā)展，運(yùn)用LCA將新興技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)相比較已經(jīng)成為一種慣例。在微生物電解池技術(shù)中，通過經(jīng)濟(jì)的方式產(chǎn)生有用的化學(xué)物質(zhì)（如氫氣 過氧化氫），可以實(shí)現(xiàn)顯著的環(huán)境效益。由于能源需求是關(guān)鍵影響因素，相比于高級(jí)氧化技術(shù)，太陽能的利用能夠大幅減少對于環(huán)境的影響。對于膜生物反應(yīng)器，為了提高環(huán)保效應(yīng)，能源消耗作為關(guān)鍵的因素也有必要進(jìn)行優(yōu)化。值得注意的是，在運(yùn)用LCA進(jìn)行技術(shù)開發(fā)過程中，需要用到實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，這肯定會(huì)限制評價(jià)結(jié)果在實(shí)際當(dāng)中的運(yùn)用。

最近幾年，微生物污染物（優(yōu)先污染物和新興污染物）對生態(tài)系統(tǒng)的影響和它們的去除開始得到研究(Verlicchi et al., 2012)。這些污染物包括金屬和有機(jī)污染物，例如藥品，個(gè)人護(hù)理品（包括內(nèi)分泌干擾物）。正因如此，幾種去除微生物污染物的技術(shù)（例如臭氧化，高級(jí)氧化技術(shù)，活性炭）正逐漸得到提倡并用LCA進(jìn)行評估。(Høibye et al., 2008; Wenzel et al., 2008; Larsen et al., 2010)。 由于微生物周圍不確定性因素的影響，根據(jù)LCA評價(jià)結(jié)果表明，微污染物的去除僅產(chǎn)生微小的甚至沒有環(huán)境效益。所以，我們需要更深一步的研究來更好的闡明水生物環(huán)境中微污染物的影響。

擴(kuò)大城市水/污水系統(tǒng)管理策略的評價(jià)邊界

在某些研究中，污水處理廠邊界已經(jīng)被擴(kuò)大到包含整個(gè)城市水/污水系統(tǒng)，也就是包括淡水的回收，飲用水的生產(chǎn)，飲用水的分配和使用，污水的產(chǎn)生以及向污水處理廠輸送過程。幾項(xiàng)研究(Tillman et al., 1998; Lundin et al., 2000; Kärrman and Jönsson, 2001; Lundin and Morrison, 2002; Lassaux et al., 2007; Remy and Jekel, 2008, 2012)模擬了整個(gè)城市污水系統(tǒng)，評價(jià)將現(xiàn)有的集中式的生物污水處理廠轉(zhuǎn)化為更加分散化系統(tǒng)的影響。這些研究表明，分離系統(tǒng)（即尿液，糞便和灰，水的分離）相對于傳統(tǒng)的集中式系統(tǒng)有著更好的環(huán)保優(yōu)勢，提高了營養(yǎng)物質(zhì)回收的幾率，避免了向環(huán)境的直接排放。當(dāng)污水系統(tǒng)模型擴(kuò)展到能補(bǔ)償化肥生產(chǎn)時(shí)，這些優(yōu)勢就更加明顯。Lundin et al. (2000)論證了，如果污水中的營養(yǎng)物質(zhì)能夠被回用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，則農(nóng)業(yè)對于無機(jī)肥料的需要就會(huì)降低，也可以避免由無機(jī)肥料的生產(chǎn)和使用所造成的大量的環(huán)境負(fù)荷。同時(shí)，從廁所污水和家庭生物廢物的消化過程中回收有機(jī)物質(zhì)，可以顯著減少日益增加的能源需求。Lundie et al. (2004)在悉尼到2021年的總體水運(yùn)營影響的評價(jià)中，擴(kuò)大了系統(tǒng)邊界，將綜合供水和污水系統(tǒng)也納入評價(jià)范圍中。

污水處理廠的邊界也被擴(kuò)大到包含回用水的生產(chǎn)和銷售，這減少了我們對于飲用水和淡化海水的依賴。除了水回收可持續(xù)性的評價(jià)外(Chen et al., 2012)，另外兩項(xiàng)該領(lǐng)域的研究(Pasqualino et al., 2009, 2011)也運(yùn)用開始LCA方法。這兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)都一致認(rèn)為，傳統(tǒng)的三級(jí)處理污水處理廠的這種改進(jìn)輕微提高了工廠的環(huán)境影響，但是相對于其他水生產(chǎn)方法（尤其是海水淡化）對于環(huán)境的影響要小的多。

污泥管理策略的對比

1998，Dennison et al.首次將污泥管理策略對比納入LCA研究中。從那之后，幾項(xiàng)研究緊接著開展起來，系統(tǒng)邊界被進(jìn)一步擴(kuò)大，包括重金屬和N2¬O的排放，同時(shí)評價(jià)厭氧消化過程中回收的能量和作為土壤肥料的營養(yǎng)物質(zhì)回用于農(nóng)業(yè)帶來的有益影響。如下文獻(xiàn)中(Suh and Rousseaux, 2002; Hospido et al., 2005, 2010;Houillon and Jolliet, 2005; Johansson et al., 2008; Hong et al.,2009; Peters and Rowley, 2009; Uggetti et al., 2011; Cao and Pawłowski, 2013; amongst other) 的研究信息，在污水處理廠內(nèi)部污泥處理方式（厭氧消化，熱過程，穩(wěn)定化處理，筒倉存儲(chǔ)）的選擇上作出對比，同時(shí)在污水處理廠外部污泥管理策略（農(nóng)業(yè)推廣，焚燒，濕式氧化，熱解，填埋，濕地處理，堆肥和水泥原材料）的選擇作出上對比。盡管這些研究通常都是特定的，但結(jié)論總體表明污泥最好是集中管理并且在設(shè)備中進(jìn)行脫水處理從而減少潛在的影響。至于技術(shù)，回收能源的污泥厭氧消化技術(shù)最好與污泥焚燒或者土地利用相結(jié)合。重金屬，優(yōu)先和新興污染物的數(shù)量會(huì)限制污泥焚燒或土地利用，因?yàn)樗鼈兙哂袧撛诘木薮蠖拘�。同時(shí)污泥最終處置能通過農(nóng)業(yè)傳播給環(huán)境帶來影響，這一點(diǎn)是不容忽視的。

 

污水處理真的環(huán)保嗎？——全生命周期視角下的污水處理研究

2014-05-26 翻譯/黃冬