專家觀點 | 排標提高:改善水環(huán)境，危害總環(huán)境
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(zhuǎn)嫁為大氣污染之嫌。因此，改善水體環(huán)境質(zhì)量一味依靠提高污水處理排放標準，并重在考核出水水質(zhì)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(shù)，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(shù)、污水處理數(shù)學模擬技術(shù)、可持續(xù)環(huán)境生物技術(shù)�，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(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(guān)注出水水質(zhì)，還應包括能源/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，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(zhì)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(zhì)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(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(nèi)加入化學藥劑，用以強化除磷。該廠出水水質(zhì)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。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準》征求意見稿中特別排放限值，即，地表水環(huán)境質(zhì)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(zhì) | 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(zhì)
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(jié)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(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環(huán)境影響占比
特征化結(jié)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(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)保”。
3.2 環(huán)境影響標準化結(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量基礎(chǔ)，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(jié)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(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(guān)注出水水質(zhì)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(jié)果。
3.3 環(huán)境影響量化結(jié)果
根據(jù)文獻和案例污水處理廠當?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(quán)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(zhì)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(chǔ)，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(zhì)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(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(zhì)，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�？梢姡m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(jié)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(jié)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(jié)果其實是對總環(huán)境質(zhì)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(zhì)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(zhuǎn)嫁”現(xiàn)象，實際上是一個將水污染轉(zhuǎn)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(shù)，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(nèi)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
