药物分析稿件信息
不同再生水回用率情况下的A/A/O+MBR污水处理工艺生命周期影响评价分析
郑蕾，黄绵松，张现国，赵茘，甄晨曦，王慧，李梦丹，丁爱中
（1. 北京师范大学水科学研究院 北京 100875; 2. 宁夏首创海绵城市建设发展有限公司；
3. 北京市通州区住房与城乡建设委员会；4. 北京住总集团）
摘要：本文研究污水处理工艺在不同水回用率下所表现出的环境特性，分析再生水回用对环境的改善作用，为管理者提供决策支持，以利于区域环境的可持续发展。本文选用生命周期评价的方法对不同再生水回用率下的污水处理工艺A/A/O+MBR进行评价。结果表明，当水回用率达100%时，环境影响在元素资源消耗、化石燃料消耗、淡水生态毒性、臭氧层耗竭方面下降45%~100%；在酸化、全球变暖、陆地生态毒性、人体毒性方面下降17%~25%；富营养化方面产生的影响不显著。A/A/O+MBR工艺出水对部分自来水的替代在一定程度上起到替代抵消的作用，具有一定的环境效益。
关键词：市政污水处理工艺；生命周期评价；再生水回用率
Abstract: In this paper we studied the environmental characteristics of the wastewater treatment technology under different reclaimed water reuse percentage and analyzed the environment improvement when reusing recycled water, which can provide decision support for the managers to promote the sustainable development of the regional conditions. The life cycle assessment method was employed to evaluate the process of A / A / O and MBR under different reclaimed water reuse rates. It was found that, when the wastewater reusing rate reaches 100%, the impact on the environment is reduced by 45% to 100% in ADPE, ADPF, FAETP and ODP; also, AP, GWP, TETP and HTP are decreased by 17% to 25%; the impact on EP is not significant. Replacing some tap water by A/A/O and MBR effluent water can, to a certain extent, play an offsetting role and have some environmental benefits.
Keywords: municipal sewage treatment technology; life cycle assessment; reclaimed water reuse percentage
1引言
近年来，伴随我国经济迅猛发展，人口数量急剧增多，水污染问题日益严重，被城市包围的湖泊、河道等淡水水域富营养程度日渐加深。国家高度重视水体水质，2015年颁布实施《水十条》以来各地陆续颁布执行严格的地方标准，原有的污水处理厂亟需进行升级改造以满足对更高的出水水质的要求。
升级改造是在现有污水处理厂不进行大规模的改、扩建的前提下，通过改进原工艺或者增建污水处理设施，增加污水的处理能力和处理效率，尤其是提高污水中氮、磷的去除率[1]。然而，污水处理厂对于水中污染物的去除是以产生新的环境污染和资源消耗为代价的。污水处理厂在减小污染水体对于环境的影响的同时，其自身的运行过程本身也会对环境造成污染[2]。在国家提高污水处理厂出水水质要求的政策下，污水处理厂选用合适的环境影响评价工具显得尤为重要，既可以通过评价污水处理工艺改进对于总体环境的改善作用，又可以分析再生水利用对于降低环境影响的作用。
生命周期评价（Life Cycle Assessment，简称LCA）是一种对产品、生产工艺或某种人类活动“从摇篮到坟墓”整个生命周期过程进行详细的输入与输出分析，依据特征化和标准化结果对研究对象进行潜在环境影响评价，研究产品、工艺或人类活动的全生命过程中对环境产生的影响，包括原材料的提取开发、研究对象的生产、消费、运输到最终处理所有环节的输入与输出产生的环境负荷。
国外较早把生命周期评价理论应用在污水处理系统评价领域。Lundin等[3]对大、小规模的污水处理分离系统进行了LCA评价与比较。Dixon[4]采用LCA方法研究了自然污水处理（芦苇床）和生物滤池两种工艺对于环境的影响。Almudena等[5]依据2000年至2001年关于水、污泥和气体流量等的综合清单，通过LCA重点研究了城市污水处理对于水体富营养化和生态毒性的影响，发现污水和污泥的排放是污水处理厂的最主要环境因素并提出了改进建议。Jørgensen等[6]针对丹麦洗衣工业的污水处理及回收进行LCA评价。国外针对污水处理厂不同处理工艺对环境的整体影响的 LCA比较研究成果丰富，在评价的过程中试图找到改进现有工艺的方法，并提出改进的建议。
国内的研究起步较晚，大多关注应用LCA法比较不同污水处理工艺。韩进光等[7]运用LCA方法比较DE型氧化沟和活性污泥法工艺建设、运行、报废拆除三个过程对环境的效益。杨进[7]等从建设、生产运行、报废拆毁三个阶段全面比较分析了组合式活性污泥法和生物滤池法两种工艺的污水处理系统的环境影响，提出小型生活污水处理厂应采用的最佳工艺是生物滤池。熊艾玲等[9]采用LCA评价方法评价污水处理工艺，提出污水处理厂曝气单元是节能的重要环节。
本文从影响总体环境的角度出发，应用生命周期评价方法，对于不同再生水回用率情况下的A/A/O+MBR处理工艺进行环境影响评价，分析再生水回用对于环境的改善作用，为相关企业和政府决策者提供技术支持和数据支持。
2材料与方法
2.1 研究工艺介绍
本文选取国内外污水处理中应用最为广泛的A/A/O+MBR工艺为研究对象。流程如图1所示。进入粗格栅后由两台潜水离心泵提升，以实现重力自流，从而进入网板式细格栅，再污水进入曝气沉砂池，在曝气的环境中砂粒间相互碰撞摩擦，砂粒表面的有机物脱落，砂粒通过砂水分离器离开污水处理系统，污水继续进入下一个处理单元—生物反应器。
本文研究是改进的A/A/O工艺。该工艺在传统A/A/O 法的厌氧池之前设置回流污泥反硝化池，来自二沉池的回流污泥和10 %左右的进水进入该池（另90 %左右的进水直接进入厌氧池），停留时间为20～30 min ，微生物利用进水中的有机物作碳源进行反硝化（去除由回流污泥带入的硝酸盐），消除了硝态氮对厌氧释磷的不利影响，保证了除磷效果。在生物反应器中的微生物靠吸收污水中的有机物、N和P等营养物质来进行生长繁殖，因此污水中的有机物、N和P等营养物质被大幅度削减，但同时也产生了大量的活性污泥。活性污泥与处理水的混合物一起进入沉淀池进行泥水分离。在重力的作用下，污泥与水分离，清水从溢流堰流出进入下一处理单元，污泥一部分通过排泥管进入污泥处理车间，一部分经吸泥机的作用回流至生物反应器中。
经生物反应器处理过的水接下来进入膜生物反应器，进行深度处理。污水处理厂的膜系统采用超滤膜法，作用是将二沉池出水进一步进行活性污泥的泥水分离，使出水达到中水水质标准。膜车间的过滤水作为出水排入沙河水库，截留下来的浓溶液回流至生化池进水端，进一步处理。
来自于曝气池的初沉污泥和二沉池的剩余污泥分别进入贮泥池，以调节污水处理系统污泥的产生量和污泥系统处理能力之间的平衡。随后进行污泥浓缩，减少后续处理的水量负荷和污泥调理时的药剂投加量。接着把污泥送到脱水机污泥混合器，与由加药泵输送来的絮凝剂PAM混合，流向脱水机脱水，投加絮凝剂PAM，通过带式脱水机的作用形成含水率小于80%的泥饼，送到水泥厂直接进行焚烧处理。
图1污水处理厂工艺流程图
2.2 研究方法
2.2.1 分析过程与工具
采用生命周期清单分析方法进行评价。清单分析是对所界定的系统边界进行输入和输出的物质和能量的统计，通过实地测量、理论计算、应用数据库或查阅文献等多种手段，列出清单分析表。输入的部分主要分为物质和能量两大类。物质输入包括原水，污水处理所需要的各类药剂，煤、石油等自然资源，能量输入主要包括电能及燃料。输出的部分主要指物质输出，包括污水处理厂的出水、排放到大气的气体、预处理阶段所产生的垃圾、污泥、发电及药物生成所产生的废弃物等。
各环节要素产出应用Gabi软件进行分析。该软件是由德国的斯图加特大学Institute for Polymer Testing and Polymer Science和欧洲PE Europe GmbH股份有限公司联合开发的。该软件支持生命周期评价的各个环节，范围涵盖从数据收集和整理到结果展示和分析的各个阶段。该软件能够追踪模型中各类材料、能源、排放物等，并迅速给出模型所涉及的多种环境影响。
2.2.2评价边界的确定
本文的研究对象是污水处理厂的污水处理工艺，生命周期评价一般要包括3个处理阶段：建设阶段、运行阶段和报废拆除阶段。研究系统的边界由评价目标来确定。
本文以城市污水处理厂A/A/O+MBR为研究对象，通过LCA比较其对于环境的影响负荷。研究显示[10-11]，污水处理厂运行阶段产生的环境影响最大，其他两个阶段对于环境的影响几乎可以忽略不计，因此，本文的研究系统边界不考虑建筑和拆除这两阶段，只考虑运行阶段。
本文对所研究的污水处理厂系统边界如下图所示。系统的起点均是污水处理厂的进水，终点是处理后的出水。系统包含了污水处理厂的各个处理单元，以及能源（如电力、煤炭、柴油）、运输及污泥处理等模块。处理工艺建模包含进水泵房、细格栅、曝气沉砂池、改良A/A/O工艺、沉淀池和膜处理车间6个单元。
图2污水处理厂评价边界
2.2.3污水处理厂各环节输入流清单数据分析
根据生命周期评价的目的和已经确定的研究系统边界，研究中清单分析过程中涉及到的搜集、整理数据的范围只限定在污水处理厂运营阶段。
污水处理厂的进水为生活污水，各环节水质数据均来自于笔者自2016年7月~2017年3月在污水处理厂的实测值。
表1 污水处理厂A和B三种工艺实际的进水与出水水质（平均值）
|
|
污水处理厂A |
污水处理厂B |
|
|
||||
|
项目指标 mg/L |
倒置A/A/O工艺 |
A/A/O工艺 |
MBR工艺 |
一级B标准 |
再生水 标准 |
|||
|
进水 |
出水 |
进水 |
出水 |
进水 |
出水 |
|||
|
BOD5 |
150.03 |
4.65 |
124 |
3.77 |
124 |
2.64 |
20 |
10 |
|
COD |
233.27 |
45.97 |
219 |
48.6 |
219 |
42.4 |
60 |
50 |
|
TN |
49.56 |
14.05 |
55.07 |
21.09 |
55.07 |
13.49 |
20(30) |
15 |
|
TP |
4.66 |
0.54 |
5.93 |
0.51 |
5.93 |
0.29 |
1 |
1 |
电力生产单元采用Gabi软件自带的中国混合能源电网模块（CN：Electricity grid mix），其数据采用了2016年的中国电力数据，主要从相关能源机构的统计数据中获得。污水处理厂因选择的污水处理工艺和运行管理方式不同而选用不同的设备，因此产生的耗电量也不同。污水处理厂处理规模为3万m3/d，污水处理工艺的电气设备如表2所示。
表2 污水处理厂不同处理环节电器设备配置统计
|
处理环节 |
编号 |
名称 |
型号 |
数量 |
功率kW |
备注 |
|
污水提升 |
1 |
粗格栅 |
GSY1400 |
2 |
2.6 |
间歇运行 |
|
2 |
污水提升泵 |
CP3306.605-631 |
2 |
58 |
2用1备 |
|
|
格栅处理 |
3 |
细格栅 |
GF型回转式 |
2 |
0.75 |
间歇运行 |
|
曝气沉砂池 |
4 |
吸砂桥 |
QXSS |
1 |
0.37 |
连续运行 |
|
5 |
罗茨风机 |
BK5003 |
2 |
5.5 |
连续运行 |
|
|
6 |
砂水分离器 |
SF280 |
1 |
0.37 |
连续运行 |
|
|
生物反应器2组 |
7 |
选择区搅拌器 |
SR4640.411 |
2 |
2.5 |
连续运行 |
|
8 |
厌氧区搅拌器 |
SR4650.410 |
2 |
5.5 |
连续运行 |
|
|
9 |
缺氧区搅拌器 |
SR4650.410 |
4 |
5.5 |
连续运行 |
|
|
10 |
好氧区回流泵 |
PP4650·410 |
8 |
5.5 |
连续运行 |
|
|
11 |
多级离心鼓风机 |
/ |
2 |
110 |
连续运行 |
|
|
二沉池2座 |
12 |
泵吸式吸泥机 |
/ |
4 |
12.1 |
连续运行 |
|
膜车间 |
13 |
罗茨风机 |
BK5009 |
2 |
11 |
连续运行 |
|
14 |
超滤产水泵 |
CL60951-133221 |
6 |
15 |
连续运行 |
|
|
15 |
化学清洗泵 |
IEC125-100-200 |
2 |
18.5 |
连续运行 |
|
|
16 |
反冲洗泵 |
CL60123-144231 |
2 |
15 |
连续运行 |
|
|
17 |
膜车间加药泵 |
/ |
6 |
18.5 |
连续运行 |
|
|
脱水机房 |
18 |
带式浓缩压滤机 |
DNYC2000-N |
2 |
1.5 |
连续运行 |
|
19 |
絮凝剂配置装置 |
SJY3000 |
1 |
3.21 |
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