孟繁宇，樊慶鋅，趙慶良，王宇珅

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150090，fanqingxin@hit.edu.cn)

工業(yè)廢水處理的功能是將廢水中的污染物經(jīng)過(guò)分離、分解，轉(zhuǎn)化為無(wú)害、少害或易于處置的物質(zhì)，使廢水得到凈化，但其產(chǎn)生的噪聲、惡臭、污泥以及能源生產(chǎn)過(guò)程中排放的各種大氣污染物和處理后廢水中殘存的污染物，如不進(jìn)行有效治理都可能造成二次污染，對(duì)廢水處理廠周圍環(huán)境乃至全球環(huán)境產(chǎn)生重要的環(huán)境影響［1］.生命周期評(píng)價(jià)作為匯總和評(píng)估一個(gè)產(chǎn)品(或服務(wù))體系在其整個(gè)壽命期間的所有投入及產(chǎn)出對(duì)環(huán)境造成的潛在影響的方法［2］，它的一個(gè)重要功能即是評(píng)估能量物質(zhì)利用和廢物排放對(duì)環(huán)境的影響［3］，尋求改善環(huán)境影響的機(jī)會(huì).目前生命周期的評(píng)價(jià)方法在不同的國(guó)家已被應(yīng)用到污水［4］和污泥［5］的處理過(guò)程中.

本文以哈爾濱某制藥廢水處理為例，將ISO14040《生命周期評(píng)價(jià) －原則與框架》、ISO14041《目的與范圍的確定和清單分析》、ISO14042《生命周期影響評(píng)價(jià)》和ISO14043《生命周期影響解釋》中規(guī)定的方法應(yīng)用到廢水處理的全過(guò)程，通過(guò)能源和資源的利用分析、環(huán)境釋放的識(shí)別量化，清單數(shù)據(jù)特征化以及加權(quán)評(píng)價(jià)，研究廢水處理系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響，并根據(jù)研究結(jié)果提出改善措施.

1 廢水處理生命周期環(huán)境影響負(fù)荷

1.1 案例描述

該制藥廠主要生產(chǎn)抗生素及30多種原料藥和制劑品種.其廢水處理分廠主要負(fù)責(zé)處理廠區(qū)的生產(chǎn)和生活廢水，平均處理水量1.5萬(wàn)m3/d.處理后出水沒(méi)有回用，直接排入河流，匯入松花江.

1.2 定義系統(tǒng)邊界及環(huán)境影響因子分析

本系統(tǒng)的LCA邊界從廢水進(jìn)入處理工藝開始，以處理后達(dá)標(biāo)水的排放和污泥處置為結(jié)束.系統(tǒng)的輸入包括運(yùn)行階段所有的原料，能源消耗以及原水，輸出則包括所有的廢氣，固體廢物，噪聲以及出水.由于生命周期評(píng)價(jià)對(duì)噪聲沒(méi)有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求.因此本文不考慮噪聲影響.其工藝流程和框架分析見圖1.

在定義的系統(tǒng)邊界內(nèi)，重點(diǎn)分析廢水處理全生命周期過(guò)程的環(huán)境釋放.通過(guò)對(duì)廢水處理工藝流程的每個(gè)工序具體分析，可確定其主要環(huán)境影響因子，如表1所示.

圖1 生命周期分析框架及工藝流程

表1 環(huán)境影響因子分析

1.3 定義功能單位

定義功能單位的目的在于為廢水處理系統(tǒng)有關(guān)的輸入和輸出數(shù)據(jù)提供參考基準(zhǔn)，本論文采用該廢水處理廠的年處理量作為功能單位，即處理每540萬(wàn)t廢水平均造成的環(huán)境影響.

1.4 生命周期清單分析

生命周期清單分析是對(duì)廢水處理全過(guò)程資源、能源輸入和對(duì)環(huán)境釋放的輸出進(jìn)行以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的客觀量化過(guò)程，是下一步影響評(píng)價(jià)的依據(jù).由于廠內(nèi)蒸汽和電均來(lái)自自備電廠，而電廠是采用燃煤發(fā)電的，因此原煤和電的消耗統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)煤的消耗.

本研究生命周期清單分析中所收集的數(shù)據(jù)均為原始數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)類型包括測(cè)算數(shù)據(jù)和非測(cè)算數(shù)據(jù).測(cè)算數(shù)據(jù)主要是對(duì)廢水處理過(guò)程中排放的大氣污染物、出水中污染物進(jìn)行監(jiān)測(cè)和取樣，以保證清單分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.廢水水質(zhì)監(jiān)測(cè)分別在廠區(qū)進(jìn)水口、廢水處理廠排放口布設(shè)采樣點(diǎn)，并連續(xù)監(jiān)測(cè)3天，平均每天采樣監(jiān)測(cè)1次，分析方法為國(guó)標(biāo)水質(zhì)分析方法.廢水處理全過(guò)程的廢氣統(tǒng)一收集，經(jīng)堿洗噴淋處理后，經(jīng)3個(gè)60 m排氣筒排入空氣.因此分別在3個(gè)排放口設(shè)采樣點(diǎn)，以塑料采氣袋采集，連續(xù)監(jiān)測(cè)3 d，平均每天采樣監(jiān)測(cè)1次.由于主要污染物為有機(jī)污染物，分析方法為氣相色譜法.

本文非測(cè)算的數(shù)據(jù)主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研獲得，大部分來(lái)自廠區(qū)原有生產(chǎn)過(guò)程說(shuō)明書和工藝技術(shù)分析材料.

1.5 生命周期影響評(píng)價(jià)

1.5.1 環(huán)境影響分類

將廢水處理系統(tǒng)生命周期環(huán)境影響分為8個(gè)影響類型:不可再生資源的消耗;填埋空間的消耗;全球變暖的影響;光化學(xué)煙霧的影響;酸化影響;氣溶膠影響;水體富營(yíng)養(yǎng)化影響;潛在健康影響.

1.5.2 特征化

特征化是利用環(huán)境負(fù)荷指標(biāo)方法將相同影響類型下的不同影響因子進(jìn)行匯總，并把每個(gè)影響類型對(duì)環(huán)境的影響程度定量化［6］，每一種影響類型的綜合環(huán)境負(fù)荷B為

式中:i=a、b、c，為影響物質(zhì);m為影響物質(zhì)質(zhì)量; Fpi為物質(zhì)對(duì)某類環(huán)境造成影響的相關(guān)性系數(shù)(來(lái)自美國(guó)環(huán)保總局和聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)).特征化結(jié)果見表2.

1.6 加權(quán)綜合評(píng)價(jià)

加權(quán)綜合評(píng)價(jià)是對(duì)每一類環(huán)境影響分別確定其權(quán)重，然后將其表示影響程度的特征化值乘以相應(yīng)的權(quán)重，得出的最終的環(huán)境負(fù)荷影響值.本文采用改進(jìn)的層次分析法確定各環(huán)境影響類型的權(quán)重，即:①采用指數(shù)標(biāo)度的標(biāo)度體系判斷影響因子間的相對(duì)重要程度:針對(duì)九標(biāo)度理論的標(biāo)度數(shù)值之間差距較大的問(wèn)題，本文選擇蘇為華［7］提出的指數(shù)形式的比例標(biāo)度體系，用于對(duì)兩兩比較的重要性賦值;②用模糊三角數(shù)描述兩兩指標(biāo)間的關(guān)系［8］:首先標(biāo)出最有可能值m，表示對(duì)兩指標(biāo)相互關(guān)系的基本評(píng)價(jià)，接著標(biāo)出上下界a和b.則指標(biāo)i相對(duì)于指標(biāo)j的相對(duì)重要性aij為

得到兩兩判斷矩陣T為

③對(duì)判斷矩陣的自協(xié)調(diào)自修正［9］:對(duì)兩兩判斷矩陣T進(jìn)一步作自協(xié)調(diào)、自修正變化得到一致化的矩陣P.P與T的轉(zhuǎn)化公式為

表2 特征化結(jié)果

權(quán)重為

權(quán)重向量為

改進(jìn)的層次分析法不僅克服了兩兩判斷值過(guò)于僵硬的問(wèn)題和九標(biāo)度理論中表述重要程度的不合理因素，也簡(jiǎn)化了繁瑣的一致性檢驗(yàn).通過(guò)加權(quán)綜合評(píng)價(jià)得到的各環(huán)境影響因子最終的環(huán)境影響負(fù)荷值見圖2.

2 結(jié)果討論及生命周期解釋

通過(guò)對(duì)該工業(yè)廢水處理過(guò)程的全生命周期的環(huán)境負(fù)荷研究結(jié)果表明:廢水處理過(guò)程對(duì)不可再生資源消耗、填埋空間、潛在健康影響、全球變暖、水體富營(yíng)養(yǎng)化的影響相對(duì)較大，分別占32.71%，31.796%，22.76%，9.38%， 和2.23%.不可再生資源消耗由煤的用量來(lái)決定，其中絕大部分是由于電能的消耗轉(zhuǎn)換為煤的消耗，因此，廢水處理廠能耗問(wèn)題仍然是環(huán)境影響的最重要方面.其次，廢水處理過(guò)程中對(duì)物理填埋空間的消耗也是非常巨大的，它主要由脫水污泥的空間體積決定，占所有固體廢棄物總量的99.8%，因此，污泥處理已成為廢水處理急需解決的難題.工業(yè)廢水尤其是含有機(jī)物較多的制藥廢水，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的氣味等特征性環(huán)境污染，對(duì)人體健康危害較大，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)堿洗噴淋處理后的廢氣，其有害性物質(zhì)含量并不高，對(duì)潛在健康影響比重最大的是SO2，占92.21%，其次是NOX和苯，分別占7.47%和0.33%.廢水處理過(guò)程對(duì)全球氣候變暖也存在一定的貢獻(xiàn)，相關(guān)的氣體排放主要有NOX，CH4，CO，對(duì)氣候變化的貢獻(xiàn)分別占85.69%，9.51%和4.04%.盡管NOX排放量較小，但是它的GWP相關(guān)系數(shù)為CO2的310倍，因此NOX的影響不容忽視.

圖2 各環(huán)境影響因子最終的環(huán)境負(fù)荷影響值

本文根據(jù)廢水處理生命周期影響負(fù)荷的研究所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)廢水處理過(guò)程的管理提出相應(yīng)的建議.首先，節(jié)能降耗是控制對(duì)不可再生資源耗竭的重要措施，對(duì)供電單位進(jìn)行選擇和管理也有助于降低廢水處理過(guò)程在生命周期內(nèi)的環(huán)境影響.其次，針對(duì)污泥產(chǎn)生量大的問(wèn)題，建議污泥經(jīng)厭氧消化后進(jìn)行土地利用，可大大減小污泥體積，節(jié)省物理填埋空間，同時(shí)，也是目前污泥處理處置經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益最大的方式［10］，對(duì)于混合廢氣經(jīng)處理后仍存在難聞氣味的問(wèn)題，建議在廠區(qū)內(nèi)開展綠化，通過(guò)綠色植物的吸附，以達(dá)到削減臭味的目的.而燃煤產(chǎn)生的SO2和NOX的控制，建議將原有拋煤機(jī)鍋爐改為循環(huán)流化床鍋爐，并采用同步脫硫脫硝技術(shù)，以防止全球變暖影響的惡化和人體健康影響的加劇.

3 結(jié)語(yǔ)

生命周期評(píng)價(jià)作為一種新型的環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)和方法體系，評(píng)價(jià)一個(gè)產(chǎn)品或服務(wù)的潛在環(huán)境影響是LCA的一個(gè)重要功能.利用生命周期評(píng)價(jià)的方法來(lái)研究廢水處理過(guò)程的環(huán)境影響負(fù)荷，是把一項(xiàng)減污的設(shè)施作為污染的控制對(duì)象來(lái)考慮，分析廢水處理過(guò)程資源消耗和環(huán)境釋放對(duì)各種環(huán)境問(wèn)題的貢獻(xiàn)值，目的是找到關(guān)鍵的影響因子，并針對(duì)問(wèn)題提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，以更好地發(fā)揮廢水處理過(guò)程的減污作用，減少二次污染，使環(huán)境效益最大化.

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