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(以下簡稱LCA)是一種定量分析與評價某種產品、服務或流程從”搖籃到墳墓”全過程中產生的影響。LCA第一次應用于污水處理領域是二十世紀九十年代。顯然地，為了尋求更加環保可持續的污水處理方法，LCA作為一種有價值的工具，可用于闡明污水處理廠設計和運營過程中產生的更廣泛的環境影響。隨著公共事業管理者、相關從業者與研究者對LCA在污水處理系統中的應用越來越感興趣，綜述LCA已取得成績和描述未來面臨的挑戰就顯得非常重要。本文對45篇與LCA和污水處理相關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標準的約束下，功能單元、系統邊界定義以及影響評價方法的選擇和結果解釋所遵循的步驟間存在著變化性。為了保證評價結果的質量與清晰度，有必要更加嚴格遵守ISO標準，本文還論述了LCA應用與污水處理過程中出現的新挑戰，包括：從污染物的去除到資源的回收過程的標準轉化，為了適應新目標化合物LCA所要做的適應性改變，區域因素的發展，數據質量的改善，降低不確定度。最后強調了決策者之間需要更好的合作與溝通。

生命周期評價（LCA）是一種用來量化產品各個階段、服務或者流程從搖籃到墳墓的過程的影響的方法。LCA于20世紀60年代開始運用，從那以后，在不同學科上，制定出大量方法。二十世紀九十年代末，隨著LCA標準化的壓力不斷增大，國際標準組織(ISO)14000系列的生物評價標準變應運而生。ISO 14040和14044標準（ISO 14040,2006;ISO 14044，2006）定義了一種總體的方法，但是在LCA應用領域，這些標準并沒有定義相關細節。最近幾年，LCA在迅速增長刊物和數據庫完善下，它作為一種環境可持續評估工具已經開始得到普及。

LCA于90年代開始應用于污水處理領域。從那以后，超過40份研究報告已經在國際同行評審期刊上發表，運用一系列的數據、邊界條件以及影響評價方法來對研究結果進行解釋。為了追求更加環保可持續的污水處理方式，很明顯，LCA是一種有價值的工具，用于闡明設計和運營決定過程對環境造成的更廣泛的影響(Guest et al., 2009; Larsen et al., 2010)。在污水處理系統中，隨著來自LCA應用方面的公用事業、從業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就顯得非常重要。

盡管水環境衛生可以追溯到兩河流域時代(Lofrano and Brown, 2010)，但是當前運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，水環境衛生系統使大量的人口免于疾病的侵擾。然而，社會并沒有意識到存在著和水環境衛生聯系的其他環境代價。在世界環境與發展委員會定義了可持續發展策略后(WCED, 1987)，一些污水處理從業人員和研究者開始采用LCA對污水處理過程對環境造成的影響來進行評價。LCA的演化史可以通過參考文獻中的論文和已被評價的不同的目標來了解。表格1列出了本次綜述的所有文獻以及它們的主要特點。

傳統活性污泥工藝環保成效的評估

據我們所知，第一篇關于LCA應用于污水處理廠的研究報告發表于國際同行評審期刊，重點圍繞清單分析階段來評價不同的小規模的污水處理技術(Emmerson et al., 1995)，強調了伴隨能源產生過程CO2¬排放的重要性，由此，引入在環境績效評價過程中的二級（背景）影響。能源消耗被認定為是化石能源削減和溫室氣體排放的主要因素。除了系統運營評價之外，（污水處理廠）建設與拆除過程也被納入評價之中。后來，一種更加復雜的LCA方法被用來評價荷蘭陸地污水處理的社會可持續性(Roeleveld et al., 1997)，結果強調了減少出水污染（N,P）以及污泥產量最小化。與以前的研究完全相反，研究結論顯示能源消耗所造成的環境影響非常低。此結論是在將結果標準化后得出的，即荷蘭污水處理所造成的環境影響最后以占總環境影響的百分數的形式表現出來。結果顯示，在當時，污水處理廠消耗的能源只占總能源消耗的不到1％。這個例子強調了在LCA研究中標準化的作用。施工影響和化學物質的運用在他們的評價過程中不是那么重要。自從Roeleveld的這次研究之后，LCA法開始被用于評價各類傳統的污水處理廠。

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

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

最后，比較了多種傳統的處理系統(Gallego et al., 2008;Hospido et al., 2008; Rodriguez-Garcia et al., 2011)。所有涉及營養物質去除的研究結果都非常相似，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化、毒性和全球變暖種類影響之間的權衡關系。各地水質的改善是以能源和化工生產所引起的區域/全球效應為代價的。總的來說，最好的替代方案似乎是那些能產生更低營養物質排放的方案。

非傳統技術評價

對于非傳統技術，我們知道任何未基于活性污泥的技術都需要一個沉淀池。現實情況是傳統的污水處理技術既昂貴又耗能，這在小型社區（<2000人口當量）是尤其麻煩的。經過LCA評價后，和傳統的技術相比，構筑的濕地、生物濾池以及砂濾系統是可行的替代方案(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境影響。盡管這些工藝技術含量低，需要占用更大的場地，但是這些技術卻更加適合在農村地區來開展，因為能耗低且能高效地去除重金屬。

隨著污水處理的新興技術（例如微生物燃料電池、微生物電解池(Foley et al., 2010b)、高級氧化技術(Mun˜oz et al., 2005)、膜生物反應器(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)）不斷發展，運用LCA將新興技術和傳統技術相比較已經成為一種慣例。在微生物電解池技術中，通過經濟的方式產生有用的化學物質（如氫氣 過氧化氫），可以實現顯著的環境效益。由于能源需求是關鍵影響因素，相比于高級氧化技術，太陽能的利用能夠大幅減少對于環境的影響。對于膜生物反應器，為了提高環保效應，能源消耗作為關鍵的因素也有必要進行優化。值得注意的是，在運用LCA進行技術開發過程中，需要用到實驗室數據，這肯定會限制評價結果在實際當中的運用。

最近幾年，微生物污染物（優先污染物和新興污染物）對生態系統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污染物，例如藥品，個人護理品（包括內分泌干擾物）。正因如此，幾種去除微生物污染物的技術（例如臭氧化，高級氧化技術，活性炭）正逐漸得到提倡并用LCA進行評估。(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LCA評價結果表明，微污染物的去除僅產生微小的甚至沒有環境效益。所以，我們需要更深一步的研究來更好的闡明水生物環境中微污染物的影響。

擴大城市水/污水系統管理策略的評價邊界

在某些研究中，污水處理廠邊界已經被擴大到包含整個城市水/污水系統，也就是包括淡水的回收，飲用水的生產，飲用水的分配和使用，污水的產生以及向污水處理廠輸送過程。幾項研究(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)模擬了整個城市污水系統，評價將現有的集中式的生物污水處理廠轉化為更加分散化系統的影響。這些研究表明，分離系統（即尿液，糞便和灰，水的分離）相對于傳統的集中式系統有著更好的環保優勢，提高了營養物質回收的幾率，避免了向環境的直接排放。當污水系統模型擴展到能補償化肥生產時，這些優勢就更加明顯。Lundin et al. (2000)論證了，如果污水中的營養物質能夠被回用到農業生產中，則農業對于無機肥料的需要就會降低，也可以避免由無機肥料的生產和使用所造成的大量的環境負荷。同時，從廁所污水和家庭生物廢物的消化過程中回收有機物質，可以顯著減少日益增加的能源需求。Lundie et al. (2004)在悉尼到2021年的總體水運營影響的評價中，擴大了系統邊界，將綜合供水和污水系統也納入評價范圍中。

污水處理廠的邊界也被擴大到包含回用水的生產和銷售，這減少了我們對于飲用水和淡化海水的依賴。除了水回收可持續性的評價外(Chen et al., 2012)，另外兩項該領域的研究(Pasqualino et al., 2009, 2011)也運用開始LCA方法。這兩個研究團隊都一致認為，傳統的三級處理污水處理廠的這種改進輕微提高了工廠的環境影響，但是相對于其他水生產方法（尤其是海水淡化）對于環境的影響要小的多。

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，幾項研究緊接著開展起來，系統邊界被進一步擴大，包括重金屬和N2¬O的排放，同時評價厭氧消化過程中回收的能量和作為土壤肥料的營養物質回用于農業帶來的有益影響。如下文獻中(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，在污水處理廠內部污泥處理方式（厭氧消化，熱過程，穩定化處理，筒倉存儲）的選擇上作出對比，同時在污水處理廠外部污泥管理策略（農業推廣，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，但結論總體表明污泥最好是集中管理并且在設備中進行脫水處理從而減少潛在的影響。至于技術，回收能源的污泥厭氧消化技術最好與污泥焚燒或者土地利用相結合。重金屬，優先和新興污染物的數量會限制污泥焚燒或土地利用，因為它們具有潛在的巨大毒性。同時污泥最終處置能通過農業傳播給環境帶來影響，這一點是不容忽視的。

 

污水處理真的環保嗎？——全生命周期視角下的污水處理研究

2014-05-26 翻譯/黃冬