基于生命周期评价的工业废水处理厂环境影响负荷研究 76页

硕士学位论文基于生命周期评价的工业废水处理厂环境影响负荷研究ENVIRONMENTALIMPACTFROMINDUSTRIALWASTEWATERTREATMENTPLANTBASEDONLIFECYCLEASSESSMENT王宇珅2009年6月n国内图书分类号：X826国际图书分类号：628学校代码：10213密级：公开工学硕士学位论文基于生命周期评价的工业废水处理厂环境影响负荷研究硕士研究生：王宇珅导师：樊庆锌副教授申请学位：工学硕士学科：环境科学与工程所在单位：市政环境工程学院答辩日期：2009年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学nClassifiedIndex:X826U.D.C:628DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringENVIRONMENTALIMPACTFROMINDUSTRIALWASTEWATERTREATMENTPLANTBASEDONLIFECYCLEASSESSMENTCandidate：Supervisor：AcademicDegreeAppliedfor：Speciality：WangYushenAssoc.Prof.FanQingxinMasterofEngineeringEnvironmentalScienceandTechnologyDepartmentofMunicipalandAffiliation：EnvironmentalEngineeringDateofDefence：Degree-Conferring-Institution：June,2009HarbinInstituteofTechnologyn哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要生命周期评价（LCA）是一种对产品、工艺或活动的整个生命周期对环境造成的影响进行定量分析与定性评价的工具。其目的在于评估资源消耗和废物排放对环境的影响，寻求改善环境影响的机会以及如何利用这种机会。本文在传统生命周期评价方法的基础上，研究了一套适用于工业废水处理厂的生命周期评价体系。本文对制药工业废水处理厂进行了目的与范围的确定、清单分析、影响评价以及生命周期解释几个方面的研究。确定了所要研究的目的以及研究的范围；分析整个生命周期过程的输入和输出情况，并进行现场调查和监测分析，得到了清单分析数据，并对清单分析数据进行整理；通过建立环境影响评价模型，计算环境影响潜值、数据特征化、加权评估，最后得出总的环境影响负荷值。通过影响评价结果对整个生命周期过程进行解释，评估数据的质量以及评价过程的完整性可靠性。最后得出结论并给出合理性建议。目前国内外还没有针对某一工业废水处理厂运行整个生命周期给环境带来的影响负荷进行系统性的研究，虽然废水处理厂对工业废水的处理起到巨大的作用，但同时废水处理厂的运行也会对资源消耗、生态环境和人体健康产生一定的影响。通过本研究可以建立一套完整的工业废水处理厂生命周期评价模式，系统的找出废水处理厂运行时对资源消耗、生态环境和人体健康产生影响的节点，同时寻找改善途径，为新建和已建的废水处理厂改造提供参考依据，有利于建设更为环保、经济、可持续发展的工业废水处理厂。关键词：生命周期评价，工业废水处理厂，环境影响负荷-I-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractLifeCycleAssessment(LCA)isaquantitativeandqualitativeanalysistoolofenvironmentalimpactcausedbylifecycleofproducts,techniquesandactivities.TheobjectiveofLCAistoassesstheinfluenceontheenvironmentfromresourceconsumingandwastereleasing,searchopportunitiesofenvironmentalimpactimprovement,inadditionhowtousethiskindofopportunity.Thispaperwasbasedonthetraditionallifecycleassessmentmethods,discussedasetoflifecycleassessmentsystemforindustrialwastewatertreatmentplants.Thispaperdeterminedtheobjectiveandscopeofpharmaceuticalindustrialwastewatertreatmentplants,inventoryanalysis,impactassessmentandlifecycleassessmentexplanation.Determinedtheobjectiveandscopeofresearch;analyzedtheinputandtheoutputofthewholeLCAprocess,andprocessedthesceneandmonitoringanalysis,obtainedandmodifiedinventoryanalysisdata;accordingtotheenvironmentalimpactassessmentmodel,reckonedenvironmentalimpactpotential,datacharacterization,weightingassessment.Thenweobtainedthetotalenvironmentalimpactchargevalueatlast.ExplanedthewholeLCAprocessbasedontheimpactassessmentresults,assessedthequalityofthedataandtheintegrityandreliabilityofassessmentprocess.Thengottheconclusion,andofferedreasonablesuggestionintheend.Homeandabroadatpresent,thereisnonesystematicresearchforthewholelifecycleassessmentimpactofindustrialwastewatertreatmentplants.Althoughtheyplayanimportantroleinindustrialwastewatertreatment,theyaffectresourceconsuming,environmentandhumanhealthinacertainextent.Accordingtothisresearch,wecouldbuildasetofcompleteindustrialwastewatertreatmentplantslifecycleassessmentpattern,findoutthenodeofresourceconsuming,environment,humanhealthinfluencecausedofwastewaterplants,andthenewimprovemethod,offerreferencesfornewly-builtandbuiltwastewatertreatmentplantsatthesametime,whichwouldbeinfavourofbuildingmoreeco-friendly,economic,sustainabledevelopmentindustrialwastewatertreatmentplants.Keywords:LifeCycleAssessment(LCA),industrialwastewatertreatmentplant,environmentimpactcharge.-II-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目录摘要.........................................................................................................................IAbstract......................................................................................................................II目录.......................................................................................................................III第1章绪论.............................................................................................................11.1概述..................................................................................................................11.2产品的生命周期评价.......................................................................................11.3生命周期评价的现状.......................................................................................21.3.1生命周期评价的发展历程........................................................................21.3.2国内外研究现状........................................................................................41.4生命周期评价方法...........................................................................................61.4.1目的与范围的确定....................................................................................61.4.2清单分析...................................................................................................61.4.3影响评价...................................................................................................61.4.4生命周期解释...........................................................................................71.5生命周期评价的应用.......................................................................................71.5.1企业中的应用...........................................................................................71.5.2清洁生产中的应用....................................................................................81.5.3在环境管理中的应用................................................................................81.5.4在其它方面的应用....................................................................................91.6课题研究目的和意义以及主要内容...............................................................91.6.1课题研究的目的和意义............................................................................91.6.2课题研究的主要内容..............................................................................10第2章研究目的与范围的确定..............................................................................112.1研究目的........................................................................................................112.1.1研究项目分析.........................................................................................112.1.2确定研究目的.........................................................................................132.2研究范围........................................................................................................132.2.1产品功能.................................................................................................132.2.2定义产品系统和系统边界......................................................................142.2.3功能单位.................................................................................................15-III-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2.2.4环境释放种类选择..................................................................................152.2.5数据质量要求.........................................................................................162.3本章小结........................................................................................................16第3章生命周期清单分析......................................................................................173.1数据收集的准备............................................................................................173.1.1数据质量目标.........................................................................................183.1.2确定数据的来源和种类..........................................................................183.1.3数据质量指示器......................................................................................203.1.4设计数据调查表......................................................................................203.2数据收集与整理............................................................................................213.2.1资源消耗分析.........................................................................................213.2.2环境释放分析.........................................................................................233.3清单分析结果................................................................................................293.3.1资源消耗清单分析结果..........................................................................293.3.2环境释放清单分析结果..........................................................................293.4本章小结........................................................................................................31第4章生命周期影响评价......................................................................................324.1环境影响分类................................................................................................324.2特征化............................................................................................................324.2.1资源的消耗.............................................................................................334.2.2能量使用.................................................................................................354.2.3填埋空间的消耗......................................................................................354.2.4全球变暖的影响......................................................................................354.2.5光化学烟雾.............................................................................................374.2.6酸化影响.................................................................................................384.2.7气溶胶影响.............................................................................................384.2.8水体富营养化影响..................................................................................394.2.9水质影响.................................................................................................394.2.10潜在健康影响........................................................................................404.2.11影响潜值的比较分析............................................................................414.3加权赋值评估................................................................................................484.4本章小结........................................................................................................53第5章生命周期解释.............................................................................................545.1重大问题的识别............................................................................................54-IV-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5.1.1信息的识别和组织..................................................................................545.1.2重大问题的确定......................................................................................555.2评估................................................................................................................555.2.1数据质量评估.........................................................................................555.2.2技术方法评估.........................................................................................585.3结论及建议....................................................................................................585.3.1结论.........................................................................................................585.3.2建议.........................................................................................................585.4本章小结........................................................................................................60结论.......................................................................................................................61参考文献...................................................................................................................62攻读学位期间发表的学术论文及其他成果............................................................66哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明............................................................67哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书............................................................67致谢.......................................................................................................................68-V-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1概述《中国21世纪人口、环境与发展白皮书》把环境问题和人口、资源、发展等问题一起统筹考虑,把可持续发展的原则贯彻到各个领域。环境保护就是利用现代环境科学的理论和方法,来协调人类和环境的关系,解决各种环境问题,是保护、改善、和创建环境的一切人类活动的总称。随着工业化的不断深入，排入自然生态环境的废物和污染物越来越多，超出了自然界自身的消化吸收能力，对环境和人类健康都造成了极大的影响，人们迫切要求获取产品和服务的有关信息，以便进行全过程的控制与改进。生命周期评价法正是一种基于整个系统的评价方法,是一种基于可持续发展思想的评价方法。生命周期评价方法系统评估产业活动的环境影响,指导企业组织的环境管理和产品开发,成为从源头控制污染、实现清洁生产和环境保护的基础和关键。可以预见,生命周期评价在环境保护中有着极其重要的作用和非常广泛的应用前景,是环境保护的重要支持工具之一[1]。1.2产品的生命周期评价生命周期评价（LifeCycleAssessment，LCA）是一种评价产品、工艺过程或活动从原材料的采集和加工到生产、运输、销售、使用、回收、养护、循环利用和最终处理整个生命周期系统有关的环境负荷的过程[2-5]。ISO14040对LCA的定义是：汇总和评价一个产品、过程（或服务）体系在其整个生命周期期间的所有及产出对环境造成的和潜在的影响的方法[6]。LCA突出强调产品的“生命周期”，有时也称为“生命周期分析”、“生命周期方法”、“摇篮到坟墓”、“生态衡算”等。产品的生命周期有4个阶段：生产（包括原料的利用）、销售/运输、使用和后处理，在每个阶段产品以不同的方式和程度影响着环境[7]。以一枚普通的建筑铁钉为例。制钉工厂购来适当的铁丝，通过压模、切割、磨尖、锤击等过程制成铁钉，有时还要图上涂层，最后包装成品外运。传统的“末端排放”评价方式认为铁钉在其生产过程中所要产生的废物主要是切割和成型过程中产生的铁屑而已。然而，进一步的分析则发现在铁钉的生产过程-1-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文当中，机器需要使用润滑剂；设备需要冷却水；机器运行和工厂供热供电，而生产这些电力的过程会产生很显著的环境影响。在铁钉的涂层和包装过程中也会产生一定数量的废物。如果再进一步，更为全面和细致的研究则会重点针对铁钉的生产原料（钢铁）进行分析。首先钢铁在其采矿和生产过程中耗用资源和能量，产生各种废物。其次，将钢铁运输到铁钉制造工厂以及将铁钉运输至经销商及客户手中的过程会有更多能量被消耗，更多污染物产生。最后，当使用铁定的建筑物报废时，铁钉成为废物，必须进行填埋处置。从上面的例子可以看出，与某一项工业产品相关的环境影响评价结果直接取决于评价方式以及评价工作的范围。要对某一项目工业产品进行完整和全面的环境影响评价，仅有的方法就是对该产品从“摇篮到坟墓”的生命周期进行评价，即LCA。LCA不仅能将产品生产中的各种环境污染问题纳入评价内容，还将产品的自然资源和能源消耗水平纳入其中，并将各种污染问题与全球环境问题相联系，从而充分认识到人们的日常生活方式、生产方式与其生存环境的关系之所在。另一方面，LCA从地球获取最初的原始材料开始，直到该产品产生的所有废物返回地球为止。该评价方法包括在原料（包括能量）生产、产品生产、运输、销售和使用以及最终处置全过程中所有的资源和环境问题，既包括其“直接环境影响”（如生产过程中能量消耗和污染物排放），还包括“间接环境影响”（如原材料生产、产品运输、使用和处置过程中的能耗和环境影响）。由于LCA的上述技术特点以及人类社会可持续发展的需要，LCA近年来发展十分迅速，技术方法也越来越成熟，应用面已涉及各种技术领域。1.3生命周期评价的现状1.3.1生命周期评价的发展历程生命周期评价最早出现于20世纪60年代末。在20世纪70年代初，美国开展了一系列针对包装品的分析评价。当时称为资源与环境状况分析（REPA）。LCA研究开始的标志是美国中西部资源研究所（MRT）所开展的针对可口可乐公司的饮料包装瓶进行的研究评价（1969年）。那个时候，大部分REPA研究注意的是产品。在20世纪70～80年代，由于能源危机，REPA的研究重点落在了计算固体废弃物产生量和原材料的消耗量上。由于公众兴趣不高，REPA的研究仅在一些认识到REPA价值的私人企业中进行。然而有关REPA的方法论的研究仍在缓慢的进行。到了20世纪80年代，随着区域性与-2-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文全球环境的日益严重以及全球环境保护意识的加强、可持续发展思想的普及以及可持续行动计划的兴起，特别是1988年“垃圾船”问题的出现，大量的REPA研究重新开始，公众和社会也日益关注这种研究的结果。1990年“国际环境毒理学与化学学会（SETAC）”首次举办了有关LCA的国际研讨会，在该会议上首次提出了“生命周期评价”的概念。在随后的几年里SETAC主持召开了多次研讨会，发表了一些具有重要指导意义的文献，对LCA的发展和完善以及应用的规范作了重要贡献。1993年SETAC用葡萄牙的一次学术会议上的主要结论出版了一本纲领性报告：“生命周期评价纲要：使用指南”，该报告为LCA方法提供了一个基本的技术框架，成为LCA方法论研究的一个里程碑。SETAC（1991年，1992年，1993年）提出的LCA方法论框架，将LCA的基本结构归纳为四个有机联系部分：定义目标与确定范围；清单分析（Inventoryanalysis）；影响评价（Impactassessment）和改善评价（Improvementassessment）。其相互关系如图1-1。影响评价目标定义与范围确定改善分析清单分析图1-1SETAC生命周期评价技术框架从1997年以来，ISO以ISO14040-生命周期评价-原则和框架为总纲，将LCA分为互相联系的、不断重复进行的四个步骤：目的与范围确定，即确定评价的目的并按照评价界定研究的范围；清单分析，即列出一份与研究系统相关的投入与产出清单；影响评价，即评价与这些投入及产出相关的潜在环境影-3-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文响；结果解释，即对列出的清单和环境影响进行分析，一直到产品开发和利用[8-15]。这四者的相互关系图1-2所示：图1-2ISO生命周期评价技术框架1.3.2国内外研究现状在科学界，由于生命周期评价法方论尚不成熟，其研究方兴未艾。目前正在通过大量的案例研究来丰富方法论。国外对LCA的研究和应用非常重视，世界上已有许多国家开展了LCA的理论研究和案例研究，如日本已完成数十种产品的LCA，并成立了LCA学会，现在全国与LCA有关的组织达十几个。我国在这方面发展则较慢，正处于方法研究和案例研究起步期。1999年以后，尤其是清洁生产、ISO14000环境管理系列标准以及产品环境标志计划逐步推行，有关LCA方法和应用的研究迅速增加并逐步深入和系统化。国家自然科学基金开始资助有关LCA方法和应用的研究。国内外研究人员在LCA方法论方面开展了大量的研究[16]，包括编目分析研究、分配方法研究、环境影响分类研究、环境因子的确定、物流分析等。席德立等[17]研究通过行业污染系数和企业生产流程图获取产品数据的步骤和方法。CanterKG[18]和王寿兵[19]等研究了资源耗竭潜力，在综合考虑资源的消耗速度、储量和特定的基础上，提出了一种计算资源耗竭潜力和当量系数的方法。陆钟武[20]等分析了钢铁生产过程的物流对能耗的影响。Mathijs等[21]比较了运用LCA和SFA方法中物流平衡问题，建立了物流和经济影响模型。刘江龙等[22]提出了金属的环境影响因子的概念，用加权平均值综合考虑了金属资-4-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文源的丰度、能耗、污染物排放量和对生物体危害作用等因素。苏向东等[23]提出了综合比例系数的定量评价方法，根据金属元素的环境特征、实际提取冶金过程和生物效应等因素，确立了纯金属的环境负荷定量计算原则建立了有色金属材料的环境负荷定量评价模型。莫华等[24]采用5个独立的反映数据质量的指标，根据系统各单元各数据属性对各指标从1～5进行打分，形成数据的质量指标向量元素，对清单数据进行不确定性分析。在LCA的运用方面研究人员做了大量的实践工作[25]。寇昕莉[26]、郝维昌[27]、李贵奇[28]等人研究了聚乙烯ABS树脂、金属铝和钢铁材料的环境负荷。刘江龙[29]等人评价了金属材料表面强化过程不同工艺的环境影响。RobertU研究小组[30]和徐金城等人[31,32]研究了有色金属铜和镍及相关材料的环境负荷。特别是徐金城[33]运用LCA方法成功地指导环境协调性设计，利用二次资源,开发出了耐磨球墨铸铁材料，对于材料的开发和设计具有重要的指导意义。863计划支持的“材料的环境协调性评价研究”对我国的钢铁、水泥、铝、工程塑料、建筑涂料、陶瓷等七类有代表性的材料进行了评价研究，取得了以上材料的基础环境数据并开发了数据库管理和评价软件[23,27]。目前，LCA中的清单分析方法还没有标准化，即数据的选择标准、分析处理方法都还没有规范，而且标准化的清单模型也有待研究；其次，收集有一定的困难，LCA分析是一个跨行业、甚至跨国的信息交流过程，其工作量是相当大的，而且即使有，也还要根据各个国家、区域或行业、单位的实际经济、科技水平进行取舍。因此，快速、准确地收集数据相当困难；再次，关于如何在投入表中表示出人力的投入，如何对产出物中的非产品物质进行资源或废物的划分及量化也是没有定论的；最后，一个生命周期中排出的环境释放物成千上万种，要想分门别类进行量化也是相当困难的。影响评价的理论和方法也正处于探索阶段，还有许多地方需要完善，主要表现以下几个方面：第一，环境清单转化为环境影响标准化和规范化；第二，每一个影响因子对其所对应的环境影响类型的影响程度除了与它的排放量、排放方式有关外，还与环境条件、发生的时间、地点等有关，而且常常是非线性的；第三，几种影响因子对同一类型的环境影响造成的影响程度并不等于它们简单的累加，而可能有相互协同或拮抗的效果；第四，数据的特性化还没有统一的规范的标准，且把不同的环境影响类型赋值及归结为一个指标目前也还没有统一的标准，这些都有待研究。-5-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.4生命周期评价方法1.4.1目的与范围的确定生命周期评价的第一步是确定研究目的与界定研究范围。研究目的应包括一个明确的关于LCA的原因说明及未来后果的应用。目的应清楚表明，根据研究结果将做出什么决定、需要哪些信息、研究的详细程度即动机。研究范围定义了所研究的产品系统、边界、数据要求、假设及限制条件等。为了保证研究的广度和深度满足预定目标，范围应该被详细定义。由于LCA是一个反复的过程，在数据和信息的收集过程中，可能修正预先界定的范围来满足研究的目标。在某些情况下，也可能修正研究目标本身。目的和范围的确定具体说来应先确定产品系统和系统边界，包括了解产品的生产工艺，确定所要研究的系统边界。针对生产工艺各个部分收集所要研究的数据，其中收集的数据要有代表性、准确性、完整性。在确定研究范围时，要同时确定产品的功能单位，在清单分析中收集的所有数据都要换算成功能单位，以便对产品系统的输入和输出进行标准化。1.4.2清单分析清单分析是目前LCA组成部分中发展最完善的一部分，它是指对一种产品、工艺或活动在其整个生命周期阶段的资源、能源消耗和向环境的排放（包括废气、废水、固体废物及其它环境释放物）进行以数据为基础的客观量化过程。该分析评价贯穿于产品的整个生命周期，即包括原材料的提取、加工、运输、制造和销售、使用和用后处理。一个完整的生命周期清单分析能为所有与系统相关的投入和产出提供一个总的概括。清单分析的主要程序包括数据收集准备、数据收集、计算程序、清单分析中的分配方法以及清单分析结果等[3]。进行清单分析是一个反复的过程，当取得了一批数据，并对系统有进步的认识后，可能会出现新的数据要求，或发现原有的局限性，因而要求对数据收集程序作出修改，以适应研究目的。1.4.3影响评价影响评价阶段实质上是对清单分析阶段的数据进行定性或定量排序的一个过程。ISO、SETAC和英国EPA（EnvironmentalProtectionAgency）都倾向于把影响评价定为一个“三步走”的模型，即影响分类、特征化和量化。分类是将从清单分析中得来数据归到不同的环境影响类型。影响类型通常包括资源耗-6-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文竭、生态影响和人类健康三大类。特征化即按照影响类型建立清单数据模型。特征化是分析与定量中的一步。量化即加权，是确定不同环境影响类型的相对贡献大小或权重，以期得到总的环境影响水平的过程。根据SETAC和ISO关于LCA的影响评价阶段的概念框架，中国科学院生态环境研究中心建立了一个影响评价模型框架。该框架的基本思想是，通过评估每一具体环境交换对已确定的环境影响类型的贡献强度来解释清单数据。模型包括以下步骤：计算环境交换的潜在影响值，数据标准化，环境影响加权，计算环境影响负荷和资源耗竭系数[11]。1.4.4生命周期解释生命周期解释是对生命周期清单分析和/或影响评价结果进行辨识、量化、核实和评价的系统技术。实施生命周期解释的目的是确定最终结果的可靠程度并用公正、完整和准确的方式对结果进行交流。ISO对生命周期解释确定了两个目标：①根据前面各阶段的研究，对结果进行分析，得出结论、解释存在的不足并提出建议，最终用透明的方式来提供生命周期解释的结果；②根据研究目标和范围，提供一套易于理解的、完整的和格式一致的LCA结果[34]。1.5生命周期评价的应用迄今，生命周期评价作为一种评价产品、工艺或整个生命周期环境后果的分析工具，在很多领域中已有广泛应用。1.5.1企业中的应用生命周期评价起源于企业内部，最先在企业部门得到广泛应用。企业对LCA的应用主要在以下4个方面。（1）融入公司战略计划生产组织受销售价格和剩余利润驱动。近来很多公司认识到越来越多的消费者有了强烈的环境意识，经常基于绿色标签来决定购买选择。因此，很多公司出于公司发展的考虑，对其产品和生产进行了LCA，以使自己公司的形象和产品被公众所认可，所以目前有越来越多的公司开始将LCA列入到公司的发展战略中去，成为公司决策的一个重要参考基础。（2）推动产品改进产品在生产过程中出现废弃材料是生产低效率的直接表现。而可以避免的废弃物，例如产生于产品使用过程中，产生于产品使用后降解过程中，以及为处理这些废弃物所消耗的能量都是生产与设计低效的标-7-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文志。这些物质和能源的浪费就可以在设计阶段成功地避免。LCA最常用于的地方是确定产生物质和能源浪费，通过对这些地方的改进，可以用最小的支出得到最大的环境效益。（3）进行市场宣传因为消费者强烈的绿色环保意识，越来越多的公司开始注意到使用LCA对它们产品生产和销售的支撑作用，通过进行LCA将自己塑造成为一个对环境负责任的公司公众形象。通过宣传自己的生产和产品的环保特点而影响消费者购买倾向。（4）为产品添加绿色生态标志在公众领域中，LCA最直接的应用进展是关于环境标志的使用。在西方国家，尤其是北欧和西欧国家，只有企业通过LCA的认证，其产品才能使用绿色生态标志。一般而言，国际上的LCA组织都是第三方，独立于政府和企业之外，因而就具有较大的独立性，其认证也为世界范围内所认可。一个拥有绿色生态标志的企业将会形成绿色壁。垒以排斥同行竞争，拥有较大的市场份额，迫使竞争对手也进行LCA，获得绿色生态标志的认证，这样就能推动整个环保事业的前进。1.5.2清洁生产中的应用企业清洁生产工作程序包括准备、审计、制定方案和实施方案四个基本阶段，其中审计阶段是清洁生产的核心阶段。清洁生产要求在产品或工艺的整个寿命周期的所有阶段都必须考虑污染防治，因此需要一种能对整个生命周期做出评价的方法。所以LCA应用于清洁生产审计将会取得较好的效果，它可以分析产品从原料获取到产品处理整个过程的环境影响。采用LCA思想对企业生产全过程进行清洁生产分析和评价，并完善清洁生产指标体系，可为企业清洁生产审计提供可靠的技术指标。1.5.3在环境管理中的应用LCA在环境管理中的应用主要体现在政府环境管理部门和国际组织制定的公共政策中。政府环境管理部门可借助于LCA进行环境立法和制定环境标准以及产品环境标志。其在公共政策中的应用主要包括以下几个方面的内容：①制定环境法律、政策与建立环境产品标准；②实施生态标志计划；③优化政府的能源，运输和废物管理方案；④为公众提供有关产品和原材料的资源信息；⑤国际化环境管理体系的建立；⑥绿色采购；-8-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文⑦包装政策；⑧产品向导的环境政策；⑨污染预防政策[13]。1.5.4在其它方面的应用可以根据LCA所提供的资料建立有关产品或工艺的基本资料，也可以通过LCA的研究结果教育广大消费者参与环境保护，同时鼓励企业界广泛的参与环境保护。LCA还为环境标志产品的颁布提供定量化的评估工具。1.6课题研究目的和意义以及主要内容1.6.1课题研究的目的和意义水是人类赖以生存和发展的不可替代的资源，并日益成为全球经济和社会可持续发展的制约因素。我国是世界上人均水资源占有量相对较低的国家，随着经济的快速发展，人民生活和社会生产对水资源的需求日益增长，工业化和城市化步伐的加快，用水量急剧增加，相应的城市污水和工业废水的排放量也在不断增多，加剧了淡水资源的短缺和水环境的污染。因此，水资源的保护已成当务之急。为缓解这种局面，废水处理厂的应运而生，在控制水污染、保护水环境方面发挥了重要的作用。然而它也在无形中对社会经济和环境质量产生了不同程度的影响。废水处理厂是对大区域内水体减污而对局部地区有所增污的项目，过去由于废水处理技术不完善，人们在建废水处理厂时过分强调处理效率，而忽略了它在建设及营运中所带来的社会和环境负效应。随着可持续发展战略的实施，人们对环境质量的要求越来越高，废水处理厂在整个生命周期过程中对环境的影响问题也日益成为人们关心的一个问题。因此，人们迫切希望有一种方法能对从污水进入废水处理厂到最终排放整个过程的环境影响有一个彻底、全面、综合的了解，即生命周期评价。本课题不但具有研究意义，而且具有很强的实际应用价值。随着工业的迅速发展，废水的种类和数量迅猛增加，对水体的污染也日趋广泛和严重，威胁人类的健康和安全。对于保护环境来说，工业废水的处理比城市污水的处理更为重要。目前国内外没有针对某一工业废水处理厂的系统详尽的生命周期评价研究，本论文研究了某制药工业废水处理厂从进水到出水整个生命周期过程中的资源消耗、生态影响和人体健康影响，对现有废水处理厂的整个生命周期进行评价，不仅可以使我们对所建成的废水处理厂的整个生命周期有一个全方位的了解，对废水处理厂所带来的所有环境负荷作以详细统计，而且还可以为环-9-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文保部门的项目审批提供充分依据，为废水处理厂设计部门提供参考，促使废水处理厂项目发挥更大的作用。1.6.2课题研究的主要内容针对某制药工业废水处理厂进行研究。主要内容如下：（1）对废水处理厂的进行实地调查、包括工艺分析、现场监测。（2）研究废水处理在整个生命周期中对资源消耗、水体富营养化、全球变暖、人体健康、酸化、气溶胶、光化学烟雾的影响，通过影响分析，找出其最大影响节点。（3）针对影响分析所得最大影响因子，通过实地考察与分析结论，提出水厂改善措施，为水厂的更新与改造和将要新建的工业废水处理厂提供参考依据，有利于建设更为环保、经济、可持续发展的工业废水处理厂。-10-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第2章研究目的与范围的确定由于生命周期评价技术上的特点，针对某一产品或工艺进行完整的生命周期评价，是一项需要耗用大量人力资源和经济费用的工作，在许多情况下实际上是不现实的。合理地确定研究目的以及研究范围，是一项首要的工作。因此，本阶段的工作要为整个LCA确定应包含或不应包含的研究内容，其中主要有：研究目的和对象；希望得到的研究成果；确定边界条件；确定技术假定等。2.1研究目的虽然工业废水处理工艺的功能是将工业废水中的污染物经过分离、分解，转化成为无害、少害或易于处置的物质，使废水得到净化。但在处理废水的过程中会产生多种二次污染，如栅渣、污泥、气味、噪声以及能源生产过程中排放的各种大气污染物等；处理后废水中仍残存一定数量的污染物。上述几类因素势必对处理后废水的受纳水体或土壤、废水处理厂周围环境乃至全球环境产生重要的环境影响，因此，工业废水处理厂自身的污染必须被作为控制对象。2.1.1研究项目分析本文以某制药工业废水处理厂作为生命周期评价研究的背景。该制药厂主要生产青霉素类、头孢菌素类抗生素及心脑血管用药等30多种原料药和制剂品种。抗生素发酵规模3000m3以上，年产粉针剂30亿支以上，片剂10亿片，胶囊30亿粒以上。其工厂内设有的废水处理厂主要负责总厂区的生产和生活废水的处理工作，其占地面积7万m2，工程总投资为1.5亿元，全厂职工人数为75人。设计处理规模为20000m3/d，目前平均处理水量15000m3/d，总厂区来水分中、高浓度，废水处理后没有回用，直接排入河流，最终汇入松花江，目前执行的是《污水排放综合标准》（GB8978-1996）中规定的第二类污染物二级排放标准。废水处理厂工艺流程见图2-1。具体工艺设备情况如下：（1）中、高浓度污水调节池调节池内设有旋混曝气器，曝气有利于调节池内水质、水量的均衡，防止池内悬浮物沉淀。（2）细格栅细格栅间距5mm，人工手动清渣。去除来水中较大的漂浮物，-11-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图2-1废水处理厂工艺流程减小对后续处理构筑物的影响。（3）中、高浓度污水初沉池主要对废水中的悬浮物进行初次沉淀，以利于后续处理系统正常运行。（4）中、高浓度水解池水解池采用兼氧运行，主要用于将难降解大分子有机物转化为易于生物降解的小分子有机物，降低后续生物处理的负荷。（5）完全混合曝气池完全混合式生物污泥法，以适应水质波动大、毒物负荷高的水质特点，同时作为过渡使酸化水解后的污水（污泥）变性。（6）一沉池完混曝气池处理后的污水中SS含量很高，需经辐流式沉淀池沉淀，沉淀污泥一部分回流至曝气池，一部分排到浓缩池。（7）气浮池一沉池出水中含有少量的悬浮物，采用涡凹气浮法去除，同时可以去除部分COD，以降低后续生物处理单元的运行负荷。（8）PACT曝气池在两组曝气池中定期投加粉末活性炭（每次浓度100mg/L），已提高污泥的活性、污泥浓度和污泥的沉降性能，近一步保证出水水质。（9）斜板沉淀池为降低二沉池出水负荷，防止二沉池发生跑泥现象，二沉池前加设斜板沉淀池。（10）二沉池经曝气池处理后的污水中SS含量很高，需经辐流式沉淀池沉淀，沉淀污泥一部分回流至曝气池，一部分排到浓缩池。（11）过滤罐为近一步降低二沉池出水SS，同时去除部分COD，保证污水达标排放，二沉池出水后进入过滤罐。过滤罐内投加石英砂及部分活性炭。（12）混凝反应池及缓冲池混凝反应池及缓冲池投加脱色絮凝剂，降低出水色度。-12-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文（13）浓缩池初沉池、水解池、一沉池、二沉池等污泥定期排入污泥浓缩池，进行污泥重力浓缩。浓缩池上清液回流至调节池进行再处理。（14）污泥脱水机房及卧螺离心机浓缩后的污泥用压滤机及卧螺离心机进行脱水处理，处理后的污泥外运。2.1.2确定研究目的本研究以制药工业废水处理厂为研究对象，对其整个生命周期进行评价，主要目的在于：①针对此类工业废水处理技术量化地识别其生命周期内各个阶段的资源和环境因素，计算其能源和原材料使用效率，分析其资源消耗和环境污染物排放影响，得出综合环境影响评价结论；②为政府管理部门和设计咨询机构识别出改进现有工业废水处理技术资源环境问题的机会和途径；③为政府管理部门和设计咨询机构对工业废水处理技术的可持续性或清洁型进行评估，提供科学和量化的材料与依据；④作为决策支持系统，为技术管理部门和设计咨询机构对具有相同功能的多种废水处理技术进行可持续性或清洁性比较和选择，提供优化方案；⑤作为一种全过程和全面考虑资源消耗和环境影响的技术选择和决策系统，为政府制定环保产业发展政策提供依据，从而寻求新研发技术能源、资源的最低消耗以及对环境的最小影响；⑥为政府管理部门制定可持续发展的合理的公共环境政策提供材料和依据。2.2研究范围生命周期评价的研究范围要妥善规定，以保证研究的广度、深度和详尽程度与之相符，并足以适应所确定的研究目标。2.2.1产品功能任何LCA所研究的产品系统或工艺过程都具有其特定的功能，因此首先要明确其功能。工业废水处理厂具有净化废水的功能，输出达到排放标准的产品（尾水），因此它同时具有保持水环境良好状态，保护公众健康，使他们享受美好生活环境服务的功能。这种服务功能是通过废水处理厂的良好运行管理实现，而运行管理本身就是服务[35]。-13-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2.2.2定义产品系统和系统边界在清单分析中，所有产品都需要作为一个系统来描述，这个系统就是产品生命周期系统。产品生命周期所有过程都落入系统的边界内，边界外称为系统环境。系统边界一旦确定，也就决定了LCA中要考虑的工艺过程、系统的输入和输出等[34]。废水处理工艺这一产品系统是由各种具有特定功能的单元操作和单元过程按一定流程构成的作业系统。该系统具有明确的边界，以此作为系统输入和输出的计算基础。就本研究而言，由环境输入处理系统的基本流包括材料资源、能源（如煤炭、电力等）、土地资源、劳力、水资源和空气等，输出系统的基本流有废能、劳力消耗、废气、废水、栅渣、沉砂、干化污泥和土地利用的变更等。根据研究目的，本次评价的研究重点是废水处理全过程，包括废水进入调节池到细格栅、初沉池、水解池、气浮池、完全混合池、生物曝气池、二沉池、污泥泵房、污泥脱水间等一系列废水处理设施。将废水的处理过程看成生产过程，以进入废水处理厂的原水为原材料，出水为最终产品，即出水作为一种产品，是原材料废水经过一系列的加工、净化工艺处理后而得到的新产品。在产品的生产过程中，还有废气、废渣、噪声等的排放。因此，本次LCA以进入废水处理厂之前的废水收集为开始，以处理后达标水的排放和污泥处置为结束，评价系统边界如图2-2所示。输入完输出物质全混合曝气池一沉池推流曝气池斜板沉淀池二沉池过滤罐混凝反应池出水环境输入推排放调节池细格栅初沉池水解池气浮池流曝气二沉池缓冲池池能源产品输入污泥浓缩池卧螺离心机污泥脱水机房泥饼外运图2-2系统边界-14-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2.2.3功能单位在确定工业废水处理厂生命周期评价系统边界范围时，需要确定其LCA的功能单位。功能单位是量度产品系统输出功能时采用的单位，本次评价定义功能单位的主要目的在于对废水处理系统的输入和输出进行标准化，为有关的输入和输出数据提供参考基准，以保证LCA结果的可比性[36]。本论文为了方便计算，采用该废水处理厂的年处理量作为功能单位，即处理每540万t废水平均造成的环境影响。2.2.4环境释放种类选择LCA研究所需要的数据无论是通过测量、计算还是估算出来的，都是用来量化单元过程的输入和输出。数据可归入的主题包括：能量输入，原材料输入，辅助性输入，其他物理输入；向空气的排放，向水体的排放，向土地的排放；其他环境因素。在这些主题中，单个数据类型还必须进一步细化，以满足研究的需要。例如向空气的排放，可对具体数据类型分别表明，如氮氧化物、硫氧化物、一氧化碳、二氧化碳等。在进行LCA研究时，对能量的输入输出必须包括与模型化系统内所使用的燃料、原料能和过程能量的生产与输送有关的输入输出。向空气、水体和土地的排放通常为有控制的点源或面源排放。具体见表2-1所示。表2-1废水处理厂生命周期过程的环境释放项目废气废水固体废弃物其他环境释放有机污染物、CO2、CO、N2O、NMVOC、H2S、SO2、NOX、烟尘、颗粒物等COD、SS、NH3-N、TN、TP等栅渣、污泥、炉渣、生活垃圾等噪声主要来源废水处理和污泥处置过程、固体废物、煤和药品等的运输、锅炉燃煤等出水格栅、污泥脱水间、锅炉、员工等风机、泵类、污泥处理设备、搅拌机等在废水处理厂生命周期过程中，会产生一定程度的噪声污染，以中、低频噪声为主，操作场所噪声值在75～90dB。由于噪声污染大多比较集中，而且具有短暂性、瞬时性、移动性，影响范围小，因此在定义系统边界时可以不考虑噪声的影响。-15-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2.2.5数据质量要求表述数据质量要求对于正确认识研究结果的可靠性，以及恰当解释研究结果都很重要。必须规定数据质量要求以满足研究目的与范围。数据质量应通过定性、定量及数据收集与合并方法来表征。根据ISO14041的相关规定，应包括下列方面的数据质量要求。①时间跨度：所需数据年限和从中收集数据的最短时段。②地域跨度：为满足研究目的，从中收集单元过程数据的地理范围。③技术覆盖面：技术组合。2.3本章小结本章主要对工业废水处理厂的生命周期评价进行目的和范围的确定，将进入废水处理厂的原水作为原材料，出水作为产品，把废水的处理过程看作产品的生产过程。确定了本次生命周期评价的系统边界，生命周期过程中排放的主要污染物，其污染类型和进行评价时选取的功能单位。对于所要研究的工业废水处理厂的目的与范围的确定，符合生命周期评价的要求。确定了研究的范围是从原水的收集到出水排放和废弃物最终处置的全过程，也就是从摇篮到坟墓的产品生命周期全过程。研究范围明确、完整，为下一步的评价工作打下了良好的基础。-16-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第3章生命周期清单分析生命周期清单分析（lifecycleinventory，LCI），既是生命周期评价的核心内容，也是LCA中环境影响评价的基础，也可直接指导实践应用。LCI是针对产品、工艺或活动的整个生命周期阶段中能源、资源输入和对环境排放的输出进行以数据为基础的客观量化过程。这是一个反复的过程，有时可能需要对收集的数据、收集程序进行不断地修正、处理与确认，其主要目的就是建立一个信息基准，这里的信息基准便是关于整个系统的资源使用、能源耗用以及环境负担等。清单分析的主要程序包括数据收集的准备、数据收集、计算程序、清单分析中的分配方法以及清单分析结果等。主要工作包括：确定和描述产品系统和单元过程；收集各单元过程的能耗、物料以及污染物排放数据；初步估计能流与物流；数据资料的分析取舍；确定输入、输出和系统边界；物流、能流和排放的分配；分析并产生分类和综合清单；对LCI结果做出解释和结论。一个完整LCI能为所有与系统相关的投入和产出提供一个总的概括。该分析评价贯穿于整生命周期，即原材料的提取、加工、制造和销售、使用和用后处理[37]。一旦研究的目的和范围确定后，在LCI过程中就要对生命周期各个阶段的所有投入和所有产出，即对产品从“摇篮”到“坟墓”的整个生命周期中消耗的原材料、能源及固态废弃物、大气污染物、水质污染物等进行正确的调查，在这一阶段正确、合理的收集整理数据是很关键的[38]。数据的收集是一个反复的过程，有可能会多次深入到LCI的各步，直到结果适合于研究范围和目标数据种类和关系[39]，在进行LCA数据清单分析时，其数据可从多种信息源中查找：如正式出版的文献或有关论文，各类统计年鉴和报表，有关环境数据手册，工厂内部工艺信息，行业协会或供应商有关环境统计分析资料，实验室测试或做模拟试验等[40]。3.1数据收集的准备生命周期评价研究的目的和范围确定后，就能建立一个生命周期清单分析的数据收集计划。因为数据收集是LCI的一个重要部分，因此在一个项目进行之前就要准备好。一个数据收集计划的核心部分应该包括；明确数据质量目标，确定数据的来源和种类，建立数据质量的指示器，设计一个数据调查表。在进行数据收集计划时，数据质量目标要针对于确定最终结果的精确性和-17-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文代表性，并且数据调查表要有利于收集合适的数据。具体情况见表3-1，表3-2。3.1.1数据质量目标在进行数据收集计划的第一步就是确定数据质量目标来指示在什么地方数据质量是一个优先环节，以及为了获得满意的数据质量需要多大的努力。数据质量目标不仅能够帮助我们建立一个获得数据的途径，而且还可以作为一个数据质量的标准。本研究数据质量目标和收集计划策略具体情况如表3-1，表3-1数据质量目标和收集计划策略表项目数据质量目标数据来源数据类型相应的指示器内容详尽准确的能源输入、水资源耗用、废水排放、废气排放、固体废弃物排放的数据可信的工厂数据来源。是工厂特有，经过测算、模拟或评价过的原始数据要经过初步测量的和未测量（通过有经验的工程人员估计）的数据可信度；完整性；时间相关；地理相关；技术相关3.1.2确定数据的来源和种类3.1.2.1数据来源一旦确定了数据质量目标，就要对LCI所需数据来源和种类有一个非常明确的了解。LCI中所用的数据其实就是原始数据和间接数据的集合。原始数据是指工厂特有，经过测算、模拟或评价过的数据。间接数据是指那些不是特意为建立LCI以及分析者在数据收集过程中没有输入时而收集的数据，即通过报刊、说明书、报告表等收集的数据。本研究所收集的数据均为原始数据，因此它们更能精确地反映产品的生产过程。3.1.2.2数据类型针对每种数据类型，进行数据收集技术和计算技术表述。数据类型与产生数据所用的方法有关。数据类型一般包括测算过的数据、模拟数据和非测算数据（如估计的）。本文数据类型主要是测算数据和非测算数据。（一）测算数据测算数据要经过监控和取样过程，其目的是保证清单分析数据的准确性和完整性。本次研究对废水处理厂运行中排放的污染物进行测算以获取部分清单分析数据，数据主要包括废水水质情况及废气排放情况等。（1）废水：水质监测作业包括站网设计、样品采集、实验室分析、数据处理、数据分-18-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文析和信息利用等几个部分。它们分别涉及如下内容：①站网设计：站址，采样断面，项目选择，采样频率；②样品采集：采样点，采样技术，野外测量，样品保存，样品输送；③实验室分析：分析技术，操作程序，质量控制，数据记录；④数据处理：数据接收，复查和校核，存贮和检存，报告，传递；⑤数据分析：基本的归纳统计，回归分析，水质指标，“质量控制”说明，变化过程分析；⑥信息利用：信息要求，报告格式，操作程序，利用评价。本研究废水水质监测分别在厂区进水口、初沉池出水口、水解池出水口、完全混合曝气池出水口、推流曝气池Ⅰ出水口、气浮池出水口、推流曝气池Ⅱ出水口以及废水处理厂排放口布设采样点。采样时间选定为2008.10.24～2008.10.26，平均每天采样监测1次。具体数据监测项目及方法的选定见表3-2。表3-2监测项目和方法项目CODSSNH3-NTPTN分析方法重铬酸钾法重量法蒸馏和滴定法钼酸铵分光光度法碱性过硫酸钾-消解紫外分光光度法分析方法标准号GB11914-89GB11901-89GB7478-87GB11893-89GB11894-89（2）废气：该废水处理厂需要测算的废气数据主要来自废水处理过程。具体情况如表3-3、3-4所示。表3-3废气污染排放情况污染源废水处理过程污染物名称有机污染物排放规律连续排气筒高度60m排放去向经碱洗喷淋处理后排入空气表3-4有组织排放监测项目及方法监测点位废气排放口排气筒1#、2#、3#采样时间2008.10.24～2008.10.26采样点3个采样设备塑料采气袋监测频次连续监测3天每天监测1次实验室分析设备气相色谱仪-19-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文（二）非测算数据本文非测算的数据主要通过现场实地调研获得，大部分来自厂区原有生产过程说明书和工艺技术分析材料，或是通过工程技术人员的经验估算统计加以获取。其中主要数据包括：资源及能源的消耗，原材料的输入，燃煤锅炉烟气排放，固体废弃物的排放以及车辆运输的具体情况等。3.1.3数据质量指示器数据质量指示器是作为一种基准来对数据进行定性和定量分析，来确定数据质量是否能满足要求。表3-5定义了评估LCI数据质量的一些指示器，所示的数据指示器清单是经过精简之后的结果，是进行数据质量评价时运用最广泛的，他能消除各种指示器之间的重合部分，但它们不是唯一的可接受的指示器。最重要的是，我们要使用适合于数据源的数据质量指示器。表3-5数据质量指示器略表数据指示器可接受度偏差比较性完备性数据收集方法和局限性精确度参考性代表性定义数据源经过一个可接受的标准评价或经过专家的评定的程度使数据平均值总是高于或低于真实值的系统误差程度。不同的方法、数据体系能被视为相近或相等的程度相比所需要的数据总量我们能得到的用于分析的数据量的比率描述数据收集方法的信息水平变异性或分散的程度数据值参考原始数据源的程度数据能代表分析所要表述内容的程度注：引自BOPedersenWeidema,MarianneSuhrWesnaes.J.CleanerProd,19963.1.4设计数据调查表设计数据调查表是数据收集计划的最后一个步骤，我们利用它来获得最重要的数据。根据过程图以及现场实地考察可大概知道各单元过程的输入、输出数据种类和关系，据此可联系研究目标和定义的范围，制作一套能获取各单元过程所有必需数据的收集表格。这套表格包括一般信息表、系统输入数据表、输出数据表、运输数据表等，具体如表3-6所示。-20-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表3-6数据收集表一般信息公司名称：系统输入数据原材料：系统输出数据废水排放：运输活动数据运输方式：电话：地址：占地面积：车型：人员数量：供暖面积：工艺流程：设备参数：废水日处理量：生产时段：能源：电：煤：汽油：水：其他：废气排放：固废排放：距离：载重：生产日志：存在问题：3.2数据收集与整理3.2.1资源消耗分析废水处理厂的能耗包括水耗、电耗、锅炉燃煤以及运输车辆所需燃油。新鲜水主要用于废水处理厂日常生活用水和配药用水等；电能的消耗主要用于工艺设施和配套专用机械设备以及附属建筑和厂区的照明等方面，具体工艺设备用电情况见表3-7；厂区热能的消耗主要用于污泥加热及厂区供暖；燃表3-7工艺设备用电情况(kw)工艺设施格栅池调节池平流式初次沉淀池配套设备自动格栅除污机污水提升泵水下搅拌机平流式刮泥机石灰投加机搅拌机数量2台2台2台2台2台5套3台2套4台功率0.55157.518.51153.6755-21-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文污泥泵潜水泵剩余污泥泵回流污泥泵罗茨风机1台3台3台2台3台3台2台1122302.43.113.537水解酸化池气浮池推流曝气池二沉池鼓风机房污泥浓缩池污泥脱水机房合计碱泵水泵加压泵搅拌器风机空压机溶气气浮设备浮渣提升泵污泥回流泵剩余污泥泵内回流泵清水回用泵过滤泵离心鼓风机丹麦鼓风机刮泥机罗茨鼓风机污泥浓缩机带式污泥脱水机污泥提升泵带机冲洗泵带机加药泵—2台3台1台1台2台2台1台10套2台3台3台2台4台3台3台1台2台2台4台4台3台3台3台3台108台1.52.21.50.553112.2152.22211157.545452002500.551320.7531.6315151.121705840油的消耗主要用于煤、炉渣、栅渣、污泥、药品等的汽车公路运输。据相关文献[41]报道，研究中确定城市道路货车实际百公里油耗分别为：重型货车38.75L；轻型货车16.4L。进而计算得到各车型使用过程的能耗分别为：重型-22-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文货车3.22kg；轻型货车6.15kg。资源消耗具体情况见表3-8。表3-8资源消耗资源指标水(t/a)电(kwh/a)煤(t)汽油(kg)消耗量1260217058401720977.093.2.2环境释放分析3.2.2.1废水本次生命周期评价废水方面的数据收集工作主要是对整个废水处理过程进出水水质进行监测。按照准备工作中确定的监测方法，在哈尔滨环境监测站和厂内技术人员的帮助下，完成了本次研究水质监测工作。废水处理厂平均处理水量15000m3/d，废水处理后没有回用，直接排入何家沟，最终汇入松花江，目前执行的是《污水排放综合标准》（GB8978-1996）中规定的第二类污染物二级排放标准。水厂各处理工段进出水水质见表3-9。表3-9废水数据清单表(mg/L)监测点位进水水质出水水质监测时间2008.10.242008.10.252008.10.262008.10.242008.10.252008.10.26COD961186119098252229227SS892792835646971NH3-N66.5137.4748.9331.4229.9817.70TP39.5659.9049.72.322.562.44TN324.23334.56349.3948.145.3146.703.2.2.2废气废气主要来自三个方面：废水处理过程、锅炉燃煤和汽车公路运输。主要产生的大气污染物有：甲烷、硫化氢、二氯甲烷、乙醇、苯、甲苯、二甲苯、乙腈、苯酚、丙烷、正己烷、氯苯、甲醇、丙酮、苯乙酸、烟尘、氮氧化物、二氧化硫、二氧化碳、一氧化碳、一氧化二氮、非甲烷VOC、颗粒物等，对水厂周围的空气质量产生了不利的影响。本研究通过对废水处理厂详细的实地考察，在了解其工艺过程的基础上进行监测，得到本次生命周期评价所需要的数据。-23-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文（1）废水处理过程废水处理厂在运营期间，不可避免地要产生一些臭气，主要集中在格栅、初沉池、污泥脱水间等处理工段，同时由于废水经水解池提升进入推流曝气池及完全混合曝气池，经过大量曝气完成生物选择和吸附过程，在此过程中会有大量有机气体及少量硫化氢气体被从水中吹脱，导致池体周边经常有异味，影响车间环境并对操作人员存在安全隐患，故厂区采用密封集气的方式对初沉池、两个推流曝气生物池以及其他密封池体通过玻璃钢管道实现气体收集，最终引入气味处理间经碱洗喷淋方式处理后再由60米高的排气筒排入大气。本研究选取三个排气口作为监测点位，并且在哈尔滨监测站人员的帮助下，对收集的排放废气采用气相色谱法进行定性定量分析。气相色谱是一种高效、快速的分离分析技术，它可以在很短时间内分离多至数十种甚至百种极其复杂的混合物，这是其他方法所不能比拟的。色谱分离的对象多为有机物，有机物不仅数量繁多，而且常常具有复杂的空间结构或性质相似的异构体。气相色谱分析是在气相色谱仪中连续、自动地完成的，本次废气监测工作选用气相色谱仪对排放气体组分进行定性定量分析，图3-1为某次分析的气相色谱图，气相色谱仪具体工作条件如下。①测量甲烷仪器：生产：北京北分瑞利分析仪器有限公司型号：sp2100色谱柱：长2m、内径4mm不锈钢管内填充GDX-502高分子多空聚合物检测器：FID柱温：50℃检测室温度：120℃汽化室温度：100℃载气（N2）流量：50mL/min②测量其他有机污染物仪器：日本岛津公司GCMS-QP5050A气质联机，附带GC-Solution色谱工作站；色谱柱：DB-5ms毛细柱（30m×0.25m×0.25um）a.GC条件：气化温度：150℃柱箱温度：30℃（2min）→10℃/min→200℃（10min）；接口温度：230℃载气：氦气；柱前压：61kPa；流量：1.2mL/min-24-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文进样方式：分流10:1b.MS条件：离子源：电子轰击源；能量：70eV；扫描方式：scan；扫描范围：35-450amu；扫描时间：0.45s；回扫时间：0.05s。(x10,000,000)TIC3.02.01.01.02.03.04.05.06.07.08.09.01-甲醇、2-乙醇、3-乙腈、4-丙酮、5-二氯甲烷、6-正己烷、7-苯、8-苯酚、9-甲苯、10-氯苯、11二甲苯、12苯乙酸图3-1气相色谱图废气的组分及排放数据具体情况如表3-10所示。表3-10废气排放数据清单(mg/m3)时间点位2008年10月24日2008年10月25日2008年10月26日监测指标甲烷硫化氢二氯甲烷乙醇苯甲苯二甲苯乙腈苯酚丙烷正己烷氯苯甲醇丙酮苯乙酸1#44.184.510.623.50.293.152.1432.10.063.218.510.0928.51.210.102#39.413921.441.00.516.174.0638.90.0810.234.60.2316.51.040.093#26.81079.424.80.253.232.3929.40.053.128.480.1114.20.650.061#52.791.712.816.80.362.643.0924.60.044.059.620.1421.41.380.072#34.118413.728.50.325.483.1732.50.1212.437.80.1711.92.090.133#35.214313.848.10.374.293.1435.20.096.3814.390.1818.50.830.101#63.414914.731.30.414.212.9831.40.094.299.150.1928.11.900.042#31.215223.134.10.294.294.1340.10.098.9130.10.1315.40.970.093#29.412911.519.40.192.782.1426.10.042.497.350.1410.70.720.15-25-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文（2）锅炉燃煤总厂区设有抛煤机锅炉，锅炉选用除尘效率为96%的水膜除尘器，除此之外既没有脱硫装置，也没有配置烟气在线监测系统，锅炉所需原煤选自黑龙江鹤岗，煤中灰分24%，燃煤全硫分含量0.4%，燃煤中碳含量83.1%，其废水处理厂供暖所需的燃煤量为1720t/a。按照国家环保总局《关于排污费征收核定有关工作的通知》（环发[2003]64号）中有关排放污染物物料衡算的规定，所用大气污染物计算公式如下。①烟尘排放量计算公式：Gsd=1000×B×A×dfh×(1−ç)/(1−Cfh)（3-1）式中Gsd——烟尘排放量，kg；B——耗煤量，t；A——煤中灰分，%；dfh——灰分中烟尘，%；ç——除尘系统除尘效率，%；Cfh——烟尘中可燃物，%。②SO2排放量计算公式：GSO2=1000×B×S（3-2）式中GSO2——SO2排放量，kg；B——耗煤量，t；S——燃煤全硫分含量，%。③CO排放量计算公式：GCO=2330×B×C×Q（3-3）式中GCO——CO排放量，kg；B——耗煤量，t；C——燃煤中碳含量，%；Q——燃煤燃烧不完全值，%。④NOX排放量计算公式：GNOX=1630×B×(0.015×ç3+0.000938)（3-4）式中GNOX——NOX排放量，kg；B——耗煤量，t；ç3——燃煤中氮的转化率，%。综上，烟气排放情况见下表3-11。-26-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表3-11锅炉烟气部分排放情况(t/a)污染物名称排放量烟尘13.21SO211.01CO99.91NOX13.14（3）汽车公路运输汽车公路运输过程中的环境排放主要是指机动车燃料燃烧产生的尾气排放和行驶过程道路二次扬尘。环境排放量由单位里程或单位油耗平均排放因子计算得到，因此要正确计算货车运输阶段的废气排放量，关键在于确定适当的排放系数。本研究确定的污染物主要包括CO2、NOX、CO、NMVOC、CH4、N2O、SO2和颗粒物等，其中颗粒物污染包含尾气管颗粒物排放和行驶过程道路二次扬尘两部分。这几种污染物的排放因子数据均来源于公开发表的文献[42]（利用目前广泛应用的MOBILE模式计算得到典型城市各车型污染物单位里程排放因子，然后对典型城市的结果进行平均后得到我国城市道路机动车综合排放因子）数据可信度较高，具体数值见表3-12。表3-12城市道路货车使用阶段单位排放因子污染物单位CO2(g/km)NOX(g/km)CO(g/km)NMVOC(g/km)CH4(g/km)N2O(g/km)SO2(g/kg)重型货车1002.9424.15.634.280.040.0312.410城市道路轻型货车302.62.7541.117.960.060.0240.627颗粒物(g/km)尾气管颗粒物(g/km)二次扬尘(g/km)1123.4251.5011121.9241121.9670.0431121.924注：汽油中硫含量为0.032%，柴油中硫含量为0.123%根据已确定的单位里程或单位油料排放因子以及本次生命周期评价中涉及到的车辆运输情况(见表3-13)，可进一步计算得到重型货车和轻型货车使用过程中各自对应的环境排放。对于CO2、NOX、CO、NMVOC、CH4、N2O和颗粒物，因获得的是单位里程排放因子，故各车型环境排放量应为其排放因子、-27-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表3-13车辆运输情况名称栅渣脱水污泥生活垃圾锅炉用煤燃煤锅炉炉渣药品合计运输数量(t/a)182160025.921720828375327944.92运输距离(km)1085208859车型轻型货车重型货车轻型货车重型货车轻型货车重型货车—载重量(t)210210210—总运输距离(km)901728064.8344033123002.427189.2燃油类型汽油柴油汽油柴油汽油柴油—油耗(kg)5.54556.423.99110.77203.6996.68977.09行驶里程和各自装载重量倒数的乘积；对于SO2，因获得的是单位油耗排放因子，故各车型环境排放量应是燃油耗量与排放因子的乘积。综合已知的能源消耗和环境排放量就可以获得各车型单位使用阶段的清单编目，见表3-14。表3-14公路运输环境释放量表(t/a)项目栅渣污泥垃圾用煤炉渣药品合计CO20.0272317.330800.019613.450111.002213.0112324.84120CO0.003790.097290.002660.019370.136160.016900.27608NOX0.000250.416450.000180.082900.009110.072360.58124SO26.94314-60.013414.99906-60.002670.000260.002330.01868N2O2.16-60.000541.5552-60.000110.000089.30744×10-60.00082CH45.4×10-60.000693.888×10-60.000140.000200.000120.00116NMVOC0.000720.073960.000520.014720.026360.012850.12913颗粒物0.1009819.412790.072703.864583.715963.3729730.539983.2.2.3固体废弃物本次废水处理厂LCA的固体废弃物主要是指水厂工作人员产生的生活垃圾、格栅间的栅渣、污泥脱水间的脱水污泥以及燃煤锅炉产生的炉渣、灰渣等。固体废物产生情况见表3-15。-28-×10×10×10×10n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表3-15固体废物数据清单表污染源格栅间污泥脱水间工作人员固体废物名称栅渣(kg/d)脱水污泥(t/d)生活垃圾(kg/d)调查时间2008.10.242008.10.252008.10.262008.10.242008.10.252008.10.262008.10.242008.10.252008.10.26排放规律间断排放间断排放间断排放连续排放连续排放连续排放间断排放间断排放间断排放排放量524751556659727668最终去向城市垃圾填埋场由集团公司统一处理城市垃圾填埋场3.3清单分析结果3.3.1资源消耗清单分析结果本次研究中废水处理厂生命周期过程中所消耗的资源和能源，主要包括废水厂运行时的水耗、电耗、供热时消耗的煤以及运输车辆所需燃油。工业废水处理厂生命周期过程中的资源消耗量见表3-16。表3-16资源消耗量资源指标水(t/a)电(kwh/a)煤(t)汽油(kg)消耗量1260217058401720977.093.3.2环境释放清单分析结果本次LCA中的环境释放主要来自锅炉燃烧过程、废水处理和排放过程以及车辆运输过程，具体环境释放整理结果见表3-17。从表中可以看出，废水处理厂整个生命周期过程中向环境释放的污染物，在各个过程中有较大的区别，同一过程释放不同种类污染物排放量也不同，大气污染物中排放量最大的是CO，主要来自车辆运输燃油，其次是废水处理过程产生的H2S。水体污染物主要来自出水，排放量最大的是COD。固体废弃物主要来自废水和污泥处理过程，排放量最大的是污泥。-29-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表3-17环境释放数据清单(t/a)项目甲烷硫化氢二氯甲烷乙醇苯甲苯二甲苯乙腈苯酚丙烷正己烷锅炉燃烧———————————废水处理和排放22.4885.0259.34319.40.2032.6131.92820.5150.0474.15812.41运输0.00116——————————合计22.4811685.0259.34319.400.2032.6131.92820.5150.0474.15812.41大气污染物水体污染物固体废弃物氯苯甲醇丙酮苯乙酸烟尘二氧化硫氮氧化物一氧化碳二氧化碳一氧化二氮非甲烷VOC颗粒物化学需氧量总悬浮物氨氮总磷总氮栅渣脱水污泥生活垃圾炉渣————13.2111.0113.1499.91————————————8280.09810.230.70.061————————1274.4367.2142.39813.176252.18182160025.92——————0.018680.581240.2760824.841200.000820.1291330.53998—————————0.09810.230.70.06113.2111.0286813.72124100.1860824.841200.000820.1291330.539981274.4367.2142.39813.176252.18182160025.92828-30-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3.4本章小结清单分析是生命周期评价基本数据的一种表达，是进行生命周期影响评价的基础。本章中对工业废水处理厂整个生命周期过程中的资源消耗以及向环境排放的废气、废水、固体废物等环境释放物进行数据量化分析统计，得到了各个污染物每功能单位的排放量，如表3-17所示。大气污染物中排放量最大的是CO，为100.186t/a，水体污染物排放量最大的是COD，为1274.4t/a，固体废弃物中排放量最大的是污泥，为21600t/a。本章为后续的生命周期影响评价工作做了充足的准备。-31-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第4章生命周期影响评价生命周期影响评价（Lifecycleimpactassessment，LCIA）是生命周期评价的第三阶段，也是其核心部分，目的是考察清单结果的环境负荷因子的环境影响特点，通过定性或定量的方法评价其潜在的环境影响，以便更好地认识清单结果所涉及的环境问题[43]。ISO14042把LCIA定义为[44]：“运用清单分析结果来评价其潜在的环境影响。它包括：（1）归类：将LCI中的环境负荷因子归类到不同的影响类型；（2）分类评价：使用相应的特征化模型定量描述归入相应影响类型的环境负荷因子，所累加结果为相应影响类型的结果；（3）综合评价：对各项分类评价结果进行正规化处理后，其结果乘以相应影响类型权重，加权综合”。其中前两部分是ISO14042框架的强制执行步骤。4.1环境影响分类产品生命周期过程产生的环境影响种类繁多，并且也不可能样样重要，因此必须确定要纳入评价的环境影响类型。根据前文研究目的和范围的确定以及清单分析结果的分析，我们可将环境影响分为资源和物理空间的枯竭、生态系统健康影响以及人体健康影响三大类。然后每一大类下又包括许多小类，如资源和物理空间的枯竭包括石能源枯竭、化石金属资源枯竭和可用物理空间的枯竭等多种类型；影响生态系统健康的具体环境影响类型又分为：温室效应、酸化、富营养化和生态毒性四种；人体健康影响则包括臭氧层耗竭、光化学烟雾、急性和慢性人体中毒三种类型。具体的生命周期影响分类见表4-1。4.2特征化影响评价的下一步是清单分析结果的特征化，即把不同的资源消耗和污染物排放清单数据通过特征因子统一折算成对某类环境影响贡献作用大小的类型参数结果，成为某一类环境影响的量化指标。根据美国环保局的研究，对以下10种影响因子提出了具体的计算方法和模型：资源的消耗（可再生资源的消耗、不可再生资源的消耗）；能量的使用；填埋空间的消耗；全球变暖的影响；光化学烟雾的影响；酸化影响；气溶胶影响；水体富营养化影响；水质影响；潜在健康影响：慢性职业健康影响（致癌影响、非致癌影响）、慢性公众健康影响等[14]。-32-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表4-1废水处理厂环境影响分类输入清单分析类型输出物质属性自然资源影响影响类目水煤电————固体废弃物填埋可再生不可再生能量非有害废弃物可再生资源不可再生资源的使用或破坏能量使用填埋空间的占用生态系统的影响CO2、NOX、—CO、N2O、温室气体全球变暖影响CH4、苯NMVOC、CH4、—苯、二氯甲烷、丙酮、苯酚、导致光化学烟雾的物质光化学烟雾丙烷、甲苯—————H2S、SO2、NOX烟尘、颗粒物TP和TNCODSS通过反应得到H离子的物质大气中微粒物质含有N和P的物质需氧量悬浮物酸化空气质量水体富营养化水质：COD水质：TSS人类健康和生态毒性影响—SO2、NOX、丙酮、苯毒性物质慢性职业健康影响4.2.1资源的消耗由于LCA中可将资源作为是在自然界中得到的非人造的原材料，如水、矿石、化石燃料和木材等。资源分为可再生资源和不可再生资源两种，可再生资源主要是指那些可再次生长的，最典型的是生物资源（木材、其他植物与动物资源）和水。不可再生资源是指非生命的，如矿石、化石燃料。主要的计算方法如下：-33-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文可再生资源消耗(IRrr)i=⎡⎣AMTrri×(1−RCi)⎤⎦（4-1）式中(IRrr)i——每功能单位的消耗的可再生资源的影响；AMTrri——清单分析中每功能单位的可再生资源的输入量；RCi——资源回收或重复使用率本次LCA研究中的可再生资源为水资源，其每功能单位输入量为1260t/a，资源回收或重复利用率为零，结合公式4-1可得到：(IRrr)i=1260t/a不可再生资源的消耗对于不可再生资源，在美国EPA的模型上增加一个系数，即资源稀缺系数。因为每种资源的丰富程度是不一样的，如果简单地进行量的汇总计算，不能反映出资源的实际影响权重，因此增加稀缺系数，将更能反映资源消耗的实际情况，且稀缺系数是用目标距离法进行测定的，具有动态跟踪性，每个不同的时间期限有不同的稀缺系数。稀缺系数越大，说明资源越稀缺，使用这种资源的影响就越大。(IRrr)i=ùi⎡AMTrr×(1−RCi)⎤（4-2）式中ùi——资源稀缺系数资源稀缺系数的确定，采用EDIP目标距离法，即资源的丰富程度的当前水平与目标水平之间的距离来表征。设目标距离为十年，假定选取2006年和1996年水平进行计算。则：ùi=ERi2006/ERi1996（4-3）式中ERi2006——2006年基准水平，等于2006年储量减当年产量；ERi1996——1996年基准水平，等于1996年储量减当年产量本次LCA研究中的不可再生资源主要指煤和汽油，其每功能单位的消耗量分别为1720t/a、0.97709t/a，其中煤的资源回收率为49.29%，汽油的资源回收或重复利用率为零。2006年煤和石油的储量及产量分别为9090.64亿吨、61.951亿吨、1804.9亿吨、39.14亿吨，1996年煤和石油的储量及产量分别为10316.1亿吨、33.6313亿吨、1389.7亿吨、33.313亿吨（资料来源：BPStatisticalReviewofWorldEnergy2007和美国《Oil&Gas》），结合公式4-2和4-3，计算得到：-34-⎣i⎦n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文(IRrr)煤=1510.277t/a(IRrr)石油=1.272t/a4.2.2能量使用总体能量消耗的计算是对于整个能量生产循环而言非常有潜在意义的影响。计算能量的使用影响类目是基于燃料能量的输入、电力输入的总和。在LCI中，燃料生产中排放的各种污染物根据分配的原则按其相关的性质均被计算入其相应的类目。由于本次LCA研究中煤和石油的用量很小，分别为1720t/a和0.97709t/a，因此不考虑它们生产中排放的各种污染物的影响。本次研究中能量的使用主要考虑电耗，废水处理厂的电耗为21705840kw·h/a，本文采用统一的能量单位表达不同形式的能量，其中电耗按燃料热当量(热电转化率以32%计)计算，即1(kW/h)=11080kJ。因此废水处理厂能量使用量为240500GJ/a。4.2.3填埋空间的消耗填埋空间影响是计算固体、有害的或者放射性废弃物进入土地或垃圾填埋场所占用的空间消耗。固体废弃物的填埋是工业废渣、城市垃圾和建筑碎片填埋，占用的空间资源类似于使用自然资源。其影响特征化是基于固体废弃物的体积指标，可以从LCI的废弃物及其平均密度来计算。(IRSWI)i=[AMTSW/Di]（4-4）式中(IRSWI)i——每功能单位的固体废弃物的填埋影响指标；AMTSW——清单分析中每功能单位的排放固体废弃物数量；Di——废弃物的密度。本次LCA研究中，灰渣全部回收利用，其排放量为零，因此，填埋空间的消耗主要针对栅渣、污泥和生活垃圾，其每功能单位的排放量分别为18t/a、21600t/a、25.92t/a。栅渣的相对密度约为4，污泥的相对密度较小，约为1.02～1.006，取1.013[45]，根据中国环境科学研究院统计分析，城市垃圾的密度为0.4～0.6t/m3，取0.5t/m3，结合公式4-4计算得到栅渣、污泥和生活垃圾的填埋影响分别为：4.5m3、21322.8m3和51.84m3。4.2.4全球变暖的影响大气中的二氧化碳和其他温室气体的增加，阻止地球热量的散失，使地球-35-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文发生可感觉到的气温升高，这就是有名的“温室效应”。全球变暖影响潜能（GWP）是指这种变暖物质对圈住地球热量的贡献值。影响评价采用相关性因子方法来计算，排放的相关气体与相关性因子相乘得到。GWP相关性因子是评估某种物质在大气的生存时间、可能对全球气候变化影响的辐射强度与CO2的相关性质相比较。因而，GWP是与CO2有相关性的。通过相关性比较，各种相关物质的GWP结果是可以相加汇总的。(ISGW)i=EFGWP×AMTGG（4-5）式中(ISGW)i——每功能单位温室气体的全球变暖的影响指标；EFGWP——i物质的GWP相关性系数（见表4-2）；AMTGG——每功能单位排放i物质的清单分析量。表4-2GWP相关性系数化合物二氧化碳氮氧化物一氧化碳一氧化二氮甲烷苯GWP131022902163注：资料来源于IPCC1995GWPestimates。本次LCIA主要研究CO2、NOX、CO、N2O、CH4、苯的全球变暖影响，其每功能单位的排放量分别为：CO2（24.8412t/a）、NOX（13.72124t/a）、CO（100.18608t/a）、N2O（0.00082t/a）、CH4（22.48116t/a）、苯（0.203t/a），结合公式4-5和表4-2可得：(ISGW)CO2=24.841t/a(ISGW)NOX=4253.584t/a(ISGW)CO=200.372t/a(ISGW)N2O=0.238t/a(ISGW)CH4=472.104t/a(ISGW)苯=12.789t/a-36-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4.2.5光化学烟雾光化学烟雾是由对流层臭氧的增加引起的。其发生是因为碳氢化合物（CXHY）、NOX和太阳光的同时存在而发生复杂反应生成了臭氧。光化学氧化反应潜能因子（POCP）是指以化合物乙烯（系数为1.0）为参照物对这种效应的贡献的相关度。影响评价是基于识别POCP相关性系数和相关化合物的数量的乘积。（ISPOCP）i=（EFPOCP×AmtPOC）i（4-6）式中（ISPOCP）i——每功能单位的光化学影响；EFPOCP——物质i的POCP相关性系数（见表4-3）；AmtPOC——每功能单位产生光化学烟雾的物质i向大气的排放量。表4-3POCP相关性系数名称二氯甲烷丙酮甲烷苯非甲烷VOC苯酚丙烷甲苯POCP系数0.0210.1780.0070.1890.4160.7610.420.563注：资料来源于EPA。本次LCIA主要研究二氯甲烷、丙酮、甲烷、苯、非甲烷VOC、苯酚、丙烷、甲苯对光化学烟雾的贡献，其每功能单位的排放量分别为：二氯甲烷（9.343t/a）、丙酮（0.7t/a）、甲烷（22.48116t/a）、苯（0.203t/a）、非甲烷VOC（0.12913t/a）、苯酚（0.047t/a）、丙烷（4.158t/a）、甲苯（2.613t/a），结合公式4-6和表4-3计算得到其光化学烟雾影响分别为：(ISPOCP)二氯甲烷=0.196t/a(ISPOCP)甲烷=0.157t/a(ISPOCP)非甲烷VOC=0.054t/a(ISPOCP)丙烷=1.746t/a(ISPOCP)丙酮=0.125t/a(ISPOCP)苯=0.038t/a(ISPOCP)苯酚=0.036t/a(ISPOCP)甲苯=1.471t/a-37-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4.2.6酸化影响酸化影响是指污染物的释放可能对导致酸性降雨产生一定的作用和贡献。影响特征化是以SO2（系数为1.0）作为参照物，按其相关性系数进行计算。（ISAP）（EFAP×AmtAC）式中（ISAP）i——每功能单位物质i的酸化影响指标；EFAP——物质i的AP影响相关性系数（见表4-4）；AmtAC——每功能单位物质i的排放量。表4-4AP相关性系数（4-7）名称硫化氢二氧化硫氮氧化物AP系数1.881.00.7注：资料来源于EPA。本次LCIA主要研究H2S、SO2、NOX的酸化影响，其每功能单位的排放量分别为H2S=85.025t/a、SO2=11.02868t/a、NOX=13.72124t/a，结合公式4-7和表4-4计算得到H2S、NOX、SO2的酸化影响分别为：(ISAP)H2S=159.847t/a(ISAP)SO2=11.029t/a(ISAP)NOX=9.605t/a4.2.7气溶胶影响气溶胶是指直径小于10μm的颗粒物。这种颗粒物对于呼吸系统造成损伤，影响特征化是简单将清单分析中的数据进行引用。ISPM=AmtPM（4-8）式中ISPM——每功能单位PM影响指标；AmtPM——每功能单位物质i的PM排放量。在此，计算影响的是PM10颗粒，但是，一般来说是可以将总悬浮物（TSP）的数值直接引用。要想计算一种共同的相关性因子是不现实的，因为PM10是由多种不同的化学物质构成。烟尘的排放量共为13.21t/a，汽车尾气颗粒物的排放量共为30.53998t/a，根据公式4-8计算得到：ISPM烟尘=13.21t/aISPM颗粒物=30.54t/a-38-i=in哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4.2.8水体富营养化影响水体富营养化是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。水体富营养化影响特征化是基于经处理后污水的集中排放。富营养化的相关性系数是假定N和P是其主要的影响因素。（ISEUTR）i=（EFEP×AmtEC）i式中（ISEUTR）i——每功能单位水质富营养化影响指标；EFEP——物质i的EP相关性系数（见表4-5）；AmtEC——每功能单位物质i的排放量。表4-5EP相关性系数（4-9）名称化学需氧量氨氮总磷总氮EP系数0.0220.333.060.42注：资料来源于EPA。COD、NH3-N、TP、TN每功能单位的排放量分别为COD=1274.4t/a、NH3-N=142.398t/a、TP=13.176t/a、TN=252.18t/a，结合表4-5和公式4-9计算得到他们对水体富营养化影响的指标为：(ISEUTR)COD=28.037t/a(ISEUTR)TP=40.319t/a(ISEUTR)NH3−N=46.991t/a(ISEUTR)TN=105.916t/a4.2.9水质影响水质影响的特征化是基于地表水被污染而导致溶解氧的消耗。水质影响有两种计算，分别是进入地表水的COD和SS。（ISCOD）（AmtCOD）（ISTSS）（AmtSS）（4-10）式中ISCOD，ISTSS——分别为每功能单位COD、TSS影响指标；AmtCOD，AmtTSS——分别为每功能单位物质i的COD、TSS排放量。-39-i=ii=in哈尔滨工业大学工学硕士学位论文本次LCIA主要研究对纳污水体的水质影响，根据公式4-10可得：ISCOD=1274.4t/aISTSS=367.2t/a4.2.10潜在健康影响在生命周期评价中人类健康影响类目是计算长期性的影响，包括致癌和非致癌的影响。本次研究对工人长期的职业健康影响进行了考虑。慢性职业健康影响是指反复暴露在有毒物质的情况下与时间周期相关的影响。这些影响包括致癌物质、二次毒性、神经毒性、免疫毒性、行为毒性、光敏感性、辐射影响以及对其他组织或身体的系统的影响，如血液、心脏、呼吸、肾脏、肝脏等影响。对公众来说，造成影响的物质应该是输出的物质，即各阶段排放的各种有毒物质的影响。①致癌影响从口进入：从呼吸道入：（HVCAorall）=oralSFioralSFmean（4-11）(HVCAinhalation)i=inhalationSFiinhalationSFmean（4-12）式中(HVCAoral)i——化合物i的口入致癌影响；oralSFi——化合物i的口入致癌斜率系数，mg/(kg·d)；oralSFmean——所有口入致癌斜率系数的几何平均数，0.71mg/(kg·d)；(HVCAinhalation)i─—化合物i的呼吸致癌影响；inhalationSF─—化合物i的呼吸致癌斜率系数，mg/(kg·d)；inhalationSFmean——所有呼吸致癌斜率系数的几何平均数，0.71mg/(kg·d)②非致癌影响1(HVNC)i=NOAELi1（4-13）NOAELmean式中(HVNC)i——化合物i的非致癌影响；-40-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文NOAELi——化合物i的非致癌NOAEL（非显性不利影响）；NOAELmean——所有化合物的非致癌NOAEL系数的几何平均数，11.88mg/(kg·d)③慢性职业健康影响(ISCH)i=⎡(HVCA+HVNC)×AmtTCinput⎤i（4-14）式中(ISCH)i——每功能单位的长期健康影响指标；AmtTCinput——每功能单位清单分析中有毒化合物i的排放量慢性职业健康影响相关参数见表4-6。表4-6慢性职业健康影响参数污染物丙酮苯SForal/[mg/(kgid)]—0.055SFinhal/[mg/(kgid)]—0.029NOAELoral/[mg/(kgid)]1001.0NOAELinhal/[mg/(kgid)]—1.15氮氧化物二氧化硫1.60.104污染物排放量分别为丙酮（0.7t/a）、苯（0.203t/a）、NOX（13.72124t/a）、SO2（11.02868t/a），结合公式4-11至公式4-15及表4-6计算可得各污染物的潜在健康影响：(ISCH)丙酮=0.083t/a(ISCH)苯=4.533t/a(ISCH)NOX=101.88t/a(ISCH)SO2=1259.815t/a4.2.11影响潜值的比较分析在工业废水处理的整个生命周期过程中，各个阶段的环境释放不同，对环境影响的贡献也不相同，LCIA在经过特征化步骤之后，得到了代表各环境影响的数值化指标，特征化结果则表示特定环境负荷值的绝对大小值，具体情况见表4-7。通过上表中的数据可以看出，在工业废水处理整个生命周期释放的环境影响潜值中，对全球变暖的贡献最大，贡献最小的是光化学烟雾影响，其顺序为：全球变暖影响>资源消耗>水质影响>潜在健康影响>水体富营养化影响>酸-41-⎣⎦n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表4-7特征化结果影响类别物质数值总计资源消耗（RU）(t/a)可再生资源不可再生资源水煤炭汽油12601510.2771.27212601511.549能量使用（EN）(GJ/a)填埋空间的消耗(m3)全球变暖的影响（GWP）(t/a)光化学烟雾影响（POCP）(t/a)酸化影响（AP）(t/a)气溶胶影响（PM）(t/a)水体富营养化影响（EU）(t/a)水质影响（WQ）(t/a)电栅渣污泥生活垃圾CO2NOXCON2OCH4苯二氯甲烷丙酮CH4苯NMVOC苯酚丙烷甲苯H2SSO2NOX烟尘颗粒物CODNH3-NTPTNCODSS丙酮2405004.521322.851.8424.8414253.584200.3720.238472.10412.7890.1960.1250.1570.0380.0540.0361.7461.471159.84711.0299.60513.2130.5428.03746.99140.319105.9161274.4367.20.08324050021379.144963.9283.823180.48143.75221.2631641.6潜在健康影响（HTI）(t/a)慢性职业健康影响苯NOX4.533101.881366.311SO2-42-1259.815n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文化影响>气溶胶影响>光化学烟雾影响。不同影响潜值比较的柱状图如图4-1。图4-1特征化结果比较从图4-1可以更加直观的看出工业废水处理厂生命周期过程中的输入和输出对各影响类别的贡献大小。对不同影响类型影响因子进行分析，可以找出造成环境影响的主要原因，以便在今后的生产中加以控制。对本次LCA研究中的不同影响类型影响因子分析如下：（1）资源消耗分析资源消耗分析见图4-2。图4-2资源消耗影响因子分析-43-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文从图4-2可以明显看出，资源消耗的主要贡献来自不可再生资源（煤炭、石油资源）的消耗，占54.54%。（2）能量的使用分析本次LCA研究中能量使用影响涉及到的因子为电能，其特征化后的数值为240500GJ/a。（3）填埋空间的消耗分析填埋空间的消耗情况见图4-3。图4-3填埋空间消耗影响因子分析由图4-3可看出，填埋空间消耗的主要贡献因子为污泥占99.73%，栅渣和生活垃圾贡献相对较小，分别为0.24%和0.03%，均来自废水处理过程。（4）全球变暖影响分析全球变暖影响分析情况见图4-4。图4-4全球变暖影响因子分析-44-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文由图4-4可知，全球变暖的主要贡献因子为NOX占85.69%，其次是CH4占9.51%，CO2、CO、N2O、苯则贡献相对较小分别占0.5%、4.03%、0.01%和0.26%。作为主要贡献因子的NOX，其排放主要在于锅炉燃烧阶段。虽然NOX的排放量并不大，但是其GWP相关性系数已达到310，这说明NOX对全球变暖的影响是很大的，因此需要针对上述情况制定相应控制措施，减少NOX的排放量来控制燃煤过程环境释放对全球变暖的影响。（5）光化学烟雾影响分析光化学烟雾影响分析情况见图4-5。图4-5光化学烟雾影响因子分析本次LCA研究中光化学烟雾影响的贡献源为废水处理过程产生的废气和车辆运输时排放的尾气。由图4-5可知，光化学烟雾的主要贡献因子为丙烷占45.67%，其次是甲苯占38.48%，其他污染物所占比例分别为二氯甲烷占5.13%、CH4占4.11%、丙酮占3.27%、NMVOC占1.41%、苯占0.99%、苯酚占0.94%。（6）酸化影响分析酸化影响分析见图4-6。由图4-6可知，酸化影响的主要贡献因子为H2S占88.57%，SO2和NOX分别占6.11%和5.32%。H2S主要来自废水和污泥处理过程，SO2和NOX主要来自锅炉燃煤和车辆运输尾气排放。-45-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图4-6酸化影响因子分析（7）气溶胶影响分析气溶胶影响分析见图4-7。气溶胶影响的贡献因子为锅炉燃煤时产生的烟尘和车辆运输尾气排放的颗粒物，其特征化之后的数值指标分别为13.21t/a和30.54t/a。图4-7气溶胶影响因子分析（8）富营养化影响分析富营养化影响分析情况见图4-8。-46-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图4-8水体富营养化影响因子分析由图4-8可以明显看出，水体富营养化的主要贡献因子为TN占47.87%，COD、NH3-N和TP则分别占12.67%、21.24%和18.22%，均来自废水处理厂的出水。（9）水质影响分析水质影响分析情况见图4-9。图4-9水质影响因子分析本次LCA中的水质影响分析是针对纳污水体松花江进行的，由图4-9可知，水质影响的主要贡献因子主要是COD，其次是SS，分别占77.63%和22.37%，均来自废水处理厂出水。虽然废水处理厂是一项减污工程，但是其出水水质仍然会对纳污水体造成-47-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文一定程度的影响。（10）人类健康影响分析人类健康影响分析见图4-10。图4-10人类健康影响因子分析人类健康影响主要指慢性职业健康影响，由图4-10可知，人类健康影响的主要贡献因子为SO2，占92.2%，其次是NOX占7.46%，丙酮和苯分别占0.01%和0.33%。SO2和NOX主要来自锅炉燃煤，另外车辆运输过程中也会产生一部分，丙酮和苯主要来自废水处理过程。4.3加权赋值评估所谓的定量方式则是对每一类环境影响分别确定其权重，然后将其影响程度乘以相应的权重，得出所谓的环境指数。为了计算出综合环境影响指标，必须求出各影响指标的权重系数。目前对生命周期评价中权重的确定方法有很多[46]，目标距离法、模糊逻辑法[47]、专家打分法以及层次分析法（AHP）。但这些方法有的过于客观，有的则针对的是全球化影响，对局部性影响研究不够。因此本文针对实际情况采用属性层次模型（AHM）[48]法，这种方法的主要优点是能更好的保证所建立矩阵的一致性，达到对各种影响类型排序的效果，以确定其权重大小。属性层次模型（AHM）通常称为球赛模型：设μ1，μ2，…μn为n个球队，每两队进行一场比赛，每场比赛总分为1分，μi与μj（i≠j）比赛两队得分分别为μij和μji，准则C为球队实力分析。在准则C下对球队μ1，μ2，…μn按强弱排序。要求μij满足μij≥0，μij+μji=1，μii=0。实际问题中μij可取[0，1]-48-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文上的一切实数，称μij为μi关于μj的相对属性测度，称矩阵A=（μij）n×n为属性判断矩阵。若μij＞μji，则称μi比μj强，记为μi＞μj。若矩阵A满足：当μi＞μj，μj＞μk时μi＞μk，则称判断矩阵A具有一致性。μi的得分为fi=nj=1ij。ni=1=(wTn−1n=ì（4-15）称WC为相对属性权向量。AHM中的属性判断矩阵A=(uij)n×n通常很难求出，可以层次分析法（AHP）中的比较判断矩阵(aij)n×n中导出。转换公式[45]为：uij=⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩00.51âk+1âkâk+1aij=1i=jaij=1i≠j1kaij=k（4-16）当â→∞时⎨，相当于两队比赛，一队胜得1分，另一队败得0分。一般取β=2。有了上述转换公式，再检验一致性，就可以应用AHM模型。令Ii={j:g(ìij)=1,1≤j≤n}⎧1，x>0.5;⎩0，x≤0.5（4-17）属性判断矩阵（ìij）具有一致性的充分必要条件是：对任何i，当Ii非空时，⎢j∈Ii⎥（4-18）用属性层次模型进行决策时，主要步骤就是构造属性判断矩阵并计算相对-49-∑ì由于μij≥0，μij+μji=1，μii=0（i≠j），得∑fi=n(n−1)/2。记：WCcì1,,wcìn),wcìi=2∑fiijn()j=1⎧⎪ìij→1⎪⎩ìji→0g(x)=⎨g(ìik)−g⎡∑g(ìik)⎤≥0(1≤k≤n)⎣⎦n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文属性权重。其具体方法步骤为：（1）按重要性标度的方法，将不同的影响类型的重要性进行标度；（2）根据标度结果建立比较判断矩阵；（3）把比较判断矩阵转化为AHM模型并进行一致性检验；（4）计算不同影响类型的权重。首先，对不同的环境影响类型进行重要性标度。表4-8为重要性标度表[16]。标度结果见表4-9。表4-8重要性标度表标度aij135792，4，6，8倒数定义i因素与j因素相同重要i因素与j因素略重要i因素与j因素较重要i因素与j因素非常重要i因素与j因素绝对重要中间状态若j因素与i因素比较，得到的值为aij的倒数结合表4-9和公式4-16，取â=2时得到属性判断矩阵A。表4-9标度结果影响类型因子资源消耗(A1)水体富营养化(A2)全球变暖(A3)水质(A4)能量使用(A5)人类健康(A6)光化学烟雾(A7)气溶胶(A8)酸化(A9)固体废弃物(A10)资源消耗(A1)11/21/31/41/41/51/51/61/71/8水体富营养化(A2)211/21/31/31/41/41/51/61/7全球变暖(A3)3211/21/21/31/31/41/51/6水质(A4)432111/21/21/31/41/5能量使用(A5)432111/21/21/31/41/5人类健康(A6)54322111/21/31/4光化学烟雾(A7)54322111/21/31/4气溶胶(A8)654332211/21/3酸化(A9)7654433211/2固体废弃物(A10)8765544321-50-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AHM矩阵表见表4-10。表4-10AHM矩阵表CC1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C100.20.1430.1110.1110.0910.0910.0770.0670.059C20.800.20.1430.1430.1110.1110.0910.0770.067C30.8570.800.20.20.1430.1430.1110.0910.077C40.8890.8570.800.50.20.20.1430.1110.091C50.8890.8570.80.500.20.20.1430.1110.091C60.9090.8890.8570.80.800.50.20.1430.111C70.9090.8890.8570.80.80.500.20.1430.111C80.9230.9090.8890.8570.8570.80.800.20.143C90.9330.9230.9090.8890.8890.8570.8570.800.2C100.9410.9330.9230.9090.9090.8890.8890.8570.80由表4-10可以容易看出，属性判断矩阵满足一致性条件。根据公式4-15可计算出：WC=(0.1790.1610.1420.1160.1160.0840.0840.0580.0390.021)由此即得了不同影响类型的权重，具体见表4-11。表4-11影响类型的权重T类型资源消耗水体富营养化全球变暖水质能量使用人类健康光化学烟雾气溶胶酸化固体废弃物权重0.1790.1610.1420.1160.1160.0840.0840.0580.0390.021由上表可以看出，LCA主要涉及的三大影响类型（资源消耗、生态影响-51-，，，，，，，，，n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文和人体健康）总体来说，权重最大的为资源消耗，其次是水体富营养化和全球变暖，单就生态影响来说影响最大的为水体富营养化，其次是全球变暖、水质影响和能量使用。各种影响类型的权重比较分析见图4-11。图4-11权重比较分析影响类型的权重反映了各影响类型的重要程度，由上图可知，权重值最大的是资源消耗，其次是水体富营养化和全球变暖。最小的是固体废弃物影响。将特征化的结果乘以相应的权重系数，就得出最终的生命周期影响评价结果，它反应了所研究产品系统在其整个生命周期中对环境系统的压力大小。具体见表4-12。表4-12LCIA结果影响类目资源消耗(t/a)水体富营养化(t/a)全球变暖(t/a)水质(t/a)能量使用(GJ/a)人类健康(t/a)光化学烟雾(t/a)气溶胶(t/a)酸化(t/a)固体废弃物(m3/a)-52-影响评价结果496.10735.623704.878190.42627898114.770.3212.5387.03921379.14n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文由于单位不同，汇总结果中不包括固体废弃物影响和能量使用，只作权重比较。加权之后的各个影响类型的比较情况见图4-12。图4-12加权后的影响类型由上图可以看出，加权后，废水处理厂生命周期对全球变暖的贡献仍然是最大的，最小的也还是光化学烟雾，其他影响类型从大到小依次为：全球变暖、资源消耗、水质、人体健康、水体富营养化、酸化、气溶胶、光化学烟雾，同特征化后未进行加权时比较影响类型的顺序没有发生些变化（由于单位不同，不将能量使用和填埋空间消耗列入比较范围，仅作单项权重比较）。4.4本章小结本章应用清单分析结果，建立生命周期影响评价模型。通过清单结果对本次生命周期评价中的输入和输出进行分类，确定要研究的影响类型后根据EPA研究计算方法和模型进行特征化，最后通过AHM加权评估步骤得到了本次研究中的工业废水处理厂的生命周期中各阶段环境影响特征化结果，其中较大的影响类型为全球变暖影响（4936.928t/a）、资源消耗（2771.549t/a）、水质影响（1641.6t/a）、人体健康影响（1366.311t/a）、水体富营养化（221.263t/a）、酸化影响（180.481t/a），主要影响因子为NOX、煤炭资源、COD、SO2、TN、H2S以及污泥等。-53-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第5章生命周期解释生命周期评价研究始于目的和范围的确定阶段，终于LCA结果解释阶段。生命周期解释的目的是根据LCA前几个阶段的研究和清单分析的发现、影响评价的结果，以透明的方式来分析存在的问题，形成结论、解释局限性、提出建议并报告生命周期解释的结果，根据目的和范围尽可能提供对LCA或LCI研究结果易于理解的、完整的和一致的说明。根据GB/T24043—2002/ISO2000的要求，生命周期解释阶段主要包括问题的识别、评价过程的评估和形成结论提出建议三个因素。5.1重大问题的识别对重大问题的确定，旨在根据所确定的目的和范围以及评价要素的特性，对清单分析或影响评价阶段得出的结果进行组织和表达，系统地识别产品、工艺或活动整个生命周期削减能源消耗以及环境释放的需求与机会，以便确定重大问题，在实际工作中常常包括两个步骤：①信息的识别和组织；②重大问题的确定。5.1.1信息的识别和组织本次生命周期评价中的环境释放主要来自废水处理和排放过程、锅炉燃烧过程以及车辆运输过程，废水处理厂整个生命周期过程中向环境释放的污染物，在各个过程中有较大的区别，同一过程释放不同种类污染物排放量也不同。大气污染物中排放量最大的是CO，产生量为100.186t/a，分别来自锅炉燃煤和车辆运输燃油。其次是H2S，产生量为85.025t/a，主要来自废水处理过程。其它产生量较多的气体污染物还有颗粒物（30.54t/a）、CO2（24.841t/a）、CH4（22.481t/a）等。水体污染物主要来自出水，排放量最大的是COD（1274.4t/a），其次是SS（367.2t/a）。固体废弃物主要来自废水和污泥处理过程以及锅炉燃煤产生的炉渣，排放量最大的是污泥，其产生量为21600t/a。废水处理厂对全球变暖的贡献最大，其影响因子主要是NOX；其次是资源消耗影响，影响因子是不可再生资源（煤炭、石油资源）的消耗；对于水质影响，主要影响因子为COD，来源于废水处理厂出水；人体健康影响因子主要是SO2，来源于锅炉燃煤和车辆运输；水体富营养化的影响因子主要是TN，来源于废水处理厂出水；酸化影响的影响因子主要是H2S，来源于废水-54-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文处理阶段；气溶胶和光化学烟雾的影响因子为颗粒物、丙酮和甲苯。经过加权后，影响类型从大到小依次为：全球变暖、资源消耗、水质、人体健康、水体富营养化、酸化、气溶胶、光化学烟雾。5.1.2重大问题的确定通过生命周期问题识别分析得出，废水处理厂整个生命周期过程中的输入和输出对全球变暖、资源消耗、水质、人体健康、水体富营养化、酸化的影响较大，需对NOX、煤炭资源消耗、COD、SO2、TN、H2S以及污泥加以控制。5.2评估评估主要是对生命周期评价的整个步骤进行检查，目的是确保解释所需的所有信息和数据已经获得，并且是完整的，同时评价其数据的可靠性，最后确认采用的方法和数据是否与目的和范围的要求相一致。5.2.1数据质量评估LCI阶段主要的内容是研究生命周期过程中数据的输入和输出，因此数据的质量成为清单分析评估中的一个重要问题，也是整个LCA的重要部分，关系到结果的可靠性问题。尽管有关专家已经开始注意到了这个问题，并提出了一些方法[47,49]，但并未达成共识，所以人们一直在寻求评价LCA数据质量的方法。本文对数据质量的评价采用建立质量评价矩阵的方法，建立如表5-1所示的数据质量指标矩阵。矩阵每行表示数据质量属性指标构成，例如：可信度、完整性、时间相关、地理相关和技术相关等，矩阵各列则是对相应指标符合程度的评价[21]。为了能综合反映数据质量，需要把数据的质量向量转化为一个综合的数据质量指标（DQI）值，本文采用期望值法进行转化，即用数据质量向量的平均值在总质量范围中的百分数来表示，其计算过程如下[21]：（1）计算出向量元素的期望值q计算方法如下：式中q——向量元素期望值；q=1nni=1（5-1）n——向量元素个数；qi——为向量元素值。-55-∑qin哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表5-1数据质量指标矩阵指标54321值可信度完整性时间相关地理相关技术相关数据根据测量、校验得到充足的样本、合适的期间、平缓正常波动与研究目标时间差别小于3a来自研究区域数据从研究的企业工艺过程和材料得到数据部分根据假设的校验数据或依据测量的非校验数据代表数据来自稍小范围但期间合适小于6a的时间差别来自包含研究区域的较大区域范围的平均数据从不同企业但与研究相同工艺过程和材料得到数据部分根据假设的非校验数据代表数据来自合适的范围但期间稍短小于10a的时间差别数据来自类似生产条件的区域从不同技术但与研究相同的过程和材料得到数据量化估计（通过工业专家）来自小范围和期间的代表数据或来自充足的范围和期间的非代表数据小于15a时间差别数据来稍微类似生产条件的区域从与研究相同的技术但相关的过程和材料得到数据非量化估计未知和来自小范围和短期间的不充足数据数据年代未知或大于15a的差别数据来自未知区域或生产条件完全不同的区域从与研究相关的过程和材料但不同技术得到数据（2）计算q在质量指标范围中所占的百分数R=q−minqimaxqi−minqi（5-2）式中R——q在质量指标范围中所占的百分数；minqi——最小向量元素值；maxqi——最大向量元素值。因为minqi>0，为了计算在质量范围所占的真实百分数，分子分母需减-56-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文掉minqi。又由于1≤qi≤5，所以质量范围为4。由式5-1和5-2得：1nni=14（5-3）根据每个R值把DQI分配给每个输入数据，分析由这种方法得出的单一指标值DQI就可以得出与输入数据元素相关的总的不确定性。DQI的分配如表5-2所示[21]。表5-2DQI分配矩阵最大可达质量值所占百分数0≤R＜12.5%12.5%≤R＜25%25%≤R＜37.5%37.5%≤R＜50%50%≤R＜62.5%62.5%≤R＜75%75%≤R＜87.5%87.5%≤R＜100%R=100%数据质量指标（DQI）1.01.52.02.53.03.54.04.55.0对于本次LCA研究中的数据质量评价主要是评价其生命周期过程中几个主要过程对数据的收集情况，具体方法为：运用表5-1的标准对其进行打分，用向量表示数据的质量，由公式5-3计算出在指标范围中所占的百分数，对照表5-2得出DQI值。数据质量评价值见表5-3。表5-3废水处理厂生命周期数据质量评价表数据质量向量RDQI资源消耗数据锅炉燃煤过程废水处理过程（水、渣）废水处理过程（废气）车辆运输平均值(4,4,5,5,5）(2,4,5,3,3）(4,5,5,5,5)(5,5,5,5,5)(4,4,5,5,5)90%60%95%100%90%4.53.04.55.04.54.3-57-∑qi−1R=×100%n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文由上表可以看出，对废水处理厂生命周期过程中收集到的数据段进行的数据质量评价，其DQI平均值为4.3，说明评价过程中收集的数据具有较大的可信度与完整性，基本满足对数据的要求。并且从各个过程中数据的收集情况来看，资源消耗方面、废水处理过程以及车辆运输过程的数据质量较高。由于LCA还处于起步阶段，没有健全的数据库，因此在数据的收集和比较方面还存在一些问题，可以在LCIA阶段进行必要的修正以及添加等。5.2.2技术方法评估本课题基于生命周期评价方法ISO14040标准，遵循理论分析和实证分析、定性分析和定量分析相结合的原则，结合工业废水处理厂的相关工艺流程，依据各相关资料，对其进行生命周期评价。研究目的和范围明确、详细，所收集的信息和数据完整、可靠，能够为评价后续工作打下了良好的基础。由于目前关于LCIA方面还没有统一的数学模型，在本论文中根据EPA研究计算方法和模型进行特征化，然后通过AHM加权评估步骤得到了本次研究中的生命周期综合影响。所建立的模型能够很好的反映实际情况，得出比较真实的结论。因此，此评价模型方法适于本项目的研究工作，影响评价方法可行。5.3结论及建议5.3.1结论本论文中根据EPA研究计算方法和模型进行特征化，然后通过AHM加权评估步骤得到了本次研究中各类环境影响的特征化结果，废水处理厂生命周期对全球变暖影响的贡献最大，对光化学烟雾的贡献最小，其中较大的影响类型为全球变暖影响（4936.928t/a）、资源消耗（2771.549t/a）、水质影响（1641.6t/a）、人体健康影响（1366.311t/a）、水体富营养化（221.263t/a）、酸化影响（180.481t/a）。通过对废水处理厂生命周期问题识别，可知对于评价过程中应该注意几种影响因子：NOX、COD、SO2、TN、H2S、污泥以及煤炭资源，这几种物质环境的影响较明显。废水处理和排放阶段所产生的主要影响因子包括H2S、COD、TN以及污泥等；锅炉房燃煤阶段产生的主要影响因子有NOX、SO2及煤炭资源等；车辆运输阶段的主要因子则是NOX和SO2等。5.3.2建议制药废水中往往含有种类繁多的有机污染物，其中不少难于降解或对微生-58-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文物有抑制作用，可在相当长的时间内存留于环境中，对人类健康危害极大。因此，加强对制药行业废水的治理以及监督管理事在必行。该废水厂进水COD负荷很高，浓度在8000mg/L～10000mg/L之间，出水水质COD浓度均小于300mg/L，SS的浓度均小于100mg/L，达到排放标准，COD的去除率达到96～98%，SS的去除率达到90～92%，废水处理运行良好，目前执行的是《污水排放综合标准》（GB8978-1996）中规定的第二类污染物二级排放标准。但2010年7月1日，新标准即将实行，新标准规定发酵行业COD要达到100mg/L，按照该企业目前的工艺，距离这一标准还很远，高浓度废水中难降解物质是主要原因。因此，建议通过预处理把该部分物质浓度降低，或是将进入废水处理厂的难降解物质总量减少，才有可能使达到新标准，同时建议该企业应加强管理，完善现有的废水回用体制及措施。本次生命周期评价以制药废水处理厂为研究对象，顾药厂生产青霉素的排水中通常含有较多的硫系物质，这些含有硫系成分的污水在水解酸化池产生大量的硫化氢。同时，在生产青霉素的过程中，苯乙酸作为生产药品的底物之一，常常在生产后排放的精馏残液中挥发出来与H2S一起形成难闻的臭气。这种混合废气不但味道难闻，而且对人体有害，长期在厂区的工人多数对这些气体过敏，严重的可以导致癌变，除此之外还会腐蚀混凝土和金属构筑物，降低处理效率。对于废气处理技术有很多种，如燃烧法、洗净发、吸附法、化学吸收法、生物法等[50-54]。生物法因其投资少、运行费用低、性能可靠、易于管理、处理效果好、二次污染小等特点而成为近年来脱臭的主要方法。水厂现选用碱洗喷淋方式处理废气，该方法具有设备腐蚀、脱硫剂利用率低、结垢和堵塞、去除率较低等缺点，本文建议采用填充ZX03型填料的生物滴滤塔处理H2S与C6H5CH2COOH的混合制药废气。此方法通过实验结果表明，在不同进气浓度比例下，H2S的去除率均保持在95%以上。H2S与C6H5CH2COOH的进气质量浓度分别为ρ(H2S)＜400mg/m3与ρ(C6H5CH2COOH)＜800mg/m3时，其最佳气体停留时间为30s。为确保高浓度负荷情况下的C6H5CH2COOH去除效果，可在生物滴滤塔后再安装一个活性炭吸附装置。此方法对生物滤塔压力损失小，无堵塞现象，无需经常进行反冲洗，可长期稳定运行，应用于该工业废水处理可创显著的经济效益和环境效益。对于污泥的处理，目的是使污泥减容化、稳定化、无害化及综合利用。目前的处理方法主要是卫生填埋、土地利用、焚烧和低温热解处理。其中污泥的土地利用因投资少，能耗低，运行费用低，有机部分可转化为土壤改良剂成分等优点，是最有发展潜力的一种处置方式，污泥的土地利用包括农田回用、园林绿化、改良土壤、污泥堆肥。经处理过的污泥制成有机复混肥，把污泥应用-59-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文于农田、菜地、果园、草地、市政绿化、育苗基质等需要有机肥料的土地；可直接应用于严重扰动的土地的修复与重建等，恢复了生态环境，减少污泥带来的负面效应。但是，对于污泥的土地利用有很多细节性的问题亟待解决，比如安全性和相关法律法规的制定等。建议对于燃煤产生的SO2和NOX进行处理，以防止全球变暖影响的恶化和人体健康影响的加剧。将原有抛煤机锅炉改为循环流化床锅炉，并在炉前加钙进行脱硫，原水膜除尘改为静电除尘。循环流化床是近年来在国际上发展起来的新一代高效低污染清洁燃烧技术，其主要特点在于燃料及脱硫剂经多次循环、反复地进行低温燃烧和脱硫反应，炉内湍流运动强烈，不但能达到低NOx排放，85%的脱硫效率和与煤粉炉相近的燃烧效率，而且具有燃料适应性广、负荷调节性能好、灰渣易于综合利用等优点。除此之外，建议采用石灰石-石膏湿法烟气脱硫，该方法技术成熟，设备运行可靠性高；单塔处理烟气量大，SO2脱除量大；适用于任何含硫量的煤种的烟气脱硫；对锅炉负荷变化的适应性强（30%-100%BMCR）；设备布置紧凑减少了场地需求；处理后的烟气含尘量大大减少；吸收剂(石灰石)资源丰富，价廉易得；脱硫副产物（石膏）便于综合利用，经济效益显著。5.4本章小结本章对整个生命周期各阶段评价进行了综合评估，进行了生命周期重大问题识别，确定了主要的影响类型为全球变暖、资源消耗、水质影响、人体健康影响、水体富营养化、酸化影响，主要的影响因子为NOX、COD、SO2、TN、H2S、污泥以及煤炭资源，并针对影响因子提出了减量化建议：建议废水处理厂通过预处理降低废水浓度，同时出水经深度处理后进行回用；H2S与C6H5CH2COOH的混合制药废气建议采用生物滴滤塔处理；从长远看，在考虑成本等因素的同时，尽量将污泥资源化；建议将原有抛煤机锅炉改为循环流化床锅炉，并在炉前加钙进行脱硫，原水膜除尘改为静电除尘。-60-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文结论本论文通过查阅和分析大量的国内外文献和资料，依照现有的LCA的原则和技术框架，对某制药企业工业废水处理厂从原水到出水整个生命周期进行了研究与探讨。在研究的过程中，确定出一套适用于工业废水处理工程的LCA的框架模型。运用该套评价模式对废水处理厂进行论证与评价，不仅可以为将要新建的工业废水处理厂和已建的工业废水处理厂的更新与改造提供参考数据，还可以为环境决策者们了解某种产品、工艺及活动对环境影响的危害程度，使废水处理工艺向着可持续发展的目标发展。通过对某制药企业工业废水处理厂的LCA得出结论如下：（1）在整个LCA过程中所涉及的主要影响因子有：NOX、COD、SO2、TN、H2S、污泥以及煤炭资源。这些污染物中大气污染物排放量最大的是H2S，产生量为85.025t/a，水体污染物排放量最大的是COD，为1274.4t/a，固体废弃物中排放量最大的是污泥，为21600t/a。其中H2S的排放主要导致酸化影响。水体污染物的影响主要为水体富营养化和对纳污水体水质的影响。固体废物则主要是对填埋空间的影响。（2）本次研究中的生命周期在各类环境影响中，从影响潜值分析来看：工业废水处理厂对全球变暖的贡献最大，其影响因子主要是NOX；其次是资源消耗影响影响因子是不可再生资源的消耗；对于水质影响，主要影响因子为COD，来源于废水处理厂出水；人体健康影响影响因子主要是SO2和NOX，来源于锅炉燃煤和车辆运输；水体富营养化的影响因子主要是TN，来源于废水处理厂出水；酸化影响的影响因子主要是H2S，来源于废水处理阶段；气溶胶和光化学烟雾的影响因子为颗粒物、丙酮和甲苯。经加权后的各种影响类型从大到小依次为：全球变暖、资源消耗、水质、水体富营养化、人体健康、酸化、气溶胶、光化学烟雾，其中较大的影响类型为全球变暖影响（4936.928t/a）、资源消耗（2771.549t/a）、水质影响（1641.6t/a）、人体健康影响（1366，311t/a）、水体富营养化（221.263t/a）、酸化影响（180.481t/a）。（3）通过生命周期过程的评价，针对主要污染因子提出了减量措施。建议废水处理厂通过预处理降低废水浓度，同时出水经深度处理后进行回用；H2S与C6H5CH2COOH的混合制药废气建议采用生物滴滤塔处理；从长远看，在考虑成本等因素的同时，尽量将污泥资源化；建议将原有抛煤机锅炉改为循环流化床锅炉，并在炉前加钙进行脱硫，原水膜除尘改为静电除尘。-61-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文参考文献1234567陈韵,汪家权,胡献国.生命周期评价与环境保护.安徽建筑工业学院学报(自然科学版).2004,12(5):8~11ThomasGloria,TheOdoreSaad,MagalieBreville,andMichaelO’Connell.Life-CycleAssessment:ASurveyofCurrentImplementation.TotalQualityEnvironmentalManagement,Spring,1995:33~50A.EllenHuangandJ.DabidHunkeler.UsingLife-CycleAssessmentsinLargeCorporations:AsurverofCurrentPractices.TotalQualityEnvironment,Winter,1996:35~47FransBerkhout,RupertHowes.TheAdoptionofLife-CycleApproachesbyIndustry:PatternsandImpactsResources,ConservationandRecycling,1997,20:71~94F.Consoli,D.Allen,I.Boustead,J.Fave,W.Franklin,A.Jensen,N.deOude,R.Perriman,D.Postlethwaite,B.Quay.J.seguin,andB.Vigon(eds.).GuidelinesforLife-CycleAssessment:AcodeofPractice.SETAC.Pensacola,FL,1993ISO/DIS14040,EnvironmentalManagement-LifeCycleAssessment-Part:PrinciplesandFramework.1997徐鹤.生命周期评价概述.上海环境科学.1997,16(6):6~88R.HEIJUNGS.Environmentallifecycleassessmentofproducts:backgrounds.Leiden:Multicopy,1992:57~101910111213R.HEIJUNGS.Environmentallifecycleassessmentofproducts:Guide.Leiden:Multicopy,1992:65~89王飞儿,陈英旭.生命周期评价研究进展.环境污染与防治.2001,23(5):249~252杨建新,徐成,王如松.产品生命周期评价方法及应用.北京:气象出版社,2002:32~108A.A.Burgess,D.J.Brennan.Applicationoflifecycleassessmenttochemicalprocesses.ChemicalEngineeringScience,2001,(2):589~604邓南圣,王小兵.生命周期评价.化学工业出版社,2003:23~31,163~167-62-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文14樊庆锌,敖红光,孟超.生命周期评价.环境科学与管理.2007,32(6):177~180151617181920212223242526272829MashashiYano,KazuhiroKamiya.TheNationalLCAProjectinJapan.EnvironmentalProgress,2000,19(2):140~145WANGTianmin,WANGCong,ZUOTieyong,etal.ResearchanddevelopmentofecomaterialsinChina.EcomaterialsForum.ProceedingofTheFourthInternationalConferenceonEcomaterial.Gifu:EcomaterialsForum,1999:453~456席德立,彭小燕.LCA中清单分析数据的获得.环境科学.1997,18(5):84~87K.G.Canter,D.J.Kennedy,D.C.Montgomery,etal.Screeningstochasticlifecycleassessmentinventorymodels.IntJLCA,2002,7(1):18~26王寿兵,王如松,吴千红.生命周期评价中资源的耗竭潜力及当量系数的一种算法.复旦学报:自然科学版,2001,40(5):553~557陆钟武,蔡九菊.钢铁生产流程的物流对能耗的影响.金属学报.2000,36(4):370~378B.Mathijs,M.Bouman,R.Heijungs,etal.Materialflowsandeconomicmodels:ananalyticalcomparisonofSFA,LCAandpartialequilibriummodels.EcologicalEconomics,2000(32):195~216刘江龙,丁培道,钱小蓉.金属材料的环境影响因子及其评价.环境科学进展.1996,4(6):45~50苏向东,王天民,何力等.有色金属材料的环境负荷定量评价模型.环境科学学报.2002,22(1):98~102莫华,张天柱.生命周期清单分析的数据质量评价.环境科学研究.2003,16(5):55~58姜金龙,吴玉萍,马军等.生命周期评价的技术框架及研究进展.兰州理工大学学报.2005,31(4):23~26寇昕莉.高分子材料的环境负荷评价.兰州:兰州大学,1999郝维昌.金属材料的环境负荷评价及其LCA数据库的开发.兰州大学,2000李贵奇,聂祚仁,周和敏等.钢铁生产的环境协调性评价.中南工业大学学报.2002,33(2):145~147刘江龙,丁培道,张静.金属材料表面强化过程对环境影响的定量评价.-63-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文中国表面工程.2000(1):11~143031323334353637383940414243R.U.AYRES,L.W.AYRES,I.RADE.Thelifecycleofcopper,itsCo-productsandby-products.Ming,MineralsandSustainableDevelopment.2002(24):1~210J.C.XU,J.L.JIANG,H.CHEN,etal.LCAstudyformetallicnickelproducedbypyrometallurgyprocesses.C-MRS.China-Japansymposiumonecomaterials,recycling-orientedindustryandenvironmentalmanagement.Beijing:Raremetalmaterialsandengineering.2004:75~78J.C.XU,J.L.JIANG,H.CHEN,etal.LCAstudyformetallicnickelproducedbypyrometallurgyprocesses.C-MRS.China-Japansymposiumonecomaterials,recycling-orientedindustryandenvironmentalmanagement.Beijing:Raremetalmaterialsandengineering.2004:55~58J.C.XU.Ecodesignforwearresistantductileironwithmediummanganesecontent.Materials＆Design,2003(24):63~68王寿兵,吴峰,刘晶茹.产业生态学.化学工业出版社.2006.1:38,67～68周凌.城市污水处理厂环境效应的生命周期分析.重庆大学城市建设与环境工程学院.2006:9~11杨建新,王如松.生命周期评价的回顾与展望.环境科学进展.1998,6(2):21~28王晓东,于九皋.生命周期评价在降解塑料研究中的应用.中国塑料.1999,13(3):58~64李蓓蓓.生命周期评价—清单分析方法探讨.上海环境科学.2002,21(5):308~310戴宏民,戴佩华.生命周期评价数据收集及清单分析研究.重庆工商大学学报（自然科学版）.2003,20(3):1~3P.Gostelow,S.A.Parsons,R.M.Stuetz.OdourMeasurementsforSewageTreatmentWorks.Wat.Res.35(3),579~597王祎,项乔君,常玉林,李铁柱等.城市交通系统能源消耗与环境影响分析方法.北京:科学出版社,2002.王祎,傅立新,郝吉明等.中国道路机动车10种污染物的排放量.城市环境与城市生态,2003,16（2）:36~38张培,田长生,黄志甲.钢铁产品生命周期影响评价方法.安徽工业大学-64-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文学报.2007,24(1):84~884445464748495051525354ISO14042,environmentalmanagement-lifecycleassessment-lifecycleimpactassessment.2002MagnusBengtssonandBengtSteen.WeightinginLCA-ApproachesandApplications.EnvironmentalProgress.2000,19(2):101~109刘震.层次分析模型AHM及其应用.河北建筑科技学院学报.2003,20(3):78~81P.Rousseaux,E.Labouze,etal.Anoverallassessmentoflifecycleinventoryquality:applicationtotheproductionofpolyethylenebottles.IntJ.LCA.2001,6(5):299~306程乾生.层次分析法AHP和属性层次模型AHM.系统工程理论与实践.1997(11):25~28Mobin.T.andothers.Theenvironmentalmanagementhand-book.London:GreatBritainPitmanPublishing,1994BouzazaA,LaplancheA,MarsteauS.Adsorption-oxidationofhydrogensulfideonactivatedcarbonfibers.Effectofthecompositionandtherelativehumidityofthegasphase.Chemosphere,2004,54:481~488VissanuM,DavidLT.Adsorption-reactionprocessesfortheremovalofhydrogensulphidefromgasstreams.JChemTechBiotechno,l1997,68:411~416PrepiorskiJ,YoshidaS,OyaA.StructureofK2CO3-loadedactivatedcarbonfilteranditsdeodorizationabilityagainstH2Sgas.Carbon,1999,37:1881~1890MarieCD,LouiseB,NathalieB,eta.lBiofiltrationofaircontaminatedwithtolueneonacompost-basedbed.AdvancesinEnvironmentalResearch,2002,6:239~254MadjidM,AllenDG.Biofiltrationofmixturesofhydrophilicandhydrophobicvolatileorganiccompounds.ChemicalEngineeringScience,2000,55:1545~1558-65-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文攻读学位期间发表的学术论文及其他成果1.樊庆锌,王宇珅,刘丽君.热电联产的生命周期评价方法研究.第12届海峡两岸环境保护研讨会论文集.2008,10:12-37~12-42-66-n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《基于生命周期评价的工业废水处理厂环境影响负荷研究》，是本人在导师指导下，在哈尔滨工业大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签字：日期：2009年6月23日哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书《基于生命周期评价的工业废水处理厂环境影响负荷研究》系本人在哈尔滨工业大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨工业大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨工业大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将论文加入《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》和编入《中国知识资源总库》。本人授权哈尔滨工业大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于保密□，在年解密后适用本授权书不保密□（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：导师签名：-67-日期：2009年6月23日日期：2009年6月23日n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文致谢本论文的研究工作是在樊庆锌副教授的悉心指导下完成的，从研究的开始到结束，每个阶段、每个环节无不倾注了导师们大量的心血。导师渊博的学识、严谨的治学态度、睿智的思维以及崇高的品质，使我在论文完成期间不仅学习到许多专业知识，并且还学会了许多人生的道理，受益匪浅。在这里我向樊庆锌老师致以最诚挚的谢意！在完成论文期间，还得到了许多同学和朋友们热情的帮助，在这里向他们表示深深的谢意最后祝愿你们在今后的生活中健康、快乐、幸福、平安！王宇珅二00九年六月-68-