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第42卷第6期哈尔滨工业大学学报Vol.42No.62010年6月JOURNALOFHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYJun.2010废水处理环境影响负荷的生命周期评价孟繁宇，樊庆锌，赵庆良，王宇珅(哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，哈尔滨150090，fanqingxin@hit.edu.cn)摘要:废水处理过程产生废气、废渣等二次污染的问题已经引起了越来越多的关注.为了表征该过程的环境影响，做出科学的管理决策，以哈尔滨某制药废水处理工艺为例，采用生命周期评价(LCA)方法，定量研究了废水处理全过程的环境影响负荷.在影响评价阶段，运用改进的层次分析法(AHP)确定评价指标的权重.加权评价的结果表明:该废水处理过程对不可再生资源的消耗影响最大，随后依次是填埋空间的消耗、潜在健康影响、全球变暖潜能值、水体富营养化、酸化潜值、气溶胶潜值、光化学烟雾潜值.最后根据评价结果提出减少资源消耗和污染物排放等改善措施，使废水处理发挥更大的环境效益.关键词:生命周期评价;制药废水处理过程;环境影响负荷;改进的层次分析法中图分类号:X820.3文献标志码:A文章编号:0367－6234(2010)06－0982－04LifecycleassessmentofenvironmentalimpactloadofwastewatertreatmentMENGFan-yu，FANQing-xin，ZHAOQing-liang，WANGYu-shen(StateKeyLaboratoryofUrbanWaterResourceandEnvironment，HarbinInstituteofTechnology，Harbin150090，China，fanqingxin@hit.edu.cn)Abstract:Toilluminatetheenvironmentalimpactsofthesecondarypollutioninwastewatertreatmentandfa-cilitatescientificsupervision，thisresearchtakesapharmaceuticalwastewatertreatmentprocessinHarbinasanexample，andquantitativelyanalyzestheenvironmentalimpactloadofthewholeprocessusinglifecycleas-sessment(LCA)methods.Intheimpactassessmentphase，improvedanalytichierarchyprocess(AHP)isusedtodeterminetheindicatorweights.Weightingassessmentresultsshowthattheimpactondepletionofnon-renewableresourcesisthelargest，followedbylandfillingspace，potentialhumanhealtheffects，globalwarmingpotential(GWP)，watereutrophication(EU)，acidificationpotential(AP)，airqualitypotential(AQP)，andphotochemicalozonecreationpotential(POCP).Theimprovementmeasuresforthereductionofresourceconsumptionandpollutantemissionsareproposedtomakewastewatertreatmentplaymoreenviron-mentalbenefits.Keywords:lifecycleassessment;pharmaceuticalwastewatertreatment;environmentalimpactload;im-provedAHP工业废水处理的功能是将废水中的污染物经可能造成二次污染，对废水处理厂周围环境乃至［1］过分离、分解，转化为无害、少害或易于处置的物全球环境产生重要的环境影响.生命周期评价质，使废水得到净化，但其产生的噪声、恶臭、污泥作为汇总和评估一个产品(或服务)体系在其整以及能源生产过程中排放的各种大气污染物和处个寿命期间的所有投入及产出对环境造成的潜在［2］理后废水中残存的污染物，如不进行有效治理都影响的方法，它的一个重要功能即是评估能量［3］物质利用和废物排放对环境的影响，寻求改善收稿日期:2010－03－10.环境影响的机会.目前生命周期的评价方法在不基金项目:城市水资源与水环境国家重点实验室开放基金资助同的国家已被应用到污水［4］和污泥［5］的处理过项目(HC200815).程中.作者简介:孟繁宇(1984—)，女，博士研究生;赵庆良(1962—)，男，教授，博士生导师.本文以哈尔滨某制药废水处理为例，将n第6期孟繁宇，等:废水处理环境影响负荷的生命周期评价·983·ISO14040《生命周期评价－原则与框架》、处理后出水没有回用，直接排入河流，汇入松花ISO14041《目的与范围的确定和清单分析》、江.ISO14042《生命周期影响评价》和ISO14043《生命1.2定义系统边界及环境影响因子分析周期影响解释》中规定的方法应用到废水处理的本系统的LCA边界从废水进入处理工艺开全过程，通过能源和资源的利用分析、环境释放的始，以处理后达标水的排放和污泥处置为结束.系识别量化，清单数据特征化以及加权评价，研究废统的输入包括运行阶段所有的原料，能源消耗以水处理系统对环境的影响，并根据研究结果提出及原水，输出则包括所有的废气，固体废物，噪声改善措施.以及出水.由于生命周期评价对噪声没有相关的标准要求.因此本文不考虑噪声影响.其工艺流程1废水处理生命周期环境影响负荷和框架分析见图1.1.1案例描述在定义的系统边界内，重点分析废水处理全该制药厂主要生产抗生素及30多种原料药生命周期过程的环境释放.通过对废水处理工艺和制剂品种.其废水处理分厂主要负责处理厂区流程的每个工序具体分析，可确定其主要环境影3的生产和生活废水，平均处理水量1.5万m/d.响因子，如表1所示.输入系统分析输出完全混合推流式斜板沉废气初沉池二沉池过滤池混凝池原料曝气池曝气池淀池CO2，SO2VOCs等原水废水药剂出水等固体调节池细格栅初沉池水解池气浮池推流曝气池二沉池缓冲池脱水污资源泥，栅能源渣，灰新鲜水渣，生电能涡轮离心机活垃圾煤污泥浓缩污泥外运产品汽油污泥脱水机出水图1生命周期分析框架及工艺流程表1环境影响因子分析项目环境释放主要来源有机污染物、CO2、CO、N2O、NMVOC、H2S、SO2、NOX、废水处理和污泥处置过程、固体废物、煤和药品废气烟尘、颗粒物等等的运输、锅炉燃煤等废水COD、SS、NH3-N、TN、TP等出水固体废弃物栅渣、污泥、炉渣、生活垃圾等格栅、污泥脱水间、锅炉、员工等其他噪声风机、泵类、污泥处理设备、搅拌机等能量消耗格栅、泵房等电能消耗，锅炉煤耗、运输油耗1.3定义功能单位本研究生命周期清单分析中所收集的数据均定义功能单位的目的在于为废水处理系统有为原始数据，其数据类型包括测算数据和非测算关的输入和输出数据提供参考基准，本论文采用数据.测算数据主要是对废水处理过程中排放的该废水处理厂的年处理量作为功能单位，即处理大气污染物、出水中污染物进行监测和取样，以保每540万t废水平均造成的环境影响.证清单分析数据的准确性.废水水质监测分别在1.4生命周期清单分析厂区进水口、废水处理厂排放口布设采样点，并连生命周期清单分析是对废水处理全过程资续监测3天，平均每天采样监测1次，分析方法为源、能源输入和对环境释放的输出进行以数据为国标水质分析方法.废水处理全过程的废气统一基础的客观量化过程，是下一步影响评价的依据.收集，经碱洗喷淋处理后，经3个60m排气筒排由于厂内蒸汽和电均来自自备电厂，而电厂是采入空气.因此分别在3个排放口设采样点，以塑料用燃煤发电的，因此原煤和电的消耗统一转化为采气袋采集，连续监测3d，平均每天采样监测1标准煤的消耗.次.由于主要污染物为有机污染物，分析方法为气n·984·哈尔滨工业大学学报第42卷相色谱法.表2特征化结果本文非测算的数据主要通过现场实地调研获类别物质特征化（/t/a）合计（/t/a）得，大部分来自厂区原有生产过程说明书和工艺煤1734.87不可再生资源1736.15汽油1.28技术分析材料.栅渣181.5生命周期影响评价填埋脱水污泥2160021643.921.5.1环境影响分类空间生活垃圾25.92将废水处理系统生命周期环境影响分为8个CO224.84影响类型:不可再生资源的消耗;填埋空间的消耗;NOX4253.58全球变暖的影响;光化学烟雾的影响;酸化影响;气全球CO200.374963.93变暖N2O0.238溶胶影响;水体富营养化影响;潜在健康影响.甲烷472.101.5.2特征化苯12.79特征化是利用环境负荷指标方法将相同影响二氯甲烷0.20类型下的不同影响因子进行汇总，并把每个影响丙酮0.13［6］，每一种影响类甲烷0.16类型对环境的影响程度定量化光化学烟雾苯0.04型的综合环境负荷B为3.82NMVOC0.05B=∑(mi×Fpi).苯酚0.04式中:i=a、b、c，为影响物质;m为影响物质质量;丙烷1.75甲苯1.47Fpi为物质对某类环境造成影响的相关性系数(来H2S159.85自美国环保总局和联合国政府间气候变化专门委酸化SO211.03180.48员会).特征化结果见表2.NOX9.611.6加权综合评价烟尘1.14气溶胶43.75加权综合评价是对每一类环境影响分别确定PM1013.21COD28.04其权重，然后将其表示影响程度的特征化值乘以NH3-N46.99相应的权重，得出的最终的环境负荷影响值.本文水体富营养化221.26TP40.319采用改进的层次分析法确定各环境影响类型的权TN105.92重，即:①采用指数标度的标度体系判断影响因丙酮0.08子间的相对重要程度:针对九标度理论的标度数潜在健康影响苯4.531366.31［7］NOX101.88值之间差距较大的问题，本文选择苏为华提出SO21259.82的指数形式的比例标度体系，用于对两两比较的重要性赋值;②用模糊三角数描述两两指标间的化的矩阵P.P与T的转化公式为［8］nn关系:首先标出最有可能值m，表示对两指标相nn(0)(0)pij=∏til/∏tjl.互关系的基本评价，接着标出上下界a和b.则指槡l=1槡l=1标i相对于指标j的相对重要性aij为权重为n(a+4m+b)naij=6.wi=∏pij(i=1，2，…，n)槡j=1得到两两判断矩阵T为权重向量为æ12.2231.8641.6451.7412.1011.3640.776öW=(0.3190.0250.0320.0610.0820.0280.1710.282).ç0.45010.4760.5740.5370.7760.4620.450÷改进的层次分析法不仅克服了两两判断值过ç÷ç0.5372.10110.6080.5741.8630.7760.608÷于僵硬的问题和九标度理论中表述重要程度的不ç0.6081.7411.64510.7331.3640.6080.574÷合理因素，也简化了繁琐的一致性检验.通过加权T=ç÷ç0.5741.8631.7411.36411.6450.7330.590÷综合评价得到的各环境影响因子最终的环境影响ç0.4761.2890.5370.7330.60810.4500.476÷负荷值见图2.ç÷ç0.7332.1641.2891.6451.3642.22310.733÷ç÷2结果讨论及生命周期解释è1.2892.2231.6451.7411.6952.1011.3641ø［9］③对判断矩阵的自协调自修正:对两两判通过对该工业废水处理过程的全生命周期断矩阵T进一步作自协调、自修正变化得到一致的环境负荷研究结果表明:废水处理过程对不可n第6期孟繁宇，等:废水处理环境影响负荷的生命周期评价·985·再生资源消耗、填埋空间、潜在健康影响、全球变3结语暖、水体富营养化的影响相对较大，分别占32.71%，31.796%，22.76%，9.38%，和生命周期评价作为一种新型的环境影响评价2.23%.不可再生资源消耗由煤的用量来决定，技术和方法体系，评价一个产品或服务的潜在环其中绝大部分是由于电能的消耗转换为煤的消境影响是LCA的一个重要功能.利用生命周期评耗，因此，废水处理厂能耗问题仍然是环境影响价的方法来研究废水处理过程的环境影响负荷，的最重要方面.其次，废水处理过程中对物理填是把一项减污的设施作为污染的控制对象来考埋空间的消耗也是非常巨大的，它主要由脱水污虑，分析废水处理过程资源消耗和环境释放对各泥的空间体积决定，占所有固体废弃物总量的种环境问题的贡献值，目的是找到关键的影响因99.8%，因此，污泥处理已成为废水处理急需解子，并针对问题提出相应的改进措施，以更好地发决的难题.工业废水尤其是含有机物较多的制药挥废水处理过程的减污作用，减少二次污染，使环废水，会产生严重的气味等特征性环境污染，对境效益最大化.人体健康危害较大，通过分析发现，经过碱洗喷参考文献:淋处理后的废气，其有害性物质含量并不高，对潜在健康影响比重最大的是SO2，占92.21%，其［1］LIMSR，PARKJM.Environmentalimpactminimiza-次是NOX和苯，分别占7.47%和0.33%.废水tionofatotalwastewatertreatmentnetworksystemfromalifecycleperspective［J］.JournalofEnvironmental处理过程对全球气候变暖也存在一定的贡献，相Management，2009，90:1454－1462.关的气体排放主要有NOX，CH4，CO，对气候变化［2］ISO14040－2006EnvironmentalmanagementLifecycle的贡献分别占85.69%，9.51%和4.04%.尽管assessmentPrinciplesandframework［S］.Geneva:In-NOX排放量较小，但是它的GWP相关系数为ternationalOrganizationforStandardization，2006.CO2的310倍，因此NOX的影响不容忽视.［3］WITTMAIERM，LANGERS，SAWILLAB.Possibili-tiesandlimitationsoflifecycleassessment(LCA)in1）-a600t·500thedevelopmentofwasteutilizationsystems－Appliedex-/（400amplesforaregioninNorthernGermany［J］.Waste值荷300Management，2009，29:1732－1738.负200响［4］ZHANGQionghua.Applicationoflifecycleassessment影100境foranevaluationofwastewatertreatmentandreusepro-0环源间暖雾化胶化响ject［J］.BioresourceTechnology，2010，101(5):资空变烟酸溶养影生埋球学气营康再填全化富健1421－1425.可光体在不水潜［5］HONGJL，HONGJM，OTAKIM，etal.Environmen-图2各环境影响因子最终的环境负荷影响值talandeconomiclifecycleassessmentforsewagesludge本文根据废水处理生命周期影响负荷的研究treatmentprocessesinJapan［J］.WasteManagement，所发现的问题，对废水处理过程的管理提出相应2009，29:696－703.的建议.首先，节能降耗是控制对不可再生资源耗［6］余建朋，郑泽根.城市污水处理厂全过程生命周期评价模式探讨［J］.土木建筑与环境工程，2009，31竭的重要措施，对供电单位进行选择和管理也有(2):148－151.助于降低废水处理过程在生命周期内的环境影［7］樊为刚，侯丽红.层次分析法的改进［J］.科技情报响.其次，针对污泥产生量大的问题，建议污泥经开发与经济，2005，4:153.厌氧消化后进行土地利用，可大大减小污泥体积，［8］苏为华.多指标综合评价理论与方法问题的研究节省物理填埋空间，同时，也是目前污泥处理处置［D］.厦门:厦门大学，2000.［10］经济效益与环境效益最大的方式，对于混合废［9］贾华.层次分析法中权重算法的一种改进［J］.武气经处理后仍存在难闻气味的问题，建议在厂区测科技，1995，3:25－30.内开展绿化，通过绿色植物的吸附，以达到削减臭［10］MURRAYA，HORVATHA，NELSONK.Hybridlife－味的目的.而燃煤产生的SO2和NOX的控制，建cycleenvironmentalandcostinventoryofsewagesludge议将原有抛煤机锅炉改为循环流化床锅炉，并采treatmentandend-useScenarios:acasestudyfromChina［J］.EnvironSciTechnol，2008，42:3163－3169.用同步脱硫脱硝技术，以防止全球变暖影响的恶化和人体健康影响的加剧.(编辑赵丽莹)