吳敏 楊健
（同濟(jì)大學(xué)）

1　引言

　　目前，我國(guó)城鎮(zhèn)二級(jí)污水處理廠一般采用活性污泥法處理工藝，其運(yùn)行費(fèi)用較高。其中主要為能耗費(fèi)用，約占運(yùn)行費(fèi)用的60-70%，屬能耗密集性行業(yè)。從環(huán)保角度進(jìn)行分析，能耗高不僅影響污水處理成本，而且直接影響到能源資源的可持續(xù)利用以及能源生產(chǎn)過(guò)程所產(chǎn)生的環(huán)境污染問(wèn)題。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料_[1]，我國(guó)每生產(chǎn)1度電產(chǎn)生7.23kg的各類污染物，見表1.1。

表1.1 每生產(chǎn)1度電的各類污染物排放量 名稱 污染物名稱 數(shù)量（kg） 名稱 污染物名稱 數(shù)量（kg） 大氣污染物 一氧化碳CO 0.081 水污染物 沖灰渣水 2.454 二氧化碳CO₂ 0.631

固體廢物 廢石、尾礦 0.578 碳?xì)浠螩_nH_m 0.032 粉煤灰 0.147 氮氧化物No₂ 3.180 爐渣 0.017 二氧化硫SO₂ 0.110 合計(jì) 7.230

　　因此，按照我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的要求，城市污水處理技術(shù)的能耗水平正成為受到日益重視的技術(shù)和環(huán)境指標(biāo)。普通生物濾池法（下文簡(jiǎn)稱濾池法）在英美等發(fā)達(dá)國(guó)家運(yùn)用十分廣泛，具有對(duì)污水水質(zhì)水量適應(yīng)性較強(qiáng)、污泥產(chǎn)量較低、易于維護(hù)和節(jié)約能耗的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)我國(guó)中小型城鎮(zhèn)的污水處理亦具有良好應(yīng)用前景。但迄今為止對(duì)該工藝進(jìn)行的能耗分析只偏重于其處理運(yùn)行過(guò)程，尚不能從該工藝的生命周期全過(guò)程的角度對(duì)其能效水平作出評(píng)估和論證。顯然，在全社會(huì)都在關(guān)注可持續(xù)發(fā)展，城市污水處理領(lǐng)域也在向“源頭控制，清潔生產(chǎn)”的全過(guò)程環(huán)境管理模式轉(zhuǎn)換的今天，傳統(tǒng)的能耗分析方法已無(wú)法滿足污水處理工藝全過(guò)程能耗分析的要求。
　　本文運(yùn)用生命周期評(píng)價(jià)（簡(jiǎn)稱LCA）方法對(duì)濾池法的能耗水平進(jìn)行識(shí)別和分析。LCA是一種新型的環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)和方法體系，可針對(duì)濾池法“從搖籃至墳?zāi)埂闭麄€(gè)生命周期內(nèi)，即從其自然資源開采和原材料獲取開始直至施工建設(shè)、處理運(yùn)行以及廢棄拆除各階段所產(chǎn)生的所有能耗問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)的量化分析，并以此為基礎(chǔ)作出生命周期能耗的評(píng)估和完善化分析。濾池法處理系統(tǒng)的生命周期（簡(jiǎn)稱LC）可分為三個(gè)階段，即施工建設(shè)（包括建設(shè)材料的開采和加工制造）、生產(chǎn)運(yùn)行和廢棄拆除階段，如圖1.1所示。

2　目標(biāo)與范圍

2.1 LCA能耗分析對(duì)象
　　本文以擬建于上海市郊的濾池法處理系統(tǒng)作為L(zhǎng)CA能耗分析對(duì)象，主要污水處理流程包括格柵井、進(jìn)水泵房、沉砂池、生物濾池、二沉池、消毒池等。污泥處理單元包括污泥濃縮池、儲(chǔ)泥池、污泥泵房、污泥調(diào)理和污泥脫水等。其主要工藝參數(shù)根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJ14-87，見表2.1。同時(shí)，將普通活性污泥法作為該工藝能耗分析的平行對(duì)照工藝。

表2.1 普通生物濾池法主要工藝參數(shù)

（1）生物濾池有機(jī)負(fù)荷0.19公斤BOD₅/m³.日，水力負(fù)荷3.0 m³/m².日，濾床有效高度1.7米；

（2）二沉池停留時(shí)間2.0小時(shí)，表面負(fù)荷1.50 m³/m³.h；沉淀池有效水深3.0米，泥斗角度60°。污泥含水率97.0%；

（3）生物濾池系統(tǒng)處理效率：BOD₅去除率81.3%，COD去除率66.7%。

2.2 LCA評(píng)價(jià)功能單位
　　本研究以上海市郊具有代表性的中等規(guī)模城鎮(zhèn)污水廠10000噸/日作為L(zhǎng)CA分析的功能單位，用于計(jì)算污水處理系統(tǒng)的輸入與輸出。在本LCA中濾池法和作為比較對(duì)照的普通活性污泥法均采用此功能單位，從而使這兩種處理系統(tǒng)具有可比性。
2.3 污水廠運(yùn)行期限
　　由于處理技術(shù)的不斷發(fā)展，污水量的增長(zhǎng)以及出水排放要求的不斷提高，大部分城市污水處理廠在15-20年內(nèi)需要某種程度的改造和更新。因此，本研究中兩種處理設(shè)施在處理運(yùn)行上產(chǎn)生的能耗問(wèn)題均按20年的運(yùn)行期進(jìn)行考慮。
2.4 地理位置和氣象條件
　　擬建城市污水廠建于上海郊區(qū)，該地區(qū)地勢(shì)平坦，河流縱橫，湖塘密布，地面標(biāo)高在3.5-4.2米，是典型的江南水鄉(xiāng)。上海市郊屬北亞熱帶季風(fēng)海洋性氣候，全年四季分明，溫和濕潤(rùn)，無(wú)霜期平均為225天，年降水量平均為1045毫米，年照平均為1960小時(shí)，全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，年平均風(fēng)速為3.7米/秒。
2.5 處理系統(tǒng)進(jìn)出水水質(zhì)

表2.2 城鎮(zhèn)污水進(jìn)出水水質(zhì)（mg/l） 污染物指標(biāo) BOD₅ CODcr ss 氨氮 進(jìn)水濃度 200 500 200 30 出水濃度 30 120 30 25

2.6 LCA分析方法
　　本文采用ISO14040標(biāo)準(zhǔn)《生命周期評(píng)價(jià)-原則與框架》和ISO14041標(biāo)準(zhǔn)《生命周期評(píng)價(jià)—目的與范圍的確定和清單分析》以及其他相關(guān)文獻(xiàn)作為L(zhǎng)CA的依據(jù)。

3　能耗分析清單

3.1施工建設(shè)階段能耗
　　施工建設(shè)階段的能耗主要由（1）各種建筑材料生產(chǎn)能耗、（2）建筑施工直接能耗和（3）建筑材料運(yùn)輸能耗三部分組成。本文采用統(tǒng)一的能量單位表達(dá)不同形式的能量，電耗按燃料熱當(dāng)量（熱電轉(zhuǎn)換率以32%計(jì)）計(jì)算，即1kW.h = 11080 kJ。
3.1.1建材生產(chǎn)能耗清單
　　根據(jù)工程分析數(shù)據(jù)和有關(guān)文獻(xiàn)資料_[2]計(jì)算出濾池法的建筑材料數(shù)量，然后可根據(jù)其消耗量及該類建材單位生產(chǎn)能耗_[3]計(jì)算得出建筑材料生產(chǎn)能耗，分別列于表3.1。

表3.1 濾池法主要建筑材料及其生產(chǎn)能耗（10⁹kJ） 材料名稱 單位 材料數(shù)量 材料能耗 材料名稱 單位 材料數(shù)量 材料能耗 水泥 噸 1722 1.55 碎石 噸 15137 0.30 鋸材 噸 113 0.06 鑄鐵管 噸 94.3 1.42 鋼材 噸 246 8.9 鋼管 噸 73.8 2.66 砂 噸 6314 0.06 閘閥 噸 32.8 0.92 碎石填料 噸 31460 0.63 合計(jì) 16.46

3.1.2建筑施工能耗清單
　　施工能耗可根據(jù)施工面積（8843m² ）以及單位面積的施工能耗_[3]進(jìn)行計(jì)算，見表3.2。

表3.2 建筑施工單位能耗（kJ/m²） 序號(hào) 項(xiàng)目 單位能耗 序號(hào) 項(xiàng)目 單位能耗 1 場(chǎng)地清掃 16480 8 人員運(yùn)輸 367940 2 材料堆放 4180 9 材料運(yùn)輸 158990 3 起重機(jī)運(yùn)行 31800 10 衛(wèi)生與采暖 3630 4 場(chǎng)地布置 41790 11 鋪設(shè)屋面 910 5 基礎(chǔ)開挖 21810 12 綠化 1820 6 土方挖填 13630 13 臨時(shí)供電 18120 7 空氣壓縮機(jī) 1820 14 臨時(shí)耗熱 379080

3.1.3建筑材料運(yùn)輸能耗清單
　　建材運(yùn)輸能耗可根據(jù)各方案的建材消耗量、運(yùn)輸里程及其運(yùn)輸單耗_[3]進(jìn)行計(jì)算。其中建筑材料運(yùn)輸里程平均取20公里，運(yùn)輸單耗為1836 kJ/t.km。
3.2運(yùn)行階段能耗
3.2.1處理運(yùn)行能耗
　　濾池法處理工藝的運(yùn)行能耗清單見表3.3。

表3.3 濾池法運(yùn)行能耗清單（10⁶kJ/d） 序號(hào) 處理單元 廠內(nèi)能耗 序號(hào) 處理單元 廠內(nèi)能耗 1 污水提升 5.89 5 消毒 0.23 2 預(yù)處理 0.40 6 污泥脫水 0.76 3 初沉池 0.10 7 卡車運(yùn)輸 0.42 4 二沉池 0.10 8 合計(jì) 7.90

3.2.2 運(yùn)行材料間接能耗清單
　　依據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)_[3]，運(yùn)行藥劑的比能耗為：
　　消毒劑Cl₂間接比能耗為4.4 kW.h/kg Cl₂；
　　污泥調(diào)理劑石灰間接比能耗為66 kW.h/t干泥；
　　F_eCl₃投加量間接比能耗為55kW.h/t干泥；由此可計(jì)算出濾池法運(yùn)行材料的間接能耗。
3.3 拆除階段能耗
　　本階段的能源消耗主要與進(jìn)行拆除作業(yè)的機(jī)器設(shè)備有關(guān)，主要包括：拆除作業(yè)能耗和復(fù)土、填充材料運(yùn)輸能耗兩部分。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，拆除能耗按建設(shè)能耗的90%計(jì)算；復(fù)土、填充材料運(yùn)輸能耗則按照施工面積、復(fù)土填充平均深度（1.5米）、復(fù)土填充材料平均比重（2.0）和平均運(yùn)輸里程（2.0公里）進(jìn)行計(jì)算。
3.4 生命周期能耗
　　濾池法和作為對(duì)照的普通活性污泥法工藝LC各個(gè)階段的能耗構(gòu)成清單見表3.4。

表3.4 兩種工藝LC能耗清單（10⁶ kW.h） 序號(hào) 名稱 普通法 濾池法 1 建材生產(chǎn) 1.74 1.49 2 建設(shè)施工 0.51 0.85 3 材料運(yùn)輸 0.10 0.18 4 建設(shè)階段 2.35 2.52 5 運(yùn)行材料 4.09 3.91 6 處理運(yùn)行 A 13.02

B 20.79 5.21 7 運(yùn)行階段 A 17.11

B 24.88 9.12 8 復(fù)土運(yùn)輸 0.01 0.01 9 拆除施工 0.45 0.76 10 拆除階段 0.46 0.77 11 LC能耗 A 19.92

B 27.69 12.41

注：本表中A采用微孔曝氣，B采用穿孔管曝氣。

4　LC能耗分析

4.1 LC能耗的相對(duì)構(gòu)成
　　濾池法的生命周期能耗由原材料開采加工、污水廠建設(shè)施工、處理運(yùn)行和廢棄拆除等階段的能耗組成，其中處理運(yùn)行能耗占42.0%，材料能耗占43.5%。值得注意的是該工藝的材料能耗（包括建筑材料和運(yùn)行材料）超過(guò)了運(yùn)行能耗，成為耗能最多的環(huán)節(jié)。處理運(yùn)行能耗次之，成為排位第二的耗能環(huán)節(jié)。形成對(duì)照的是普通活性污泥法工藝耗能最主要的環(huán)節(jié)是運(yùn)行能耗，約占該工藝LC能耗的65%-75%，而材料能耗僅占21.1-29.3%。
　　從表3.4還可看出，濾池法在建設(shè)階段和拆除階段的能耗均超過(guò)了普通活性污泥法，但運(yùn)行階段的能耗則大幅度低于普通活性污泥法。
4.2 LC能耗的比較
　　從兩種工藝LC能耗的相對(duì)比較可以看出，濾池法的LC能耗大幅度低于普通活性污泥法，在微孔曝氣條件下可節(jié)能37.7%，在穿孔管曝氣條件下可節(jié)能55.2%。濾池法LC能耗較低的最重要原因在于大幅度降低了運(yùn)行能耗（僅為普通活性污泥法的25.1-40.0%），除了抵消建設(shè)階段和拆除階段的能耗較多之外，使LC總能耗水平仍比普通活性污泥法大幅度節(jié)省。
4.3 比能耗分析
　　處理系統(tǒng)的比能耗指其單位能耗BOD₅降解量。污水處理過(guò)程中進(jìn)水BOD₅總量部分被降解，部分隨尾水排放，部分以污泥的形式排出。因此，污水處理過(guò)程中實(shí)際被降解的BOD₅數(shù)量應(yīng)為進(jìn)水BOD₅總量減去尾水和污泥排放的BOD₅數(shù)量。
　　從表4.1可看出，濾池法進(jìn)水BOD₅ 經(jīng)處理后41.4 %轉(zhuǎn)化為污泥，14.0 %隨尾水釋放環(huán)境，44.6%實(shí)現(xiàn)了降解。與普通活性污泥法相比，濾池法實(shí)際降解量略高一些，主要體現(xiàn)在其產(chǎn)泥量較低，污泥BOD₅ 量較少。一方面由于LC能耗較低，另一方面由于污泥BOD₅量較低，濾池法的比能耗為0.53 kg BOD₅/kW.h，比普通活性污泥法大幅度提高71.0-140.9%。從可持續(xù)發(fā)展的角度進(jìn)行分析，生物濾池法能效較高不僅意味著大幅度降低了運(yùn)行費(fèi)用，更為重要的是關(guān)系到能源資源的可持續(xù)利用以及大幅度減少了能源生產(chǎn)過(guò)程所產(chǎn)生的環(huán)境污染問(wèn)題。因此，就能耗以及能源生產(chǎn)過(guò)程所排放的環(huán)境污染物而言，生物濾池的“清潔性”和“綠色性”明顯優(yōu)于普通活性污泥法。

表4.1 比能耗的比較（kg BOD₅ /kW.h） 序號(hào) 項(xiàng)目 普通法A 普通法B 濾池法 1 進(jìn)水BOD₅量（10⁶kg） 14.6 14.6 14.6 2 尾水BOD₅量（10⁶kg） 1.46 1.46 2.04 3 污泥BOD₅量（10⁶kg） 6.97 6.97 6.04 4 BOD₅降解量（10⁶kg） 6.17 6.17 6.52 5 LC能耗（10⁶kW.h） 19.92 27.69 5.21 6 比能耗 0.31 0.22 0.53

4.5節(jié)能措施完善化分析
　　根據(jù)LCA分析結(jié)果，構(gòu)成濾池法LC能耗的首要環(huán)節(jié)是建筑材料和運(yùn)行材料的生產(chǎn)能耗。因此改進(jìn)普通生物濾池的填料種類，提高濾池的污水和污泥處理效果，減少濾池的污泥產(chǎn)量將是減少其材料能耗的主要方向。其次，濾池法運(yùn)行能耗的節(jié)能措施包括對(duì)污水提升系統(tǒng)和藥劑投配系統(tǒng)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制措施。通過(guò)計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制污水提升泵的開啟和關(guān)閉可使提升泵在最佳效率下工作。污水處理的藥劑也是一筆相當(dāng)可觀的間接能源費(fèi)用，通過(guò)計(jì)算機(jī)回路控制可最大程度地減少藥劑耗用量。
　　由于濾池法進(jìn)水BOD₅ 經(jīng)處理后41.4 %轉(zhuǎn)化為污泥，如果不對(duì)其進(jìn)行降解處理，勢(shì)必影響到濾池法比能耗的進(jìn)一步提高。由于污泥穩(wěn)定過(guò)程回收的能源往往高于所消耗的能源_[3]，因此濾池法產(chǎn)生的大量污泥進(jìn)行穩(wěn)定化處理可大幅度減少污泥BOD₅量，提高處理系統(tǒng)的BOD₅降解量，從而使濾池法的比能耗進(jìn)一步得到提高。

5　結(jié)語(yǔ)

　　（1）生物濾池法的生命周期能耗由原材料開采加工、污水廠建設(shè)施工、處理運(yùn)行和廢棄拆除等階段的能耗組成，其中建筑和運(yùn)行材料能耗占43.5%，處理運(yùn)行能耗占42.0%。材料能耗超過(guò)了運(yùn)行能耗，成為耗能最多的環(huán)節(jié)。
　　（2）生物濾池法的LC能耗大幅度低于普通活性污泥法，在微孔曝氣條件下可節(jié)能37.7%，在穿孔管曝氣條件下可節(jié)能55.2%。生物濾池法LC能耗較低的最重要原因在于大幅度降低了運(yùn)行能耗，僅為普通活性污泥法的25.1-40.0%。
　　（3）由于LC能耗和產(chǎn)泥量較低的原因，濾池法的比能耗達(dá)0.53kg BOD₅ /kW.h，比普通活性污泥法大幅度提高71.0-140.9%。就處理能效及能源生產(chǎn)污染物而言，生物濾池的“清潔性”和“綠色性”大幅度優(yōu)于普通活性污泥法。
　　（4）改進(jìn)生物濾池的填料種類、提高濾池的污水和污泥處理效果、減少濾池的污泥產(chǎn)量和優(yōu)化運(yùn)行控制已成為進(jìn)一步提高其LC能效的重要途徑。

參考文獻(xiàn)

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