编者按：

本文翻译自Ll.Corominas, J.Foley, J.S.Guest , A.Hospido, H.F.Larsen, S.Morera, A Shaw文章。

生命周期评价(以下简称LCA)是一种定量分析与评价某种产品、服务或流程从”摇篮到坟墓”全过程中产生的影响。LCA第一次应用于污水处理领域是二十世纪九十年代。显然地，为了寻求更加环保可持续的污水处理方法，LCA作为一种有价值的工具，可用于阐明污水处理厂设计和运营过程中产生的更广泛的环境影响。随着公共事业管理者、相关从业者与研究者对LCA在污水处理系统中的应用越来越感兴趣，综述LCA已取得成绩和描述未来面临的挑战就显得非常重要。本文对45篇与LCA和污水处理相关的论文作了一次全面的综述。对于这些论文的分析表明，在ISO标准的约束下，功能单元、系统边界定义以及影响评价方法的选择和结果解释所遵循的步骤间存在着变化性。为了保证评价结果的质量与清晰度，有必要更加严格遵守ISO标准，本文还论述了LCA应用与污水处理过程中出现的新挑战，包括：从污染物的去除到资源的回收过程的标准转化，为了适应新目标化合物LCA所要做的适应性改变，区域因素的发展，数据质量的改善，降低不确定度。最后强调了决策者之间需要更好的合作与沟通。

生命周期评价（LCA）是一种用来量化产品各个阶段、服务或者流程从摇篮到坟墓的过程的影响的方法。LCA于20世纪60年代开始运用，从那以后，在不同学科上，制定出大量方法。二十世纪九十年代末，随着LCA标准化的压力不断增大，国际标准组织(ISO)14000系列的生物评价标准变应运而生。ISO 14040和14044标准（ISO 14040,2006;ISO 14044，2006）定义了一种总体的方法，但是在LCA应用领域，这些标准并没有定义相关细节。最近几年，LCA在迅速增长刊物和数据库完善下，它作为一种环境可持续评估工具已经开始得到普及。

LCA于90年代开始应用于污水处理领域。从那以后，超过40份研究报告已经在国际同行评审期刊上发表，运用一系列的数据、边界条件以及影响评价方法来对研究结果进行解释。为了追求更加环保可持续的污水处理方式，很明显，LCA是一种有价值的工具，用于阐明设计和运营决定过程对环境造成的更广泛的影响(Guest et al., 2009; Larsen et al., 2010)。在污水处理系统中，随着来自LCA应用方面的公用事业、从业人员和研究人员的兴趣不断增加，综述LCA已取得成绩和描述未来面临的挑战就显得非常重要。

尽管水环境卫生可以追溯到两河流域时代(Lofrano and Brown, 2010)，但是当前运用的活性污泥工艺直到1913年才在英国被第一次提出(Lofrano and Brown, 2010)。在二十世纪，水环境卫生系统使大量的人口免于疾病的侵扰。然而，社会并没有意识到存在着和水环境卫生联系的其他环境代价。在世界环境与发展委员会定义了可持续发展策略后(WCED, 1987)，一些污水处理从业人员和研究者开始采用LCA对污水处理过程对环境造成的影响来进行评价。LCA的演化史可以通过参考文献中的论文和已被评价的不同的目标来了解。表格1列出了本次综述的所有文献以及它们的主要特点。

传统活性污泥工艺环保成效的评估

据我们所知，第一篇关于LCA应用于污水处理厂的研究报告发表于国际同行评审期刊，重点围绕清单分析阶段来评价不同的小规模的污水处理技术(Emmerson et al., 1995)，强调了伴随能源产生过程CO2¬排放的重要性，由此，引入在环境绩效评价过程中的二级（背景）影响。能源消耗被认定为是化石能源削减和温室气体排放的主要因素。除了系统运营评价之外，（污水处理厂）建设与拆除过程也被纳入评价之中。后来，一种更加复杂的LCA方法被用来评价荷兰陆地污水处理的社会可持续性(Roeleveld et al., 1997)，结果强调了减少出水污染（N,P）以及污泥产量最小化。与以前的研究完全相反，研究结论显示能源消耗所造成的环境影响非常低。此结论是在将结果标准化后得出的，即荷兰污水处理所造成的环境影响最后以占总环境影响的百分数的形式表现出来。结果显示，在当时，污水处理厂消耗的能源只占总能源消耗的不到1％。这个例子强调了在LCA研究中标准化的作用。施工影响和化学物质的运用在他们的评价过程中不是那么重要。自从Roeleveld的这次研究之后，LCA法开始被用于评价各类传统的污水处理厂。

第一，LCA已被用于表现特定研究案例的环境影响(Clauson-Kaaset al., 2001; Hospido et al., 2004; Pasqualino et al., 2009;Bravo and Ferrer, 2011; Venkatesh and Brattebø, 2011)。

第二，LCA已应用于评价活性污泥模型所做的动态模拟的结果当中；在Flores-Alsina et al. (2010)和Corominas et al. （2013）的研究案例中，评价了脱氮（N）的控制策略，在Foley et al. (2010a)案例中，分析了多种生物营养物质的去除组合。第三，LCA研究已用于比较在单一系统下的不同组合的表现，以改善性能(Mels et al., 1999; Vidal et al., 2002; Rebitzer et al., 2003;Clauson-Kaas et al., 2004)。

最后，比较了多种传统的处理系统(Gallego et al., 2008;Hospido et al., 2008; Rodriguez-Garcia et al., 2011)。所有涉及营养物质去除的研究结果都非常相似，突出了由污染水体排放、污泥处理与处置以及能源消耗所各自主要引起的水体富营养化、毒性和全球变暖种类影响之间的权衡关系。各地水质的改善是以能源和化工生产所引起的区域/全球效应为代价的。总的来说，最好的替代方案似乎是那些能产生更低营养物质排放的方案。

非传统技术评价

对于非传统技术，我们知道任何未基于活性污泥的技术都需要一个沉淀池。现实情况是传统的污水处理技术既昂贵又耗能，这在小型社区（<2000人口当量）是尤其麻烦的。经过LCA评价后，和传统的技术相比，构筑的湿地、生物滤池以及砂滤系统是可行的替代方案(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)，并且能造成更低的环境影响。尽管这些工艺技术含量低，需要占用更大的场地，但是这些技术却更加适合在农村地区来开展，因为能耗低且能高效地去除重金属。

随着污水处理的新兴技术（例如微生物燃料电池、微生物电解池(Foley et al., 2010b)、高级氧化技术(Mun˜oz et al., 2005)、膜生物反应器(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)）不断发展，运用LCA将新兴技术和传统技术相比较已经成为一种惯例。在微生物电解池技术中，通过经济的方式产生有用的化学物质（如氢气 过氧化氢），可以实现显著的环境效益。由于能源需求是关键影响因素，相比于高级氧化技术，太阳能的利用能够大幅减少对于环境的影响。对于膜生物反应器，为了提高环保效应，能源消耗作为关键的因素也有必要进行优化。值得注意的是，在运用LCA进行技术开发过程中，需要用到实验室数据，这肯定会限制评价结果在实际当中的运用。

最近几年，微生物污染物（优先污染物和新兴污染物）对生态系统的影响和它们的去除开始得到研究(Verlicchi et al., 2012)。这些污染物包括金属和有机污染物，例如药品，个人护理品（包括内分泌干扰物）。正因如此，几种去除微生物污染物的技术（例如臭氧化，高级氧化技术，活性炭）正逐渐得到提倡并用LCA进行评估。(Høibye et al., 2008; Wenzel et al., 2008; Larsen et al., 2010)。 由于微生物周围不确定性因素的影响，根据LCA评价结果表明，微污染物的去除仅产生微小的甚至没有环境效益。所以，我们需要更深一步的研究来更好的阐明水生物环境中微污染物的影响。

扩大城市水/污水系统管理策略的评价边界

在某些研究中，污水处理厂边界已经被扩大到包含整个城市水/污水系统，也就是包括淡水的回收，饮用水的生产，饮用水的分配和使用，污水的产生以及向污水处理厂输送过程。几项研究(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)模拟了整个城市污水系统，评价将现有的集中式的生物污水处理厂转化为更加分散化系统的影响。这些研究表明，分离系统（即尿液，粪便和灰，水的分离）相对于传统的集中式系统有着更好的环保优势，提高了营养物质回收的几率，避免了向环境的直接排放。当污水系统模型扩展到能补偿化肥生产时，这些优势就更加明显。Lundin et al. (2000)论证了，如果污水中的营养物质能够被回用到农业生产中，则农业对于无机肥料的需要就会降低，也可以避免由无机肥料的生产和使用所造成的大量的环境负荷。同时，从厕所污水和家庭生物废物的消化过程中回收有机物质，可以显著减少日益增加的能源需求。Lundie et al. (2004)在悉尼到2021年的总体水运营影响的评价中，扩大了系统边界，将综合供水和污水系统也纳入评价范围中。

污水处理厂的边界也被扩大到包含回用水的生产和销售，这减少了我们对于饮用水和淡化海水的依赖。除了水回收可持续性的评价外(Chen et al., 2012)，另外两项该领域的研究(Pasqualino et al., 2009, 2011)也运用开始LCA方法。这两个研究团队都一致认为，传统的三级处理污水处理厂的这种改进轻微提高了工厂的环境影响，但是相对于其他水生产方法（尤其是海水淡化）对于环境的影响要小的多。

污泥管理策略的对比

1998，Dennison et al.首次将污泥管理策略对比纳入LCA研究中。从那之后，几项研究紧接着开展起来，系统边界被进一步扩大，包括重金属和N2¬O的排放，同时评价厌氧消化过程中回收的能量和作为土壤肥料的营养物质回用于农业带来的有益影响。如下文献中(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，在污水处理厂内部污泥处理方式（厌氧消化，热过程，稳定化处理，筒仓存储）的选择上作出对比，同时在污水处理厂外部污泥管理策略（农业推广，焚烧，湿式氧化，热解，填埋，湿地处理，堆肥和水泥原材料）的选择作出上对比。尽管这些研究通常都是特定的，但结论总体表明污泥最好是集中管理并且在设备中进行脱水处理从而减少潜在的影响。至于技术，回收能源的污泥厌氧消化技术最好与污泥焚烧或者土地利用相结合。重金属，优先和新兴污染物的数量会限制污泥焚烧或土地利用，因为它们具有潜在的巨大毒性。同时污泥最终处置能通过农业传播给环境带来影响，这一点是不容忽视的。

 

污水处理真的环保吗？——全生命周期视角下的污水处理研究

2014-05-26 翻译/黄冬