CASS工艺城市污水处理厂清洁生产评价指标研究.pdf

CASS 工艺城市污水处理厂清洁生产评价指标研究 * 狄倩孙根行郭金鑫路建萍张波浪 陕西科技大学资源与环境学院，西安 710021 摘要 通过对 CASS 工艺城市污水处理厂实施生命周期评价， 对各处理工段的环境负荷进行识别。以此为依据提出了 影响 CASS 工艺城市污水处理厂清洁生产水平的清洁生产评价指标， 初步建立了一套由定性指标和定量指标构成的 CASS 工艺城市污水处理厂清洁生产评价指标体系， 并结合生命周期评价结果， 对部分指标的确定予以说明。最后对 我国污水处理行业清洁生产标准的制定提出了针对性建议。 关键词 城市污水处理厂; CASS 工艺; 生命周期评价; 清洁生产; 评价指标 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201405031 STUDY OF CLEANEＲ PＲODUCTION ASSESSMENT INDEX SYSTEM IN UＲBAN WASTEWATEＲ TＲEATMENT PLANT WITH CASS PＲOCESS Di QianSun GenxingGuo JinxinLu JianpingZhang Bolang College of Natural Ｒesource and Environment，Shaanxi University of Science ＆ Technology，Xian 710021，China AbstractThrough carrying out the life cycle assessment LCAof urban sewage treatment plants with CASS process，the environmental impact of each wastewater treatment process was identified． Based on the results， assessment inds for cleaner production impacting the cleaner production level were put forward，the assessment index system was preliminary constructed， which was composed by both quantitative and qualitative uation inds．And referred to the results of LCA，the determination of some inds were explained． Finally，some suggestions on the ulation of standard for urban wastewater treatment plant cleaner production were offered． Keywordsurban wastewater treatment plant;CASS process;life cycle assessment;cleaner production;assessment index * 博士科研启动基金项目 2010BJ10- 06 。 收稿日期 2013 －06 －08 随着全国中小型城市污水处理厂的不断建设， 我 国污水治理情况有所改善。然而， 我国城市污水处理 是高能耗产业之一， 且在处理过程中会带来二次污 染， 如处理过程产生的臭气、 噪声、 污泥等污染物， 同 时部分污水处理厂仍存在出水水质不能稳定达标、 管 理水平低下等问题。为实现我国“十二五” 节能减排 目标， 更多的城市污水处理企业已被纳入强制性清洁 生产审核范围， 但目前城市污水处理行业尚未制定相 应的行业清洁生产标准， 这已严重影响到城市污水处 理企业清洁生产水平的评价及清洁生产工作的实施。 由于不同污水处理工艺能源及资源的消耗水平 及污染物的去除效果等有所不同， 在清洁生产评价时 应按不同的工艺评价， 本文选取在城市污水处理中应 用广泛的循环式活性污泥法 CASS 工艺为代表， 研 究城市污水处理厂清洁生产评价指标体系。目前许 多国家和国际组织都将生命周期评价 LCA 作为制 定标准的方法之一 ［1 ］， 本文将运用 LCA 方法分析 CASS 工艺污水处理过程对环境的影响， 初步建立一 套 CASS 工艺城市污水处理厂清洁生产评价指标体 系， 为建立城市污水处理行业清洁生产标准提供 参考。 1CASS 工艺城市污水处理厂生命周期评价 1. 1LCA 概述 LCA 是一个评价与产品、 工艺或行动相关的环 境负荷的过程， 通过识别和量化资源能源的使用和环 境的排放， 评价其对环境产生的影响， 寻求改善环境 影响的机会以及如何利用这些机会［2 ］。LCA 作为一 种新的环境管理工具， 充分考虑了资源能源的消耗状 331 清洁生产与节能减排 Cleaner Production，Energy- Saving ＆ Emission Ｒeduction 况、 污染物的产生及处理状况、 产品的达标状况、 资源 的综合利用状况 ［3 ］。LCA 主要包括评价系统范围和 边界的确定、 各阶段清单分析、 生命周期影响评价及 解释分析等主要阶段［4 ］。 1. 2LCA 的目的和范围的确定 LCA 的目的是通过对污水处理各阶段的清单分 析， 计算各污水处理工段的环境负荷，从而得出各阶 段对环境的影响程度， 为制定城市污水处理行业 CASS 工艺 清洁生产评价指标体系提供依据。 以构建清洁生产评价指标体系为目的， 限定 LCA 的范围为污水的处理过程。以污水进入处理厂为起点， 以处理后达标水的排放和污泥的处置作为 LCA 的终点， 作系统边界图见图1。根据我国城市污水处理厂的实际 情况， 本文选取1 万 t 污水作为生命周期评价的功能单 元， 针对 CASS 工艺城市污水处理过程进行生命周期评 价。由于目前污水处理厂的管理水平较低， 同时考虑到 数据采集的难度，厂区药剂及污泥的运输、 生活垃圾的 排放等因素造成的环境影响不做计算。 图 1城市污水处理厂生命周期评价系统边界 Fig．1Boundary of LCA system for municipal wastewater treatment plant 1. 3LCA 清单分析 CASS 工艺由预处理、 CASS 反应池、 消毒、 污泥处 理等工序构成。通过粗格栅、 细格栅、 提升泵、 沉砂池 等预处理工段去除污水中的固体垃圾、 沙粒及油脂等 污染物， 然后进入 CASS 反应池， 经过生物选择区、 预 反应区及好氧区去除污水中的 COD、 BOD5、 NH3－N、 TN、 TP 等污染物， 最后进入消毒处理阶段， 去除水中 的大肠杆菌、 病毒等之后出水， CASS 池排出的剩余污 泥通过污泥处理工段后综合利用或者外运填埋。 清单分析 LCA 主要是对污水处理过程中输入 和输出的物质和能量进行统计。CASS 工艺污水处理 过程主要消耗电能、 新鲜水、 絮凝剂及消毒剂， 产生的 污染物有 H2S、 NH3、 CO2等废气、 栅渣、 沉砂等固体废 弃物及污泥， 另外还有设备运行产生的噪声［5 ］。此 外， 污水在处理前后均含有一定的污染物， 根据进出 水的 COD、 BOD5、 SS、 NH3－N、 TN、 TP 等浓度即可以评 价产品的达标情况及处理效果， 本文分析的污水处理 厂日处理量为 10 万 t， 进出水水质及污染物去除率清 单见表 1。 表 1进出水水质及污染物去除率清单 Table 1Water quality inds of inflow- effluent and their removal ratemg/L pH 除外 污染物进水水质出水水质出水排放标准 一级 B去除率 pH7. 927. 49 COD408. 530. 986092. 42 BOD5182. 713. 922092. 38 SS403. 914. 522096. 41 NH3－N12. 810. 47896. 33 TN33. 611. 492064. 58 TP6. 70. 7189. 55 1. 4LCA 影响分析 1. 4. 1环境排放物计算 通过对 CASS 工艺城市污水处理厂各工段的现 场调查及数据统计， 按照系统的功能单位统一进行规 范化， 确定各处理工段能源及资源的消耗水平， 并依 据工程资料中的比能耗折算成标煤［6- 8 ］， 其中电力以 火电计， 能耗数据按我国发电能耗平均值 0. 376 kg/ kW h 以标准煤计 计算， 标准煤燃烧的环境排放 物只选择数量级在 0. 1 kg/t 以上的主要污染物 ［9- 10 ］， 1t 标煤燃烧的环境排放量见表 2。 表 2 1t 标准煤燃烧的环境排放量 Table 2The environment emissions of burning 1 ton standard coalkg/t CO2SO2NOX COHcl碳氢化合物灰渣 3 30015. 88. 720. 5980. 5440. 13657. 8 根据 LCA 清单分析及表 2 计算处理 1 万 t 污水 各工段的污染物排放量， 见表 3。各处理工段所引起 的环境影响主要是由于资源及电能的消耗， 其中 NH3、 H2S 等污染物的排放量均在 1. 00 10 －5 kg 以 下， 不列入环境排放清单， 但生物处理工段由于有机 物降解产生的 CO2释放到大气环境中， 因此， 在环境 排放分析中与电能折算的 CO2相加。此外， 预处理 工段产生的栅渣、 沉砂等固体废弃物也与由电能消耗 产生的废渣量相加。 431 环境工程 Environmental Engineering 表 3处理 1 万 t 污水的环境排放清单 Table 3Inventory of environmental emission for treatment on 10 000t wastewater 处理工段 资源能源消耗污染物排放量/kg 原始消耗数据折标准煤/t CO2SO2NOXCOHCl 碳氢化合物固体废弃物 预处理电 612. 1 kW h0. 2302759. 663. 642. 010. 140. 130. 0323. 31 生物处理电 1872. 7 kW h0. 70413168. 5311. 126. 140. 420. 380. 1040. 70 消毒出水 Cl263. 00 kg0. 1042343. 861. 650. 910. 060. 060. 016. 02 电 43. 38 kW h0. 016353. 79 0. 260. 140. 010. 010. 94 合计0. 1205397. 651. 911. 050. 070. 070. 016. 96 污泥处理电 184. 82 kW h0. 0695229. 351. 100. 610. 040. 040. 014. 02 自来水 15. 17t0. 0039 12. 870. 060. 030. 23 PAM 10. 10kg0. 00258. 250. 040. 020. 14 合计0. 0759250. 471. 200. 660. 050. 040. 014. 39 1. 4. 2环境负荷分析 环境负荷 EB 表示每一组排放物质对其特定的 影响类别潜在的环境影响程度 ［ 11 ］， 结合 CASS 工艺污 水处理过程的清单， 分析出水 N、 P 等污染物带来的环 境影响。污水处理过程的影响类别包括全球变暖、 酸 化效应、 水体富营养化、 人体潜在毒性和填埋空间占 用。根据美国国家环保局 EPA 和中国生命周期基础 数据库 CLCD 确定的涉及污水处理过程中环境影响 物质的潜能因子 PE 值 ［ 12- 13 ］ 表 4 ， 计算 CASS 工艺 每处理1 万吨污水引起的环境负荷， 见表5。 表 4城市污水处理过程主要影响类别的 PE 值 Table 4The PE values in wastewater treatment process of main environmental impact categories 全球变暖大气酸化水体富营养化人体潜在毒性填埋空间占用 污染项目PE 值污染项目PE 值污染项目PE 值污染项目PE 值污染项目PE 值 CO21. 00SO21. 00TN0. 42CO 1. 040 10 －3 固体废弃物1 CH425. 00HCl0. 88TP3. 60NOx 1. 270 10 －1 NOx0. 70 表 5处理 1 万 t 污水的环境负荷 EB 分析 Table 5Environmental burden EBof treating 10 000 t wastewater 处理 阶段 全球 变暖 大气 酸化 水体富 营养化 人体潜在 毒性 填埋空间 占用 预处理760. 415. 1600. 2623. 31 生物处理3171. 0315. 7500. 7840. 7 消毒出水397. 92. 7150. 780. 136. 96 污泥处理250. 721. 7000. 084. 39 2CASS 工艺城市污水处理厂清洁生产评价指标 2. 1基于 LCA 结论的清洁生产评价指标分析 1由 CASS 工艺城市污水处理厂各工段的环境 负荷分析可知， 各处理工段的综合环境负荷排序为生 化处理工段 ＞预处理工段 ＞消毒出水工段 ＞ 污泥脱水 工段。各处理工段由于电能等资源的消耗引起了较高 的环境负荷， 其中生化处理阶段由于 CASS 工艺曝气 系统消耗大量的电能所带来全球变暖的环境影响最 大。因此， 能耗大是污水处理厂最突出的环境问题。 2由于所评价的 CASS 工艺污水处理厂的出水 消毒未采用目前先进的紫外线消毒工艺， 采用的加氯 消毒工艺不仅消耗了大量的资源， 而且会带来二次污 染， 环境负荷较高。因此， 在制定清洁生产指标时， 消 毒工艺的先进性是应该考虑的指标。 3该污水处理厂采用国内先进的污泥脱水工 艺， 且脱水处理后全部综合利用， 符合清洁生产的要 求， 改变了传统污泥填埋的处置方式， 污泥脱水阶段 的环境负荷较低。因此， 先进的污泥处理工艺以及污 泥资源化技术可降低污水处理过程的环境负荷。 4在污水处理过程中产生的臭味及噪声对周围 环境和人体潜在的影响不容忽视， 在制定清洁生产评 价指标时应制定严格的臭气和噪音考核指标。 2. 2清洁生产评价指标体系的构成 按照层次分析法 AHP 的要求建立了由总到分 的层次结构模型， 可分为目标层、 准则层及指标层三 个层次 ［14- 15 ］。目标层综合表达了 CASS 工艺城市污 水处理厂清洁生产的总体水平; 准则层为 CASS 工艺 污水处理厂清洁生产评价的主要准则， 定为生产工艺 及装备指标 定性指标 、 原料及能源利用指标 定量 531 清洁生产与节能减排 Cleaner Production，Energy- Saving ＆ Emission Ｒeduction 指标 、 产品指标 定量指标 、 污染物产生指标 定量 指标 、 废物综合利用指标 定量指标 、 环境管理指 标 定性指标 ; 指标层具体描述了清洁生产评价的 各项指标 ［16- 17 ］。对准则层和指标层的选择主要参考 我国 工业清洁生产评价指标体系编制通则 及对 CASS 工艺城市污水处理厂 LCA 结果 ［18 ］， 初步构建 城市污水处理厂 CASS 工艺 清洁生产评价指标体 系， 见图 2。 图 2CASS 工艺城市污水处理厂清洁生产评价指标体系 Fig． 2Cleaner production assessment index system of urban wastewater treatment plant with CASS process 2. 3清洁生产评价指标说明 2. 3. 1生产技术特征指标 生产技术特征指标对资源及能源的消耗和污染 物产生量有很大的影响。CASS 工艺城市污水处理厂 的生产技术特征指标包括是否有采用先进的消毒工 艺， 清洁的污泥浓缩、 消化及脱水工艺， 先进的变频节 能设备， 完整的在线监测设施及生产全过程是否由在 线自动化控制。 2. 3. 2资源及能源消耗指标 单位产品生产对资源及能源的消耗量在一定程度 上可以反映企业的技术工艺和管理水平。从清洁生产 的角度看， 资源及能源消耗指标也能反映生产过程对 环境的影响程度， 资源及能源的消耗量越高， 对环境的 影响程度越大 ［ 19 ］。CASS 工艺由于具有较强的脱氮除 磷性能， 一般 CASS 工艺城市污水处理厂无需化学除 磷， 因此资源及能源的消耗指标主要有单位产品絮凝 剂消耗量、 单位产品新鲜水及单位产品电耗。 2. 3. 3产品指标 一般来说， 衡量一个污水处理厂的处理效果最直 观的指标即为出水中污染物浓度及出水达标率， 因此 出水中各污染物浓度及达标率应作为清洁生产水平 评价的重要指标来反映污水处理厂的运行情况。目 前， 城市污水处理厂监测的基本项目主要有 COD、 BOD5、 SS、 TN、 NH3－N、 TP 及大肠杆菌数。 2. 3. 4污染物产生指标 污染物产生指标为清洁生产评价指标中的定量 指标， 其中臭气和噪声的排放指标能够反映出污水处 理厂除臭及消噪措施是否完善及臭气和噪声是否达 标排放， 污泥的含水率可以反映污泥脱水系统的运行 情况， 此外产品的稳定达标率能反应出水对纳污水体 的影响及污水处理厂运行的稳定性。 2. 3. 5资源综合利用指标 一般 CASS 工艺城市污水处理厂可综合利用的 资源有处理后出水及污泥。建设中水回用系统， 拓宽 中水的利用渠道， 为厂内厂外提供再生水， 以及对污 泥进行综合利用均可提高清洁生产水平。因此， 资源 的综合利用指标主要包括再生水水回用率及污泥综 合利用率。 2. 3. 6环境管理指标 企业清洁生产水平的高低与管理水平有着密切 的联系， 污水处理厂管理水平是导致能源及资源浪 费、 处理效果差的主要原因之一。因此， 将环境管理 指标作为清洁生产水平评价指标， 具体包括是否开展 清洁生产审核、 建立环境管理体系、 生产过程管理情 况、 污水处理厂在线监测及化验室产生的废液等其他 废弃物的处理与处置情况。 3结论及建议 1将生命周期评价贯穿到清洁生产评价指标体 系的构建中， 不仅可以有效地识别污水处理厂的重点 排污环节及处理效果， 还充分体现了其环境影响负 荷， 为清洁生产评价指标的选取及指标权重值的确定 提供了参考依据， 避免了主观选取的弊端， 具有理论 可行性。 2根据城市污水处理厂 LCA 分析， 污水处理厂 631 环境工程 Environmental Engineering 清洁生产评价指标有6 个一级指标 生产技术特征指 标、 资源及能源消耗指标、 产品指标、 污染物产生指 标、 资源综合利用指标及环境管理指标 和25 个二级 指标。其中生产技术特征指标及环境管理指标为定 性指标， 其余均为定量评价指标。 3面对目前严格的节能减排目标和污水排放标 准， 城市污水处理行业本身存在的诸如能耗大、 管理 水平低下等情况， 本文建议对污水处理行业开展基础 调研， 建立不同工艺的城市污水处理行业清洁生产评 价指标体系， 确定合理的清洁生产评价指标值， 作为 清洁生产绩效的比较标准， 以推动城市污水处理厂清 洁生产审核开展。 参考文献 ［1］于宏兵． 清洁生产教程［ M］． 北京 化学工业出版社， 2011 36- 42. ［2］Poritosh Ｒ，Daisuke N，Takahiro O，et al． A review of lifecycle assessmentLCA on some food products［J］ ． J Food Eng， 2009， 90 1- 10. ［3］吕耀平， 黄福群， 求渊， 等． 从 LCA 角度评价塑料用品与木制用品 对环境的影响 ［ J］ ． 环境污染与防治， 2002， 24 6 382- 384. ［4］林亲铁， 李适宇， 厉红梅． 基于生命周期分析的致癌排放物人 体健康风险评价［J］ ． 化工环保， 2004， 24 5 367- 372. ［5］徐晓宇， 李春光． 污水处理厂运行的节能降耗技术进展［J］ ． 给水排水， 2009， 35 12 47- 50. ［6］于宏兵， 宗秀雨， 朱坦， 等． 再生胶清洁生产评价指标的构建 ［ J］． 化工环保， 2010， 35 5 432- 436. ［7］于建民． 三峡库区城市污水处理厂全过程生命周期评价及其 应用研究［D］ ． 重庆 重庆大学， 2009. ［8］国家城市给水排水工程技术研究中心． 给水排水工程概预算 与经济评价手册［ M］ ． 北京 中国建筑工业出版社， 1993. ［9］周咏馨， 苏瑛． 基于生命周期理论评价建筑物能耗及环境影响 ［J］． 管理现代化， 2009， 23 2 109- 112. ［ 10］狄向华， 聂祚仁， 左铁镛． 中国火力发电燃料消耗的生命周期 排放清单［J］ ． 中国环境科学， 2005， 25 5 632- 635. ［ 11］UnitedStatesEnvironmentalProtectionAgency．LifeCycle Assessment Public Data Sources for the LCA Practitioner［ S］ ．1995. ［ 12］胡尧良． 环境负荷ICL 公司环境评价的新指标［J］ ． 环境导 报， 1999 2 29- 32. ［ 13］吉倩倩． 生命周期评价在城市污水处理的环境效益分析中的 应用［ D］． 西安 西安建筑科技大学， 2010. ［ 14］朱宝菊， 史翎， 江莉， 等． 尿素法 ADC 发泡剂清洁生产评价指 标体系［ J］ ． 化工环保， 2011， 31 3 260- 264. ［ 15］伍名群， 安艳玲， 周锡德， 等． 磷矿山清洁生产评价指标体系的 构建 － 以贵阳市磷矿山为例［ J］ ． 2009， 34 2 189- 194. ［ 16］赵宝江， 王丽萍， 李江， 等． 磷化工企业清洁生产评价指标体系 的构建［ J］ ． 化工环保， 2012， 32 4 354- 357. ［ 17］李娟， 王菊， 张弼， 等． 皮江法炼镁行业清洁生产指标体系建立 ［J］． 环境科学与技术， 2009， 328 176- 178. ［ 18］GB/T 201062006 工业清洁生产评价指标体系编制通则［ S］． ［ 19］张平． 清洁生产指标体系构建与案例数据库网站开发［ D］ ． 上 海 东华大学， 2004． 作者简介 狄倩 1989 － ， 女， 硕士研究生， 研究方向为环境影响评价 及清洁生产。diqian163163． com 通讯作者 孙根行 1963 － ， 男， 博士， 教授， 研究方向为水污染控制及 清洁生产 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 。 上接第 149 页 有应用前景的污染场地风险控制技术。工程控制技 术在污染场地的应用具有满足节约修复成本、 避免二 次污染、 避免过度修复等优势。 2工程控制技术在国内的应用有一定技术基 础， 但在国内污染场地的应用缺少相应的政策、 制度 支持， 需要相关管理部门的支持。 3在施工工艺方面， 在借鉴水利工程、 垃圾填埋 场的经验基础上， 研究适宜污染场地应用的施工工 艺， 如地下连续墙、 灌浆帷幕等。 参考文献 ［1］ASTM E2091- 11．Standard Guide for Use of Activity and Use Limitaitons，Including Institutional and Engineering Controls［ S］ . ［2］OHIO Environmental Protection Agency． Voluntary action program ［Ｒ/OL］． Ｒule 3745- 3300- 3709 1999- 06- 07［2011- 09- 09］ ． http / /www． dep． state． fl． us/waste/categories/pages/papers． htm. ［3］United States Gerneral Accounting Office． Superfund Program current status and future fiscal challenges［EB/OL］． 2003- 07- 30 /［ 2007- 02- 14］． http / /www． gao． gov/cgi- bin/getrptGAO- 03- 850. ［4］John Quarles，Michael Steinberg W． The superfund program at its 25thanniversary［J］ ． Environmental Law Ｒeporter， 2006， 36 5 10364- 10369. ［5］OfficeofSolidWasteandEmergencyＲesponse．Treatment Technologies for Site Cleanup Annual Status Ｒeport［ Ｒ］ ． Washington DC United States Environmental Protection Agency， 2004． ［6］USEPA． Brownfields federal programs guide［EB/OL］．［ 2010- 07- 18］ ． http / /epa． gov/brownfields/partners/bf_fed_pr_gd． htm. ［7］王旭． 美国 “棕色地带” 再开发计划和城市社区的可持续发展 ［J］． 东南学术， 2003 3 156- 162. ［8］汪武， 李爱军， 张天一． LIQUID BOOT 气体防渗层在住宅楼 地下工程的应用技术［ J］ ． 地下建筑防水， 2013 1 26- 28. ［9］周单志， 黄迪辉， 陈永贵． 我国卫生填埋场防渗技术的研究现状 及发展探讨［ J］ ． 中国建筑防水， 2007 3 7- 11． 第一作者 陈素云 1976 － ， 女， 高级工程师， 主要研究方向为污染场 地环境评价与修复。csyliusha163． com 通讯作者 王峰 1966 － ， 男， 高级工程师， 主要研究方向为污染场地 环境评价与修复水文地质。hj_wang sina． com 731 清洁生产与节能减排 Cleaner Production，Energy- Saving ＆ Emission Ｒeduction