吳敏 楊健
（同濟大學）

1　引言

　　目前，我國城鎮二級污水處理廠一般采用活性污泥法處理工藝，其運行費用較高。其中主要為能耗費用，約占運行費用的60-70%，屬能耗密集性行業。從環保角度進行分析，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利用以及能源生產過程所產生的環境污染問題。根據統計資料_[1]，我國每生產1度電產生7.23kg的各類污染物，見表1.1。

表1.1 每生產1度電的各類污染物排放量 名稱 污染物名稱 數量（kg） 名稱 污染物名稱 數量（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 碳氫化合C_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 7.230

　　因此，按照我國可持續發展的要求，城市污水處理技術的能耗水平正成為受到日益重視的技術和環境指標。普通生物濾池法（下文簡稱濾池法）在英美等發達國家運用十分廣泛，具有對污水水質水量適應性較強、污泥產量較低、易于維護和節約能耗的優點，對我國中小型城鎮的污水處理亦具有良好應用前景。但迄今為止對該工藝進行的能耗分析只偏重于其處理運行過程，尚不能從該工藝的生命周期全過程的角度對其能效水平作出評估和論證。顯然，在全社會都在關注可持續發展，城市污水處理領域也在向“源頭控制，清潔生產”的全過程環境管理模式轉換的今天，傳統的能耗分析方法已無法滿足污水處理工藝全過程能耗分析的要求。
　　本文運用生命周期評價（簡稱LCA）方法對濾池法的能耗水平進行識別和分析。LCA是一種新型的環境影響評價技術和方法體系，可針對濾池法“從搖籃至墳墓”整個生命周期內，即從其自然資源開采和原材料獲取開始直至施工建設、處理運行以及廢棄拆除各階段所產生的所有能耗問題進行系統的量化分析，并以此為基礎作出生命周期能耗的評估和完善化分析。濾池法處理系統的生命周期（簡稱LC）可分為三個階段，即施工建設（包括建設材料的開采和加工制造）、生產運行和廢棄拆除階段，如圖1.1所示。

2　目標與范圍

2.1 LCA能耗分析對象
　　本文以擬建于上海市郊的濾池法處理系統作為LCA能耗分析對象，主要污水處理流程包括格柵井、進水泵房、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、儲泥池、污泥泵房、污泥調理和污泥脫水等。其主要工藝參數根據《室外排水設計規范》GBJ14-87，見表2.1。同時，將普通活性污泥法作為該工藝能耗分析的平行對照工藝。

表2.1 普通生物濾池法主要工藝參數

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

（2）二沉池停留時間2.0小時，表面負荷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）生物濾池系統處理效率：BOD₅去除率81.3%，COD去除率66.7%。

2.2 LCA評價功能單位
　　本研究以上海市郊具有代表性的中等規模城鎮污水廠10000噸/日作為LCA分析的功能單位，用于計算污水處理系統的輸入與輸出。在本LCA中濾池法和作為比較對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具有可比性。
2.3 污水廠運行期限
　　由于處理技術的不斷發展，污水量的增長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年內需要某種程度的改造和更新。因此，本研究中兩種處理設施在處理運行上產生的能耗問題均按20年的運行期進行考慮。
2.4 地理位置和氣象條件
　　擬建城市污水廠建于上海郊區，該地區地勢平坦，河流縱橫，湖塘密布，地面標高在3.5-4.2米，是典型的江南水鄉。上海市郊屬北亞熱帶季風海洋性氣候，全年四季分明，溫和濕潤，無霜期平均為225天，年降水量平均為1045毫米，年照平均為1960小時，全年主導風向為東南風，年平均風速為3.7米/秒。
2.5 處理系統進出水水質

表2.2 城鎮污水進出水水質（mg/l） 污染物指標 BOD₅ CODcr ss 氨氮 進水濃度 200 500 200 30 出水濃度 30 120 30 25

2.6 LCA分析方法
　　本文采用ISO14040標準《生命周期評價-原則與框架》和ISO14041標準《生命周期評價—目的與范圍的確定和清單分析》以及其他相關文獻作為LCA的依據。

3　能耗分析清單

3.1施工建設階段能耗
　　施工建設階段的能耗主要由（1）各種建筑材料生產能耗、（2）建筑施工直接能耗和（3）建筑材料運輸能耗三部分組成。本文采用統一的能量單位表達不同形式的能量，電耗按燃料熱當量（熱電轉換率以32%計）計算，即1kW.h = 11080 kJ。
3.1.1建材生產能耗清單
　　根據工程分析數據和有關文獻資料_[2]計算出濾池法的建筑材料數量，然后可根據其消耗量及該類建材單位生產能耗_[3]計算得出建筑材料生產能耗，分別列于表3.1。

表3.1 濾池法主要建筑材料及其生產能耗（10⁹kJ） 材料名稱 單位 材料數量 材料能耗 材料名稱 單位 材料數量 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 16.46

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

表3.2 建筑施工單位能耗（kJ/m²） 序號 項目 單位能耗 序號 項目 單位能耗 1 場地清掃 16480 8 人員運輸 367940 2 材料堆放 4180 9 材料運輸 158990 3 起重機運行 31800 10 衛生與采暖 3630 4 場地布置 41790 11 鋪設屋面 910 5 基礎開挖 21810 12 綠化 1820 6 土方挖填 13630 13 臨時供電 18120 7 空氣壓縮機 1820 14 臨時耗熱 379080

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

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

3.2.2 運行材料間接能耗清單
　　依據有關文獻_[3]，運行藥劑的比能耗為：
　　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；由此可計算出濾池法運行材料的間接能耗。
3.3 拆除階段能耗
　　本階段的能源消耗主要與進行拆除作業的機器設備有關，主要包括：拆除作業能耗和復土、填充材料運輸能耗兩部分。根據有關文獻，拆除能耗按建設能耗的90%計算；復土、填充材料運輸能耗則按照施工面積、復土填充平均深度（1.5米）、復土填充材料平均比重（2.0）和平均運輸里程（2.0公里）進行計算。
3.4 生命周期能耗
　　濾池法和作為對照的普通活性污泥法工藝LC各個階段的能耗構成清單見表3.4。

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

B 20.79 5.21 7 運行階段 A 17.11

B 24.88 9.12 8 復土運輸 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能耗的相對構成
　　濾池法的生命周期能耗由原材料開采加工、污水廠建設施工、處理運行和廢棄拆除等階段的能耗組成，其中處理運行能耗占42.0%，材料能耗占43.5%。值得注意的是該工藝的材料能耗（包括建筑材料和運行材料）超過了運行能耗，成為耗能最多的環節。處理運行能耗次之，成為排位第二的耗能環節。形成對照的是普通活性污泥法工藝耗能最主要的環節是運行能耗，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，濾池法在建設階段和拆除階段的能耗均超過了普通活性污泥法，但運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能37.7%，在穿孔管曝氣條件下可節能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行能耗（僅為普通活性污泥法的25.1-40.0%），除了抵消建設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省。
4.3 比能耗分析
　　處理系統的比能耗指其單位能耗BOD₅降解量。污水處理過程中進水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，污水處理過程中實際被降解的BOD₅數量應為進水BOD₅總量減去尾水和污泥排放的BOD₅數量。
　　從表4.1可看出，濾池法進水BOD₅ 經處理后41.4 %轉化為污泥，14.0 %隨尾水釋放環境，44.6%實現了降解。與普通活性污泥法相比，濾池法實際降解量略高一些，主要體現在其產泥量較低，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%。從可持續發展的角度進行分析，生物濾池法能效較高不僅意味著大幅度降低了運行費用，更為重要的是關系到能源資源的可持續利用以及大幅度減少了能源生產過程所產生的環境污染問題。因此，就能耗以及能源生產過程所排放的環境污染物而言，生物濾池的“清潔性”和“綠色性”明顯優于普通活性污泥法。

表4.1 比能耗的比較（kg BOD₅ /kW.h） 序號 項目 普通法A 普通法B 濾池法 1 進水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節能措施完善化分析
　　根據LCA分析結果，構成濾池法LC能耗的首要環節是建筑材料和運行材料的生產能耗。因此改進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，減少濾池的污泥產量將是減少其材料能耗的主要方向。其次，濾池法運行能耗的節能措施包括對污水提升系統和藥劑投配系統計算機自動控制措施。通過計算機優化控制污水提升泵的開啟和關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可觀的間接能源費用，通過計算機回路控制可最大程度地減少藥劑耗用量。
　　由于濾池法進水BOD₅ 經處理后41.4 %轉化為污泥，如果不對其進行降解處理，勢必影響到濾池法比能耗的進一步提高。由于污泥穩定過程回收的能源往往高于所消耗的能源_[3]，因此濾池法產生的大量污泥進行穩定化處理可大幅度減少污泥BOD₅量，提高處理系統的BOD₅降解量，從而使濾池法的比能耗進一步得到提高。

5　結語

　?。?）生物濾池法的生命周期能耗由原材料開采加工、污水廠建設施工、處理運行和廢棄拆除等階段的能耗組成，其中建筑和運行材料能耗占43.5%，處理運行能耗占42.0%。材料能耗超過了運行能耗，成為耗能最多的環節。
　　（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能37.7%，在穿孔管曝氣條件下可節能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能耗和產泥量較低的原因，濾池法的比能耗達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污染物而言，生物濾池的“清潔性”和“綠色性”大幅度優于普通活性污泥法。
　　（4）改進生物濾池的填料種類、提高濾池的污水和污泥處理效果、減少濾池的污泥產量和優化運行控制已成為進一步提高其LC能效的重要途徑。

參考文獻

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