厌氧水解活性污泥法的生命周期能耗分析

　　1引言

　　目前，我国城镇二级污水处理厂一般采用活性污泥法处理工艺，其运行费用较高。其中主要为能耗费用，约占运行费用的60%～70%，属能耗密集性行业。从环保角度进行分析，能耗高不仅影响污水处理成本，而且直接影响到能源资源的可持续利用以及能源生产过程所产生的环境污染问题。按照我国可持续发展的要求，城市污水处理技术的能耗水平正成为受到日益重视的技术和环境指标。厌氧水解-活性污泥法是在普通活性污泥法基础上进行革新改进的一种新型处理工艺，近年来在我国的运用呈发展趋势。但迄今为止对该工艺进行的能耗分析只偏重于其处理运行过程，尚不能从该工艺的生命周期全过程对其能效水平作出评估和论证。显然，在全社会都在关注可持续发展，城市污水处理领域也在向“源头控制，清洁生产”的全过程环境管理模式转换的今天，传统的能耗分析方法已无法满足污水处理工艺全过程能耗分析的要求。

　　本文运用生命周期评价（简称LCA）方法对厌氧水解法的能耗水平进行识别和分析。LCA是一种新型的环境影响评价技术和方法体系，可针对厌氧水解法“从摇篮至坟墓”整个生命周期内，即从其自然资源开采和原材料获取开始直至施工建设、处理运行以及废弃拆除各阶段所产生的所有能耗问题进行系统的量化分析，并以此为基础作出生命周期能耗的评估和完善化分析。厌氧水解法处理系统的生命周期（简称LC）可分为三个阶段，即施工建设（包括建设材料的开采和加工制造）、生产运行和废弃拆除阶段，如图1所示。

　　2 目标与范围

　　2.1LCA能耗分析对象

　　本文以拟建于上海市郊的厌氧水解法处理系统作为LCA能耗分析对象，主要污水处理流程包括格栅井、进水泵房、沉砂池、厌氧水解池、曝气池、二沉池、回流设施、消毒池等。污泥处理单元包括污泥浓缩池、储泥池、污泥泵房、污泥调理和污泥脱水等。其主要工艺参数［4］见表1。同时，将普通活性污泥法作为该工艺能耗分析的平行对照工艺。

　　表1厌氧水解法主要工艺参数

　　水解酸化池：停留时间3.0h，表面负荷2.0m3/m2.h，每人每日酸化污泥量12g/人.日，污泥含水率96%，酸化池有效水深4.0米，采用上流式污泥床；主要处理效率：BOD5去除率45%，COD去除率50%，SS去除率60%；

　　曝气池：曝气时间4h，泥龄8.9d，污泥负荷 0.3kgBOD5/kgMLVSS.日，容积负荷0.6kgBOD5/m3.d，MLSS=2500mg/L，MLVSS=2000mg/L，污泥回流比=30%～50%，剩余污泥产率系数0.5；

　　二沉池停留时间2.0h，表面负荷1.0m3/m2.h；沉淀池有效水深2.0m，泥斗角度 60°，污泥含水率99.4%；活性污泥系统处理效率：BOD5去除率86.7%，COD去除率76.7%；
2.2LCA评价功能单位

　　本研究以上海市郊具有代表性的中等规模城镇污水厂10000t/d作为LCA分析的功能单位，用于计算污水处理系统的输入与输出。在本LCA中厌氧水解法和作为比较对照的普通活性污泥法均采用此功能单位，从而使这两种处理系统具有可比性。

　　2.3污水厂运行期限

　　由于处理技术的不断发展，污水量的增长以及出水排放要求的不断提高，大部分城市污水处理厂在15～20年内需要某种程度的改造和更新。因此，本研究中两种处理设施在处理运行上产生的能耗问题均按20年的运行期进行考虑。

　　2.4地理位置和气象条件

　　拟建城市污水厂建于上海郊区，该地区地势平坦，河流纵横，湖塘密布，地面标高在3.5～4.2m，是典型的江南水乡。上海市郊属北亚热带季风海洋性气候，全年四季分明，温和湿润。

　　2.5 处理系统进出水水质
城镇污水进出水水质见表2。
表2城镇污水进出水水质/（mgL-1）
污染物指标 BOD5CODCrSS氨氮
进水浓度20050020030
出水浓度301203025
2.6LCA分析方法
本文采用ISO 14040标准《生命周期评价-原则与框架》和ISO 14041标准《生命周期评价目的与范围的确定和清单分析》以及其他相关文献作为LCA的依据。

　　3.1施工建设阶段能耗

　　施工建设阶段的能耗主要由①各种建筑材料生产能耗、②建筑施工直接能耗③建筑材料运输能耗三部分组成。本文采用统一的能量单位表达不同形式的能量，电耗按燃料热当量（热电转换率以32%计）计算，即1kW.h=11080kJ。

　　3.1.1建材生产能耗清单

　　根据工程分析数据和有关文献资料［1，3］计算出厌氧水解法的建筑材料数量，然后可根据其消耗量及该类建材单位生产能耗［2］计算得出建筑材料生产能耗，分别列于表3。

　　表3厌氧水解法主要建筑材料及其生产能耗109kJ
材料名称单位材料数量材料能耗材料名称单位材料数量材料能耗
水泥t19911.79碎石 t175000.35
锯材t1310.07铸铁管t1091.65
钢材t28410.2钢管t853.07
砂 t73000.07闸阀t381.07

　　3.1.2建筑施工能耗清单

　　施工能耗可根据施工面积（3968m2）以及单位面积的施工能耗［2］进行计算，见表4。
表4建筑施工单位能耗/(kJm-2)
序号项目单位能耗序号项目单位能耗
1场地清扫100008人员运输459930
2材料堆放52209材料运输198740
3起重机运行3975010卫生与采暖 4540
4场地布置5224011铺设屋面1140
5基础开挖2726012绿化2270
6土方挖填 1703013临时供电22650
7空气压缩机227014合计1328000

　　3.1.3建筑材料运输能耗清单

　　建材运输能耗可根据各方案的建材消耗量、运输里程及其运输单耗［2］进行计算。其中建筑材料运输里程平均取20km，运输单耗为 1836kJ/t.km。

　　3.2运行阶段能耗

　　3.2.1处理运行能耗

　　厌氧水解法处理工艺采用穿孔管和微孔两种曝气方式时的运行能耗清单见表5
表5厌氧水解法运行能耗清单
序号处理单元厂内能耗/(106kJd-1)序号处理单元厂内能耗/(106kJd-1)
1污水提升4.757二沉池0.10
2预处理0.408消毒0.23
3厌氧水解池 0.109污泥浓缩0.05
4曝气池A9.10/B17.7210污泥脱水0.56
5回流泵0.9811卡车运输0.31
微孔曝气运行能耗合计（A）：16.58×106
穿孔管曝气运行能耗合计（B）：25.20×106〖HJ〗

　　3.2.2运行材料间接能耗清单

　　依据有关文献［2］，运行药剂的比能耗为①消毒剂Cl2间接比能耗为4.4kW.h/kgCl2；②污泥调理剂石灰间接比能耗为66kW.h/t干泥；⑶FeCl3投加量间接比能耗为55kW.h/t干泥；由此可计算出厌氧水解法运行材料的间接能耗。