普通生物滤池处理工艺的生命周期能耗分析

吴敏 杨健
（同济大学）

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。根据统计资料_[1]，我国每生产1度电产生7.23kg的各类污染物，见表1.1。

表1.1 每生产1度电的各类污染物排放量 名称 污染物名称 数量（kg） 名称 污染物名称 数量（kg） 大气污染物 一氧化碳CO 0.081 水污染物 冲灰渣水 2.454 二氧化碳CO₂ 0.631

固体废物 废石、尾矿 0.578 碳氢化合C_nH_m 0.032 粉煤灰 0.147 氮氧化物No₂ 3.180 炉渣 0.017 二氧化硫SO₂ 0.110 合计 7.230

　　因此，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。普通生物滤池法（下文简称滤池法）在英美等发达国家运用十分广泛，具有对污水水质水量适应性较强、污泥产量较低、易于维护和节约能耗的优点，对我国中小型城镇的污水处理亦具有良好应用前景。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的角度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）方法对滤池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，可针对滤池法“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。滤池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1.1所示。

2　目标与范围

2.1 LCA能耗分析对象
　　本文以拟建于上海市郊的滤池法处理系统作为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、生物滤池、二沉池、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。其主要工艺参数根据《室外排水设计规范》GBJ14-87，见表2.1。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2.1 普通生物滤池法主要工艺参数

（1）生物滤池有机负荷0.19公斤BOD₅/m³.日，水力负荷3.0 m³/m².日，滤床有效高度1.7米；

（2）二沉池停留时间2.0小时，表面负荷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）生物滤池系统处理效率：BOD₅去除率81.3%，COD去除率66.7%。

2.2 LCA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10000吨/日作为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中滤池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3.5-4.2米，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，无霜期平均为225天，年降水量平均为1045毫米，年照平均为1960小时，全年主导风向为东南风，年平均风速为3.7米/秒。
2.5 处理系统进出水水质

表2.2 城镇污水进出水水质（mg/l） 污染物指标 BOD₅ CODcr ss 氨氮 进水浓度 200 500 200 30 出水浓度 30 120 30 25

2.6 LCA分析方法
　　本文采用ISO14040标准《生命周期评价-原则与框架》和ISO14041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　能耗分析清单

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）建筑施工直接能耗和（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 = 11080 kJ。
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_[2]计算出滤池法的建筑材料数量，然后可根据其消耗量及该类建材单位生产能耗_[3]计算得出建筑材料生产能耗，分别列于表3.1。

表3.1 滤池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 吨 1722 1.55 碎石 吨 15137 0.30 锯材 吨 113 0.06 铸铁管 吨 94.3 1.42 钢材 吨 246 8.9 钢管 吨 73.8 2.66 砂 吨 6314 0.06 闸阀 吨 32.8 0.92 碎石填料 吨 31460 0.63 合计 16.46

3.1.2建筑施工能耗清单
　　施工能耗可根据施工面积（8843m² ）以及单位面积的施工能耗_[3]进行计算，见表3.2。

表3.2 建筑施工单位能耗（kJ/m²） 序号 项目 单位能耗 序号 项目 单位能耗 1 场地清扫 16480 8 人员运输 367940 2 材料堆放 4180 9 材料运输 158990 3 起重机运行 31800 10 卫生与采暖 3630 4 场地布置 41790 11 铺设屋面 910 5 基础开挖 21810 12 绿化 1820 6 土方挖填 13630 13 临时供电 18120 7 空气压缩机 1820 14 临时耗热 379080

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_[3]进行计算。其中建筑材料运输里程平均取20公里，运输单耗为1836 kJ/t.km。
3.2运行阶段能耗
3.2.1处理运行能耗
　　滤池法处理工艺的运行能耗清单见表3.3。

表3.3 滤池法运行能耗清单（10⁶kJ/d） 序号 处理单元 厂内能耗 序号 处理单元 厂内能耗 1 污水提升 5.89 5 消毒 0.23 2 预处理 0.40 6 污泥脱水 0.76 3 初沉池 0.10 7 卡车运输 0.42 4 二沉池 0.10 8 合计 7.90

3.2.2 运行材料间接能耗清单
　　依据有关文献_[3]，运行药剂的比能耗为：
　　消毒剂Cl₂间接比能耗为4.4 kW.h/kg Cl₂；
　　污泥调理剂石灰间接比能耗为66 kW.h/t干泥；
　　F_eCl₃投加量间接比能耗为55kW.h/t干泥；由此可计算出滤池法运行材料的间接能耗。
3.3 拆除阶段能耗
　　本阶段的能源消耗主要与进行拆除作业的机器设备有关，主要包括：拆除作业能耗和复土、填充材料运输能耗两部分。根据有关文献，拆除能耗按建设能耗的90%计算；复土、填充材料运输能耗则按照施工面积、复土填充平均深度（1.5米）、复土填充材料平均比重（2.0）和平均运输里程（2.0公里）进行计算。
3.4 生命周期能耗
　　滤池法和作为对照的普通活性污泥法工艺LC各个阶段的能耗构成清单见表3.4。

表3.4 两种工艺LC能耗清单（10⁶ kW.h） 序号 名称 普通法 滤池法 1 建材生产 1.74 1.49 2 建设施工 0.51 0.85 3 材料运输 0.10 0.18 4 建设阶段 2.35 2.52 5 运行材料 4.09 3.91 6 处理运行 A 13.02

B 20.79 5.21 7 运行阶段 A 17.11

B 24.88 9.12 8 复土运输 0.01 0.01 9 拆除施工 0.45 0.76 10 拆除阶段 0.46 0.77 11 LC能耗 A 19.92

B 27.69 12.41

注：本表中A采用微孔曝气，B采用穿孔管曝气。

4　LC能耗分析

4.1 LC能耗的相对构成
　　滤池法的生命周期能耗由原材料开采加工、污水厂建设施工、处理运行和废弃拆除等阶段的能耗组成，其中处理运行能耗占42.0%，材料能耗占43.5%。值得注意的是该工艺的材料能耗（包括建筑材料和运行材料）超过了运行能耗，成为耗能最多的环节。处理运行能耗次之，成为排位第二的耗能环节。形成对照的是普通活性污泥法工艺耗能最主要的环节是运行能耗，约占该工艺LC能耗的65%-75%，而材料能耗仅占21.1-29.3%。
　　从表3.4还可看出，滤池法在建设阶段和拆除阶段的能耗均超过了普通活性污泥法，但运行阶段的能耗则大幅度低于普通活性污泥法。
4.2 LC能耗的比较
　　从两种工艺LC能耗的相对比较可以看出，滤池法的LC能耗大幅度低于普通活性污泥法，在微孔曝气条件下可节能37.7%，在穿孔管曝气条件下可节能55.2%。滤池法LC能耗较低的最重要原因在于大幅度降低了运行能耗（仅为普通活性污泥法的25.1-40.0%），除了抵消建设阶段和拆除阶段的能耗较多之外，使LC总能耗水平仍比普通活性污泥法大幅度节省。
4.3 比能耗分析
　　处理系统的比能耗指其单位能耗BOD₅降解量。污水处理过程中进水BOD₅总量部分被降解，部分随尾水排放，部分以污泥的形式排出。因此，污水处理过程中实际被降解的BOD₅数量应为进水BOD₅总量减去尾水和污泥排放的BOD₅数量。
　　从表4.1可看出，滤池法进水BOD₅ 经处理后41.4 %转化为污泥，14.0 %随尾水释放环境，44.6%实现了降解。与普通活性污泥法相比，滤池法实际降解量略高一些，主要体现在其产泥量较低，污泥BOD₅ 量较少。一方面由于LC能耗较低，另一方面由于污泥BOD₅量较低，滤池法的比能耗为0.53 kg BOD₅/kW.h，比普通活性污泥法大幅度提高71.0-140.9%。从可持续发展的角度进行分析，生物滤池法能效较高不仅意味着大幅度降低了运行费用，更为重要的是关系到能源资源的可持续利用以及大幅度减少了能源生产过程所产生的环境污染问题。因此，就能耗以及能源生产过程所排放的环境污染物而言，生物滤池的“清洁性”和“绿色性”明显优于普通活性污泥法。

表4.1 比能耗的比较（kg BOD₅ /kW.h） 序号 项目 普通法A 普通法B 滤池法 1 进水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节能措施完善化分析
　　根据LCA分析结果，构成滤池法LC能耗的首要环节是建筑材料和运行材料的生产能耗。因此改进普通生物滤池的填料种类，提高滤池的污水和污泥处理效果，减少滤池的污泥产量将是减少其材料能耗的主要方向。其次，滤池法运行能耗的节能措施包括对污水提升系统和药剂投配系统计算机自动控制措施。通过计算机优化控制污水提升泵的开启和关闭可使提升泵在最佳效率下工作。污水处理的药剂也是一笔相当可观的间接能源费用，通过计算机回路控制可最大程度地减少药剂耗用量。
　　由于滤池法进水BOD₅ 经处理后41.4 %转化为污泥，如果不对其进行降解处理，势必影响到滤池法比能耗的进一步提高。由于污泥稳定过程回收的能源往往高于所消耗的能源_[3]，因此滤池法产生的大量污泥进行稳定化处理可大幅度减少污泥BOD₅量，提高处理系统的BOD₅降解量，从而使滤池法的比能耗进一步得到提高。

5　结语

　　（1）生物滤池法的生命周期能耗由原材料开采加工、污水厂建设施工、处理运行和废弃拆除等阶段的能耗组成，其中建筑和运行材料能耗占43.5%，处理运行能耗占42.0%。材料能耗超过了运行能耗，成为耗能最多的环节。
　　（2）生物滤池法的LC能耗大幅度低于普通活性污泥法，在微孔曝气条件下可节能37.7%，在穿孔管曝气条件下可节能55.2%。生物滤池法LC能耗较低的最重要原因在于大幅度降低了运行能耗，仅为普通活性污泥法的25.1-40.0%。
　　（3）由于LC能耗和产泥量较低的原因，滤池法的比能耗达0.53kg BOD₅ /kW.h，比普通活性污泥法大幅度提高71.0-140.9%。就处理能效及能源生产污染物而言，生物滤池的“清洁性”和“绿色性”大幅度优于普通活性污泥法。
　　（4）改进生物滤池的填料种类、提高滤池的污水和污泥处理效果、减少滤池的污泥产量和优化运行控制已成为进一步提高其LC能效的重要途径。

参考文献

　　1胡名操：《环境保护实用数据手册》，机械工业出版社，北京，1990年4月出版，P65，P360；
　　2上海市建设工程定额管理总站：《上海市市政工程工程估算指标》，同济大学出版社,上海，1999年10月出版，P649-652，P853；
　　3 W.F.OWEN：《污水处理能耗和能效》，能源出版社，北京，1989年12月出版，P23-24，P113-114；
　　4刘江龙：《环境材料导论》，冶金工业出版社，北京，1999年7月出版，P2，P16；