对不同污泥处理方案的生命周期评价外文翻译资料

 2022-08-14 15:56:31

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对不同污泥处理方案的生命周期评价

摘要：在欧洲的具体环境下，研究者采用LCA（生命周期评价）的方法以比较五种不同的污水污泥处理方法的环境影响。方案包括了一个主要过程（焚烧，施加在农田或者填埋在垃圾填埋场），一个稳定化过程（石灰稳定法，堆肥法或者厌氧消化）以及污泥的运输过程。文献中的平均数据，真实的场地数据以及模拟结果都被用于完成生命周期评价。环境影响的指示方法是通过在对照组中西欧人均超过一年的贡献量而被标准化的，以便于更好地理解其相对的影响大小。最终对标准化的结果进行加权计算以便于给用于比较的生命周期评价一个总计结果，并且对权重因子进行了敏感性分析。本研究展示了厌氧消化以及施用在农用地这两种方法的结合对于环境最为友好，因为它们产生了最少的排放量以能量消耗最低。对人体健康以及生态环境毒性最大的物质是重金属，它们来自于焚烧产生的废气和被施加在农田中的污泥。最后，还需要合适的工具对非点源污染进行控制，比如拉架填埋场产生的甲烷气体和机动车的尾气。

关键词：污泥；污泥处置；环境影响；LCA

1绪论

污泥处置的管理方法被认为是仅次于主要的污水处理路程的第二大问题。但是从近几年来看，由于日益增长的污泥产量以及对其处置方法的法律法规不断完善，污泥处置已经成为了重要的污染控制目标之一。在1997年，法国产生了85000吨（干重）的污水污泥。据估计在2005年，在法国，污泥的产量将会增加40-45%，并且欧洲将会产生7百万吨的污泥 （Andre，1994）.除此之外，集中化的垃圾填埋场填埋要求使得对现有的污泥处置方法进行改进变得十分必要。

在这样得条件下，在几种可选的污泥处置方法中评价哪一种方法更加可持续就很有价值。可持续的管理方法意味着提高资源使用效率，保护戏院并且减少污染排放量。LCA（生命周期评价）（Guinee 等 2000 年）是一种可持续的工具，它可以对受调查系统中的资源消耗量以及环境排放量进行定量计算并且给出总体的评价。因此，我们在本研究中，仅仅通过环境保护的角度，利用LCA来评价几种主要污泥处置方法的可持续性。

根据污泥在污水处理厂的产生过程，污水污泥总的来说被分为是来自初沉池或者化学

沉降的初次污泥，来自于生物处理池的二级污水污泥来（活性污泥），初级污泥与二级污泥的混合污泥以及来自三级污水处理厂的三级污泥。这篇论文的研究对象是混合污泥，它是在中小型污水处理厂最主要的污泥种类。

2 研究目标与研究范围

研究的的目的是评价不同污泥处理方案，再欧洲环境下的运行过程中，它们的能源消耗，污染物排放以及它们产生的环境影响后果。最后的研究结果会表明哪一种方法更为有利或者是最好的，并且会给决策者一些有用的信息。

功能单元是LCA评价方法的基本单元，它被定义为来自于法国市政污水处理厂的干重为1吨的混合污泥。干污泥中挥发性物质的平均质量分数是72%。

系统边界设定如下：

次级材料的消耗以及设施的建设，它们产生的环境影响没有被考虑到系统中，因为它们的影响相对于长达30年的运行时间来说是微不足道的。

焚烧以及厌氧消化产生的热能被用于加热反应器或者进口端的污泥。 在大多数地区，这是真实的操作条件。针对来自垃圾填埋场的甲烷的处理系统没有被考虑在内，避免本研究的系统扩大。

针对施加于农田的污泥的平均运输距离是40km，运输到垃圾填埋厂的污泥的平均运输距离是20km。焚烧厂就在污水处理厂的地区运行。这样定义是为了避免市场经济的影响因为运输距离在法国是存在市场竞争的。

污泥处置过程中产生的废液和废气将会被排放到污水处理厂或者臭气控制系统。它们的细节没有被包含在本研究中，是为了避免在特殊部分不平衡的系统扩大。

污泥处置系统总的来说由以下几个步骤组成：压实，脱水，稳定化以及主要处置过程。为了建立几种污泥处置的备选方案，我们首先在每一个处置步骤中选择处理单元，它们是已经在场地内被充分利用或者在未来将被充分利用（见表1）。然后，我们定义了五个处置方法并且选择在每一个步骤选择一个单元并且再将他们结合起来（见图1）。在处置方案的第一步，污泥体积通过压实和脱水而被缩减，除了厌氧消化方法需要较高的水分以外。本文选用了重力带浓缩和压滤，因为这两种方法最适合相对密度不高的混合污泥。第二步，污泥通过石灰稳定法，堆肥，厌氧消化或者焚烧中的一种方法进行稳定化。最后，固体残留物将被填埋在垃圾填埋场或者施加在农田里。

我们选择了在法国使用频率最高的方法，并且定义了五种处置方案。然后，我们利用不同的数据来源来核算能量守恒与质量守恒。这些数据合并的方法可能看起来比较模糊但是对于这个模拟的系统而言是必不可少的。我们从文献中选取了消耗材料以及处理效率的平均值，

表2.1 污泥处理过程

处理步骤

处理单元

备注

浓缩压实

重力浓缩

污泥脱水

压力过滤

污泥稳定化

石灰稳定

污泥堆肥

厌氧消化

熟石灰

主要处置过程

焚烧

施用在农田

填埋场填埋

流化床焚烧

固态污泥

市政废物的二级标准

图 2.1 污水污泥处置方案

并且未知的污染物排放量来自于法国的相关法规，基于理论上的化学方程式，我们还计算了固体残留物的量以及来自于焚烧和填埋过程中的大气污染物排放量。

3 环境影响源头分析

首先，我们在每一个处理单元中，基于输入1kg干重的污泥，建立了质量能量守恒。然后，我们对每一个方案建立了储库。本节接下来的内容就是具体介绍我们如何为每一个处理单元建立了质量能量守恒

3.1 预处理

经过了重力浓缩，脱水，以及压滤脱水后，污泥中的干物质质量比可以达到26%。20千瓦时的电量以及4千克的高聚物在重力浓缩的过程中被消耗，40kw/h的电量以及5kg的高聚物在压滤脱水的过程中被消耗（OTV，1997）。

3.2 石灰稳定化

200千克的生石灰被加入到1kg干重的污泥中，并且干物质的质量比从26%提升到31%。5kw/h的电量被用于提升和混合污泥（OTV，1997）。

3.3 堆肥

在堆肥的过程中，大约45%的挥发分（每吨干污泥含有324kg的挥发分）被降解为二氧化碳，水，氨气。大部分的氨气在除臭设备中被氧化后转化为硝酸盐。残留固体物质的干重质量比提高到60%以上。该过程消耗的最重要两种能源：电能主要用于通风，大约每千克干重污泥消耗30kw的电能，柴油主要用于驱动设备大约每千克干污泥消耗8.4kg柴油 （OTV，1997）。

3.4 厌氧消化

在厌氧消化的过程中，大约48%的挥发分（每吨干污泥含有346kg的挥发分）被降解为气体。产生的气体中包含了3分之2的甲烷以及3分之1的二氧化碳，标准状态下密度为1.13kg/m3. 固体残留物的干重质量比变为25%。每千克干重污泥大约消耗50-100kw/h的电能，被用于搅动和鼓气（OTV，1997）

3.5 消耗柴油产生的排放

由于消耗柴油产生的大气污染物排放量基于BUWAL的数据进行计算（瑞士环境保护部）（OFEFP，1998）。排放产生的微量气体例如苯，锌，铅，镉不计算在内。

3.6 污泥存放

在下次污泥处置之前，存放脱水以及稳定化的污泥十分有必要。例如，焚烧或者施加在土地的方法。泵，螺丝，传送带，提取器等机械会被用于补充以及运出仓库的污泥。每千克干重污泥将会消耗58.5kw/h的电量（Schierhol，1998）

3.7 焚烧

几乎所有的挥发分（每吨干污泥含有720kg的挥发分）会被燃烧耗尽，其他每千克干污泥289千克的无机成分会以底部灰烬的形式残留。底部灰烬和来自排出气的飞灰将会被填埋在垃圾填埋场。气态以及颗粒状排放物将会通过静电除尘器和湿法除尘器联合系统进行控制。我们得到能源和材料库存结果，并且用它调控实验室中电脑的模拟结果（Charlin。1999）。用于焚烧过程和排出气体处置的能源经净损耗是265kw/h每千克干污泥（OTV，1997）

3.8填埋

垃圾填埋场中最主要的排放物是垃圾渗滤液和填埋气。获得填埋污泥产生的排放量的经验数据在实际操作中是不可能的，因为污水污泥总是同其他的市政固体废物（MSWs）一同填埋在垃圾填埋场中。因此，基于一般的市政固体废物填埋场，我们只计算需要的数据。

最终排放到水体中的污染物如垃圾渗滤液，它们的浓度数据来自于法国相关的环境法规（Arrecirc;teacute; du 1997年9月9日 市政废物填埋场垃圾渗滤液的处置的相关内容）中的极限值，因为不论垃圾渗滤液的产生过程是怎样的，他经过处理后的排出液应当符合相关的法规要求。基于市政废物垃圾填埋场的数据，我们还计算了每吨干污泥产生的2640L的垃圾渗滤液，年降雨量是480mm（法国的平均值），填埋深度20m，填埋了30年。最后我们得到了水体中排放量的定量结果，即经处理后的渗滤液的规定浓度与上述的垃圾渗滤液的量相乘。

至于垃圾填埋场的排放气，我们假设填埋污泥几乎按照每千克挥发分每30年产生0.3m3标准状态排放气的产气速率进行计算（Ehrig 1991）。60%的垃圾填埋气没有被有效收集（White ,1995）并且至少15%的填埋气体被表层土壤氧化（Gardner 等，1993）.因此，产生的填埋气中45%直接排放到了大气中。填埋气的组成被认为和厌氧消化的气体成分一致。被用于开拓和运行垃圾填埋场的电能和柴油的消耗量来自于一般的市政固体废物的处置中，能源消耗和污泥质量的线性关系。

3.9 施加在农田中

填埋在农田中的潜在性有毒有害物质一般包含了重金属，并与你，有毒有害有机微粒污染物以及过度的影响造成了更严重的水体污染。再经过污泥稳定化之后，重金属仍存在与污泥中，而病原体和卫星有机化合物会被消除。由于过度的营养物造成的污染可以通过最适宜的土地使用率被阻止。因此，我们在这里只讨论重金属污染产生的环境影响。我们采取法国环境法规中 （Arrecirc;teacute; du 1998年1月8日）污泥中重金属含量作为在农田中重金属的分布量。

3.10 运输

在所有的方案中，柴油卡车完成了全部的污泥运输工作。采用商品的重量来定量运输产生的能源消耗量是一种常用的方法。我们采取每千克污泥每千米消耗0.0635kg的柴油作为柴油的消耗量。

4 环境影响评价

源头产生的环境影响，如能源消耗和排放物，它们通过影响类别以及与每一个源头相关联的类别指标而被确定和表征。在表征之后，指标的结果通过对照的贡献量而被均一化，以便于更好的理解其相对程度。最后，均一化的结果使用经过敏感性分析的加权因子被加权计算以便于得到最后的比较性的生命周期评价结果。

截至目前，环境影响评价系统提出了几种环境评价的方法，我们使用的是SETAC/CEL（Guineacute;e 等., 2000; Udo de Hae 等, 1999）最近版本的环境影响评价方法。采用的影响类别包含了资源消耗，气候变化，对人体毒性，对淡水，海洋以及陆地生态系统的毒性，酸化，富营养化，和光催化氧化形成物。我们选取了100年间气候变化，对人类毒性以及生态毒性作为时间轴。本文使用的归一化因子是在西欧90年代人均产生的环境影响的定量结果。我们通过了10次尝试来研究权重因子的影响，将7个影响类别权重因子分别轮流乘以0.5或者 1（8次尝试）。给本地的影响如酸化，富营养化，以及氧化物的形成权重因子为0.5，给其他的类别权重因子1.0。最终，1.0仅仅给人类毒性，0.5给其他的类别。在所有尝试中，我们将三个生态毒理学影响结果除以三，以使它们的总和与其他的类别相同（Gorree等，2000）。

为了得到进一步的信息，我们引入了表征结果（或者指示结果）的不确定性以便于给决策者更多的信息。一个指示结果（ I ）是通过表征因子（ F ）如GWP（全球变暖可能性）和排放物质质量（ M ）来计算得到的。（ I=FM ）。然后，表征结果的不确定性（ I / I ）通过计算两个因子的不确定性只和来计算的（ I / I =F / F M / M ）。表征因子的不确定性，GWP 据统计一般是35% (Heijungs, 1992年)，PCOP（光化学氧化形成物可能性）是5%（Albritton 等., 1995），AP（酸化可能性）是5% (Derwent, 1996)。 其他表征因子的不确定性没有被提出。我们通过我们的经验估计与质量相关的测量中，气体的不确定性有15%，固体和液体的不确定性有10%。

5结果和解释说明

图二表明了在每一个方案在每一个影响类别中的指示结果。其中对资源消耗形象最大的是方案3，在方案3中，由于交通工具需要运输最大量的污泥到农田中，所以消耗了最多的柴油。方案1和方案2以分别以焚烧与垃圾填埋场作为主要的处理步骤，对于气候变暖的影响最大由于其较好的二氧化碳或者甲烷排放量。特别的一点是，在垃圾填埋场中，没有经过收集甲烷，它对环境的影响比同样来自于填埋场排放的二氧化碳要更大。

由于重金属

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