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為了減少溫室氣體排放并促進(jìn)資源回收，歐美不少污水處理廠都在進(jìn)行升級(jí)改造，以實(shí)施能源、營養(yǎng)物和碳回收的新技術(shù)。聽上去這是一件很值得做的事情，但其潛在的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)影響究竟如何呢？因?yàn)檎嬲瓿少Y源回收轉(zhuǎn)換的污水廠并不多，這方面的文獻(xiàn)也比較欠缺，為數(shù)不多的文獻(xiàn)研究大多也是基于模擬而不是實(shí)際數(shù)據(jù)得出的推斷結(jié)果。
最近，以丹麥技術(shù)大學(xué)(Technical University of Denmark)為主的團(tuán)隊(duì)，基于實(shí)際數(shù)據(jù)，對(duì)丹麥?zhǔn)锥几绫竟囊蛔呀?jīng)實(shí)現(xiàn)資源回收的污水廠進(jìn)行了評(píng)估，其結(jié)果發(fā)布在IWA期刊《Water Research》中。
圖：丹麥Aved?re資源回收工廠 | 圖源:BIOFOS
丹麥的資源回收工廠
丹麥的污水資源回收走在行業(yè)前列，例如哥本哈根的水務(wù)公司BIOFOS在2017年就推出了名叫VARGA的項(xiàng)目，目標(biāo)是將旗下的Aved?re污水廠升級(jí)轉(zhuǎn)化為資源回收工廠(WRRF)。目標(biāo)是在2025年前全面實(shí)施污水的資源化利用。
圖：VARGA項(xiàng)目位置圖 | 圖源：projekt-varga.dk
這座污水處理廠的設(shè)計(jì)規(guī)模為40萬人口當(dāng)量，實(shí)際處理規(guī)模約為27萬人，年處理量約2700萬立方米。它有一系列的創(chuàng)新技術(shù)，包括：
對(duì)原水進(jìn)行預(yù)過濾和初沉污泥的濃縮，提高有機(jī)質(zhì)的碳回收，這能提高甲烷的產(chǎn)量，降低污水處理的能耗
實(shí)時(shí) N2O 控制、減少曝氣過程的溫室氣體排放
污泥灰渣的電解磷回收
脫氮能耗的優(yōu)化
通過加氫升級(jí)生物沼氣生產(chǎn)工藝
通過有機(jī)廢棄物分類和協(xié)同消化提高沼氣產(chǎn)量
在這次研究里，丹麥人將生命周期評(píng)估(life cycle assessment，簡(jiǎn)稱LCA)和經(jīng)濟(jì)評(píng)估相結(jié)合，對(duì)Avedore資源回收工廠上述的創(chuàng)新技術(shù)進(jìn)行量化評(píng)測(cè)。他們想通過這次研究回答以下四個(gè)重要問題：
污水處理廠向資源回收工廠 的轉(zhuǎn)變?cè)诃h(huán)境和經(jīng)濟(jì)上是否具備可持續(xù)性？
會(huì)影響哪些利益相關(guān)者，污水廠改造后他們的經(jīng)濟(jì)價(jià)值將會(huì)如何改變？
環(huán)境和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)的資源回收工廠的主要熱點(diǎn)和不確定性在哪里？
環(huán)境和經(jīng)濟(jì)影響之間或不同環(huán)境類別之間是否存在取舍？
如下表所示，他們?cè)O(shè)定五種循序漸進(jìn)的污水廠改造方案，包括：
五種方案的細(xì)節(jié)可以參考下表：
為了便于LCA分析，他們將污水處理系統(tǒng)分為前端和后端兩部分。如下圖所示，前端工藝包括污水的進(jìn)水和處理、污泥管理、出水排放和各種創(chuàng)新技術(shù)。后端工藝則包括和污水廠直接相關(guān)的上游外部流程，即電力和熱力、原材料需求和化學(xué)品，還包括新的替代方案下產(chǎn)生的下游產(chǎn)物，例如天然氣、熱力、化學(xué)品、硅砂、磷酸鹽底物和人工肥料等。
圖：水資源回收工廠 (WRRF) 的主要系統(tǒng)組成及邊界設(shè)定（WP：實(shí)施不同資源回收技術(shù)的工作包）
經(jīng)濟(jì)評(píng)估方面，他們通過利益相關(guān)者關(guān)系的繪制來闡明污水廠的資金流向，見下圖。并參考國際標(biāo)準(zhǔn)《產(chǎn)品系統(tǒng)的生態(tài)效益評(píng)估原則、要求和指南》（ISO 14045: 2012），用經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來定義價(jià)值創(chuàng)造，把總增加值 (TVA)作為衡量經(jīng)濟(jì)影響的指標(biāo)。
如下公式所示，作者們列出了四個(gè)利益相關(guān)者，分別是水用戶(VA-Water User)、污水運(yùn)營商(VA-Wastewater Operator)、磷回收公司(VA-P-recovery Company)和政府(VA-State)。每個(gè)替代方案的TVA值都是四者的TVA值之和。
其中，水用戶的經(jīng)濟(jì)價(jià)值定義為每個(gè)替代方案的預(yù)期污水費(fèi) (EWWF) 與實(shí)際污水費(fèi) (AWWF)的差值。
根據(jù)成本完全回收原則，污水處理運(yùn)用商的VA值為零。磷回收公司的VA是利潤(營收-CAPEX-OPEX)。政府的VA是填埋稅費(fèi)+排污稅費(fèi)。
這個(gè)污水廠每年大約處理2700萬立方米的污水，其中COD、TN和TP的污染負(fù)荷分別為16484噸/年、1300噸/年、193噸/年。總氮變氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化率約為77%。
在常規(guī)處理方案里，大概有2.6%的總氮轉(zhuǎn)化成N2O-N，大部分是在硝化/反硝化的過程中釋放的。這個(gè)數(shù)值已經(jīng)遠(yuǎn)高于國際氣候組織IPCC在2019年建議的1.6%的限值。
他們的數(shù)據(jù)顯示 ，N2O的實(shí)時(shí)控制能更有效的將這個(gè)數(shù)值降至1.6%。
側(cè)流厭氧氨氧化，一方面雖然能用更少的能耗去除廢水的氮負(fù)荷，但也增加了N2O的排放，研究表明，厭氧氨氧化去除的TN有2%-8%轉(zhuǎn)化成N2O。他們估計(jì)配置了側(cè)流Anammox的資源回收工廠，TN→N2O的轉(zhuǎn)化率約為1.7%，另外還有17%的TN轉(zhuǎn)移到污泥中，有8%的TN留在出水中。
表. 各種工藝中TN/TP/COD的去向分布
另一方面，93%的總磷轉(zhuǎn)移到污泥灰渣，之前一般是作填埋處理。磷回收技術(shù)能回收灰渣中95%的磷含量，約171噸/年。
而一般的甲烷回收技術(shù)方案里，34%的COD轉(zhuǎn)化成能量，如果增加預(yù)過濾技術(shù)，可以有額外的8%的COD進(jìn)入?yún)捬跸到y(tǒng)。
那這些替代方案的環(huán)境影響表現(xiàn)如何呢？如下圖所示，N2O的實(shí)時(shí)控制、生物沼氣升級(jí)和預(yù)過濾可以減少氣候變化和化石資源枯竭的影響。其中：
實(shí)施N2O 實(shí)時(shí)控制能減少40%的N2O排放量，氣候變化 (CC) 對(duì)削減量的影響最高（可減少35%），但對(duì)其他環(huán)境類沒有顯著影響；
因?yàn)樯镎託馍?jí)替代了天然氣的消費(fèi)和生產(chǎn)，有助于平衡直接和間接的氣候變化影響；
污泥灰渣處理的主要優(yōu)勢(shì)在于磷的高回收率（95%），通過替代磷酸二氫鈣的常規(guī)生產(chǎn)提高 LCA 表現(xiàn)；
預(yù)過濾雖然一方面能減少13%的氣候變化影響，但對(duì)其他方面的影響程度卻有所增加；
加強(qiáng)側(cè)流脫氮雖然可減少14%的富營養(yǎng)化影響，但因?yàn)橛袧撛诘腘2O釋放，使氣候變化影響增加了 12%。
經(jīng)濟(jì)影響
在經(jīng)濟(jì)影響方面，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，除了N2O的實(shí)時(shí)控制外(僅有助減少0.2%的成本)，其他替代方案雖然改善了環(huán)境，卻都增加了經(jīng)濟(jì)成本。他們認(rèn)為，這結(jié)果說明了大型污水處理廠如果想在未來幾年里升級(jí)為資源回收工廠，需要在環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益之間有所取舍。
小結(jié)
丹麥的這次研究表明，污水廠的資源回收之路面臨著利弊共存的事實(shí)——并不是所有的技術(shù)都能提升環(huán)境效益。與基線方案相比，盡管所有考察的改造方案都增加了項(xiàng)目的投資成本和運(yùn)營成本，但所有替代方案都顯示出正的附加經(jīng)濟(jì)價(jià)值（0.18-0.23歐元/m3），
他們認(rèn)為這次研究的結(jié)果將幫助相關(guān)決策者在對(duì)污水廠進(jìn)行升級(jí)時(shí)，能在環(huán)境和經(jīng)濟(jì)成本考核方面更好的權(quán)衡取舍。
另一方面，作者們認(rèn)為為了更好地揭示實(shí)施污水資源回收的綜合效益，在未來的研究中，他們會(huì)考慮考察非市場(chǎng)價(jià)值等指標(biāo)的影響。
若想了解他們具體的評(píng)估和計(jì)算細(xì)節(jié)，可點(diǎn)擊微信最下方“閱讀原文”，或訪問以下網(wǎng)址查閱原文：
From wastewater treatment to water resource recovery: Environmental and economic impacts of full-scale implementation, Water Research 204 (2021) 117554,
https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.117554
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