摘要：地下式污水處理廠建設(shè)近年在我國興起，且有擴(kuò)展之勢。地下污水廠地表可形成的景觀環(huán)境直觀、易覺，這就使污水處理廠可與景觀環(huán)境建設(shè)合二為一的說法盛行。反觀更加缺地的歐洲、日本等地，地下污水處理廠其實(shí)并不多見，讓人不免心生疑竇。因此，以國內(nèi)某全地下式污水處理廠為研究實(shí)例，并以相同工藝的地上式污水處理廠作為對比參照物，通過全生命周期環(huán)境影響評價（LCIA）、全生命周期成本（LCC）評價及全生命周期生態(tài)效益（LCEE）評價3種方法分別對地下污水處理廠進(jìn)行全方位影響評價，最后將3種評價結(jié)果歸一化為全生命周期綜合影響（LCCI）評價。結(jié)果顯示，地下式污水處理廠在環(huán)境影響、基建投資、生態(tài)效益三方面的綜合負(fù)面影響較地上式要高出約20%。雖然地下污水處理廠地表園林景觀會產(chǎn)生一定生態(tài)效益，但這并不能“中和”其環(huán)境影響以及基建投資所產(chǎn)生的負(fù)面效益。因此，地下式污水處理廠建設(shè)并非優(yōu)選方式，需要因地制宜，選址要特別慎重。

作者簡介：郝曉地（1960-），男，山西柳林人，博士，教授，從事市政與環(huán)境工程專業(yè)教學(xué)與科研工作，主要研究方向?yàn)槲鬯�生物脫氮除磷技術(shù)、污水處理數(shù)學(xué)模擬技術(shù)、可持續(xù)環(huán)境生物技術(shù)�，F(xiàn)為國際水協(xié)期刊《Water Research》區(qū)域主編（Editor）。

01 評價方法

本研究針對地上式與地下式兩種污水處理廠建設(shè)模式，分別采用全生命周期環(huán)境影響（LCIA）、全生命周期成本（LCC）與全生命周期生態(tài)效益（LCEE）3種方法進(jìn)行評價。然后，將3種評價結(jié)果進(jìn)行歸一化與無量綱化，得出污水處理廠全生命周期綜合影響（LCCI）指標(biāo)，以比較兩種建設(shè)模式在投入產(chǎn)出以及綜合生態(tài)環(huán)境效益方面之優(yōu)劣。

1.1 評價范圍

研究評價時限覆蓋污水處理廠建設(shè)、運(yùn)行與拆除3個階段；評價范圍為自污水處理廠進(jìn)水至出水，并包含污泥處理過程。

選擇我國廣東某地一座代表性全地下式污水處理廠的實(shí)際數(shù)據(jù)并結(jié)合文獻(xiàn)參數(shù)進(jìn)行評價。該廠廠區(qū)占地面積為1.83×10⁴㎡、建筑面積為2.21×10⁴㎡，采用兩層全地下式結(jié)構(gòu)設(shè)計；處理規(guī)模為10×10⁴m³/d，采用A2/O+MBR處理工藝，水力停留時間（HRT）為7.43 h；出水水質(zhì)執(zhí)行國家一級A標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)不達(dá)標(biāo)時需向曝氣池投加液體硫酸鋁予以化學(xué)除磷；污水處理廠服務(wù)年限為20年。MBR膜組件使用酸、堿和次氯酸鈉溶液清洗。污泥經(jīng)機(jī)械脫水后，折合產(chǎn)生干污泥12 t/d。本研究僅討論污水處理廠構(gòu)造模式，作為比較的地上式污水處理廠工藝流程與地下式完全相同，占地面積等信息亦相同，建造形式如圖1所示。評價功能單位（FU）設(shè)定為每人每年平均排放污水量在處理過程中所產(chǎn)生的各種影響，即1 FU=1 PE·a。案例研究采用人均污水排放量為0.1 m³/d。

1.2 LCIA評價

LCIA是定量分析產(chǎn)品或生產(chǎn)工藝對環(huán)境影響的客觀評價方法，其目的在于辨識并量化能源與物質(zhì)消耗對環(huán)境造成的影響，并以此為依據(jù)進(jìn)行積極調(diào)整，尋求最低環(huán)境影響方案。

本研究采用LCIA方法對污水處理廠產(chǎn)生的環(huán)境影響進(jìn)行評價，評價目標(biāo)包括污水處理廠運(yùn)行中產(chǎn)生的直接環(huán)境影響以及物料與能源消耗伴生的間接影響；數(shù)據(jù)清單覆蓋污水處理廠全生命周期中所有物料、能源消耗及其污染物排放，包括污水、污泥處理過程中產(chǎn)生的直接排放以及建材、藥劑生產(chǎn)運(yùn)輸中涉及的資源/能源消耗所產(chǎn)生的間接排放。

環(huán)境影響評價方法依照國際環(huán)境毒理學(xué)與化學(xué)學(xué)會（SETAC）、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）及美國國家環(huán)保署（US EPA）等組織標(biāo)準(zhǔn)，按照分類、特征化和量化3個步驟分別進(jìn)行。

案例污水處理廠環(huán)境影響可劃分為：非生物資源耗竭潛能(ADP)、淡水資源消耗(FWU)、全球變暖潛能(GWP)、大氣酸化潛能(AP)、水體富營養(yǎng)化潛能(EP)、人體毒性潛能(HTP)、填埋空間消耗(LSD)、黑臭水體潛能(BOP)等8個子影響指標(biāo)。

1.3 LCC評價

LCC為統(tǒng)計分析產(chǎn)品在全部生命周期中所發(fā)生的總成本評價方法，可依照評價結(jié)果改善生產(chǎn)工藝與方法。本研究采用LCC評價方法分析案例污水處理廠的經(jīng)濟(jì)信息。

1.4 LCEE評價

LCEE是指自然或人造景觀生物系統(tǒng)在全部生命周期內(nèi)對人類生產(chǎn)、生活條件產(chǎn)生的有益影響，對其進(jìn)行量化分析，可以用來評價其可持續(xù)性與良性循環(huán)能力。地下污水處理廠將處理工藝主體置于地下，而地表部分所建園林景觀被視為最大優(yōu)點(diǎn)�？梢姡�在綜合評價地下式污水處理廠過程中，LCEE評價不可忽略。

在LCEE中，將景觀生態(tài)功能分為大氣調(diào)節(jié)、土壤調(diào)節(jié)、生物功能、生產(chǎn)功能與文化功能等5大類，如表1所示。分別針對每項(xiàng)生態(tài)效益進(jìn)行定量評價，再通過層次分析法（AHP）將結(jié)果統(tǒng)一為歸一化無量綱結(jié)果。

表1 生態(tài)效益分類

1.5 LCCI評價

LCCI是針對產(chǎn)品各方面影響與效益分別進(jìn)行評價后，將評價結(jié)果按照一定層次結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合的綜合評價方法。有別于LCIA等，LCCI不僅僅局限于單一層面，而是從多角度分析產(chǎn)品，客觀反映出產(chǎn)品在不同情景下的狀態(tài)與問題，以達(dá)到環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等多方面影響的和諧統(tǒng)一，避免因片面追求某一方面的優(yōu)良效果而降低整體價值。

本研究采用LCCI評價方法，把案例污水處理廠綜合影響評價結(jié)果作為總目標(biāo)，以LCIA、LCC、LCEE三方面評價結(jié)果作為子目標(biāo)層，將各評價指標(biāo)結(jié)果值以AHP法進(jìn)行權(quán)重計算、歸一化和無量綱化，以此獲得最終LCCI綜合評價結(jié)果（LCCI=LCIA＋LCC－LCEE）。設(shè)定LCCI結(jié)果正值表示對自然環(huán)境與社會產(chǎn)生了負(fù)面影響（如對環(huán)境排放污染物、耗費(fèi)資金等），而負(fù)值則是產(chǎn)生了一定正面效益（如景觀植被凈化空氣等）。

02 全生命周期環(huán)境影響評價（LCIA）

2.1 數(shù)據(jù)清單

案例地下式與地上式污水處理廠相關(guān)物質(zhì)數(shù)據(jù)清單見表2。其中，地下式污水處理廠采用實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，并依據(jù)其數(shù)據(jù)推算得到所對應(yīng)的地上污水處理廠基準(zhǔn)。表2顯示，在建設(shè)階段，因地下污水處理廠縱向空間設(shè)計布局，額外增加了開挖基坑與建設(shè)大型地下框架結(jié)構(gòu)的要求，所以所需建材與能耗遠(yuǎn)高于地上污水處理廠；在運(yùn)行階段，地下污水處理廠出水以及剩余污泥需要從地下提升至地表排放或處理，使污水處理單位能耗升高。此外，地下污水處理廠額外增添的照明與通風(fēng)設(shè)備也相應(yīng)增加了處理能耗；在拆除階段，巨大基坑需要掩埋填平，導(dǎo)致建筑垃圾量增加，亦使施工能耗相應(yīng)增加。

表2 案例污水處理廠LCIA評價主要影響物質(zhì)清單

2.2 特征化結(jié)果

案例污水處理廠LCIA特征化結(jié)果列于表3，各類環(huán)境影響占比如圖2所示。由于地下污水處理廠建設(shè)階段投入較大工程量，使其對環(huán)境影響，特別是在非生物資源耗竭（ADP）方面明顯高于地上污水處理廠；拆除階段所需工程量也相應(yīng)增大，導(dǎo)致拆除階段各類環(huán)境影響大大升高。此外，兩種污水處理廠在拆除階段都呈現(xiàn)出較大的ADP占比，這是因?yàn)镸BR工藝會增加拆除作業(yè)中的施工量，且會產(chǎn)生更多的建筑垃圾；運(yùn)行階段，因地下污水處理廠運(yùn)行能耗較高導(dǎo)致環(huán)境影響略有增加。顯然，地下污水處理廠在建設(shè)與拆除階段較之地上污水處理廠會產(chǎn)生更大的環(huán)境影響，而這些影響均體現(xiàn)在污水處理廠的外部結(jié)構(gòu)上，影響增大對核心的污水處理水平卻未帶來一絲益處。

2.3 歸一化結(jié)果及環(huán)境綜合影響

根據(jù)層次分析法，經(jīng)過統(tǒng)計分析后，得到歸一化矩陣：

基于此，案例污水處理廠環(huán)境影響歸一化計算結(jié)果見表4。最終計算得到，地下式和地上式污水處理廠的LCIA值分別為2.42和2.12。

以上結(jié)果表明，地下式污水處理廠產(chǎn)生的環(huán)境影響較地上式要大（影響增加14%），即對環(huán)境造成了更大的負(fù)擔(dān)，具有不可持續(xù)性。案例污水處理廠的環(huán)境影響主要集中在全球變暖潛能（GWP）、人體毒性潛能（HTP）與非生物資源耗竭潛能（ADP），而地下污水處理廠建設(shè)與拆除中大興土木，額外增加了材料、能源消耗導(dǎo)致這些影響增加，使LCIA值變大。

03 全生命周期成本評價（LCC）

若設(shè)備使用年限設(shè)定為10年，則生命周期中共需更新1次設(shè)備。計算可知，本研究采用的折現(xiàn)率為7.84%。維護(hù)費(fèi)用取固定資產(chǎn)的3%；管理費(fèi)用取運(yùn)行費(fèi)用與固定資產(chǎn)的15%。案例污水處理廠的全生命周期成本統(tǒng)計結(jié)果列于表5�？芍�，地下和地上污水處理廠的全生命周期總成本分別為39.81、32.43元/FU，地下污水處理廠比地上污水處理廠高出22.8%�？梢姡瑹o論在哪個階段，地下污水處理廠都需要投入較高的成本，不利于資金籌措、周轉(zhuǎn)與回報。

在總成本中，地下污水處理廠的建造費(fèi)用所占比例較大，約為地上污水處理廠的1.31倍（與實(shí)際工程情況相符），歸因于額外的地下空間開挖與構(gòu)筑。此外，地下污水處理廠運(yùn)行階段管理與維護(hù)費(fèi)用亦相應(yīng)增加，主要為照明、通風(fēng)系統(tǒng)以及污水、污泥提升所致。

案例地下污水處理廠的建設(shè)成本單價為4 910元/(m³·d-1)，地上污水處理廠為3 750元/(m³·d-1)，均遠(yuǎn)高于相同規(guī)模的普通二級污水處理廠的建設(shè)單價[1 471元/(m³·d-1)]。除地下污水處理廠額外地下空間開挖與構(gòu)筑、配套設(shè)施與設(shè)備安裝（占總工程費(fèi)用的23.5%）因素外，MBR工藝造價較高（占總工程費(fèi)用的20.1%）是另外一個原因。

04 全生命周期生態(tài)效益評價（LCEE）

4.1 生態(tài)效益分類與結(jié)果

地下式污水處理廠的園林景觀為精心設(shè)計打理的人造綠化景觀，可以認(rèn)為具有氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、空氣凈化、旱澇調(diào)節(jié)、水土保持、養(yǎng)分循環(huán)、休閑與文化等8個方面的生態(tài)效益，如表6所示。其中，休閑功能選取當(dāng)?shù)赜斡[收入情況進(jìn)行評價，但這并非指地上景觀會成售票公園景點(diǎn)，而只是借助其潛在游覽價值來表征居民對景觀綠地的抽象感受。

各評價指標(biāo)中所涉及的參數(shù)從相關(guān)文獻(xiàn)中獲得。其中，地上污水處理廠內(nèi)同樣可保留一定綠化面積；考慮到管理水平與植物密度均不及地下污水處理廠的園林景觀，故設(shè)定其單位面積內(nèi)的生態(tài)效益為地下污水處理廠地表園林的80%；此外，因地上污水處理廠綠地僅供員工休憩，其休閑價值按50%計，也不具備文化宣傳效果（相應(yīng)效益為0）。分析各項(xiàng)生態(tài)效益，結(jié)果列于表7。

4.2 生態(tài)效益量化結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)與案例污水處理廠所在地區(qū)情況，可以得到各項(xiàng)景觀生態(tài)效益相對重要性判斷矩陣。對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，以確認(rèn)其邏輯性。計算結(jié)果顯示，判斷矩陣的一致性指標(biāo)CR=0.009<0.1，證明該矩陣具有邏輯一致性。對該矩陣進(jìn)行正規(guī)化，再對每行求和并正規(guī)化，可得向量：

這便是案例污水處理廠地上景觀生態(tài)效益的權(quán)重值�；�于此，對景觀效益指標(biāo)進(jìn)行歸一化，結(jié)果見表8。最終得到，地下和地上污水處理廠的景觀生態(tài)效益指標(biāo)LCEE值分別為1.34 E-03、7.64E-04，即地下污水處理廠的地表園林景觀產(chǎn)生的生態(tài)效益約為地上污水處理廠的1.75倍。

污水處理廠附屬景觀或綠地的生態(tài)效益主要集中在氣體調(diào)節(jié)（植被吸納CO₂，調(diào)節(jié)大氣氣體組成）、氣候調(diào)節(jié)（植物葉片蒸騰作用調(diào)節(jié)周圍溫度）與旱澇調(diào)節(jié)（植被截留吸納降雨）方面，均屬于對環(huán)境的調(diào)節(jié)作用，而對人類生活活動（休閑與文化功能）則收益很小。

05 全生命周期綜合影響評價（LCCI）

5.1 計算結(jié)果

經(jīng)過LCIA、LCC、LCEE評價后，已分別得到了對應(yīng)的評價指標(biāo)值。再次以層次分析法對上述3種評價指標(biāo)進(jìn)行歸一化與量化。歸一化矩陣如下：

在本研究規(guī)定的全生命周期中，地下與地上污水處理廠對環(huán)境和社會產(chǎn)生的綜合影響LCCI值分別為10.7、8.83。可知，地下式污水處理廠產(chǎn)生的環(huán)境、投資、生態(tài)綜合影響較地上式高出21%。地下式污水處理廠的地表園林景觀確實(shí)具有一定的生態(tài)效益，但與基建投資及其對環(huán)境的影響相比顯然遠(yuǎn)無法實(shí)現(xiàn)效益“中和”。

5.2 討論

本研究的綜合評價結(jié)果與現(xiàn)行觀點(diǎn)顯然相左。這是因?yàn)榫坝^園林具象，感官可以直覺，容易被人接受，而其背后隱含的環(huán)境影響以及基建投資等往往不被人所認(rèn)識。其實(shí)，地下污水處理廠的地面景觀罕有向公眾開放，其真實(shí)功能也就相當(dāng)于一塊綠地的價值，也不能在上面開發(fā)房地產(chǎn)。

也有人認(rèn)為地下式污水處理廠可以升值其周邊的房地產(chǎn)價格。事實(shí)上，這只不過是對地下污水處理廠“眼不見為凈”的淺顯認(rèn)識，地上污水處理廠目前也大都可以通過加蓋封閉方式收集尾氣并凈化排放，對周圍居民并沒有太大的嗅覺影響。如果地下污水處理廠果真可以提高周邊房地產(chǎn)價格，從環(huán)境經(jīng)濟(jì)角度看，這勢必會間接增加環(huán)境污染物排放，因?yàn)?ldquo;錢”的背后便是CO2、霧霾、廢水等污染物。

因此，地下式污水處理廠的建設(shè)并非優(yōu)選方式，需要因地制宜，選址需要特別慎重。在此方面，應(yīng)該認(rèn)真分析國外少有的地下污水處理廠選址、建設(shè)緣由。例如，荷蘭鹿特丹Dokhaven污水處理廠、日本神奈川葉山町污水處理廠、芬蘭赫爾辛基Viikinmäki污水處理廠、瑞典斯德哥爾摩Henriksdal污水處理廠（目前世界上最大的MBR地下污水廠，處理規(guī)模達(dá)86.4×104m3/d）等，或因確實(shí)缺地、或出于氣候嚴(yán)寒需要保溫措施而考慮建設(shè)地下式污水處理廠。無論如何，這些污水廠均充分考慮了利用當(dāng)?shù)氐匦�，例如，鹿特丹Dokhaven污水處理廠利用了廢棄船塢碼頭的深坑（深6～7 m），而神奈川葉山町污水處理廠、赫爾辛基Viikinmäki污水處理廠、斯德哥爾摩Henriksdal污水處理廠則利用了天然山洞。

06 結(jié)語

本研究通過全生命周期環(huán)境影響（LCIA）、全生命周期成本（LCC）與全生命周期生態(tài)效益（LCEE）三種評價方法對國內(nèi)某全地下式污水處理廠進(jìn)行定量評價，并最后歸納于全生命周期綜合影響評價（LCCI）。結(jié)果顯示，地下式污水處理廠在基建投資、環(huán)境影響、生態(tài)效益三方面的綜合負(fù)面影響較地上式要高出約1/5。雖然地下式污水處理廠的地表園林景觀會產(chǎn)生一定的生態(tài)效益，但這并不能“中和”其基建投資以及環(huán)境影響產(chǎn)生的負(fù)面效益。更何況，其產(chǎn)生的生態(tài)紅利服務(wù)了發(fā)達(dá)城市，而環(huán)境負(fù)面影響往往轉(zhuǎn)嫁至欠發(fā)達(dá)地區(qū)。

本研究雖基于理論計算與分析，但結(jié)果對地下污水處理廠建設(shè)的綜合評價至少可以定性說明問題。不然，比中國更缺地的日本、歐洲等地的地下污水處理廠早已遍地開花。


 

PDF下載