郝晓地︱地下式污水处理厂全生命周期综合效益评价
摘要：地下式污水处理厂建设近年在我国兴起，且有扩展之势。地下污水厂地表可形成的景观环境直观、易觉，这就使污水处理厂可与景观环境建设合二为一的说法盛行。反观更加缺地的欧洲、日本等地，地下污水处理厂其实并不多见，让人不免心生疑窦。因此，以国内某全地下式污水处理厂为研究实例，并以相同工艺的地上式污水处理厂作为对比参照物，通过全生命周期环境影响评价（LCIA）、全生命周期成本（LCC）评价及全生命周期生态效益（LCEE）评价3种方法分别对地下污水处理厂进行全方位影响评价，最后将3种评价结果归一化为全生命周期综合影响（LCCI）评价。结果显示，地下式污水处理厂在环境影响、基建投资、生态效益三方面的综合负面影响较地上式要高出约20%。虽然地下污水处理厂地表园林景观会产生一定生态效益，但这并不能“中和”其环境影响以及基建投资所产生的负面效益。因此，地下式污水处理厂建设并非优选方式，需要因地制宜，选址要特别慎重。
作者简介：郝晓地（1960-），男，山西柳林人，博士，教授，从事市政与环境工程专业教学与科研工作，主要研究方向为污水生物脱氮除磷技术、污水处理数学模拟技术、可持续环境生物技术。现为国际水协期刊《Water Research》区域主编（Editor）。
评价方法
本研究针对地上式与地下式两种污水处理厂建设模式，分别采用全生命周期环境影响（LCIA）、全生命周期成本（LCC）与全生命周期生态效益（LCEE）3种方法进行评价。然后，将3种评价结果进行归一化与无量纲化，得出污水处理厂全生命周期综合影响（LCCI）指标，以比较两种建设模式在投入产出以及综合生态环境效益方面之优劣。
1.1 评价范围
研究评价时限覆盖污水处理厂建设、运行与拆除3个阶段；评价范围为自污水处理厂进水至出水，并包含污泥处理过程。
选择我国广东某地一座代表性全地下式污水处理厂的实际数据并结合文献参数进行评价。该厂厂区占地面积为1.83×104m2、建筑面积为2.21×104m2，采用两层全地下式结构设计；处理规模为10×104m3/d，采用A2/O+MBR处理工艺，水力停留时间（HRT）为7.43 h；出水水质执行国家一级A标准，水质不达标时需向曝气池投加液体硫酸铝予以化学除磷；污水处理厂服务年限为20年。MBR膜组件使用酸、碱和次氯酸钠溶液清洗。污泥经机械脱水后，折合产生干污泥12 t/d。本研究仅讨论污水处理厂构造模式，作为比较的地上式污水处理厂工艺流程与地下式完全相同，占地面积等信息亦相同，建造形式如图1所示。评价功能单位（FU）设定为每人每年平均排放污水量在处理过程中所产生的各种影响，即1 FU=1 PE·a。案例研究采用人均污水排放量为0.1 m3/d。
图1 地上式与地下式污水处理厂的构造及其工艺流程
1.2 LCIA评价
LCIA是定量分析产品或生产工艺对环境影响的客观评价方法，其目的在于辨识并量化能源与物质消耗对环境造成的影响，并以此为依据进行积极调整，寻求最低环境影响方案。
本研究采用LCIA方法对污水处理厂产生的环境影响进行评价，评价目标包括污水处理厂运行中产生的直接环境影响以及物料与能源消耗伴生的间接影响；数据清单覆盖污水处理厂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、污泥处理过程中产生的直接排放以及建材、药剂生产运输中涉及的资源/能源消耗所产生的间接排放。
环境影响评价方法依照国际环境毒理学与化学学会（SETAC）、国际标准化组织（ISO）及美国国家环保署（US EPA）等组织标准，按照分类、特征化和量化3个步骤分别进行。
案例污水处理厂环境影响可划分为：非生物资源耗竭潜能(ADP)、淡水资源消耗(FWU)、全球变暖潜能(GWP)、大气酸化潜能(AP)、水体富营养化潜能(EP)、人体毒性潜能(HTP)、填埋空间消耗(LSD)、黑臭水体潜能(BOP)等8个子影响指标。
1.3 LCC评价
LCC为统计分析产品在全部生命周期中所发生的总成本评价方法，可依照评价结果改善生产工艺与方法。本研究采用LCC评价方法分析案例污水处理厂的经济信息。
1.4 LCEE评价
LCEE是指自然或人造景观生物系统在全部生命周期内对人类生产、生活条件产生的有益影响，对其进行量化分析，可以用来评价其可持续性与良性循环能力。地下污水处理厂将处理工艺主体置于地下，而地表部分所建园林景观被视为最大优点。可见，在综合评价地下式污水处理厂过程中，LCEE评价不可忽略。
在LCEE中，将景观生态功能分为大气调节、土壤调节、生物功能、生产功能与文化功能等5大类，如表1所示。分别针对每项生态效益进行定量评价，再通过层次分析法（AHP）将结果统一为归一化无量纲结果。
表1 生态效益分类
1.5 LCCI评价
LCCI是针对产品各方面影响与效益分别进行评价后，将评价结果按照一定层次结构有机结合的综合评价方法。有别于LCIA等，LCCI不仅仅局限于单一层面，而是从多角度分析产品，客观反映出产品在不同情景下的状态与问题，以达到环境、经济、生态等多方面影响的和谐统一，避免因片面追求某一方面的优良效果而降低整体价值。
本研究采用LCCI评价方法，把案例污水处理厂综合影响评价结果作为总目标，以LCIA、LCC、LCEE三方面评价结果作为子目标层，将各评价指标结果值以AHP法进行权重计算、归一化和无量纲化，以此获得最终LCCI综合评价结果（LCCI=LCIA＋LCC－LCEE）。设定LCCI结果正值表示对自然环境与社会产生了负面影响（如对环境排放污染物、耗费资金等），而负值则是产生了一定正面效益（如景观植被净化空气等）。
全生命周期环境影响评价（LCIA）
2.1 数据清单
案例地下式与地上式污水处理厂相关物质数据清单见表2。其中，地下式污水处理厂采用实际运行数据，并依据其数据推算得到所对应的地上污水处理厂基准。表2显示，在建设阶段，因地下污水处理厂纵向空间设计布局，额外增加了开挖基坑与建设大型地下框架结构的要求，所以所需建材与能耗远高于地上污水处理厂；在运行阶段，地下污水处理厂出水以及剩余污泥需要从地下提升至地表排放或处理，使污水处理单位能耗升高。此外，地下污水处理厂额外增添的照明与通风设备也相应增加了处理能耗；在拆除阶段，巨大基坑需要掩埋填平，导致建筑垃圾量增加，亦使施工能耗相应增加。
表2 案例污水处理厂LCIA评价主要影响物质清单
2.2 特征化结果
表3 案例污水处理厂环境影响特征化结果
图2 案例污水处理厂不同阶段的环境影响对比
2.3 归一化结果及环境综合影响
根据层次分析法，经过统计分析后，得到归一化矩阵：
基于此，案例污水处理厂环境影响归一化计算结果见表4。最终计算得到，地下式和地上式污水处理厂的LCIA值分别为2.42和2.12。
表4 案例污水处理厂的环境影响归一化结果
|
环境影响类型 |
地下污水厂 |
地上污水厂 |
|
ADP |
1.29E-01 |
4.14E-02 |
|
FWU |
8.89E-02 |
8.13E-02 |
|
GWP |
1.65E+00 |
1.50E+00 |
|
AP |
3.55E-04 |
3.27E-04 |
|
EP |
3.74E-03 |
3.73E-03 |
|
HTP |
5.14E-01 |
4.61E-01 |
|
LSD |
1.04E-02 |
9.57E-03 |
|
BOP |
2.35E-02 |
2.34E-02 |
全生命周期成本评价（LCC）
表5 案例污水处理厂的全生命周期成本（单位：元/FU）
|
项目 |
地下式 |
地上式 |
|
|
建设阶段 |
基坑工程 |
2.99 |
— |
|
大型地下框架工程 |
2.23 |
— |
|
|
施工建设费用 |
10.34 |
10.34 |
|
|
通风工程 |
0.39 |
— |
|
|
消防工程 |
0.18 |
— |
|
|
MBR膜组件工程 |
4.95 |
4.95 |
|
|
自控与仪表工程 |
0.79 |
0.79 |
|
|
绿化 |
0.19 |
0.19 |
|
|
其他费用 |
2.50 |
2.50 |
|
|
总投资 |
24.55 |
18.76 |
|
|
运行阶段 |
MBR处理能耗 |
12.15 |
12.15 |
|
照明能耗 |
0.84 |
0.47 |
|
|
通风能耗 |
0.37 |
— |
|
|
紫外消毒能耗 |
1.01 |
1.01 |
|
|
污泥脱水 |
0.05 |
0.05 |
|
|
污泥提升 |
0.75 |
— |
|
|
硫酸铝 |
0.85 |
0.85 |
|
|
次氯酸钠 |
0.08 |
0.08 |
|
|
运输 |
0.09 |
0.09 |
|
|
维护修理费 |
0.74 |
0.56 |
|
|
管理费 |
6.05 |
4.97 |
|
|
处理总成本折现值 |
12.31 |
10.84 |
|
|
设备更新（第10年）折现值 |
4.10 |
3.73 |
|
|
拆除阶段 |
净残值 |
1.15 |
0.90 |
|
全生命周期总费用 |
39.81 |
32.43 |
|
在总成本中，地下污水处理厂的建造费用所占比例较大，约为地上污水处理厂的1.31倍（与实际工程情况相符），归因于额外的地下空间开挖与构筑。此外，地下污水处理厂运行阶段管理与维护费用亦相应增加，主要为照明、通风系统以及污水、污泥提升所致。
案例地下污水处理厂的建设成本单价为4 910元/(m3·d-1)，地上污水处理厂为3 750元/(m3·d-1)，均远高于相同规模的普通二级污水处理厂的建设单价[1 471元/(m3·d-1)]。除地下污水处理厂额外地下空间开挖与构筑、配套设施与设备安装（占总工程费用的23.5%）因素外，MBR工艺造价较高（占总工程费用的20.1%）是另外一个原因。
全生命周期生态效益评价（LCEE）
4.1生态效益分类与结果
表6 案例污水处理厂的景观生态效益分类
各评价指标中所涉及的参数从相关文献中获得。其中，地上污水处理厂内同样可保留一定绿化面积；考虑到管理水平与植物密度均不及地下污水处理厂的园林景观，故设定其单位面积内的生态效益为地下污水处理厂地表园林的80%；此外，因地上污水处理厂绿地仅供员工休憩，其休闲价值按50%计，也不具备文化宣传效果（相应效益为0）。分析各项生态效益，结果列于表7。
表7 案例污水处理厂景观生态效益清单
|
项目 |
地下污水厂 |
地上污水厂 |
|
气体调节/kgCO2 |
20 112 |
11 659 |
|
气候调节/(kW·h) |
42 356 |
24 555 |
|
空气净化/kgSO2 |
3 439 |
1 994 |
|
旱涝调节/m3 |
74 193 |
43 011 |
|
水土保持/kg |
6 034 |
3 498 |
|
养分循环/kg |
19 106 |
11 076 |
|
休闲/万元 |
122 |
44.2 |
|
文化/万人 |
10 694 |
0 |
4.2 生态效益量化结果
根据文献与案例污水处理厂所在地区情况，可以得到各项景观生态效益相对重要性判断矩阵。对判断矩阵进行一致性检验，以确认其逻辑性。计算结果显示，判断矩阵的一致性指标CR=0.009<0.1，证明该矩阵具有逻辑一致性。对该矩阵进行正规化，再对每行求和并正规化，可得向量：
这便是案例污水处理厂地上景观生态效益的权重值。基于此，对景观效益指标进行归一化，结果见表8。最终得到，地下和地上污水处理厂的景观生态效益指标LCEE值分别为1.34 E-03、7.64E-04，即地下污水处理厂的地表园林景观产生的生态效益约为地上污水处理厂的1.75倍。
表8 景观生态效益归一化结果
|
效益类型 |
地下厂 |
地上厂 |
|
气体调节 |
1.70E-04 |
9.83E-05 |
|
气候调节 |
6.49E-04 |
3.76E-04 |
|
空气净化 |
1.55E-05 |
8.97E-06 |
|
旱涝调节 |
3.63E-04 |
2.10E-04 |
|
水土保持 |
5.09E-05 |
2.95E-05 |
|
养分循环 |
6.86E-05 |
3.98E-05 |
|
休闲 |
2.95E-06 |
1.07E-06 |
|
文化 |
2.59E-05 |
0.00E+00 |
污水处理厂附属景观或绿地的生态效益主要集中在气体调节（植被吸纳CO2，调节大气气体组成）、气候调节（植物叶片蒸腾作用调节周围温度）与旱涝调节（植被截留吸纳降雨）方面，均属于对环境的调节作用，而对人类生活活动（休闲与文化功能）则收益很小。
全生命周期综合影响评价（LCCI）
5.1 计算结果
经过LCIA、LCC、LCEE评价后，已分别得到了对应的评价指标值。再次以层次分析法对上述3种评价指标进行归一化与量化。归一化矩阵如下：
最终，计算得到地下与地上污水处理厂的综合影响评价指标结果，以行向量形式表示为：
在本研究规定的全生命周期中，地下与地上污水处理厂对环境和社会产生的综合影响LCCI值分别为10.7、8.83。可知，地下式污水处理厂产生的环境、投资、生态综合影响较地上式高出21%。地下式污水处理厂的地表园林景观确实具有一定的生态效益，但与基建投资及其对环境的影响相比显然远无法实现效益“中和”。
5.2 讨论
本研究的综合评价结果与现行观点显然相左。这是因为景观园林具象，感官可以直觉，容易被人接受，而其背后隐含的环境影响以及基建投资等往往不被人所认识。其实，地下污水处理厂的地面景观罕有向公众开放，其真实功能也就相当于一块绿地的价值，也不能在上面开发房地产。
也有人认为地下式污水处理厂可以升值其周边的房地产价格。事实上，这只不过是对地下污水处理厂“眼不见为净”的浅显认识，地上污水处理厂目前也大都可以通过加盖封闭方式收集尾气并净化排放，对周围居民并没有太大的嗅觉影响。如果地下污水处理厂果真可以提高周边房地产价格，从环境经济角度看，这势必会间接增加环境污染物排放，因为“钱”的背后便是CO2、雾霾、废水等污染物。
因此，地下式污水处理厂的建设并非优选方式，需要因地制宜，选址需要特别慎重。在此方面，应该认真分析国外少有的地下污水处理厂选址、建设缘由。例如，荷兰鹿特丹Dokhaven污水处理厂、日本神奈川叶山町污水处理厂、芬兰赫尔辛基Viikinmäki污水处理厂、瑞典斯德哥尔摩Henriksdal污水处理厂（目前世界上最大的MBR地下污水厂，处理规模达86.4×104m3/d）等，或因确实缺地、或出于气候严寒需要保温措施而考虑建设地下式污水处理厂。无论如何，这些污水厂均充分考虑了利用当地地形，例如，鹿特丹Dokhaven污水处理厂利用了废弃船坞码头的深坑（深6～7 m），而神奈川叶山町污水处理厂、赫尔辛基Viikinmäki污水处理厂、斯德哥尔摩Henriksdal污水处理厂则利用了天然山洞。
结语
本研究通过全生命周期环境影响（LCIA）、全生命周期成本（LCC）与全生命周期生态效益（LCEE）三种评价方法对国内某全地下式污水处理厂进行定量评价，并最后归纳于全生命周期综合影响评价（LCCI）。结果显示，地下式污水处理厂在基建投资、环境影响、生态效益三方面的综合负面影响较地上式要高出约1/5。虽然地下式污水处理厂的地表园林景观会产生一定的生态效益，但这并不能“中和”其基建投资以及环境影响产生的负面效益。更何况，其产生的生态红利服务了发达城市，而环境负面影响往往转嫁至欠发达地区。
本研究虽基于理论计算与分析，但结果对地下污水处理厂建设的综合评价至少可以定性说明问题。不然，比中国更缺地的日本、欧洲等地的地下污水处理厂早已遍地开花。
本文的完整版将刊登在《中国给水排水》2021年第7期“地下式污水处理厂全生命周期综合效益评价”，作者及其单位如下：
郝晓地1，于文波1，王向阳1，袁土贵1，Mark van Loosdrecht1,2
（1. 北京建筑大学城市雨水系统与水环境教育部重点实验室 中–荷污水处理技术研发中心，北京 100044；2. 代尔伏特理工大学，荷兰）
HAO Xiaodi, YU Wenbo, WANG Xiangyang, et al. Life cycle comprehensive efficiency assessment on underground wastewater treatment plant [J]. China Water & Wastewater, 2021,37(7): 1-10(in Chinese).
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编辑：刘贵春
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