厌氧氨氧化处理煤气化废水环境与经济影响评价

研究以内蒙古某煤化工污水处理厂为研究对象，采用生命周期评价（LCA）方法，系统评估了煤气化废水处理工艺改造前后的环境与经济综合效益。研究聚焦于改造前多级AO工艺与改造后一体化厌氧氨氧化（CANON）工艺的对比分析，旨在量化新型工艺在碳减排、环境影响削减及经济效益提升方面的潜力。

研究基于Simapro软件和Ecoinvent数据库的LCA模型，全面核算了两种工艺的碳足迹与多类别环境影响。结果显示，CANON碳排放量仅为AO工艺的40.02%，其中直接碳排占42%，药耗碳排占35%，电耗碳排占22%；CANON环境影响值为AO工艺的42.2%。这些指标的显著降低主要得益于技术无需外加碳源、污泥产量少及耗电量少等优势。同时，通过敏感性分析，进一步揭示了能源类型与工艺参数对结果的动态影响：风能发电对全球变暖潜势（GWP）的贡献较煤炭燃烧减少20%；电耗变化对酸化潜势（AP）影响最大；药耗变化对臭氧层破坏潜势（ODP）最为敏感。

经济分析表明，CANON通过节省碳源投加（甲醇）、减少碱液消耗及降低电耗三方面，使废水处理成本平均节约6.47元/m3。以日处理量2650 m3计，通过碳交易带来的减排效益为487.20元/d；理论上，厌氧氨氧化菌泥的出售可创造9300元/d的潜在经济收益。

将生命周期评价（LCA）方法应用于实际煤气化废水处理工艺的全面评估，对厌氧氨氧化（CANON）工艺的环境与经济效益与传统AO工艺进行了量化分析。研究验证了CANON在减少碳排放和环境影响方面的显著优势，揭示了不同能源类型和工艺参数对环境影响的具体贡献，讨论了碳交易带来的减排效益和出售厌氧氨氧化菌泥获得的额外经济效益，为煤气化废水处理工艺的优化和选择提供了科学依据。

1. 环境效益分析

研究采用 LCA 方法，基于内蒙古某煤化工污水处理厂改造前后的数据，运用 SimaPro 软件、Eco-invent 数据库建立模型，对改造前多级 AO 工艺和改造后一体式 CANON 工艺的碳足迹和环境影响进行评价，量化 CANON 的环境与经济效益。

内蒙古某煤化工污水处理厂设计规模为 4 000 m3/d，实际处理水量为 2 650 m3/d，处理污水类型为乙二醇、草酸与乙醇酸等产品的生产废水。主体污水处理工艺包括预处理、生物脱氮、深度处理、污泥处理 4 个单元，其中生物脱氮为核心处理单元，历经了技术改造。改造前后工艺流程见图 1。

   

图1 改造前后煤气化废水处理工艺流程

以处理 1 m3煤气化废水为功能单位（FU）进行清单分析，改造前后单元生命周期清单见表 1。输入清单包括能耗、物耗与运输，输出清单包括温室气体与剩余污泥。基础数据均为该污水处理厂的实际运行数据。

表1  AO 与 CANON 单元处理 1 m ³ 煤气化废水的生命周期清单

污水处理厂碳足迹包括直接碳排放与间接碳排放。直接碳排放指工艺处理过程中产生的温室气体量；间接碳排放指能源消耗和物质消耗导致的流程中碳排放的增加。根据系统运行情况，将日均碳足迹（CF，以 CO ₂ eq表示）分为 3部分：CF ₁ 为工艺流程中直接产生的温室气体（主要为 N ₂ O）和运输过程带来的碳排放；CF ₂ 为电量消耗造成的间接碳排放；CF ₃ 为药剂消耗造成的间接碳排放。计算得改造后 CF 为改造前的 40.02%，极大减少了工艺碳排放，具体见图 2。

   

图 2 改造前后系统碳足迹组成情况

与 AO 单元相比，CANON 单元 CF ₁ 较大，这是由于 CANON 脱氮效果更好，温室气体 N ₂ O 排放增多。分析 CANON 单元 CF 组成情况可知，整个工艺中直接排放导致的碳排量占比最大，为 42%，主要是由温室气体 N ₂ O 排放造成的；其次是药剂消耗碳排量，占比为 35%；电量消耗碳排量占比最小，为 22%。整体分析可知，改造后 CANON 单元碳排放量减少约60%。

研究采用CML2001评价体系进行环境影响分类评价，将影响类别分为环境危害、资源消耗、人类健康3大类，共11小类指标。AO 与 CANON 单元各类别的标准化结果见图 3。可知，系统改造前后，运行期所产生的环境影响占比在5%以上的分别为MAEP（87.35%~88.55%）、FWAEP（5.69%~6.89%），说明系统对水生生态毒性的影响最大。改造后工艺对各类环境影响类别的标准化值均有下降，CANON单元环境影响是AO单元的42.2%。

   

图 3 AO 与 CANON 单元各类别的标准化结果

选择能源类型、电量消耗与药剂消耗作为敏感度分析的关键变量。能源类型选择煤炭、风能、太阳能 3 种，而电量消耗与药剂消耗则选择上下浮动 10% 进行敏感性分析。以电能类型作为变量进行敏感性分析。计算改造前后各发电类型供电时的 GWP 值，结果见图 4。与AO系统相比，CANON系统煤炭燃烧可减少53.81%的GWP贡献，风能发电可减少48.80%的GWP贡献，太阳能发电可减少49.02%的GWP贡献。CANON系统中，煤炭、风能与太阳能3者对比，采用风能发电对GWP的贡献最小，占煤炭燃烧发电的80.88%，可减少约20%的GWP贡献。

   

图 4 以电能类型为变量改造前后的敏感性分析

分析改造前后电量消耗对影响类别的影响，所得结果均是AP所受影响最为明显，其次是MAETP。对于AO系统，当电能使用量减少10%，整体环境影响降低3.84%；对于CANON系统，当电能使用量减少10%，整体环境影响降低5.46%。分析改造前后药剂消耗对影响类别的影响，所得结果均是ODP所受影响最为明显。对于AO系统，当药剂使用量减少10%，整体环境影响降低4.87%；对于 CANON系统，当药剂使用量减少10%，整体环境影响降低3.68%。

2. 经济效益分析

改造后系统对废水的处理中计算出碱液、外加碳源、电费节约费用分别为 1.05、4.63、0.79元/m3 ，共计 6.47元/m3。通过碳足迹分析，生物脱氮单元日碳减排量（CF 减 ）为AO单元CF与CANON单元CF的差值为10 346.15 kg。在碳价为47.09元/t时，处理厂碳减排效益为487.20元/d。同时，理论上可通过厌氧氨氧化菌泥出售获得9 300元/d的潜在效益。