基于芬顿强化的污泥处理处置生命周期评价研究

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市政和工业废水处理厂在产生符合排放标准的“清水”的同时还增生了大量含有有机和无机成分的污泥。由于国家层面人类命运共同体意识和个人层面健康意识的增强,污泥的农业利用和填埋处置越来越受到限制,厌氧消化和焚烧工艺的广泛推广被提上日程。从污泥中回收的不同形式的能源是目前污泥处置难题下极具竞争力的策略,而芬顿氧化预处理不仅有利于改善污泥脱水性且能有效提高污泥厌氧消化过程中的生物降解性及焚烧过程中的污泥低位热值,双管齐下地实现脱水减量与能源回收。本课题首次提出利用生命周期评价体系开展针对Fenton法破解污泥应用于国内主流的污泥处理处置工艺的过程中会否出现环境问题转移的研究,以期获得该过程中的环境影响负荷信息。借助openLCA软件对Fenton工艺及Fenton耦合强化工艺(电芬顿EF、超声-芬顿US+F、紫外-芬顿UV+F)作用下的不同有机质含量(60%,70%,80%)污泥处理与处置系统进行生命周期评价,与未经Fenton预处理的对照组进行对比分析,建立总环境影响计算模型,确定评价目标、边界范围、清单分析、影响因素,以及归纳生命周期解释。结果表明,Fenton预处理后的污泥常规填埋处置方案(F-L)影响潜值在15个中点影响类别上均高于对照组(Landfill);芬顿-厌氧消化方案(F-AD)在三种有机质污泥中分别产生了125%,48%,35%的环境效益降幅;焚烧路线中,F-I方案的总影响潜值较Incineration方案降低了47%~48%。这可归因于蒽醌法生产H2O2过程产生的重金属等污染物直接排放至自然环境中造成的长期影响,故探索优化技术以最大限度地降低H2O2投量,或者开发H2O2的替代药品(如Ca O2等),将是未来Fenton法改进的指向所在。在Fenton耦合强化工艺及厌氧消化路线下的总环境影响潜值排序为EF-AD>US+F-AD>UV+F-AD,UV+F-AD方案在70%和80%有机质含量下实现了环境效益贡献,但在各项影响指标上均未优于相同污泥条件下的F-AD方案,进一步减少药剂投加、提高紫外光能有效辐射和污泥沼气能量回收效率是提升紫外Fenton耦合技术环境效益的核心发展方向。总的来说,各方案的环境影响潜值综合排序为:Incineration>F-I>F-L>Landfill>EF-AD>US+F-AD>UV+F-AD>F-AD>AD。本研究对比分析了在整个污泥减量处置的过程中,Fenton工艺在能源平衡、经济成本和环境成本上的优劣势,完善和补充了污泥资源化生命周期成本清单分析数据库和计算模型。各方案的能量平衡系数排序为:F-AD>AD>UV+F-AD>US+F-AD>EF-AD>F-I>Incineration;各方案的生命周期总成本排序为:Incineration>F-I>Landfill>AD>EF-AD>US+F-AD>UV+F-AD>F-AD>F-L。综合来看,Fenton技术引入厌氧消化路线是在环境影响、能量平衡、生命周期成本三个范畴内皆有兼顾的最佳路线,棘手之处在于H2O2药剂的贡献比过高,这也是F-AD方案在环境影响并未优于AD方案的瓶颈,进一步优化工艺势在必行。
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