【系統評估】城市水系統全方位升級改造措施評估

題目：Assessing Urban Wastewater System Upgrades Using Integrated Modeling, Life Cycle Analysis, and Shadow Pricing

作者：Antonia Hadjimichael, Serni Morera, Lorenzo Benedetti, et al.

第一作者單位：Laboratory of Chemical and Environmental Engineering (LEQUIA), Institute of the Environment, Universitat de Girona, Campus Montilivi, s/n, 17071 Girona, Spain

期刊：Environmental Science & Technology

發表時間：SEP 2016

本文將集成模擬、生命周期評價和影子價格估值法相結合，評估了4種城市水系統升級改造方案的優劣。評估的改造措施包括：A.增加污水廠二沉池的深度、B.在河道內安裝曝氣設備、C.在污水廠加裝砂濾作為三級處理、D.在排水管網系統中加裝調蓄池。由於這四種改造措施涉及範圍廣，本研究的系統邊界範圍同樣廣泛，包括：匯水區、管網、污水廠、河道、污泥脫水和焚燒（圖1）。

圖1 本研究的系統邊界

以荷蘭Eindhoven市為案例，系統內各過程的環境影響，除污泥脫水和焚燒是從經驗數據獲得的之外，均利用集成模擬獲得：匯水區和管網模型使用InfoWorks軟件，污水廠模型使用基於ASM2d機理的WEST軟件，河流模型使用 Duflow軟件。各措施建設和經營的環境影響利用生命周期評價獲得。最後，採用影子價格估值法（影子價格來源於其他文獻）將不同的環境影響整合為一個指標，進行最終評價。

LCA的結果表明，措施A的各類總環境影響均小於基準情景；措施C除FE、ME外的4類總環境影響均為最大，其主要原因是硫酸鋁和甲醇使用量稍大（圖2）。為選出可靠的最佳措施，作者使用了三種不同來源的影子價格，發現不論採用哪套影子價格，措施A的環境成本降低幅度總是最大的，分別為14.8%、17.8%和10.4%（圖3）；而其他措施不僅不能使總環境成本下降，反而有輕微的上升。

圖2 四種措施六類環境影響的分解圖

圖3 各措施的總生命周期環境成本（環境代價）

如果以滿足《歐盟水框架導則》對於河道內氨氮峰值、溶解氧虧的要求為目的，措施B成本顯著低於A和C，後兩者又顯著低於措施D。

本文主要不足是管網和污水廠模型沒有考慮一氧化二氮的產生，以及沒有考慮微量污染物的影響。

#生命周期評價中的環境影響指標#

CC: Climate Change 氣候變化,

TA: Terrestrial Acidification 陸地酸化,

FE: Freshwater Eutrophication 淡水富營養化,

ME: Marine Eutrophication 海洋富營養化,

HT: Human Toxicity 人體毒性,

FET: Freshwater Ecotoxicity 淡水生態毒性.

本文將集成模擬與LCA結合，系統範圍廣，是第一個同時考慮水力學和生物化學過程的城市水系統LCA研究。使用的真實區域的集成模型是在之前研究中搭建的，本模型是從全局角度考察各類改善措施的基礎。

研究把措施的水體淨化效果和它們建設經營的環境影響同時納入考慮，發現除了加深污水廠二沉池以外，總環境影響都沒有顯著減小。這說明很多環境改善措施背後，都存在一些權衡取舍：一種介質的污染物減少，可能會使其它介質的污染物增加；一個行業的環境影響減少，可能以另一些行業的環境影響增加為代價……

研究還發現，以總環境影響最小為目的應採用措施A，但以達到《導則》要求為目的應採用措施B。措施B是在河道中安裝曝氣設備，直接改善河道水質，自然最好；措施D只能通過控制降雨期間的溢流量間接影響河道水質，因此成本最高。但是措施B無疑將整個河道變成了強化生物反應器，當地市政部門和附近居民是否答應，還是另一個問題。由此可見，環境措施的最終決策，受到政治和社會因素的影響非常多。