污泥处置方案的比较生命周期评估：以塞尔维亚共和国为例

《Environmental Technology & Innovation》：Comparative life cycle assessment of sewage sludge disposal options: case study from the Republic of Serbia

　　

在向循环经济模式转型的国家，污泥管理是一项重大的环境挑战。本研究应用生命周期评估（LCA）比较了塞尔维亚相关的三种污泥处置情景：非卫生填埋（S1）、农业土地施用（S2）和带能源回收的焚烧（S3），采用ReCiPe 2016方法和特定场地数据。结果表明，由于甲烷排放和长期渗滤液，非卫生填埋在所有三个聚合终点类别中都是最不利的选择；而焚烧在人类健康和生态系统质量方面的影响最低，这在很大程度上得益于能源回收。农业土地施用在资源可获得性方面表现最佳，因其替代了矿物肥料，但也涉及与氨排放和金属相关毒性相关的权衡。敏感性分析表明，情景排序具有稳健性，其中S2受污泥养分含量（特别是氮）的影响很大，而S3受运输距离和DeNO_x技术的影响很大，分别导致资源可获得性出现高达±80%和+250%的变化。总体而言，养分和能源回收带来的避免负担显著降低了环境影响，支持塞尔维亚从填埋向以回收为导向的污泥管理策略转型。

在城镇化进程、工业发展和生活水平提高的驱动下，全球废水及随之产生的污泥产量急剧增加。在欧洲，《城市废水处理指令》（91/271/EEC）的实施进一步加剧了污泥的产生，目前每年约产生750万吨干物质。管理这种富含有机物、养分和污染物的复杂混合物在技术、环境和经济上都构成了挑战。在塞尔维亚共和国，已建成37座污水处理厂（WWTPs），其中26座在运行，总负荷约相当于90万人口当量（PE）。目前，现有污水处理厂的年污泥产量估计为1.1万至1.5万吨干物质（DM），且大部分直接填埋或现场储存，缺乏充分的环境保护措施。根据塞尔维亚政府规划，到2041年，污水处理厂的扩建将使年污泥产量达到约11.5万吨DM。塞尔维亚于2023年通过了《污泥管理计划》，旨在为现有和规划中的污水处理厂定义污泥处置方案。目前，欧洲的污泥管理实践主要包括土地施用（约35%-50%）、焚烧（约31%）和填埋（约12%），但各路径的环境绩效因地区条件、基础设施和法规而异。尽管现有政策文件概述了潜在的管理途径，但尚未针对塞尔维亚的特定环境、技术和法规条件，提供污泥管理方案的综合性环境对比研究。因此，开展基于特定区域数据的LCA研究，对于支持证据决策和制定可持续的、符合循环经济原则的污泥管理策略至关重要。
研究人员开展了本研究，旨在通过LCA评估三种与塞尔维亚相关的污泥处置情景的环境影响，并识别最环境友好的选项。研究使用了来自塞尔维亚伏伊伏丁那省一个污水处理厂的特定场地数据，采用ReCiPe 2016方法，量化了三种情景在中间点和终点层面的环境影响。关键方法包括：遵循ISO 14040/14044标准的LCA框架，以处理3，333公斤含水率为70%的厌氧消化脱水污泥（相当于1，000公斤干物质）为功能单位；使用归因性（attributional）截断系统模型；基于Doka建模工具估算非卫生填埋（S1）和焚烧（S3）的生命周期清单（LCI）；利用Indigo-N v3模型模拟农业土地施用（S2）中的氮相关场域排放；采用ReCiPe 2016（层级视角）方法进行生命周期影响评估（LCIA），并在OpenLCA软件中结合ecoinvent 3.7.1数据库进行计算；通过敏感性分析评估结果对运输距离、污泥养分含量和DeNO_x技术变化的稳健性。样本队列来源于塞尔维亚伏伊伏丁那省一座设计规模为150，000 PE、当前运行在115，000–120，000 PE的污水处理厂。
研究结果表明，在三种情景中，非卫生填埋（S1）被确定为最不利的处置选项。在大多数终点影响类别中，尤其是全球变暖、生态毒性、富营养化和化石资源消耗方面，S1的影响最大，这主要归因于不受控制的甲烷排放、长期渗滤液污染以及缺乏资源回收。农业土地施用（S2）在资源可获得性（RA）方面表现最佳，主要因为其通过养分回收替代了矿物肥料，从而避免了相关的环境负担。然而，S2在人类健康（HH）和生态系统质量（ED）方面的表现介于S1和S3之间，并且在陆地酸化（TAC）和颗粒物形成（PM）等类别中影响较高，这主要是由施用过程中的氨挥发导致的。带能源回收的焚烧（S3）在人类健康和生态系统质量方面造成的损害最低，这主要得益于能源回收带来的环境信用（避免负担）。但当考虑避免负担时，S3甚至实现了净负面影响，即环境效益。值得注意的是，S3在资源可获得性类别中的净影响仅略好于S1，且显著差于S2，这是因为尽管S3的化石能源总消耗较低（主要通过电力替代减少了褐煤使用），但其依赖的天然气和石油等资源具有更高的边际开采成本。时间尺度分析表明，填埋相关过程（S1和S3）的持久性排放对长期影响，特别是对人类健康和生态系统，具有重要影响。
敏感性分析显示，三种情景的综合排序在大多数测试条件下是稳健的。运输距离的变化对S1和S2的HH和ED结果影响较小，但对S3的RA结果影响较大，因为S3的运输距离较长。污泥养分含量的变化对S2的结果有显著影响：增加养分含量能提高替代矿物肥料的潜力，从而增加资源可获得性方面的环境信用；但同时也会增加施用过程中的氮排放，导致生态系统质量和人类健康影响的增加。DeNO_x技术的选择对焚烧情景（S3）的RA类别影响显著：采用选择性非催化还原（SNCR）或高粉尘选择性催化还原（SCR）可大幅降低RA影响，而采用低粉尘SCR技术由于需要额外的辅助加热，会显著增加化石能源消耗和RA影响。
基于研究结果，论文讨论部分指出，本研究结果与近期关于污泥管理的LCA研究一致，即填埋通常被识别为最不具可持续性的路径，而包含能源回收的处理选项表现显著更好。农业土地施用通过养分回收和肥料替代在资源保护方面具有优势，但也存在相关的环境权衡。避免负担在LCA中扮演关键角色，支持循环经济导向的污泥管理策略。研究强调了在涉及持久性污染物的系统中，LCA时间尺度建模的重要性，并确认了本研究中排除长期排放不会改变相关决策结论。
结论部分总结道，本研究为塞尔维亚国家《污泥管理计划》下的决策提供了科学基础。S1是影响最负面的选项；S2在资源保护方面最优；S3对人类健康和生态系统的损害最小。避免负担在所有情景中都显著影响了结果。国家策略应考虑区域条件、养分回收潜力和能源回收选项，以实现环境和循环经济目标。未来研究应关注新兴污染物的数据空白，以及土壤有机质效益在S2中的作用。总体而言，污泥管理应遵循废物层级原则，优先考虑回收和再利用。