造纸废水治理工艺的生态效益计算方法探讨

罗方玲 韦保仁

(苏州科技学院环境科学与工程学院，江苏苏州，215009)

生态效益 (Eco-efficiency)的概念，最早由世界企业可持续发展委员会 (WBCSD)提出［1-2］，其目标是在减少资源使用和对环境冲击的同时，将产品附加值或获利增加到最大。生态效益的核心理念是“以少生多 (Producing more from less)”，即降低对自然环境的影响、减少资源使用量以及增加产品和服务的价值。瑞士学者Stephan Schmidheiny在1992年的著作《改变经营之道》中指出，处于可持续发展挑战的企业通过使环境绩效和经济绩效的同时改善，仍能掌握商机和优势，并获取利润。生态效益并不是不强调利润目标，只是这个目标的达成是通过“以少生多”和提高资源生产力为主要途径。生态效益改变了过去企业视环保为企业经营的一种威胁 (增加其成本)的观念，将环保视为促使企业革新、使其更符合经济效益和获得市场认同的一个动力。追求生态效益的企业，由于持续地减少污染和资源的消耗，通过生产和提供成本更低、更环保的产品与服务，提高了产品的附加值，企业在创造经济价值的同时，也能兼顾生态平衡。因此，生态效益可以作为一个衡量企业经济和环境综合效益的有效指标，追求生态效益在一定程度上能提高企业竞争力。

目前生态效益概念的定义在我国尚缺乏一致性，多数学者选择能源消耗强度和环境排放强度或碳足迹［3-4］来进行研究，即仅强调对环境的影响。有关研究则仅限生态效益向经济效益的转换［5］。而WBCSD提出的生态效益评价在我国还处于起步阶段，研究也多限于其理论与方法的探讨［6-7］，少数学者［8-9］就其评价体系构建与应用进行了探索性研究。而国外学者们［10-12］则较早地提出了一些生态效益评估方法。

本课题将造纸废水治理工艺系统看作一个特殊的产品进行研究，收集了苏州某造纸企业新旧两条废水治理工艺生命周期过程中的有关数据，采用瑞典查尔模斯理工大学Steen教授描述的方法，即由生命周期费用 (LCC)与生命周期评价 (LCA)的比率来计量企业生态效益，结合LCC分析及LCA的技术方法，参照GUY SKANTZE等人［13-14］的实例应用研究，应用德国GaBi软件，计算了该企业新旧两条废水治理工艺系统的生态效益，以期为其他企业、领域生态效益计算的技术路线和方法的制定提供参考，并提供一些可供参考的生态效益数据。本课题使用的GaBi软件是一款由德国PE公司最新研发的支持LCA和LCC计算、碳足迹计算等多种环过程的应用软件，按生命周期流程输入相应的原料和能源数据清单，通过相应的平衡表运算即可输出并查看所需结果，如生命周期清单、碳排放、LCC等。

1 研究对象和边界范围

1.1 研究对象

以苏州某造纸企业活性污泥处理系统为研究对象，计算并比较该企业新旧两条废水治理工艺的生态效益，定义的新工艺与旧工艺的区别为新工艺在废水处理工艺前加入超滤系统。两种工艺的各项数据来自现场调查，取各年平均值。

该企业处理的废水包括:抄纸废水和涂布废水。主要废水处理单元包括:超滤设备、加药反应池、一沉池、稳流池、曝气池和二沉池等。污泥处理单元包括:污泥混合池、储泥池和污泥脱水等。该企业于2006年从芬兰引入超滤系统，通过循环回用涂料废水中的固体颜料，降低造纸生产对环境的污染，节约生产成本，实现清洁生产。

图1 造纸废水处理工艺的系统边界图

1.2 研究范围和功能单位

研究范围定义为:苏州某造纸企业废水处理设施的建设阶段，包括建筑材料的开采、生产和运输;运行阶段，包括药品的生产、废水处理、污泥处理与处置;废水处理设施的拆除阶段。研究的系统边界如图1所示。

由于企业技术的改进，在造纸和废水处理过程中存在部分水的回用，本研究的功能单位定义为生产1 t铜版纸。

2 工艺系统清单分析

为了使本研究具有可比性，结合苏州某造纸企业废水处理工艺过程的特点，进行如下假设:建筑原料的运输采用10 t大卡车，压缩比为2∶1，车辆的燃油类型均为柴油;能源输入与污染物输出只考虑生产性输入与输出，不计工作人员的办公和生活能源输入与污染物输出。

2.1 施工建设阶段

施工建设阶段的碳排放为建筑原料的生产、运输和建筑施工3个阶段碳排放的总和。其中建筑材料的运输和建筑施工阶段为耗能耗电过程。由于处理技术的不断发展，废水量的增长以及出水排放要求的不断提高，大部分废水处理厂在15～20年内需要某种程度的改造和更新。因此，施工建设阶段的建筑材料消耗量按20年的运行期进行考虑，能耗问题也按20年运行期进行考虑。建筑材料运输里程平均取20 km。

用于废水处理厂建设的建筑材料主要包括:水泥、锯材、钢材、砂等，对建筑材料消耗量的研究结果以及超滤设备中主要材料不锈钢和填料聚乙烯醇(PVC)的消耗。根据现场调查等的统计结果，施工建设阶段主要原料输入及运输、建筑施工过程的电耗、能耗清单如表1所示。

表1 施工建设阶段单位物耗、能耗

2.2 运行阶段

运行阶段包括药品的生产和运输、废水处理、污泥的处理与处置。其中废水经处理达标后排入太湖，污泥经处理与处置后外运。

运行中需投放的化学品包括:聚合氯化铝(PAC)、聚丙烯酰胺 (PAM)、尿素和磷酸。其中PAC作为混凝剂并用于污泥脱水、PAM作为助凝剂投入加药反应池。尿素和磷酸作为营养物质投入曝气池，保证微生物的正常生长和繁殖。耗能设备包括:超滤设备、废水泵、冷却塔、曝气机、污泥泵、加药泵、搅拌机和压滤机。其中功率较大的耗能设备为:曝气机、超滤设备、污泥泵，分别占总能耗的32%、27%、20%。最终换算成统一的功能单位，得出上超滤前后的能耗分别为:7.56 kWh/t、9.56 kWh/t。

运行阶段的药品用量、能源消耗量及最终污染物排放量的数据均来自该企业的废水年报，如表2所示。其中Ciba 5540为阴离子型PAM，用于废水;阳离子型PAM(CPAM)用于污泥脱水。

表2 企业造纸废水处理化学品用量 t/t纸

需使用的化学品PAC、PAM、尿素和磷酸为次级资源，电为次级能源，在其生产、加工和运输过程中均会对环境产生影响，这些次级资源和能源在生产、加工和运输过程中对环境产生的影响，也应纳入评价之中。

GaBi软件具有较为完整的数据库，可将输入的资源和能源转化为初级数据。该软件中已有PAC、尿素、磷酸、电的数据清单，PAM的清单需自己创建。其中生产1 t PAM的资源、能源消耗及污染物排放清单，利用了李好管等人［15-17］的研究成果。因GaBi软件数据库中没有PAM的清单，计算输入时需创建上游物质链接，直至清单中的物质在软件中都能找到。

2.3 拆除阶段

拆除阶段只考虑废水处理设备的拆除过程，不包括拆除后建筑垃圾的处理与处置。拆除阶段为耗能耗电过程，其能源消耗主要与进行拆除作业的机器设备有关。根据有关文献［18］，拆除阶段能耗按建设能耗的90%计算。拆除阶段能耗清单见表3。

表3 拆除阶段能耗及建筑垃圾清单

3 生态效益的计算

WBCSD提出的量化生态效益理念的通式为:生式中分子和分母根据实际情况可有多种不同的具体表示方式。本课题选取公式 (1)进行计算。

公式 (1)由Steen等人［10］提出，式中LCC为生命周期费用，作为产品或服务价值的表征量。目前国际上对LCC还没有一个统一的定义，但通过归纳国内外有关研究的成果，全生命周期主要包括设备、项目或系统的规划、设计、制造、购置、安装、运行、维修、改造、更新直至报废的全过程，因此LCC包括设备、项目或系统整个生命周期的所有费用，包括内部性和外部性的。LCC可被视为消费者对产品或服务的支付意愿，某种程度上反映了产品或服务的价值。LCC计算所需要的数据主要来源于实地和市场调查。EDC是产品或服务的环境损害费用，评价指标包括温室效应、酸雨效应、臭氧层破坏、光化学效应、水体富营养化和非可再生能源储备的消耗6大类。各项环境指标的数据来源于产品或服务的LCA。LCC［19］是一种评价产品、工艺过程或活动从原料采集和加工到生产、运输、销售、使用、回收、养护、循环利用和最终处理等整个生命周期系统有关的环境负荷的过程。COMSOLI等人［20］提出的LCA的基本技术框架，包括目标与范围的定义、清单分析、影响评价和改善评价。LCC和LCA结果均由GaBi软件计算获得。

3.1 生命周期费用LCC

本研究系统的LCC包括:建材的购买和运输;施工阶段的能耗和人工费用;运行阶段药品的投入和能耗以及拆除阶段的能耗费用。此过程所有价格清单数据均来自市场调查，非精确数据。

运用GaBi软件计算产品或服务的LCC，需先在plan菜单下按一定格式输入其生命周期流程，然后在数据库对象中输入各项输入输出数据并做好对应链接，最后通过平衡表运算输出结果。进行LCC分析时，需输入的数据为各项输入、输出、机器及人工市场价格。因所用软件默认货币单位为欧元，将收集的以上数据预处理后乘以人民币兑欧元的汇率输入软件计算得该造纸企业生产1 t铜版纸，上超滤前后新旧两条废水处理工艺的LCC分别为317欧元和236欧元。

3.2 环境损害费用EDC

本课题选用的LCA方法体系为CML 2001［21］。该方法是莱顿大学环境研究中心在2001年所发表的一种方法，考虑的影响分为3大类:材料和能源的消耗、污染和损害。CML 2001是GaBi软件自带的LCA评价方法体系之一。将收集的数据输入软件计算并根据各项指标单位环境负荷值［22］换算得该企业新旧两条废水处理工艺非可再生能源储备的消耗及环境损害指标排放及费用分别如表4和表5所示。

由表4和表5知，上超滤前后新旧两条废水处理工艺的EDC分别为31.14欧元、17.76欧元。

表4 单位产品非可再生资源的消耗

表5 单位产品环境损害指标排放

3.3 生态效益

生态效益所以上超滤前后新旧两条造纸废水治理工艺的生态效益分别为:上超滤前90.18%，上超滤后92.47%。

4 结论

采用生命周期费用 (LCC)与生命周期评价(LCA)的比率 (LCC/LCA)计量企业生态效益，结合LCC分析及LCA的技术方法，参照GUY SKANTZE、Steen教授等的实例研究，应用德国GaBi软件，统计计算了苏州某造纸企业引进超滤设备前后新旧两条废水处理工艺系统的生态效益。

4.1 上超滤设备前后两条造纸废水治理工艺的生态效益均高达90%以上，这说明相对于产生的价值来说，两条工艺对环境产生的冲击较小，有利于该企业的可持续发展。引进超滤设备后，新工艺的生态效益略高于旧工艺，表明超滤设备能降低系统单位价值量对环境的冲击。

4.2 单独分析比较两条工艺对环境的负荷，上超滤后比上超滤前要小得多，上超滤后系统的环境损害费用 (EDC)从上超滤前的31.14欧元降到了17.76欧元。这是由于超滤设备可以回收废水中的涂料，大量降低污泥产生的同时也减少了聚合氯化铝 (PAC)的使用，降低废水治理对环境的影响，减小环境负荷，实现清洁生产。

4.3 从LCC分析结果看，上超滤后系统的LCC较上超滤前降低了。对工艺系统LCC的分析计入了外部性费用，即将系统在生命周期过程中环境负荷的外部不经济性内部化了，降低部分实际是造成环境影响导致的外部不经济性，因此，上超滤后系统LCC的降低意味着系统潜在价值的增加。

综合来看，超滤设备能增加造纸废水治理工艺的潜在价值，同时降低工艺生命周期过程中对环境的冲击，符合生态效益的目标，能更好地促进企业的可持续发展。

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