电絮凝法和传统混凝法深度除磷费用和效益比较

陈明如，张泽瀚，郭 旭，于占成，马可可，白 昱，冯健恒，周斌龙，周 律

（1.清华大学环境学院，北京 100084；2.北京市房山区水务局农村健康饮水事务中心，北京 102488）

水环境中的磷元素是导致水体富营养化的主要因素〔1〕，为改善自然水体水质，需控制污水处理厂总磷的排放。总磷在长江流域是首要污染物，生态环境部等17 个部门共同印发的《深入打好长江保护修复攻坚战行动方案》特别强调要加强对磷污染的综合治理，严格控制磷的排放。关于总磷的最高允许排放质量浓度，我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A 标准为0.5 mg/L〔2〕，北京市《城镇污水处理厂水污染物排放标准》（DB 11/890—2012）A 标准（简称“京标A”）为0.2 mg/L〔3〕，昆明市《城镇污水处理厂主要水污染物排放限值》（DB 5301/T 43—2020）A 标准为0.05 mg/L〔4〕。美国环境保护署（US EPA）〔5〕认为排入水库、湖泊的水总磷宜小于0.05 mg/L，排入其他水体的水总磷宜小于0.1 mg/L。欧盟（EU）〔6〕认为当湖泊中总磷达到0.02 mg/L、河水中总磷达到0.01～0.07 mg/L 时，水体就开始发生富营养化。陈旭华〔7〕认为非富营养化状态的水中总磷应小于0.01 mg/L。因此，为了防止水体富营养化，有必要进行深度除磷。目前传统的污水处理方法难以满足除磷需求，亟需探索极限除磷的方法〔8-10〕。

常见的深度除磷方法包括混凝法、电絮凝法、吸附法和膜分离法等〔11〕，天然吸附材料的吸附容量小，人工改进的吸附材料制备成本高、易造成二次污染，膜分离法具有膜污染、浓水难以处理、成本高等缺点，而混凝法和电絮凝法具有操作简单、效果稳定等优点，因此混凝法是目前最常用的污水深度除磷方法〔12〕。

传统混凝法通过投加化学药剂使水中溶解态的磷转化成非溶解性磷酸盐，铝盐是常用的除磷药剂，效果优于铁盐〔13-14〕，聚合氯化铝（PAC）是污水处理厂最常用的混凝剂〔15〕。电絮凝法通过牺牲阳极产生Al3+，除磷机理与传统混凝法类似〔16〕，该方法原位产出混凝剂，金属离子的利用效率更高，污泥量小〔17〕。电絮凝常用的极板材料是铝和铁，因铝极板除磷效果优于铁极板，采用铝极板的电絮凝法除磷可代表电絮凝法〔18〕。研究表明，电絮凝法除磷效果优于传统混凝法，且电絮凝法处理单位磷消耗的铝更少〔17〕。但目前对电絮凝法与传统混凝法除磷的环境影响和费用缺乏系统性对比评价，影响了污水除磷方法的科学选择。

本研究采用生命周期评价（Life cycle assessment，LCA）和生命周期费用（Life cycle cost，LCC）方法，从多角度对比了采用铝电极的电絮凝法和以PAC 为混凝剂的传统混凝法除磷的优劣，以期为除磷方法的选择提供帮助。

1 生命周期评价与生命周期费用分析方法

LCA 评价根据《环境管理 生命周期评价 原则与框架》（GB/T 24040—2008/ISO 14040：2006）〔19〕，LCC 评价根据《Eco-efficiency Assessment of Product Systems：Principles，Requirements and Guidelines》（ISO 14045：2012）〔20〕。LCA 通过eFootprint 软件完成，该软件由首届全生命周期碳中和创新大赛组织方提供。

1.1 目标和范围

LCA 和LCC 的目标是对比电絮凝法除磷与传统混凝法除磷的生命周期环境影响、费用和生态效率。电絮凝法除磷与传统混凝法除磷的应用背景为二沉池后深度除磷，范围包含建设和运行阶段，功能单元为处理单位体积（1 m3）的水。

系统边界见图1。前景过程为构筑物的建设和运行，背景过程为材料制造、能源生产和运输。

图1 系统边界Fig. 1 System boundaries

生命周期分析根据不同的除磷方法、出水磷浓度分为7 个情景，见表1。除磷方法为电絮凝法和传统混凝法。出水磷质量浓度为0.3、0.2、0.1、0.01 mg/L，分别对应京标B、京标A、Ⅱ类地表水、水体富营养化界限的磷浓度要求。根据试验结果〔17〕，传统混凝法无法实现出水总磷小于0.01 mg/L，而电絮凝法可以实现出水总磷小于0.01 mg/L，因此要求出水总磷质量浓度小于0.01 mg/L 时只能采用电絮凝法。

表1 不同情景的除磷方法和出水磷浓度Table 1 Phosphorus removal methods and effluent phosphorus concentrations of different scenarios

1.2 生命周期清单分析

建设阶段的生命周期清单见表2。建设阶段的主要过程为池体建设，还包括电源、加药装置、强化传质装置等的购置与安装。电絮凝法主要适用于中小规模城镇的污水处理〔21〕，因此选用10 000 m3/d 的规模进行计算，该规模在中国城镇污水处理厂中占比较高，具有代表性〔22-23〕。建设过程清单的具体数据根据文献〔14，21，24-26〕确定。

表2 建设阶段生命周期清单Table 2 Life cycle inventory of construction stage

电絮凝法在运行阶段的生命周期清单见表3。结合实际污水水质，运行过程中的电流密度、停留时间等因素由前期试验确定，以使除磷方法在最佳范围内运行〔17〕。污泥处理处置过程中，污泥经重力浓缩和板框机脱水后外运填埋，产生的污泥量由试验确定〔17〕，处理单位污泥的能耗通过文献〔27〕确定。

表3 电絮凝法运行阶段生命周期清单Table 3 Life cycle inventory of operation stage with electrocoagulation method

传统混凝法在运行阶段的生命周期清单见表4。结合实际污水水质，运行过程中投药量、停留时间等因素由前期试验确定，以使除磷方法在最佳范围内运行〔17〕。PAC 符合相应规范〔28〕，当PAC 的盐基度等指标不同时除磷效果略有区别〔29〕，本研究按行业平均值计算。污泥处理处置过程同电絮凝法。

表4 传统混凝法运行阶段生命周期清单Table 4 Life cycle inventory of operation stage with chemical coagulation method

背景数据库为CLCD-China-ECER 0.8 数据库，该数据库由首届全生命周期碳中和创新大赛及组织方提供。

1.3 生命周期影响评价

在生命周期影响评价阶段，由清单数据计算得到了量化的环境影响的指标，各项指标及含义如下：全球变暖潜势量化了温室气体造成的全球气温升高〔30〕，初级能源消耗量化了使用的一次能源的量〔31〕，水资源消耗量化了使用的淡水资源的量〔32〕，酸化潜势量化了排放的酸性气体可解离出的H+的量〔30〕，非生物资源消耗潜势量化了使用的非生物质资源的量〔32〕，富营养化潜势量化了排放到水体中的营养物质导致生物过度生长的情况〔30〕，可吸入无机物量化了人体吸入无机物对健康造成的伤害〔30〕，臭氧层消耗潜势量化了臭氧层中因排放化合物造成的臭氧分解〔32〕，光化学臭氧合成潜势量化了由排放的非甲烷挥发性有机物造成的光化学臭氧合成〔33〕，土地占用指标量化了农业用地的使用情况〔32〕。

1.4 费用分析

在LCC 中，电絮凝法和传统混凝法除磷建设阶段的费用通过文献〔25，34〕估算。运行过程中各项目的单价均为中国市场单价，铝板21 250 元/t，PAC 2 000 元/t，电价0.725 元/（kW·h），污泥浓缩费用169元/t（干污泥）、填埋费用3 252 元/t（干污泥）〔35〕。

1.5 生态效率

生态效率（Eco-efficiency）比较的是生命周期影响和生命周期费用的关系，通常采用二维图形式〔36〕。为使不同单位的指标具有可比性，需要归一化处理〔37〕，本研究通过指标数值除以该指标的最大值进行归一化处理。二维图中点的纵坐标越小代表该情景对环境越友好，横坐标越小表示投资效益越高〔38〕。

2 结果与讨论

2.1 电絮凝法和传统混凝法除磷的生命周期环境影响

不同情景的环境影响见图2。

根据图2，当出水磷浓度相同时，对比电絮凝法与传统混凝法除磷环境影响。对于全球变暖潜势、初级能源消耗、非生物资源消耗潜势和臭氧层消耗潜势这4 项指标，电絮凝法是传统混凝法的1.44～2.31 倍；对于可吸入无机物、光化学臭氧合成潜势和土地占用这3 项指标，传统混凝法是电絮凝法的1.19～2.91 倍；对于酸化潜势、富营养化潜势和水资源消耗这3 项指标，二者结果相近，差距小于10%。总体而言，电絮凝法和传统混凝法除磷的环境影响相近，但电絮凝法操作简便、处理效果好，具有较大的应用前景。

在电絮凝法和传统混凝法除磷过程中，环境影响主要来自运行过程中铝的消耗。除土地占用、臭氧层消耗潜势外，其他环境影响指标中铝贡献率为52%～92%。电絮凝法消耗的铝来自铝极板，目前铝板主要采用电解铝法制备，制备过程中需将Al3+还原，环境影响较大。传统混凝法中的铝来自PAC，PAC 制备过程中不涉及铝的价态转变，制备简便，环境影响小。虽然研究表明电絮凝法消耗的铝少于传统混凝法〔17〕，但是电絮凝法中铝极板生产时产生的环境影响较大，因此在全球变暖潜势、初级能源消耗、非生物资源消耗潜势和臭氧层消耗潜势方面，电絮凝法较传统混凝法差。在改进电絮凝法除磷时，应重点考虑改进铝的来源和利用效率。

在电絮凝法和传统混凝法除磷过程中，建设过程和污泥处理处置过程造成的环境影响较小，与已有研究一致〔25〕。对于建设过程的贡献率，电絮凝法中光化学臭氧合成潜势为3%～12%，土地占用为7%～45%，其他评价指标为1%～7%；传统混凝法中臭氧层消耗潜势、光化学臭氧合成潜势和土地占用为25%～42%，其他评价指标为7%～29%。当处理规模不同时，LCA 的差异主要体现在建设过程，而运行过程在不同规模时较为相似；在大部分指标中建设过程的贡献较小，因此本研究的结果也适用于规模相似的其他情景。电絮凝法在建设过程中占地面积小、池体构造简单，因此在建设过程贡献较大的环境影响方面（如光化学臭氧合成潜势和土地占用），电絮凝法优于传统混凝法。对于电絮凝法和传统混凝法除磷过程，出水磷浓度越低，环境影响越大。当出水磷质量浓度从0.3 mg/L 降至0.2 mg/L 时，电絮凝法和传统混凝法除磷的各项环境影响指标提升了1.3～1.5 倍；当出水磷质量浓度从0.3 mg/L 降至0.1 mg/L 时，电絮凝法除磷的光化学臭氧合成潜势提升了1.8 倍，土地占用提升了1.6 倍，其他各项指标提升了1.9～2.0 倍，传统混凝法除磷的各项环境影响指标提升了1.5～1.8 倍。传统混凝法除磷的环境影响随出水磷浓度的变化较小，这是因为电絮凝法易于控制且铝的利用率较高，除磷需要的铝耗、电耗与去除的磷几乎成正比，而传统混凝法的铝利用率较低，无论去除多少磷均需投加大量的PAC。当出水磷质量浓度从0.3 mg/L 降至0.01 mg/L时，电絮凝法除磷的土地占用提升了6.7 倍，其他各项指标提升了9.1～11.4 倍。当出水磷浓度降低时，除磷过程中对环境的负面影响显著提升，因此应根据实际需求确定合理的除磷目标。

2.2 电絮凝法和传统混凝法除磷的生命周期费用

不同情景的费用见图3。

根据图3，当出水磷浓度相同时，电絮凝法的费用是传统混凝法的56%～63%，电絮凝法费用低于传统混凝法。

在电絮凝法和传统混凝法除磷过程中，费用主要来自运行过程中铝的消耗和污泥处理处置。电絮凝法的铝极板贡献率为36%～45%，污泥处理处置贡献率为34%～42%；传统混凝法的PAC 贡献率为33%～36%，污泥处理处置贡献率为50%～54%。电絮凝产生的污泥少于传统混凝法，这是电絮凝法费用低于传统混凝法的主要原因。建设过程造成的费用较小。若想降低电絮凝法和传统混凝法的费用，有效办法是降低污泥量或污泥处理的单价以及降低铝板或PAC 的单价和用量。

当出水磷浓度降低时，费用有所上升。当出水磷质量浓度从0.3 mg/L 降低至0.2 mg/L 时，电絮凝法费用增加了1.4 倍，传统混凝法费用增加了1.5 倍；当出水磷质量浓度从0.3 mg/L 降至0.1 mg/L 时，电絮凝法和传统混凝法费用均增加了1.8 倍；当出水磷质量浓度从0.3 mg/L 降至0.01 mg/L 时，电絮凝法费用增加了8.1 倍。随着出水磷浓度降低，费用增长比环境影响小，这是由于建设过程的费用基本不随出水磷浓度变化，出水磷浓度降低仅改变了运行过程。在实际应用过程中，应根据实际情况选择合理的出水磷浓度，避免不必要的费用增长。

2.3 电絮凝法和传统混凝法除磷的生命周期生态效率

不同情景的生态效率见图4。

根据图4，电絮凝法和传统混凝法的非生物资源消耗潜势、臭氧层消耗潜势生态效率相似，其他8个指标电絮凝法的生态效率更高。总体而言，电絮凝法和传统混凝法环境影响相似，而电絮凝法费用低，因此电絮凝法生态效率高。当出水磷浓度降低时，生命周期影响和生命周期费用均增加，生态效率降低。因此，当出水磷浓度能满足当地环保需求时，不宜过度追求出水磷浓度的降低。

3 结论

1）对于小于10 000 m3/d 的中小规模城镇的污水处理，电絮凝法和传统混凝法除磷的生命周期影响相近，电絮凝法生命周期费用低、生态效率高，建设过程中用地小、池体构造简单、操作简便，处理效果优于传统混凝法，具有替代传统混凝法用于深度除磷的优势。

2）运行过程中的铝极板或PAC 消耗对电絮凝法和传统混凝法除磷的生命周期环境影响贡献最大，运行过程中的铝极板或PAC 消耗和污泥处理处置过程对生命周期费用的贡献最大。优化铝极板或PAC 使用效率从而减小铝极板或PAC 的用量，或使用对环境负面影响较小的铝极板或PAC，可大幅优化电絮凝法和传统混凝法除磷过程。

3）当出水总磷要求提高，即磷浓度降低时，电絮凝法和传统混凝法除磷的生命周期影响、生命周期费用增加，生态效率下降。电絮凝法更易于控制，出水磷浓度低于传统混凝法。