1、随着越来越多的公共事业，从业者，研究者在污水处理厂中运用LCA，回顾这些年LCA已经获得的成就以及未来面临的挑战是非常必要的。关于污水处理和LCA的一些文献综述已经发表。Friedrich et al. （2007）发表了一篇论文，回顾了20篇关于污水处理和LCA的文章，突出重点环节，但没有深入研究的表征。生命周期分析废水中的一本书也出版了（Ahmed, 2011） ，提出了污水处理的技术框架。最近，LCA包括在评估循环水可持续发展综述中（Chen et al., 2012）。在我们看来，这些研究并没有提供对污水处理的LCA研究的全面回顾，也没有定义未来可能遇到的挑战。因此，本文的目标是对已有
2、的相关研究进行评论，并且指出在污水处理厂中运用LCA面临的挑战。论文综述的范围是发表在期刊上的同行评审的文章以及已经公开的相关报告。不考虑水位线的污泥处理处置的论文已经被排除，因为我们觉得他们更多地属于废物管理部门而不是污水处理场。本文的结构如下：首先，简要描述了在过去的17年里WWT和LCA的历史演变；然后回顾性地分析了LCA的几个阶段：目标与范围，清单，影响评价与解释，以确定它们的共同点与区别。最后，确定和讨论这一领域的挑战。2文献综述虽然水处理始于美索不达米亚时期（Lofrano and Brown, 2010），目前使用的活性污泥法直到1913年的英国才开始被描述（Ardern and
3、 Lockett, 1914）。在二十世纪，水卫生系统保护了大量的人群远离疾病。然而，社会并没有意识到，还有其他与水卫生有关的环境成本。经过世界环境与发展委员会对于可持续发展的定义，一些污水处理的实践者和研究者纳入LCA技术来对WWT进行环境影响评价。LCA的提升进化是通过文献中的文章和已经评估了不同的目标。表1列出了这篇评论中所包含的所有研究的主要特点（在补充资料的文件更详细的信息）。2.1常规活性污泥技术的环境性能评价据我们所知，第一篇关于应用在WWT中的LCA文章发表在国际同行评审期刊中的文章主要注重点在清单阶段然后在评估不同的小型污水处理厂的技术。他们主要强调伴随这能源消耗产生的二氧化
4、碳的排放量，因此在环境影响评价中引入背景影响。电力使用被认定为是化石资源的枯竭和温式气体排放的主要贡献者。在分析中包括施工和拆除阶段系统运行的评价。后来，在荷兰一些更为复杂的LCA应用于城市污水处理厂，结果显示减少污水污染（氮，磷）和减少污泥产量的重要性。与以前的研究相反，它的结论是，对能源消耗的影响的贡献是非常低的。这个结论是标准化后的结果，也就是说在荷兰WWT的环境影响，是占荷兰总的环境影响中的一个百分比。在那个阶段结果是污水处理厂的贡献不到1%的能源消耗。这个例子涉及的LCA研究规范效果的影响。建筑的影响和使用的化学物质在他们的评价中没有发现是显着的。从 Roeleveld 的研究中发现
5、，LCA已应用于评价不同类型的常规污水处理厂。首先，LCA已被用来描述具体案例研究的环境影响（Clauson-Kaaset al., 2001; Hospido et al., 2004; Pasqualino et al., 2009;Bravo and Ferrer, 2011; Venkatesh and Bratteb, 2011）。第二，LCA已经运用了活性污泥模型来进行动态仿真，Flores-Alsina在2013年对氮的去除策略进行了评价，并对多种生物营养物去除配置进行了分析。第三，LCA对已有研究的不同配置进行了分析并找出一种适用于单一性能的配置（Mels et al., 19
6、99; Vidal et al., 2002; Rebitzer et al., 2003;Clauson-Kaas et al., 2004）。最后，对复杂的传统的系统进行了比较（Gallego et al., 2008;Hospido et al., 2008; Rodriguez-Garcia et al., 2011）。结果在所有需要的营养物去除的研究非常相似，突出了富营养化、有毒性、由于废水排放导致的全球气候变暖、污泥处理处置以及耗电量进行了权衡。改善当地的水质，是需要付出能源和化学物品的消耗为代价的。总体而言，最好的选择还是降低营养盐的排放。2.2非常规技术的评价非常规技术我们理解
7、任何不是基于活性污泥系统的沉淀池的技术。现实情况是传统的污水处理厂采用的技术都是既昂贵又耗能，特别是在小的社区这是一个最麻烦的问题。人工湿地、生物滤池和砂滤系统在使用LCA之后提出了对环境的影响低于常规技术可行方案（Brix, 1999; Dixon et al., 2003; Vlasopoulos et al.,2006; Machado et al., 2007; Nogueira et al., 2009; Kalbar et al.,2012a; Yildirim and Topkaya, 2012）。虽然这些低技术的过程需要更大的土地面积的实施，他们往往是适当的农村地区，因为低的能
8、量要求和高的重金属处理率。用于废水处理的新技术正在开发，并且将使用LCA方法与传统技术进行比较作为一种常用的方法。这其中有微生物燃料（MFC）技术，电解细胞技术（MEC），高级氧化技术（AOPs）或膜生物反应器（MBR）。在MEC技术的情况下，显著的环境效益可以通过有用的化学物质生产的经济效益实现的（如过氧化氢）。对于高级氧化工艺的比较，利用太阳能作为能源的来源，减少了显着的环境影响的关键方面。在膜生物反应器的情况下，能源的使用也被指出的一个关键因素，需要进行优化以提高环境绩效。值得注意的是，使用LCA的技术发展时，实验室使用刻度数据，这无疑限制了实际应用结果的实用性。近年来微污染物的影响（优
9、先级和新兴污染物）对生态系统和他们的命运和去除污水处理厂进行了研究（verlicchi et al.，2012）。这些污染物包括重金属，如药品和个人护理产品的有机物（包括内分泌干扰物）。结果微量污染物的去除一些技术被提出（例如臭氧，高级氧化、活性炭）和使用LCA评估 （Hibye et al., 2008; Wenzel et al., 2008;由于周围的表征物的不确定性因素，这些研究表明，从他们的去除取决于评估技术中甚至没有环境效益。因此，需要进一步的研究更好地了解污染物对于水生物种的影响。2.3拓展城市污水处理系统管理策略的评估边界在一些研究中的污水处理厂的边界已经包括了整个城市水/污水
10、系统即提取淡水，生产饮用水，饮用水分配和使用，产生的废水和运输到污水处理厂的整个过程。几项研究模拟了整个城市污水系统来评价从集中式的污水处理厂到分散式的污水处理厂的转变中造成的环境后果（Tillman et al., 1998; Lundin et al., 2000; Karrman and Jo nsson, 2001; Lundin and Morrison, 2002; Lassaux et al., 2007;Remy and Jekel, 2008, 2012）。他们得出的结论是，分离系统（即尿液，粪便和灰水分离）代表环境优势，与传统的集中式的污水处理相比较，提高了营养物质的回用，
11、避免直接排放到环境中去。当废水系统的模型扩大到包括化肥的偏移量，这些优势会更加明显。这是由Lundin et al. （2000）解决的，他们证明了加入营养物质排放入农田中，那么农业所需的化肥量就会减少，并且可以避免生产和使用矿物肥料所产生的大量环境负荷。此外，如果能在厕所废水和生活垃圾中回收能源，那么可以减少对于能量的需求。因此，Lundie et al.（2004）扩大了综合供水和污水处理的边界，来评价到2021年悉尼的总水量的变化。该污水处理厂的界限也已扩大到考虑再生水的生产和分配，减少对饮用水和淡化水的依赖。除了再生水的可持续评价（Chen et al., 2012），有两项研究已经在
12、这个地区开始应用了（Pasqualino et al., 2009, 2011）。双方一致认为三级处理对于传统的污水处理厂略有增加植物对环境的影响，但是相比于其他的污水处理工艺，它的环境影响要小很多，尤其是与淡化相比。2.4污泥管理策略比较LCA中第一次包括污泥处理处置的研究是Dennison et al.（1998）提出的。从那以后，也进行了一些研究，扩大了系统的边界，包括重金属或氧化亚氮（N2O）排放，并且评估了在厌氧消化过程中有益能量的回收，以及营养物质被返回到环境中作为土壤改良剂。现在可供研究的文献进行污水处理厂中污泥的处理处置的比较（Suh and Rousseaux, 2002;
13、Hospido et al., 2005, 2010;Houillon and Jolliet, 2005; Johansson et al., 2008; Hong et al.,2009; Peters and Rowley, 2009; Uggetti et al., 2011; Cao and Pawowski, 2013; amongst other） （厌氧消化、热处理、石灰稳定、筒仓储存）和离开了污水处理厂的污泥处理处置过程（农业推广、焚烧、湿式氧化、热解、填埋、湿地、堆肥和水泥材料回收）。尽管这些研究通常是特定的情况下进行的，结果表明一般情况下最好是集中管理污泥并且尽可能的将污
14、泥在设备中脱水来降低潜在的环境的影响。关于技术方面，建议厌氧消化与焚烧或者是土地利用相结合是一种能源回收的不错的选择。后者被限制的因素是重金属、优先级和新兴污染物，因为它们具有潜在的显著的毒性效应。同时，农业推广对污泥最终处置的环境影响也不容忽视。3文献综述分析3.1 LCA研究实践评估我们对于这项研究进行了深入的分析（见表1），以确定不同的方法遵循的原则（在国际标准化组织的约束下），并且根据他们研究的透明度讨论出一个结果。图1总结了关于正确的定义和理由的目标和范围、清单、影响评价和解释说明。我们可以明显的看到100%的研究都定义了目标和范围，涵盖了广泛的功能单元和系统边界（见下面的部分）。关
15、于资料清单，只有38%的研究提供了资料清单，或者是作为支撑信息，可以供其他研究者使用。在进行评价的文献中有82%的研究进行了环境影响评价。然而，38%的研究并没有明确表明他们使用的方法。最后，只有33%的研究提供了一个深入的解释，包括方法的限制和敏感性分析。在下面的章节中会进一步分析每一个层次的国际化标准。3.1.1目标和范围的定义功能单元。在综述文献中最常用的功能单元是处理污水的体积单位（60%的研究使用的单位是立方米或者是毫升）。然而，这个单位并不能总是代表，因为它没有反映进水水质和污水处理厂的去除效率。例如，假如使用相同体积单位的功能比较两个不同的进水负荷或者是不同污水去除效率的系统可能
16、会导致误导性的结论 （e.g. Tillman et al., 1998; Gallegoet al., 2008）。在这种情况下，为了能够包括除水量外的污水水质，人口当量的使用，单位人口当量是用于定义为有机生物负载的五日生化需氧量（BOD）60克氧每天。为了能够同时描述有机物和营养物质的功能单元，Rodriguez-Garcia et al. （2011）建议定义FU来确定磷的去除。并且，Godin et al. （2012） 提出净环境效益的方法，除了评估污水处理厂的生命周期的影响，需要评估潜在影响释放废水和处理。另一方面，有9%研究认为功能单位与污水处理厂的寿命有关。 Emmerson
17、et al.（1995）认为一个典型的处理工程的使用寿命，无论是有限的结构类型，平均十五年。 Larsen et al. （2010）认为30年用于建筑及建造，20年用于管道及阀门及15年用于电子设备。 Foley et al. （2010b）认为考虑10年内的功能单元的操作。这就应该考虑污水治理厂的生命过程中需要更换设备。边界。针对污水处理过程的生命周期，23的研究只包括了污水处理厂的运行和忽视对建筑施工和拆除阶段的环境负荷。这是研究其中包括施工阶段，6篇文献发现，建设污水处理厂是一个值得考虑影响的因素。首先，对技术含量低的过程（例如人工湿地，芦苇）施工阶段可以解释高达80%的一些影响类别的
18、影响 （Emmersonet al., 1995; Vlasopoulos et al., 2006;Machado et al., 2007）。其次，施工阶段也被报告对相关阶段常规活性污泥系统和膜生物反应器有影响，分别以贡献总量的43%和31%的影响。最后，Remy and Jekel （2008） 发现施工影响占总体影响的20%。由于这些都是具体的研究，高度依赖于所使用的材料的结构和考虑到基础设施的寿命，所以没有泛化是可能的。Frischknecht et al. （2007） 认为污水处理厂的设备和建设占据了大部分影响的结果，特别是下水道的基础设施建设及稀释后的废水中的污染物含量。一般将
19、与毒性相关的环境影响敏感的设施建设一般被排除。因此，基础设施不能被排除在外，这一阶段被排除在系统之外，是需要一个理由。Lundin et al. （2000），Lundin and Morrison（2002）, and Foley et al. （2010a）完整的概述了地理区域边界，包括前台（排放和产品/过程直接相关的用法）和后台（为前台子系统提供服务的排放和使用方法）。在前台子系统中，在水相中的营养物质的交换通常被考虑。然而，只有53%的研究包括直接温室气体排放产生的生物处理，在污泥处理过程中或在土地领域的污泥处置。所有的研究提出了选定的界限，根据所确定的目标，但没有强大的理由的选择是很
20、常规的选择。图2显示了所选择的边界的审查研究。由于LCA首次运用于污水处理厂，那么污泥的处理处置包括在边界之内会对整体的影响有重大的贡献。事实上，有36篇文献已经把污泥的处理处置作为一个子系统来考虑了。一些出版物，不包括污泥处理和处置进行了研究比较非常规技术，特别是三级处理，没有产生污泥。农业应用是最常见的污泥最终处理处置方法，其中考虑了污泥的营养价值，并且扩大了范围，避免了合成肥料的生产，同时污泥中含有的重金属也可能带来负面影响。一种情况是既包含重金属还包含了很多有机污染物。然而，只有6项研究认为温室气体的排放有部分来源于污泥在农田里的分解（i.e.Dennison et al., 1998
21、; Suh and Rousseaux, 2002; Houillon andJolliet, 2005; Tangsubkul et al., 2005; Gallego et al., 2008;Hospido et al., 2008）。3.1.2清单在这个阶段，研究遇到最大的问题就是数据的可获得性以及数据的质量。清单里所需要的数据一般来源于实验室，试点设施或者是污水处理厂，从专家，相关文献以及LCA数据库中进行估算。在前台显示的生命周期清单直接来源于现场测量，详细的设计文档以及厂商提供的信息。后台的数据（比如发电系统，混凝土及化学品的生产过程）直接来源于LCI数据库。有22篇文献包括施
22、工建设阶段，原始数据中有68%是使用他们自己的数据，其他的数据来自其他的文献。概括的说，大约有一半的文献不包括数据清单（49%），而其他的只是包括了部分信息（18%），只有33%的文献提供了资料清单，以再现的工作的详细程度。3.1.3生命周期影响评价（影响评估方法和影响评估类别）根据ISO的标准，LCA研究的第三步是由强制性（分类和表征）和自愿性（标准化和加权）组成。分类和表征。大多数污水处理厂的LCA研究跳过了清单阶段直接进行影响评价的步骤。在45篇文献中，有26篇文章指出了所使用的影响评价方法：19篇文章使用CML，7篇文章使用EDIP 97 ，3篇文章使用Eco-indicator 99
23、，2篇文章使用Impact 2002，1篇文章使用EPS，2篇文章使用eco-points 97 ，1篇文章使用ReCiPe。其余的文章没有明确指出选择或者使用某一种特征因子方法。总所周知，Ortiz et al. （2007）, Renou et al.（2008） and Hospido et al. （2012） 是目前唯一一个通过调查来验证是否现有的LCIA方法的选择的不同会影响到LCA评价的结果。根据Ortiz et al. （2007）文章中的体现，目前有三种方法运用于生命周期影响评价（CML baseline 2000, Eco-Points 97 and Eco-Indicat
24、or 99）。虽然在这篇文章中对此并没有特别的讨论，Eco-Points 97和Eco-Indicator 99做出来的结果非常相似，但是与CML baseline 2000做出来的结果恰恰相反。Renou et al. （2008）研究得出结论，在这些类别中，比如全球气候变暖，酸雨，富营养化和资源消耗这些方面，影响评价的选择得出的结果并不是差距很大。然而，Pizzol et al. （2011） 报道其实大的差异其实是在对人类毒性的影响，比较了9中不同的评价方法，它们都侧重于重金属对人类身体健康的影响。最后，Hospido et al. （2012）比较三种 不同的评价方法（CML 2000
25、, ReCiPe and IMPACT 2002+），对于4中不同的膜反应器的环境影响等级稳健性的的评价。四种评价类别包括（富营养化，酸雨，地表水和纯净水的生态毒性），其中最大的分歧就是富营养化的评价，不同的影响评价方法给予磷流失的权重不同导致不同的结果。考虑到影响评价类别的设置，潜在的全球气候变暖，酸雨和富营养化，是更加受到关注的指标。另外，光化学氧化，陆地生态毒性，水体生态毒性，海洋生态毒性也是备受关注的指标。陆地生态毒性在评估污泥处理处置过程中产生的重金属和微型污染物中扮演着重要的角色。最后，臭氧层耗竭和非生物消耗（包括化石能源和材料消耗），没有发现显着的决策驱动程序，在这些研究中，只有
26、14和20篇论文，在这一领域进行评估。标准化和加权。标准化，这是所有的环境影响评估都围绕同一个范围准则，共有18篇文献使用了这种方法。标准化因子来源于地区和全球的数据库（e.g.PE, 1990 Denmark; SCB, Sweeden statistics; EU15 world 1994;Western Europe 90s）。加权，这是用于转化和合计所有影响类别的指标变成一个简单明了的指标，在5篇文献中进行了使用。这个理由就是应用权重的过程中，是更相关的决策过程中的主观价值选择，而不是一组的设计方案的相对环境的可持续性。这种方法在5篇文献中使用，并且定义权重的方法是EPS-method
27、，加权的环保主题和生态稀缺性。这种等级机制是参考了生态指标99的加权平均机制，这种权重的使用来源于CML 2001 ，或者根据决策者自己的偏好或者重要性的不同来选择参数。3.1.4解释说明 根据 ISO 14040:2006，解释应该包括：a）基于LCA中LCI和LCIA的结果的重大问题的识别；b）评估研究是否考虑到了完整性，灵敏性和一致性的检查；c）结论，限制和建议。因此，可以运用LCA灵敏度的分析来确定哪些参数最影响LCA的结果。然而，在所有的文章中，做了灵敏度分析的只有15篇文章。结果的讨论是一个具有挑战性的问题，因为多个标准通常结合多个场景进行评估。这创造了大量的空间，难以向公众解释。
28、一个广泛使用的方法，提出的结果是一个参考方案，对其中的影响进行计算，并与其他情况的影响做对比。在这样的方式诱导和避免的影响可以计算为每个场景。最后，只有34%的研究讨论了该方法的局限性和相关的建议。4挑战 从审查的研究过去结果的有效性限制了现有的做法。有些结论可能成为无效的研究进展（例如：包括新的污染物，发现估计的潜在影响，新的因素考虑当地环境的独特性，对环境和不同的时间跨度的动态影响）。LCA的使用者应该都知道这个不可能解决的问题，并且本文的目的不是去解决它们，而是提供一系列应用于WWT的LCA评价方法的挑战。4.1 利用LCA解决废水处理中范式的转变 生态可持续发展是长远需要的，WWT系统
29、的目标不仅仅需要保护人类的健康和地表水，也要最大限度的减少资源的损失，减少能源和水的使用，减少废弃物的产生，使营养物质能够循环。这里就需要有一个范例的转变，从废物的资源回收和水的回用应该可以合理的实施，通过LCA研究新的技术以及新技术的实施。4.2 LCA方法适应新目标化合物 有关毒性的影响类别的发展主要包括重金属和优先污染物（Mun oz et al., 2008; Larsen et al., 2009）。尽管我们人类对于优先污染物的认识还十分缺乏，但是LCA必须提前将优先污染物纳入生态毒性的范畴之中（Mun oz et al., 2008; Larsen et al., 2010; Alfonsn et al., 2012;Morais et al., 2013）。研究应该更加切实的考虑重金属在土壤中迁移的过程。重金属实际在土壤中会有很长的持久性，应该建立更加精确的检测系统，检测重金属转移到植物和作物中的量以及转移到其他相中的量。此外，有机微污染物也包括在最新的研究中。对于污泥的处理处置，重金属的残留相比于有机微污染物，还是占据主导地位（Hospido et al., 2010）。这也是在城市污水处理厂污水的情况下，微污染物会有助于水生毒性的影响（Larsen et al.,2010）。关于生态毒性和人体毒性目前最好的实践
