《Water》：Life Cycle Assessment and Comparative Cost Analysis of Removing Contaminants of Emerging Concern from Urban Wastewater by Activated Sludge Treatment and Ozonation
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为应对城市废水处理领域由新兴法规要求所驱动的范式转变，即需去除新兴关注化学污染物（CECs），应用生命周期评价（LCA）和比较成本分析评估废水处理升级的环境与经济影响已变得至关重要。本研究利用全规模运行数据，评估了针对CECs及常规污染物的活性污泥系统与下游臭
为应对城市废水处理领域由新兴法规要求所驱动的范式转变，即需去除新兴关注化学污染物（CECs），应用生命周期评价（LCA）和比较成本分析评估废水处理升级的环境与经济影响已变得至关重要。本研究利用全规模运行数据，评估了针对CECs及常规污染物的活性污泥系统与下游臭氧化策略。研究将人类毒性、全球变暖、淡水生态毒性和淡水富营养化作为中点类别，将人类健康和淡水生态系统作为端点类别，并辅以比较成本分析。结果表明，较高的CEC去除率主要降低了淡水生态毒性，尽管这一改善对淡水生态系统端点的影响相对较小，该端点主要由营养物排放驱动。较高的臭氧剂量通过增强CEC去除降低了对淡水生态系统的影响，但增加了成本，并对人类健康产生负面影响，这主要通过全球变暖影响实现，且与电能消耗及氧气生产和运输相关。臭氧化处理的总单位成本为0.065–0.083 �/m3，在测试条件下，对淡水生态系统的最小影响对应成本约为0.07 �/m3，相当于有机碳归一化臭氧剂量约0.8 mgO3/mgC。将LCA与成本分析相结合，有助于在选择废水处理策略时识别环境-经济权衡。然而，LCA在CEC去除方面的应用仍受限于许多CECs缺乏特征化因子，这可能导致CEC相关影响被低估，尽管这种潜在偏差的幅度尚不确定。因此，进一步开发CEC特征化因子并开展特定地点的环境-经济评估，对于支持处理和监管决策具有重要意义。
本研究围绕城市废水处理中新兴关注污染物（CECs）的去除策略展开了系统的生命周期评价（LCA）与成本分析，旨在为污水处理厂升级决策提供科学依据。随着欧洲城市污水处理指令（UWWTD）修订等监管要求的提出，城市污水处理正从传统的污染控制向深度去除CECs的方向转变。然而，升级处理工艺所带来的环境和经济后果尚未得到充分量化。已有LCA研究多聚焦于常规污染物，对CECs的整合因特征化因子缺乏而受限；同时，臭氧化等深度处理虽可提高CEC去除率，但额外能耗和氧气需求可能增加环境负担和运行成本。因此，利用真实全规模运行数据，在统一框架内比较不同活性污泥（AS）运行策略和下游臭氧化策略的环境-经济权衡，具有重要的现实意义。
研究人员基于三座污水处理厂（Serzedelo I、Serzedelo II和Lordelo）的全规模运行数据，按照ISO 14040/14044标准开展LCA，采用“从摇篮到大门”的系统边界，以处理每立方米废水为功能单元；使用ReCiPe 2016方法进行中点和端点影响评价，并结合运营支出（OPEX）和年化资本支出（CAPEX）进行成本比较。主要方法包括：区分不同食微比（F/M）和硝化条件的AS运行试验，以及不同臭氧剂量的下游臭氧化试验；生命周期清单涵盖能耗、混凝剂和氧气消耗、污泥产量及运输、进出水中57种CECs中8种可获取特征化因子的物质、直接温室气体（GHG）排放等。背景数据来源于ELCD数据库和IPCC指南。
**4.1 F/M运行条件试验**
在Serzedelo I（SI）、Serzedelo II（SII）和Lordelo（LOR）三座污水厂的不同F/M条件下，研究发现跨厂差异主要反映工厂特性（如反应器构型、曝气方式、进水特征）与F/M的综合作用，而非F/M的孤立效应。LOR纯氧AS系统在人体毒性、全球变暖和淡水富营养化等多数类别上影响最高，而SII氧化沟在淡水生态毒性上最高、人体毒性最低。中点至端点转化显示，淡水生态系统主要受淡水富营养化驱动，人类健康主要受直接GHG排放驱动的全球变暖影响。与未处理废水相比，处理可显著降低对淡水生态系统的影响（约5倍），并使人健康影响降低约11%。
**4.2 硝化条件试验**
在SII两座平行氧化沟中测试了高硝化（83% NH
4+去除，88% Nt去除）和低硝化（50% NH
4+去除，64% Nt去除）两种工况。结果显示，高硝化条件在除人体毒性外的所有类别中影响均较低，尤其在淡水生态毒性和淡水富营养化方面；人体毒性较高源于约20%的额外能耗。运营成本方面，高硝化带来的较高能耗被较低的污泥处置和排放费用所抵消，OPEX维持在0.150–0.155 �/m
3。
**4.3 臭氧化条件试验**
在LOR污水厂开展了三组臭氧化中试，共测试九个有机碳归一化臭氧剂量（0.41–0.98 mgO
3/mgC）。结果表明，较高臭氧剂量显著增加人体毒性和全球变暖，主要来自电能消耗及氧气生产运输；而较低剂量则因CEC去除不足导致较高的淡水生态毒性。对淡水生态系统，低剂量影响最大，高剂量影响最小；对人类健康则相反，高剂量影响最大。
**4.4 活性污泥与臭氧化集成**
以LOR的AS（F/M=0.08 d
-1）后接臭氧化（0.86 mgO
3/mgC）为双屏障配置，臭氧化虽通过增强CEC去除显著降低了淡水生态毒性，但对淡水生态系统端点几乎没有净影响，因为淡水富营养化（由营养物排放主导）仍是该类别的主要贡献者；同时，臭氧化增加了对人体健康的影响，主要源于全球变暖。
**4.5 比较成本分析**
AS处理中，SII的OPEX最低（0.14–0.15 �/m
3），SI为0.17 �/m
3，LOR最高（0.22–0.28 �/m
3）。成本构成上，SI和SII以污泥处置为主（50–61%），LOR以氧气为主（50%）。臭氧化处理的总单位成本（年化CAPEX+OPEX）为0.065–0.083 �/m
3，其中氧气为最大成本项（0.03 �/m
3），其次是CAPEX（0.02 �/m
3）。环境-成本关联分析显示，人体健康影响随成本增加而线性增加，而淡水生态系统影响呈非单调变化，在成本约0.07 �/m
3（对应0.79–0.86 mgO
3/mgC）时出现最小影响。
在讨论部分，研究人员强调需同时考虑常规污染物和CECs，并指出营养物排放和直接GHG排放是多数环境影响的支配因素。跨厂比较结果具有场地特异性，不宜直接外推。方法论局限主要包括：LCA仅覆盖运行阶段，排除了基础设施施工和生命周期末端影响，可能低估臭氧化对全球变暖的贡献；另外，由于缺乏特征化因子，57种监测CECs中仅8种（占UWWTD修订中12种微污染物指标的3种）能纳入LCA，这可能低估CEC相关影响，尽管偏差幅度无法量化。研究结论指出，CEC去除最主要的积极影响体现于淡水生态毒性中点，但对淡水生态系统端点的影响相对较小；优化现有生物处理（如提高硝化效率）可在不增加总成本的前提下降低环境负担；臭氧化则需要权衡其去除CECs的环境收益与能耗和成本代价。本研究将LCA与成本分析相结合，验证了其在支持污水处理升级决策中的价值，并强调未来需开发更广泛的CEC特征化因子，以完善针对新兴污染物的环境与经济综合评估。
