利用泡沫分离技术从垃圾填埋场渗滤液中去除全氟和多氟烷基物质的生命周期评估与生命周期成本分析

《ACS ES&T Water》：Life Cycle Assessment and Life Cycle Costing Analysis for Removing Per- and Polyfluoroalkyl Substances from Landfill Leachate with Foam Fractionation Technology

　　本研究通过生命周期评估（LCA）和成本分析（LCCA），对比了一阶（20%和1%泡沫分数）和三阶泡沫分离（FF）系统处理含PFAS地废渗滤液的环境影响与经济成本。结果表明，三阶系统虽环保优势显著（GWP降低50%以上），但总成本更高；优化的一阶系统（1%泡沫分数）在环保与成本间取得平衡，其GWP为357 kg CO?eq，成本77.4美元/千立方米，优于三阶系统。研究强调压缩空气能效和泡沫分数优化对系统性能的关键作用，并探讨了不同能源结构对处理成本的影响。

　　PFASs（全氟和多氟烷基物质）作为一种新型污染物，因其持久性和生物累积性而受到广泛关注。这些物质广泛应用于工业、商业和制造领域，例如表面涂层、润滑剂和灭火泡沫等。由于PFASs具有较高的毒性，其在环境中的存在可能对生态系统和人类健康造成严重影响。特别是在垃圾填埋场中，PFASs污染源主要来自于被丢弃的消费品和工业废物，以及含PFASs的生物固体。此外，垃圾焚烧产生的底灰可能仍含有未完全燃烧的PFASs，这些物质通过生物淋滤和物理化学脱附进入填埋场渗滤液，从而导致高浓度的PFASs污染。尽管部分PFASs的生产和使用已被禁止或限制，但历史积累的废物预计将在未来很长一段时间内持续存在，成为环境治理的重要挑战。

面对PFASs污染问题，各种技术已被应用于水体中PFASs的去除，包括颗粒活性炭（GAC）、离子交换（IX）、纳滤/反渗透（NF/RO）以及电化学氧化（EO）。然而，这些技术各有局限性。例如，GAC和IX在去除长链PFASs方面表现良好，但对短链PFASs效果有限，且需要频繁更换或再生介质，导致高生命周期成本和复杂的废物处理问题。NF/RO虽然具有广泛的PFASs去除能力，但能耗高，产生的浓缩液仍需处理或销毁。EO作为破坏性技术，虽然前景广阔，但通常需要大量电能输入，更适合用于浓缩废水的最终处理阶段。相比之下，泡沫分离（FF）作为一种基于分离的技术，利用PFASs的表面活性特性，能够将PFASs从水相中浓缩到更小体积的泡沫相中，从而便于后续处理或处置。这种技术优势在于其可以借助现有的曝气过程进行实施，仅需安装合适的泡沫收集系统即可。PFASs的去除效率受多个操作参数影响，包括接触时间、空气比、空气流量和泡沫比例等。通常，长链PFASs的去除效率超过90%，而短链PFASs的去除效率则低于50%。FF技术已在实验室、试点和商业化规模中被证明有效，但其生命周期评估和成本分析仍需深入研究。

本研究旨在通过生命周期评估（LCA）和生命周期成本分析（LCCA）的方法，系统地量化和比较泡沫分离技术在不同系统配置下的环境影响和经济成本。研究对象为一种处理PFASs污染渗滤液的泡沫分离系统，包括单级系统（泡沫比例为20%和1%）和三级系统（泡沫比例为1%）。通过使用全规模运行数据和美国环保署（EPA）设计模型，研究以每处理1000立方米PFASs污染渗滤液为功能单位，评估了不同系统对环境和经济的影响。结果显示，单级系统（泡沫比例20%）的全球变暖潜值（GWP）为818千克CO?当量，而单级系统（泡沫比例1%）的GWP降至357千克CO?当量，三级系统（泡沫比例1%）的GWP为402千克CO?当量。这表明，减少泡沫比例能够显著降低环境负担。在经济成本方面，单级系统的生命周期成本为每功能单位77.4美元，而三级系统为110.6美元，显示出三级系统在成本上的劣势。此外，研究还进行了敏感性和规模扩展分析，以评估操作参数和系统配置对环境和经济结果的影响。

泡沫分离系统的主要操作参数包括空气-水比（AWR）、空气流量和曝气时间等，这些参数直接影响PFASs的去除效率和环境影响。在本研究中，空气-水比被设定为4.3，这一数值基于Smith的试点研究。三级系统通过多阶段浓缩，显著降低了泡沫体积，从而减少了有害废物的产生。例如，三级系统中，泡沫体积从第一阶段的20%逐步减少到第三阶段的0.0154%，最终浓缩至0.00006%的体积。这种分阶段处理不仅提高了PFASs的去除效率，还减少了能源消耗和废物处理负担。然而，对于短链PFASs，其去除效率在三级系统中有所提升，但仍低于长链PFASs的去除效率。因此，优化泡沫分离操作参数对于提升系统性能至关重要。

在生命周期评估方面，研究考虑了多个环境影响类别，包括臭氧层消耗（OD）、全球变暖潜值（GWP）、酸化（AD）、海洋富营养化（ME）、臭氧形成（SF）、生态毒性（ET）、致癌物（C）、非致癌物（NC）以及呼吸效应（RE）。结果表明，单级系统（泡沫比例20%）在多数环境影响类别中表现最差，尤其是GWP和生态毒性，这主要归因于其产生的大量有害泡沫废物。相比之下，三级系统由于泡沫体积的显著减少，其环境影响总体较低。同时，优化后的单级系统（泡沫比例1%）在环境表现上甚至优于三级系统，显示出泡沫比例优化在提升环境效益方面的重要性。

在经济成本分析中，研究采用净现值（NPV）方法，计算了不同系统在30年生命周期内的总成本。结果显示，三级系统的资本建设成本比单级系统高出约32%，运营成本高出25%，维护成本则高出66%。尽管三级系统在环境方面表现更优，但其较高的经济成本表明，在实际应用中需要权衡环境效益与经济可行性。此外，研究还分析了不同能源混合对PFASs处理系统环境影响的影响。例如，美国东南部电网的碳强度较高，导致PFASs处理的全球变暖潜值较高。如果采用更清洁的能源，如可再生能源，则PFASs处理的环境影响可能显著降低。

研究还探讨了不同处理技术之间的比较。例如，颗粒活性炭（GAC）和离子交换（IX）系统虽然在某些情况下具有较低的全球变暖潜值，但其经济成本远高于泡沫分离系统。此外，电化学氧化（EO）技术虽然能够有效破坏PFASs，但其高能耗和对能源混合的依赖性使其在某些情况下不如泡沫分离技术环保。然而，如果EO技术能够利用低碳或可再生能源，则其环境影响可能显著优于泡沫分离系统。

总体而言，泡沫分离技术在处理PFASs污染渗滤液方面展现出良好的环境和经济潜力。通过优化操作参数和系统配置，单级系统能够实现与三级系统相当甚至更优的环境效益，同时保持较低的经济成本。因此，在未来的大规模PFASs处理应用中，泡沫分离技术，尤其是经过优化的单级系统，可能成为一种具有竞争力的解决方案。然而，为了确保其环境效益，还需进一步关注空气生成过程的能效优化，以及如何在不同能源混合条件下调整处理策略。此外，针对不同PFASs种类的处理需求，可能需要结合其他技术，如电化学氧化，以实现更全面的污染控制。