建立城鎮(zhèn)水體污染治理工程成果轉(zhuǎn)化市場(chǎng)化
運(yùn)行機(jī)制，搭建產(chǎn)業(yè)科研間橋梁
WATER POLLUTION CONTROL TECHNOLOGY MAJOR PROJECT
行業(yè)交流
BOUNCE
在可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)下,，污水處理廠不僅要有效去除污染物,，還要綜合考慮節(jié)能減排、減少二次污染等多項(xiàng)任務(wù),。面向此需求,，基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法建立了污水處理廠綜合效能評(píng)估方法。在此基礎(chǔ)上,，對(duì)我國(guó)2019年4733座城鎮(zhèn)污水處理廠的綜合效能進(jìn)行了量化,，識(shí)別了影響綜合效能的因素，并對(duì)我國(guó)污水處理廠綜合效能的提升提出了分類(lèi)指導(dǎo)意見(jiàn),。不僅能夠?yàn)閱蝹€(gè)污水處理廠的綜合效能提升提供路徑指導(dǎo),，也能夠?yàn)槲覈?guó)污水處理行業(yè)的績(jī)效監(jiān)管提供方法支撐。
0 引言
隨著近十余年的高速建設(shè),，中國(guó)的城鎮(zhèn)污水處理廠已經(jīng)從2007年的1 205座增長(zhǎng)到2019年的5462座,，增長(zhǎng)了354%,。在“量”提升的同時(shí)，污水處理廠的“質(zhì)”開(kāi)始受到關(guān)注,。對(duì)污水處理廠進(jìn)行效能評(píng)估能夠促進(jìn)其效能的提升,。中國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部在2014年12月發(fā)布了《城鎮(zhèn)污水處理廠運(yùn)營(yíng)質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，美國(guó)和歐盟也分別提出ENERGY STAR和ENERWATER對(duì)污水處理廠的能耗效能進(jìn)行評(píng)價(jià),。
污水處理廠在去除污染物的同時(shí),，也會(huì)產(chǎn)生溫室氣體、污泥等非期望產(chǎn)出,。隨著人們對(duì)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的關(guān)注,，大部分研究者在經(jīng)濟(jì)效能和能耗效能基礎(chǔ)上提出了生態(tài)效能（eco-efficiency）的概念。G-MEZ等指出,，污水處理廠的生態(tài)效能有3個(gè)主要目標(biāo)：①增加服務(wù)或者產(chǎn)品的價(jià)值,；②優(yōu)化資源的使用；③減少環(huán)境影響,。隨著生態(tài)效能概念的提出,，污水處理廠效能評(píng)估的方法也有了相應(yīng)的發(fā)展。目前,，污水處理廠效能評(píng)估的方法有三大類(lèi),。第一類(lèi)是指標(biāo)法，包括賦權(quán)均值法,、層次分析法,、優(yōu)劣解距離法、全生命周期法等,；第二類(lèi)是參數(shù)法,，包括隨機(jī)前沿面法、最小二乘法等,；第三類(lèi)是非參數(shù)法,，主要包括數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法（Data Envelopment Analysis，DEA）,。
在眾多效能評(píng)估方法中,，DEA方法在近些年應(yīng)用地比較廣泛。與全生命周期法相比,，該方法的復(fù)雜度低,，能夠?qū)Υ罅繕颖就瑫r(shí)進(jìn)行評(píng)估，便于應(yīng)用于實(shí)際管理中,。與隨機(jī)前沿面法相比,，該方法不需要定義最佳前沿面的函數(shù)形式，在目前對(duì)于污水處理廠生產(chǎn)函數(shù)認(rèn)知十分欠缺的情況下,，可以相對(duì)有效客觀地開(kāi)展效能評(píng)估,。
1 數(shù)據(jù)與方法
1.1 污水處理廠綜合效能評(píng)估指標(biāo)體系建立
根據(jù)DEA方法的原理,，本研究建立的污水處理廠綜合效能評(píng)估指標(biāo)體系包括投入類(lèi)指標(biāo)、期望產(chǎn)出類(lèi)指標(biāo)及非期望產(chǎn)出類(lèi)指標(biāo),。具體各項(xiàng)指標(biāo)及計(jì)算方法如圖1所示。
1.2 污水處理廠綜合效能計(jì)算方法
式（1）給出了污水處理廠綜合效能θ(WWTP0)的計(jì)算方法,，其等于1減去污水處理廠的最大綜合效能改進(jìn)潛力D(WWTP0),。污水處理廠的綜合改進(jìn)潛力越小，表明其綜合效能越高,。針對(duì)污水處理廠多投入多產(chǎn)出以及存在非期望環(huán)境影響類(lèi)產(chǎn)出的特征,，本研究利用DEA中的加權(quán)Russell方向距離函數(shù)模型對(duì)其最大化綜合效能改進(jìn)潛力進(jìn)行量化。
其中θ(WWTP0)為待評(píng)價(jià)污水處理廠WWTP0的綜合效能,。D(WWTP0)為待評(píng)價(jià)污水處理廠WWTP0的最大化的綜合改進(jìn)潛力,。ωenergy、ωCOD,、ωTN,、ωTP、ωsludge,、ωEutro,、ωGHG、ωWF 為能耗權(quán)重,、COD去除量權(quán)重,、TN去除量權(quán)重、TP去除量權(quán)重,、污泥權(quán)重,、富營(yíng)養(yǎng)化潛力權(quán)重、溫室氣體權(quán)重,、灰水足跡權(quán)重,，本研究分別取1/3, 1/9, 1/9, 1/9, 1/12, 1/12, 1/12, 1/12。β0-energy,、β0-COD,、β0-TN、β0-TP,、β0-sludge,、β0-Eutro、β0-GHG,、β0-WF 為待評(píng)價(jià)污水處理廠WWTP0的能耗改進(jìn)潛力,、COD去除量改進(jìn)潛力、TN去除量改進(jìn)潛力,、TP去除量改進(jìn)潛力,、污泥改進(jìn)潛力,、富營(yíng)養(yǎng)化潛力改進(jìn)潛力、溫室氣體改進(jìn)潛力,、灰水足跡改進(jìn)潛力,；其中β0-energy、β0-sludge,、β0-Eutro,、β0-GHG、β0-WF取值范圍［0,1),，β0-COD,，β0-TN，β0-TP取值范圍［0,+∞),。K為待評(píng)估污水處理廠總數(shù),。λk為使得綜合改進(jìn)潛力最大化的污水處理廠線性組合最優(yōu)解中，第k個(gè)污水處理廠WWTPk的系數(shù),，k=1,2,3,……,K,。Energyk、CODk,、TNk,、TPk、Sludgek,、Eutrok,、GHGk、WFk為污水處理廠WWTPk的能耗,、COD去除量,、TN去除量、TP去除量,、污泥,、富營(yíng)養(yǎng)化潛力、溫室氣體,、灰水足跡,，k=1,2,3,……,K。Energy0,、COD0,、TN0、TP0,、Sludge0,、Eutro0、GHG0、WF0為待評(píng)價(jià)污水處理廠WWTP0的能耗,、COD去除量,、TN去除量、TP去除量,、污泥,、富營(yíng)養(yǎng)化潛力、溫室氣體,、灰水足跡,。COD0-effluent、TN0-effluent,、TP0-effluent為待評(píng)價(jià)污水處理廠WWTP0出水中COD總量、TN總量,、TP總量,。
2 2019年我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠綜合效能評(píng)估
2.1 評(píng)估樣本基本情況
在進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗后，本研究最終對(duì)我國(guó)2019年4 733座城鎮(zhèn)污水處理廠的綜合效能進(jìn)行了評(píng)估,。
圖3從評(píng)估指標(biāo)體系的角度總結(jié)了本次評(píng)估樣本的基本特征,。從圖3中可以看出，2019年我國(guó)有50%的城鎮(zhèn)污水處理廠噸水能耗為0.25~0.49 kW·h/m3,，噸水COD去除量為120~250 mg/L,，噸水TN去除量為14~30 mg/L，噸水TP去除量為1.7~3.9 mg/L,，噸水污泥產(chǎn)量為2.3~7.0 t/萬(wàn)m3,，噸出水富營(yíng)養(yǎng)化潛力為4.1~6.0 mg PO43--eq/L ，噸水溫室氣體排放量為4.3~8.3 t CO2-eq/萬(wàn)m3,，噸出水灰水足跡（不含調(diào)正值）為-0.17~0.57,。從數(shù)據(jù)分布來(lái)看，灰水足跡的廠間差距較小,，變異系數(shù)僅為0.15,，其余變量的變異系數(shù)均介于1.1至1.9。
2.2 綜合效能評(píng)估結(jié)果及其特征分析
圖4展示了2019年我國(guó)4733座城鎮(zhèn)污水處理廠綜合效能的計(jì)算結(jié)果,。全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠的綜合效能均值為0.60,，其意味著，平均而言我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠的綜合效能有40%的提升空間,。評(píng)估樣本中綜合效能為1的標(biāo)桿廠有179座,，占比3.8%。50%的廠綜合效能介于0.53至0.67之間,。
從空間分布來(lái)看綜合效能較低的污水處理廠主要位于南方和西部經(jīng)濟(jì)及污水處理設(shè)施建設(shè)后發(fā)省份,。西藏、海南,、江西的綜合效能最低,，相比全國(guó)平均值低了60%,、20%和17%。天津,、山東,、北京的綜合效能最高，相比全國(guó)平均值高了20%,、9%和8%,。
圖6給出了179座標(biāo)桿廠基于評(píng)估指體系的基本特征?？梢钥闯?，標(biāo)桿廠具有低噸水電耗、低污泥強(qiáng)度,、低富營(yíng)養(yǎng)化潛力的特征,。統(tǒng)計(jì)上，50%的標(biāo)桿廠噸水電耗為0.18~0.40 kW·h/m3,，中位數(shù)比全國(guó)平均水平低22%,；噸水污泥排放量為0.3~6.4 t/萬(wàn)m3，中位數(shù)比全國(guó)平均水平低36%,；噸出水富營(yíng)養(yǎng)化潛力為2.8~5.6 mg PO43-.eq/L ,，中位數(shù)比全國(guó)平均水平低19%。
從污水處理廠自身屬性來(lái)看,，通過(guò)計(jì)算不同組別標(biāo)桿廠占該組所有污水處理廠數(shù)目的比例,，發(fā)現(xiàn)大規(guī)模（>20萬(wàn)m3/d）、高入水COD濃度（>400 mg/L）,、高入水C/N（>15）,、高出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（地表Ⅳ）的廠更容易成為標(biāo)桿廠，如圖7所示,。
2.3 綜合效能影響因素分析
對(duì)于污水處理廠而言,，綜合效能的差異既可能與其自身特征相關(guān)，如地域,、規(guī)模,、技術(shù)、入水水質(zhì),，也可能與人為管理相關(guān),，如運(yùn)行負(fù)荷等相關(guān)。因此,，本研究按照規(guī)模,、技術(shù)、入水COD濃度、入水C/N,、地域以及負(fù)荷率,，對(duì)4 733座污水處理廠的綜合效能進(jìn)行了分組描述統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖8所示,。
通過(guò)非參數(shù)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),，規(guī)模、技術(shù),、入水COD濃度,、入水C/N、地域以及負(fù)荷率都是影響綜合效能的重要因素,。規(guī)模越大,，綜合效能越高，其中規(guī)模大于40萬(wàn)m3/d的廠相比小于1萬(wàn)m3/d的廠綜合效能平均提高48%,。氧化溝以及曝氣生物濾池的綜合效能相對(duì)較低,，采用這兩種技術(shù)的污水處理廠綜合效能分別比全國(guó)平均水平低了5%和14%。入水COD濃度越高,，污水處理廠綜合效能越高，其中入水COD濃度高于400 mg/L的廠相比濃度小于150 mg/L的廠綜合效能平均提高34%,。入水C/N越高,，綜合效能越高，其中入水C/N>15的廠相比<5的廠綜合效能平均提高10%,。東部一線城市的污水處理廠綜合效能最高,，相比全國(guó)平均高14%。負(fù)荷率100%~120%的廠綜合效能最高,，相比全國(guó)平均水平高8%,。
2.4 綜合效能提升建議
如式（1）所示，在計(jì)算各污水處理廠綜合效能的同時(shí),，還可以量化該污水處理廠在8項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)方面的改進(jìn)潛力,。通過(guò)對(duì)8項(xiàng)指標(biāo)的改進(jìn)潛力進(jìn)行聚類(lèi)，并對(duì)各個(gè)類(lèi)別的污水處理廠進(jìn)行特征歸納后,，本研究針對(duì)我國(guó)2019年的污水處理廠運(yùn)行提出了4條綜合效能提升建議：
對(duì)于低入水C/N,、高負(fù)荷率、東部的污水處理廠,，可通過(guò)污泥減量進(jìn)一步提升綜合效能,；
對(duì)于高入水COD濃度、高出水標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠,，可通過(guò)溫室氣體減排進(jìn)一步提升綜合效能,；
對(duì)于大規(guī)模、高入水C/N的廠，可通過(guò)節(jié)能降耗和污泥減量進(jìn)一步提升綜合效能,；
對(duì)低出水標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠,，可通過(guò)污染物去除率提升、節(jié)能降耗以及污泥減量等進(jìn)一步提升綜合效能,。
3 結(jié)論與建議
本研究基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法,，建立了涵蓋生產(chǎn)投入、污染削減,、生態(tài)環(huán)境影響等3類(lèi)8項(xiàng)指標(biāo)的污水處理廠綜合效能評(píng)估模型,。針對(duì)污水處理廠的生產(chǎn)特點(diǎn)，本研究選取DEA中的方向距離函數(shù)模型對(duì)綜合效能進(jìn)行量化,。從綜合效能評(píng)估結(jié)果來(lái)看,，2019年全國(guó)平均綜合效能為0.60，50%的廠綜合效能介于0.53至0.67,?？臻g上，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的綜合效能水平相對(duì)更高,。從影響因素來(lái)看,，規(guī)模、入水COD濃度以及入水C/N具有規(guī)模效益,，即該值越大,，污水處理廠的綜合效能越高；SBR及AAO,、東部一線,、負(fù)荷率100%~120%的廠綜合效能也相對(duì)更高?；诰垲?lèi),，本研究提煉出4條綜合效能提升路徑，適用于不同地域,、規(guī)模,、入水水質(zhì)、負(fù)荷率以及出水水質(zhì)的污水處理廠,。這些路徑在污泥減量,、溫室氣體減排、節(jié)能以及污染物去除率提升上有不同側(cè)重,。
本研究有兩個(gè)層面的意義,。對(duì)于單個(gè)污水處理廠，本研究的評(píng)估結(jié)果能夠?yàn)槠涮岢鼍C合效能改進(jìn)的具體路徑與目標(biāo),，為其進(jìn)一步開(kāi)展優(yōu)化運(yùn)行,、技術(shù)改造,、標(biāo)準(zhǔn)提升等提供數(shù)據(jù)及理論支持。對(duì)于管理部門(mén),，本研究能夠支撐城鎮(zhèn)污水處理廠綜合效能提升的相關(guān)政策制定,，同時(shí)也能夠?yàn)楣芾碚咛峁┬碌墓芾硪暯恰⒎椒ㄅc技術(shù)手段,。
未來(lái)的研究可以進(jìn)一步討論不確定性對(duì)于評(píng)估結(jié)果的影響,，包括模型結(jié)構(gòu)，如權(quán)重和改進(jìn)方向設(shè)置的不確定性,、指標(biāo)選取的不確定性,、數(shù)據(jù)輸入的不確定性、樣本集構(gòu)建的不確定性等,，從而提升評(píng)估的穩(wěn)健性,。