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        中國城鎮污水處理廠綜合效能評估

          導讀
          在可持續發展目標下,污水處理廠不僅要有效去除污染物,還要綜合考慮節能減排、減少二次污染等多項任務。面向此需求,基于數據包絡分析法建立了污水處理廠綜合效能評估方法。在此基礎上,對我國2019年4733座城鎮污水處理廠的綜合效能進行了量化,識別了影響綜合效能的因素,并對我國污水處理廠綜合效能的提升提出了分類指導意見。不僅能夠為單個污水處理廠的綜合效能提升提供路徑指導,也能夠為我國污水處理行業的績效監管提供方法支撐。
          
          0 引言
          隨著近十余年的高速建設,中國的城鎮污水處理廠已經從2007年的1 205座增長到2019年的5462座,增長了354%。在“量”提升的同時,污水處理廠的“質”開始受到關注。對污水處理廠進行效能評估能夠促進其效能的提升。中國住房和城鄉建設部在2014年12月發布了《城鎮污水處理廠運營質量評價標準》,美國和歐盟也分別提出ENERGY STAR和ENERWATER對污水處理廠的能耗效能進行評價。
          污水處理廠在去除污染物的同時,也會產生溫室氣體、污泥等非期望產出。隨著人們對可持續發展目標的關注,大部分研究者在經濟效能和能耗效能基礎上提出了生態效能(eco-efficiency)的概念。G-MEZ等指出,污水處理廠的生態效能有3個主要目標:①增加服務或者產品的價值;②優化資源的使用;③減少環境影響。隨著生態效能概念的提出,污水處理廠效能評估的方法也有了相應的發展。目前,污水處理廠效能評估的方法有三大類。第一類是指標法,包括賦權均值法、層次分析法、優劣解距離法、全生命周期法等;第二類是參數法,包括隨機前沿面法、最小二乘法等;第三類是非參數法,主要包括數據包絡分析法(Data Envelopment Analysis,DEA)。
          在眾多效能評估方法中,DEA方法在近些年應用地比較廣泛。與全生命周期法相比,該方法的復雜度低,能夠對大量樣本同時進行評估,便于應用于實際管理中。與隨機前沿面法相比,該方法不需要定義最佳前沿面的函數形式,在目前對于污水處理廠生產函數認知十分欠缺的情況下,可以相對有效客觀地開展效能評估。
          1 數據與方法
          1.1 污水處理廠綜合效能評估指標體系建立
          根據DEA方法的原理,本研究建立的污水處理廠綜合效能評估指標體系包括投入類指標、期望產出類指標及非期望產出類指標。具體各項指標及計算方法如圖1所示。
          
          圖1 污水處理廠綜合效能評價指標及計算方法
          1.2 污水處理廠綜合效能計算方法
          式(1)給出了污水處理廠綜合效能θ(WWTP0)的計算方法,其等于1減去污水處理廠的最大綜合效能改進潛力D(WWTP0)。污水處理廠的綜合改進潛力越小,表明其綜合效能越高。針對污水處理廠多投入多產出以及存在非期望環境影響類產出的特征,本研究利用DEA中的加權Russell方向距離函數模型對其最大化綜合效能改進潛力進行量化。
          
          其中θ(WWTP0)為待評價污水處理廠WWTP0的綜合效能。D(WWTP0)為待評價污水處理廠WWTP0的最大化的綜合改進潛力。ωenergy、ωCOD、ωTN、ωTP、ωsludge、ωEutro、ωGHG、ωWF 為能耗權重、COD去除量權重、TN去除量權重、TP去除量權重、污泥權重、富營養化潛力權重、溫室氣體權重、灰水足跡權重,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 為待評價污水處理廠WWTP0的能耗改進潛力、COD去除量改進潛力、TN去除量改進潛力、TP去除量改進潛力、污泥改進潛力、富營養化潛力改進潛力、溫室氣體改進潛力、灰水足跡改進潛力;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為待評估污水處理廠總數。λk為使得綜合改進潛力最大化的污水處理廠線性組合最優解中,第k個污水處理廠WWTPk的系數,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、富營養化潛力、溫室氣體、灰水足跡,k=1,2,3,……,K。Energy0、COD0、TN0、TP0、Sludge0、Eutro0、GHG0、WF0為待評價污水處理廠WWTP0的能耗、COD去除量、TN去除量、TP去除量、污泥、富營養化潛力、溫室氣體、灰水足跡。COD0-effluent、TN0-effluent、TP0-effluent為待評價污水處理廠WWTP0出水中COD總量、TN總量、TP總量。
          2 2019年我國城鎮污水處理廠綜合效能評估
          2.1 評估樣本基本情況
          在進行數據清洗后,本研究最終對我國2019年4 733座城鎮污水處理廠的綜合效能進行了評估。
          
          圖2 評估樣本的空間分布及建設時間
          圖3從評估指標體系的角度總結了本次評估樣本的基本特征。從圖3中可以看出,2019年我國有50%的城鎮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,噸水污泥產量為2.3~7.0 t/萬m3,噸出水富營養化潛力為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m3,噸出水灰水足跡(不含調正值)為-0.17~0.57。從數據分布來看,灰水足跡的廠間差距較小,變異系數僅為0.15,其余變量的變異系數均介于1.1至1.9。
          
          圖3 基于評價指標的評估樣本基本特征
          2.2 綜合效能評估結果及其特征分析
          圖4展示了2019年我國4733座城鎮污水處理廠綜合效能的計算結果。全國城鎮污水處理廠的綜合效能均值為0.60,其意味著,平均而言我國城鎮污水處理廠的綜合效能有40%的提升空間。評估樣本中綜合效能為1的標桿廠有179座,占比3.8%。50%的廠綜合效能介于0.53至0.67之間。
          
          圖4 城鎮污水處理廠綜合效能的計算結果
          從空間分布來看綜合效能較低的污水處理廠主要位于南方和西部經濟及污水處理設施建設后發省份。西藏、海南、江西的綜合效能最低,相比全國平均值低了60%、20%和17%。天津、山東、北京的綜合效能最高,相比全國平均值高了20%、9%和8%。
          
          圖5 綜合效能空間分布地圖
          圖6給出了179座標桿廠基于評估指體系的基本特征??梢钥闯?,標桿廠具有低噸水電耗、低污泥強度、低富營養化潛力的特征。統計上,50%的標桿廠噸水電耗為0.18~0.40 kW·h/m3,中位數比全國平均水平低22%;噸水污泥排放量為0.3~6.4 t/萬m3,中位數比全國平均水平低36%;噸出水富營養化潛力為2.8~5.6 mg PO43-.eq/L ,中位數比全國平均水平低19%。
          
          圖6 179座標桿廠基于評價指標的評估樣本基本特征
          從污水處理廠自身屬性來看,通過計算不同組別標桿廠占該組所有污水處理廠數目的比例,發現大規模(>20萬m3/d)、高入水COD濃度(>400 mg/L)、高入水C/N(>15)、高出水水質標準(地表Ⅳ)的廠更容易成為標桿廠,如圖7所示。
          
          圖7 不同類型污水處理廠中標桿廠的比例
          2.3 綜合效能影響因素分析
          對于污水處理廠而言,綜合效能的差異既可能與其自身特征相關,如地域、規模、技術、入水水質,也可能與人為管理相關,如運行負荷等相關。因此,本研究按照規模、技術、入水COD濃度、入水C/N、地域以及負荷率,對4 733座污水處理廠的綜合效能進行了分組描述統計,結果如圖8所示。
          
          圖8 不同特征污水處理廠的綜合效能計算結果
          通過非參數檢驗發現,規模、技術、入水COD濃度、入水C/N、地域以及負荷率都是影響綜合效能的重要因素。規模越大,綜合效能越高,其中規模大于40萬m3/d的廠相比小于1萬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較低,采用這兩種技術的污水處理廠綜合效能分別比全國平均水平低了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,相比全國平均高14%。負荷率100%~120%的廠綜合效能最高,相比全國平均水平高8%。
          2.4 綜合效能提升建議
          如式(1)所示,在計算各污水處理廠綜合效能的同時,還可以量化該污水處理廠在8項評估指標方面的改進潛力。通過對8項指標的改進潛力進行聚類,并對各個類別的污水處理廠進行特征歸納后,本研究針對我國2019年的污水處理廠運行提出了4條綜合效能提升建議:
          對于低入水C/N、高負荷率、東部的污水處理廠,可通過污泥減量進一步提升綜合效能;
          對于高入水COD濃度、高出水標準的污水處理廠,可通過溫室氣體減排進一步提升綜合效能;
          對于大規模、高入水C/N的廠,可通過節能降耗和污泥減量進一步提升綜合效能;
          對低出水標準的污水處理廠,可通過污染物去除率提升、節能降耗以及污泥減量等進一步提升綜合效能。
          
          圖9 8項指標的改進潛力聚類結果
          3 結論與建議
          本研究基于數據包絡分析方法,建立了涵蓋生產投入、污染削減、生態環境影響等3類8項指標的污水處理廠綜合效能評估模型。針對污水處理廠的生產特點,本研究選取DEA中的方向距離函數模型對綜合效能進行量化。從綜合效能評估結果來看,2019年全國平均綜合效能為0.60,50%的廠綜合效能介于0.53至0.67??臻g上,經濟發達地區的綜合效能水平相對更高。從影響因素來看,規模、入水COD濃度以及入水C/N具有規模效益,即該值越大,污水處理廠的綜合效能越高;SBR及AAO、東部一線、負荷率100%~120%的廠綜合效能也相對更高?;诰垲?,本研究提煉出4條綜合效能提升路徑,適用于不同地域、規模、入水水質、負荷率以及出水水質的污水處理廠。這些路徑在污泥減量、溫室氣體減排、節能以及污染物去除率提升上有不同側重。
          本研究有兩個層面的意義。對于單個污水處理廠,本研究的評估結果能夠為其提出綜合效能改進的具體路徑與目標,為其進一步開展優化運行、技術改造、標準提升等提供數據及理論支持。對于管理部門,本研究能夠支撐城鎮污水處理廠綜合效能提升的相關政策制定,同時也能夠為管理者提供新的管理視角、方法與技術手段。
          未來的研究可以進一步討論不確定性對于評估結果的影響,包括模型結構,如權重和改進方向設置的不確定性、指標選取的不確定性、數據輸入的不確定性、樣本集構建的不確定性等,從而提升評估的穩健性。
          微信對原文有修改。原文標題:基于數據包絡分析的中國城鎮污水處理廠綜合效能評估;作者:郭盛杰、董欣、曾思育;作者單位:清華大學環境學院、環境模擬與污染控制國家重點實驗室??窃凇督o水排水》2021年第10期。
          來源:給水排水
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