中國城鎮(zhèn)污水處理廠綜合效能評估

　　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估方法。在此基礎(chǔ)上，對我國2019年4733座城鎮(zhèn)污水處理廠的綜合效能進(jìn)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(dǎo)意見。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鬯幚硇袠I(yè)的績效監(jiān)管提供方法支撐。

　　0 引言

　　隨著近十余年的高速建設(shè)，中國的城鎮(zhèn)污水處理廠已經(jīng)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(shí)，污水處理廠的“質(zhì)”開始受到關(guān)注。對污水處理廠進(jìn)行效能評估能夠促進(jìn)其效能的提升。中國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部在2014年12月發(fā)布了《城鎮(zhèn)污水處理廠運(yùn)營質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，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(jìn)行評價(jià)。

　　污水處理廠在去除污染物的同時(shí)，也會產(chǎn)生溫室氣體、污泥等非期望產(chǎn)出。隨著人們對可持續(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，污水處理廠效能評估的方法也有了相應(yīng)的發(fā)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(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；第二類是參數(shù)法，包括隨機(jī)前沿面法、最小二乘法等；第三類是非參數(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，可以相對有效客觀地開展效能評估。

　　1 數(shù)據(jù)與方法

　　1.1 污水處理廠綜合效能評估指標(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估指標(biāo)體系包括投入類指標(biāo)、期望產(chǎn)出類指標(biāo)及非期望產(chǎn)出類指標(biāo)。具體各項(xiàng)指標(biāo)及計(jì)算方法如圖1所示。

　　圖1 污水處理廠綜合效能評價(jià)指標(biāo)及計(jì)算方法

　　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)為待評價(jià)污水處理廠WWTP0的綜合效能。D(WWTP0)為待評價(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、富營養(yǎng)化潛力、溫室氣體、灰水足跡。COD0-effluent、TN0-effluent、TP0-effluent為待評價(jià)污水處理廠WWTP0出水中COD總量、TN總量、TP總量。

　　2 2019年我國城鎮(zhèn)污水處理廠綜合效能評估

　　2.1 評估樣本基本情況

　　在進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗后，本研究最終對我國2019年4 733座城鎮(zhèn)污水處理廠的綜合效能進(jìn)行了評估。

　　圖2 評估樣本的空間分布及建設(shè)時(shí)間

　　圖3從評估指標(biāo)體系的角度總結(jié)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(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m3，噸出水富營養(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。

　　圖3 基于評價(jià)指標(biāo)的評估樣本基本特征

　　2.2 綜合效能評估結(jié)果及其特征分析

　　圖4展示了2019年我國4733座城鎮(zhèn)污水處理廠綜合效能的計(jì)算結(jié)果。全國城鎮(zhèn)污水處理廠的綜合效能均值為0.60，其意味著，平均而言我國城鎮(zhèn)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(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。

　　圖4 城鎮(zhèn)污水處理廠綜合效能的計(jì)算結(jié)果

編輯：王媛媛

　　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(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(biāo)桿廠基于評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)比全國平均水平低22%；噸水污泥排放量為0.3~6.4 t/萬m3，中位數(shù)比全國平均水平低36%；噸出水富營養(yǎng)化潛力為2.8~5.6 mg PO43-.eq/L ，中位數(shù)比全國平均水平低19%。

　　圖6 179座標(biāo)桿廠基于評價(jià)指標(biāo)的評估樣本基本特征

　　從污水處理廠自身屬性來看，通過計(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。

　　圖7 不同類型污水處理廠中標(biāo)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(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。

　　圖8 不同特征污水處理廠的綜合效能計(jì)算結(jié)果

　　通過非參數(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(shù)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(fù)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(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)評估指標(biāo)方面的改進(jìn)潛力。通過對8項(xiàng)指標(biāo)的改進(jìn)潛力進(jìn)行聚類，并對各個(gè)類別的污水處理廠進(jìn)行特征歸納后，本研究針對我國2019年的污水處理廠運(yùn)行提出了4條綜合效能提升建議：

　　對于低入水C/N、高負(fù)荷率、東部的污水處理廠，可通過污泥減量進(jìn)一步提升綜合效能；

　　對于高入水COD濃度、高出水標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠，可通過溫室氣體減排進(jìn)一步提升綜合效能；

　　對于大規(guī)模、高入水C/N的廠，可通過節(jié)能降耗和污泥減量進(jìn)一步提升綜合效能；

　　對低出水標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠，可通過污染物去除率提升、節(jié)能降耗以及污泥減量等進(jìn)一步提升綜合效能。

　　圖9 8項(xiàng)指標(biāo)的改進(jìn)潛力聚類結(jié)果

　　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8項(xiàng)指標(biāo)的污水處理廠綜合效能評估模型。針對污水處理廠的生產(chǎn)特點(diǎn)，本研究選取DEA中的方向距離函數(shù)模型對綜合效能進(jìn)行量化。從綜合效能評估結(jié)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(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的綜合效能水平相對更高。從影響因素來看，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(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。對于單個(gè)污水處理廠，本研究的評估結(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。對于管理部門，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。

　　未來的研究可以進(jìn)一步討論不確定性對于評估結(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，從而提升評估的穩(wěn)健性。

作者簡介：

　　董欣

　　清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院副教授，博士生導(dǎo)師，入選“長江學(xué)者獎勵計(jì)劃”青年學(xué)者。主要從事城市涉水基礎(chǔ)設(shè)施集成模擬、未來城市水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、城市排水系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制等領(lǐng)域的研究。

編輯：王媛媛