建立城鎮(zhèn)水體污染治理工程成果轉(zhuǎn)化市場化
運行機制，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。不僅能夠為單個污水處理廠的綜合效能提升提供路徑指導(dǎo),，也能夠為我國污水處理行業(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，污水處理廠的“質(zhì)”開始受到關(guān)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(xiāng)建設(shè)部在2014年12月發(fā)布了《城鎮(zhèn)污水處理廠運營質(zhì)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(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)展目標的關(guān)注,，大部分研究者在經(jīng)濟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個主要目標：①增加服務(wù)或者產(chǎn)品的價值,；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進行評估,，便于應(yīng)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(shù)形式,，在目前對于污水處理廠生產(chǎn)函數(shù)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(shù)據(jù)與方法
1.1 污水處理廠綜合效能評估指標體系建立
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體系包括投入類指標、期望產(chǎn)出類指標及非期望產(chǎn)出類指標,。具體各項指標及計算方法如圖1所示,。
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(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(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(yǎng)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(shù),。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(yōu)解中,，第k個污水處理廠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行了評估,。
圖3從評估指標體系的角度總結(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,。
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6給出了179座標桿廠基于評估指體系的基本特征。可以看出,，標桿廠具有低噸水電耗,、低污泥強度、低富營養(yǎng)化潛力的特征,。統(tǒng)計上,，50%的標桿廠噸水電耗為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%,。
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(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)標準（地表Ⅳ）的廠更容易成為標桿廠,，如圖7所示。
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),，如運行負荷等相關(guān),。因此，本研究按照規(guī)模,、技術(shù),、入水COD濃度、入水C/N,、地域以及負荷率,，對4 733座污水處理廠的綜合效能進行了分組描述統(tǒng)計，結(jié)果如圖8所示,。
通過非參數(shù)檢驗發(fā)現(xiàn),，規(guī)模、技術(shù),、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(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(guī)模,、高入水C/N的廠，可通過節(jié)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(jié)能降耗以及污泥減量等進一步提升綜合效能,。
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(chǎn)特點,，本研究選取DEA中的方向距離函數(shù)模型對綜合效能進行量化。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)濟發(fā)達地區(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,、負荷率100%~120%的廠綜合效能也相對更高,。基于聚類,，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。
本研究有兩個層面的意義,。對于單個污水處理廠,，本研究的評估結(jié)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(yōu)化運行,、技術(shù)改造,、標準提升等提供數(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,，同時也能夠為管理者提供新的管理視角、方法與技術(shù)手段,。
未來的研究可以進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)重和改進方向設(shè)置的不確定性,、指標選取的不確定性,、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,。