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(yè)的績效監(jiān)管提供方法支撐。
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。
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(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。
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2 評估樣本的空間分布及建設(shè)時間
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。
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(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。
圖4 城鎮(zhèn)污水處理廠綜合效能的計算結(jié)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(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(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%。
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(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。
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(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。
圖8 不同特征污水處理廠的綜合效能計算結(jié)果
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。
圖9 8項指標的改進潛力聚類結(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。空間上，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?；诰垲悾狙芯刻釤挸?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。
微信對原文有修改。原文標題：基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析的中國城鎮(zhèn)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(huán)境學院、環(huán)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