中國城鎮污水處理廠綜合效能評估報告

發布時間：2021-11-08

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