周 延 李晨洋 孫 楠

(東北農(nóng)業(yè)大學，哈爾濱，150030)

據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計，到2025年，三分之二的世界人口可能會面臨水資源短缺。隨著城鎮(zhèn)人口的增加和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，污水排放量也日益增加，水體污染相當嚴重，而且?guī)缀醣榧叭珖鞯?。黑龍江省國有林區(qū)主要包括大興安嶺國有林區(qū)和小興安嶺國有林區(qū)。兩片國有林區(qū)，由于長時間高強度的商品林采伐，森林資源大幅減少，生態(tài)屏障作用大幅降低。基于此現(xiàn)狀，20世紀90年代末期，中國政府便通過天然林保護工程，將上述區(qū)域納入保護范疇。2010年，國務院批復黑龍江省大小興安嶺生態(tài)功能區(qū)建設的意見，將其升格為國家戰(zhàn)略。城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略的推進，離不開城鎮(zhèn)污水處理。近幾十年來，越來越多的研究者認為，污水處理工藝優(yōu)選決策過程，應當涵蓋經(jīng)濟、社會、技術、運行管理、環(huán)境影響、占地、污泥處置等方面。這些因子間的關系復雜，各因子的量綱或量級不同，有的還相互矛盾，難以將這些因子轉化為單一的經(jīng)濟指標進行比較，亟需建立客觀、科學、有效的城鎮(zhèn)污水處理工藝優(yōu)選決策方案，為決策者優(yōu)選工藝提供更為科學的指導。本文基于此背景，進行污水治理工程中所產(chǎn)生的工藝優(yōu)化決策研究。

1 林區(qū)城鎮(zhèn)污水治理工程典型工藝評述

1.1 污水處理工藝類型評述

目前，城市污水處理主要采用了生物活性污泥法。生物活性污泥法有多種處理工藝，城市二級污水處理廠常用的工藝方法有:普通曝氣法、A－B法(二段曝氣法)、A/O除磷工藝、A/O脫氮工藝、A2/O除磷脫氮工藝、氧化溝工藝、序批式反應器(SBR)工藝等。按照構筑物的組成形式，運行性能以及運行操作方式的不同，已有的生物除磷脫氮的工藝可分成幾個系列:A/O系列、氧化溝系列和SBR系列等。隨著各個系列不斷地發(fā)展、改進，形成了目前較典型的工藝:A/O工藝、UCT工藝、改良UCT工藝、VIP工藝、A2/O工藝、改良A2/O、倒置A2/O工藝、orbel氧化溝工藝、CAST工藝、百樂克工藝等。下面就幾個應用比較廣泛的處理工藝進行闡述。

雖然所述各工藝的技術比較成熟，處理效果也不錯，但都或多或少存在著問題，都還須在實際運行中得到解決和完善。

A/O工藝。污泥回流需用泵提升;設備數(shù)量較多，操作維護難，投資較大;生物池和二沉池單獨設置，占地面積較大;抗沖擊負荷的能力，不如CASS工藝和氧化溝工藝。

百樂克工藝。曝氣時間相對較長;污泥處置，不如A/O工藝。CASS工藝。自控設備質(zhì)量要求高;工程投資較大，設備利用率較低;水頭損失比連續(xù)流工藝大;國內(nèi)運行經(jīng)驗不多。

氧化溝工藝。池深較淺，占地面積較大;動力消耗較大，運行費用較高;設備維護工作量較大。

從目前國際及國內(nèi)所采用的污水處理工藝情況來，各種工藝并不是短時所能改進和完善的，也更不是在實驗室內(nèi)所能完成的，理論上的論證與實踐是有差距的。因此，各種處理工藝需要在實際運行中不斷改進和完善，才能提高工藝先進性，從而減少工程投資費用和運行費用，并提高廢水處理技術水平。

1.2 林區(qū)城鎮(zhèn)污水治理工程典型工藝

通過對城鎮(zhèn)污水治理工程的現(xiàn)狀研究，以及對工藝類型的具體評述，不難發(fā)現(xiàn)，我國對大部分工藝都曾經(jīng)有過嘗試。據(jù)不完全統(tǒng)計，SBR、氧化溝、活性污泥等占的比例較大，是城鎮(zhèn)常用工藝，也是比較典型的工藝，是應用效果比較好的工藝;但是，在應用中仍然存在一些問題。

通過實地調(diào)研、文獻調(diào)查及評述結果，城鎮(zhèn)推薦采用SBR系列、氧化溝系列以及活性污泥系統(tǒng)，土地資源比較豐富的城鎮(zhèn)可采用自然凈化系統(tǒng)。

城市污水處理廠需要較大的投資和運營費用。林區(qū)污水廠由于設計、運行、低溫等各方面的原因，成本比我國其他區(qū)域高很多，同時設備很難取得穩(wěn)定的處理效果，甚至出現(xiàn)冬季部分設備無法運轉、生化池結冰等不正?，F(xiàn)象。由于東北國有林區(qū)，冬季氣候寒冷漫長，冰凍期長達6個月;嚴酷的氣候條件對污水生物凈化極為不利。為保證冬季低溫污水的處理效果，目前我國寒冷地區(qū)工程中，一般采用增加水力停留時間、降低污泥負荷、對構筑物采取保溫或升溫等措施，保證冬季污水處理達標。這些措施，不僅會增加工程投資和運行費用，而且污水處理的效果也很難得到保證，還常會引起污泥膨脹等問題。所以，開發(fā)出一套在東北國有林區(qū)低溫地區(qū)能有效、穩(wěn)定處理城市污水的工藝，已經(jīng)成為當務之急。

2 林區(qū)城鎮(zhèn)污水治理典型工藝指標體系

2.1 指標選取因素分析

城市污水治理工程，是一項極其復雜的系統(tǒng)工程，涉及到社會、經(jīng)濟和環(huán)境等各個方面。其中，經(jīng)濟是影響其發(fā)展的重要因素，必須通過多種指標方案的綜合比較研究。經(jīng)濟評價指標，涉及經(jīng)濟效益、技術性能和管理效益3個方面;評價指標，包括基本建設投資、基本運行費用、廠區(qū)占地投資、基本運行能耗、運行穩(wěn)定性情況、生物效果、自控系統(tǒng)完善性、污泥處理與利用、工藝成熟性、設備完好性、運行安全性、操作難易程度、工藝處理效率等多個方面。

2.1.1 經(jīng)濟因素

經(jīng)濟指標作為影響污水行業(yè)發(fā)展的重要因素，對經(jīng)濟指標的分析，則涉及投資、能耗、運行成本、占地面積等。在出水水質(zhì)滿足排放要求的前提下，“投資省、能耗和運行成本低、占地少”，是衡量處理工藝經(jīng)濟與否的基本要求[1]。對于污水處理廠，費用包括建廠的一次性投資和運行成本2部分。項目建設的一次性投資的大小，并不直接決定運行成本，但可對運行費用起很大的影響和作用。建設投資內(nèi)容，主要包括土地(即廠址和搬遷安置)費用、直接建設安裝工程費用、設備費用、管理費用和財務費用;運行費用內(nèi)容，包括人工費、電力和運輸費、藥劑費、維護費。與工藝方法選擇直接相關的，有土地面積、建安費、設備費，電力與運輸費、藥品費。其中，在選址已定的情況下，土地的價格、補償拆遷費用標準、管理費用、人工費用，可看成是一種常數(shù)。

當然，不同的工藝類型，追求的費用目標也不同。例如，生物工藝方法的主要目標，是追求在最小的容積和時間內(nèi)，通過好氧或厭氧完成污水中污染物的生物降解。通過對經(jīng)濟指標進行比較分析，對于城鎮(zhèn)污水治理工程工藝，以下經(jīng)濟指標對工藝的影響較大，主要有建設投資、土地面積、土地價格、處理成本(能源、藥劑、維護管理)。

①建設投資。污水處理廠處理工藝的不同，直接關系到污水廠的建設投資，因此，污水處理工藝方案的可行性首先要考慮建設投資。有研究指出，經(jīng)濟性能在5萬m3/d規(guī)模下，SBR和氧化溝系列的基建費用明顯低于常規(guī)活性污泥法以及A/A/O工藝，規(guī)模越小優(yōu)勢越明顯。目前，四川、云南采用SBR、BAF或氧化溝系列的城鎮(zhèn)污水處理廠，單位基建投資一般在1000～1300元/(m3/d)，其中，氧化溝系列工藝因設有二次沉淀沉池，污水處理廠的基建投資較大;BAF污水處理廠的基建投資稍高于SBR工藝污水處理廠，主要源于BAF土建成本較高。

②土地面積。工藝類型的不同，導致污水處理廠建設的單元構筑物的數(shù)量、大小不同，設備的種類、體積、質(zhì)量等都有所不同，因此成為影響經(jīng)濟性的主要因素。占地面積是制約工藝使用范圍的關鍵因素之一，尤其是針對城市用地緊張的特點，占地面積對于城市污水工藝的選擇至關重要。目前各類處理工藝中，采用氧化溝工藝的污水處理廠，平均噸水占地面積為0.88 m2。采用A/A/O工藝的污水處理廠，平均噸水占地面積為0.94 m2;采用SBR工藝的污水處理廠，平均噸水占地面積為0.84 m2;采用A/A/O工藝的污水處理廠，平均噸水占地面積為0.94 m2;其他工藝的污水處理廠，平均噸水占地面積為1.00 m2。

③土地價格。由于有些工藝類型對污水處理廠的位置也有所要求。故土地的類型、在城市中的位置，以及周圍商業(yè)的影響程度，會使土地的價格有所不同。

④處理成本。污水廠的處理成本，是衡量其經(jīng)濟性能的重要指標。主要指污水處理廠運行使用的各類費用:能源、運輸、藥劑價格、維護、管理等各類費用?；钚晕勰喾ù嬖诿黠@規(guī)模效應，小型污水處理廠的單位處理費用比大型污水處理廠高40%。處理廠的單位污水處理成本，主要由能耗費、工資福利費、污泥處置費、管理費組成，且能耗費是處理成本的主要組成部分。SBR系列、氧化溝系列、BAF系列，流程簡單、設備少，其能耗費一般較傳統(tǒng)活性污泥法、A/O、A/A/O少。從處理成本看，SBR系列、氧化溝系列、BAF工藝，適于處理規(guī)模5萬m3/d以下的城鎮(zhèn)污水處理廠。

根據(jù)上述分析，最終確定將上述所列指標與本文所建立的費用模型相結合，給出經(jīng)濟性指標因素。由于土地費用在污水處理廠的基建投資中占有越來越大的份額，因此，將其從建設費用中分離出來，并將土地價格與土地面積2個指標綜合成土地使用費。剩余部分，作為建設投資，單獨作為一個指標。這樣得到了城鎮(zhèn)污水治理工程工藝優(yōu)化決策的經(jīng)濟指標，即建設投資、土地使用費、處理成本(運行費用)3部分。

2.1.2 技術因素

污水處理的基本作用是保證受納水體的使用功能，因而，技術可持續(xù)性，首先應以污水處理工藝能達到相應的污水排放標準為準則。當前，我國近海海域、各主要淡水湖泊以及三峽庫區(qū)，都有不同程度的富營養(yǎng)化現(xiàn)象，大部分新建城鎮(zhèn)污水處理廠必須具有脫氮除磷功能。二級處理后，出水的BOD、COD、SS值，一般都能達到國家排放標準;但對于TN、TP，只有部分二級處理工藝的出水能滿足排放要求[2]。一方面，磷是造成水體富營養(yǎng)化的主要因素;另一方面，磷是一種重要的不可再生資源，我國富磷礦貯藏量僅能維持使用10～15 a時間[3]，從這個角度看，從污水中回收磷具有重要意義。因此，污水處理工藝在滿足污水排放標準的基礎上，還應考慮從污水中回收磷的潛力。所以，污水處理工藝的技術可持續(xù)性，可通過在滿足排放標準的基礎上，處理工藝對污水中磷的回收潛力來衡量。

針對林區(qū)城鎮(zhèn)的地理、氣候特點，分析污水處理工程的多種技術指標，確定我國城鎮(zhèn)污水治理工程的主要技術影響因素，包括單位時間處理水量、進水水質(zhì)、處理效率、出水水質(zhì)等，在研究工藝優(yōu)選時往往將其成為技術效果指標。此外工藝可靠性指標，也是工藝技術因素的一項很重要的內(nèi)容，包括所選用工藝技術的新穎性、先進性、技術的成熟程度、對水量水質(zhì)變化的適應性、設備的耐久性、設備維修的難易程度等。因此，最終確定林區(qū)城鎮(zhèn)污水治理工程工藝優(yōu)化決策的技術指標，為技術效果、工藝可靠性2個。

2.1.3 環(huán)境因素

對于污水處理工藝而言，除了需要達到國家規(guī)定的污水水質(zhì)達標以外，還應考慮工藝中碳的排放指標。因為污水處理是一個碳、磷等物質(zhì)的轉化過程，由于碳排放會造成大氣污染，因此需要考慮碳的排放要求?？刂铺寂欧牛罅Σ捎玫吞夹录夹g和新產(chǎn)品。應通過技術創(chuàng)新，加強節(jié)能新技術、新工藝、新材料和新設備的開發(fā)，向市場和公眾提供各種高效節(jié)能設備、材料和工具。以求實現(xiàn)節(jié)能減排，順應社會的低碳經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。因此，在選取工藝時，也要考慮碳排放問題。近年來，部分國內(nèi)學者已開始研究污水處理廠在全球變暖、臭氧耗竭、光化學煙霧等方面產(chǎn)生的環(huán)境影響。因此，本文借鑒國內(nèi)相關的思想，通過量化分析工藝在其整個生命周期階段的能量與資源消耗，衡量其環(huán)境風險性、分析污水處理工藝的環(huán)境影響。對污水處理廠整個生命周期階段，能量與資源消耗、對環(huán)境排放(如對全球變暖、臭氧耗竭的影響等)進行數(shù)據(jù)量化分析。

能耗。污水處理工藝的能耗，包括直接能耗與間接能耗。前者指處理過程耗費的能量，后者包括建材生產(chǎn)和運輸、建筑施工、耗用藥劑的生產(chǎn)和運輸，以及工藝拆除報廢階段的能耗。

直接能耗——城鎮(zhèn)污水處理廠的能耗，主要為二級處理系統(tǒng)與污水提升的能耗，且前者的能耗占總能耗的60%以上。由于各工藝中污水提升的能耗相近，故優(yōu)選工藝時，可采用二級處理系統(tǒng)的能耗(包括曝氣池、二沉池、混合液回流和污泥回流系統(tǒng)、剩余污泥排放單元)衡量與比較不同工藝的直接能耗。衡量污水處理工藝能耗的傳統(tǒng)指標是比能耗，它指處理單位體積污水所耗費的外界供給能量。對處理工藝而言，剩余污泥能量的回收，可以降低外界供能與生物固體的體積。當用能量利用率衡量污水處理系統(tǒng)的直接能耗時，不僅能考慮剩余污泥對工藝能耗的影響，而且能兼顧進水污染物本身能量對工藝能耗的影響。

能量利用率(η)，指系統(tǒng)有效耗用能量與外界供給總能量的比值。對于穩(wěn)定運行的二級處理系統(tǒng)，輸入系統(tǒng)的能量包括進水中有機污染物的含能量(Ejs，1gCOD=13.91 kJ)與外界輸入系統(tǒng)的能量(Esr，主要指電能)，輸出系統(tǒng)的包括出水中有機物含能量(Ecs)、剩余污泥蘊含的能量(Esw，1gVSS=22.15 kJ)、系統(tǒng)損失的能(Er)。二級處理系統(tǒng)有效降低的能量為(Ejs－Ecs－Esw)，其回收的能量(Ehs)是被系統(tǒng)有效利用的部分，因此系統(tǒng)總有效耗能為(Ejs－Ecs－Esw)+Ehs。η=(總有效耗能/外界供給總能)=((Ejs－Ecs－Esw)+Ehs)/(Ejs+Esr)。

間接能耗——分析污水處理工藝間接能耗時，空間邊界一般界定為廠界，時間邊界通常為15～20 a。污水處理工藝的間接能耗，體現(xiàn)在施工建設階段、生產(chǎn)階段與拆除作業(yè)階段，其中:施工建設階段能耗(E1)，包括建材生產(chǎn)能耗(e11)、建材運輸能耗(e12)和建筑施工能耗(e13);生產(chǎn)階段能耗(E2)，指耗用藥劑的生產(chǎn)(e21)、運輸能耗(e22);拆除作業(yè)階段能耗(E3)，包括拆除作業(yè)能耗(e31)、覆土填充材料運輸能耗(e32)。間接能耗E=E1+E2+E3。

物耗。污水處理工藝的物耗，由直接物耗與間接物耗2部分組成，前者主要指處理工藝的藥耗和占地，后者包括建筑施工階段與拆除作業(yè)階段的耗用物質(zhì)。成本效益分析中，采用運行費、征地費、材料費反映物耗。社會的高速發(fā)展，使土地的珍貴性日益突出，且土地是直接關系到人類可持續(xù)發(fā)展的重要資源;從這個意義上講，征地費無法全面反映土地資源的價值。因而，有必要單獨考慮處理廠占地，并將其作為物耗指標的重要組成部分，以便在決策中體現(xiàn)土地資源的價值。

二級處理系統(tǒng)占地，是工藝占地的主要組成。通常各工藝的預處理流程與構筑物相似，并且各方案的道路、綠化等公共設施，與輔助建筑物的占地面積類似。工藝優(yōu)選決策時，本文用二級處理系統(tǒng)(包括生化池、二沉池、污泥處理與處置單元)的占地可以大體反映工藝的占地情況。

2.2 指標體系的建立

通過對影響工藝的經(jīng)濟、技術、環(huán)境因素的研究，最終可確定城鎮(zhèn)污水治理工程工藝指標體系(見圖1)。根據(jù)建立的指標體系，運用決策評價方法對城鎮(zhèn)污水治理工程進行工藝優(yōu)化決策。

圖1 城鎮(zhèn)污水治理工程工藝指標體系

3 基于灰色關聯(lián)分析的城鎮(zhèn)污水處理工程工藝優(yōu)化決策

污水處理工藝優(yōu)選，應當考慮經(jīng)濟、技術、環(huán)境與社會諸方面，屬于多目標決策問題;一般而言，多目標決策問題難以借助人的主觀判斷得出決策結果。因此，通過建立城鎮(zhèn)污水處理工藝優(yōu)選決策模型進行工藝優(yōu)選，可以提高決策結果的客觀性與正確性。

評判最優(yōu)污水處理工藝的標準，隨著社會經(jīng)濟水平、人們的思想觀念以及污水處理事業(yè)的發(fā)展不斷改變。因此，城鎮(zhèn)污水處理工藝優(yōu)選決策模型的優(yōu)選決策目標，需作相應調(diào)整或改變，以保證優(yōu)選決策結果符合社會發(fā)展需求，使其能夠有效的為社會、經(jīng)濟的發(fā)展服務。污水處理工藝優(yōu)選決策模型的客觀合理性，通常由其決策結果體現(xiàn)。為保證決策結果客觀合理，決策指標及其量化結果，應能客觀反映工藝性能;決策模型數(shù)學方法，需符合工藝優(yōu)選特點?；疑P聯(lián)法由鄧聚龍教授于1982年提出[4]，主要用于對信息不明確及信息不完整的系統(tǒng)進關聯(lián)分析，從而找出影響系統(tǒng)發(fā)展態(tài)勢的重要因素，并掌握事物變化的主要特征。根據(jù)建立的城鎮(zhèn)污水治理工程工藝指標體系，本文采用灰色關聯(lián)分析理論，對城鎮(zhèn)污水治理工程工藝進行優(yōu)選研究。

現(xiàn)以黑龍江省大興安嶺地區(qū)塔河縣已建污水廠為例(該廠日處理規(guī)模為5.5萬t)，進行具體綜合評價(見表1～表4)。

通過3種工藝各指標的灰色關聯(lián)度計算可知，3種工藝中，各指標的灰色關聯(lián)度最好為活性污泥工藝，灰色關聯(lián)度為0.854，為最優(yōu)方案，SBR次之，A/O再次之。即認為，對于此東北地區(qū)城鎮(zhèn)污水治理廠而言，活性污泥工藝具有更好的技術經(jīng)濟效益，更適合在此污水處理廠采用。實際調(diào)研結果與評價結果相符，本案例中污水廠采用活性污泥工藝處理污水效果良好，污水廠運行過程中工藝流暢，遇到問題較少，基本可以達到日處理5.5萬t要求。說明綜合優(yōu)選結果具有一定可靠性。

4 林區(qū)城鎮(zhèn)污水治理工程工藝優(yōu)化決策建議

林區(qū)城鎮(zhèn)污水處理，由于處理標準要求高、投資大、運行費用高，為降低污水處理投資和運行成本，因地制宜地進行工藝方案(主要是生物處理方案)比較是必須的。對污水處理方案的比較，力求客觀全面，在同等進水、出水條件下，其設計參數(shù)，應包括對各種污染物的去除率、曝氣時間、污泥負荷和容積負荷、曝氣量及氧的利用率(及動力效率)和污泥產(chǎn)量(及污泥指數(shù))等做全面分析。數(shù)據(jù)豐富，可以做到集思廣益，揚長避短;根據(jù)技術上合理，經(jīng)濟上合算，管理方便，運行可靠且有利于近、遠期結合的原則，進行污水處理工藝方案的優(yōu)化選擇。

表1 備選工藝方案指標局勢矩陣(A)

表2 備選工藝方案指標規(guī)范化決策矩陣(R)

表3 備選工藝方案指標差序列

表4 備選工藝方案灰色關聯(lián)系數(shù)及灰色關聯(lián)度

在對國內(nèi)污水處理設施建設投資及運行費進行廣泛調(diào)研基礎上，認為不包括管網(wǎng)工程、引進污水處理設備和引進沼氣發(fā)電設備，較優(yōu)的城鎮(zhèn)污水處理廠建設投資及運行費用的技術經(jīng)濟指標:污水處理設施建設投資宜控制在1000元/t左右;污水處理設施運行費(包括折舊費)宜控制在0.5元/t左右。

[1]王濤，樓上游.中國城市污水處理工藝現(xiàn)狀調(diào)查與技術經(jīng)濟指標評價[J].給水排水，2004，30(5):1－4.

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