張捍民，鄒翔，姜威大連理工大學環(huán)境學院，遼寧 大連 116024

城鎮(zhèn)污水處理廠綜合效益評價
——以遼河流域為例

張捍民，鄒翔，姜威
大連理工大學環(huán)境學院，遼寧 大連 116024

從污水處理廠的運行成本和環(huán)境效益2個方面出發(fā)，建立了含有單位處理量建設費、單位處理量運行費、COD削減比例、氨氮削減比例4個指標的評價體系，采用熵權法確定相應指標的權重，應用歐式貼近度對污水處理廠進行綜合效益的客觀評價。基于污水處理廠的處理水量和出水水質特征，將遼河流域的47座污水處理廠劃分為4類進行評價。結果表明：在處理能力2萬td以下、出水水質滿足GB 18918—2002《污水處理廠污染物排放標準》一級A標準的污水處理廠中，A2O工藝優(yōu)越性較為明顯；在處理能力2萬td以上、出水水質滿足GB 18918—2002一級A標準的污水處理廠中，MBBR+紫外消毒工藝綜合效益較高；在處理能力2萬td以下、出水水質滿足GB 18918—2002一級B標準的污水處理廠中，A2O工藝優(yōu)越性顯著；在處理能力2萬td以上、出水水質滿足GB 18918—2002一級B標準的污水處理廠中，林泡爾工藝和百樂克工藝優(yōu)勢非常明顯。

遼河流域；氨氮污染治理技術；熵權法；城鎮(zhèn)污水處理廠；效益評價

遼河流域位于中國東北地區(qū)西南部(116°54′E～125°32′E，40°30′N～45°17′N)，是我國七大江河流域之一，發(fā)源于河北省承德地區(qū)七老圖山脈的光頭山(海拔1 490 m)，流經河北省、內蒙古自治區(qū)、吉林省、遼寧省4個省(區(qū))，涉及16個市(地、州)，56個縣(縣級市、縣、旗)，最終注入渤海。河流全長1 345 km，流域面積約22.0×104km2。遼河流域年降水量350～1 000 mm，降水分布極不均勻，降水量自東南向西北逐漸減少，且多集中于6—9月，約占全年降水量的70%，屬溫帶、暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候[1]。根據河口控制站1956—1979年資料推算，遼河多年平均流量約400 m3s，多年平均徑流量約126億m3。

2011年，遼河水系36個國控斷面中，Ⅳ～Ⅴ類和劣Ⅴ類水質斷面比例達到58.3%，城市河段污染尤為嚴重[2]。遼河流域檢出的新型有毒有害、難降解、特征污染物共7類60種，其中以多環(huán)芳烴、取代苯類、酚類和有機氯農藥為主[3]。2012年7月，遼河沈陽段的12條支流中，小河子、小河子河和柳河，水質達到Ⅳ類；拉馬河為劣Ⅴ類，超標項目主要是COD和BOD；其他支流水質均為Ⅴ類和劣Ⅴ類，超標項目主要為COD、BOD和氨氮。遼河沈陽段主要污染源為生活污水、生活垃圾、畜禽糞便和化肥[4]。從2014年遼寧省環(huán)境保護廳的監(jiān)測數據來看，遼河流域水質80%能穩(wěn)定達到Ⅳ類，尚未做到全面消除劣Ⅴ類水體[5]。2015年遼河流域主要河流自然徑流明顯減少，全流域為重度污染。以21項指標評價，遼河流域90個干、支流斷面中，Ⅰ～Ⅲ類水質斷面占15.6%，Ⅳ類占38.9%，Ⅴ類占14.4%，劣Ⅴ類占31.1%[6]。氨氮是近年遼河水系的最主要污染指標。

面對嚴峻的水環(huán)境污染問題，為使遼河流域水質得到全面提升，應使已有的污水處理廠充分發(fā)揮作用。《水污染防治行動計劃》指出，要加快城鎮(zhèn)污水處理設施建設，現有城鎮(zhèn)污水處理設施，要因地制宜進行改造。因此，對城鎮(zhèn)污水處理廠設計建設和運行管理進行全面科學的綜合績效評價，弄清污水處理廠的實際運行狀況，并提出合理的改善措施具有重要意義[7]。本研究以遼河流域47座污水處理廠運行數據為基礎，其中污水處理廠在各城市的分布如下：本溪5座，阜新4座，沈陽13座，盤錦6座，鞍山5座，鐵嶺3座，錦州6座，營口5座。從污水處理廠的運行成本和環(huán)境效益的角度構建綜合效益評價體系，實現對47座污水處理廠運行效果的綜合評價與客觀分析，以期為污水處理廠的運營管理和投資決策提供參考。

1 評價方法

對于污水處理廠的科學評價有層次分析法[8-11]、生命周期評價法[12-15]等多種主客觀結合的方法。但這些方法在賦權過程中受人為因素影響較大，缺乏客觀的賦權方法，制約了評估的準確性，使得最終的結果不完全準確，并且還伴有一定的歧義。熵權法是一種客觀賦權方法，賦權的原始信息直接源于客觀環(huán)境，根據指標提供的信息量的大小來決定相應的權重[16-17]，二者的有機結合適用于多指標評價問題，具有計算簡單、概念原理清晰、權重賦值客觀等特點。

熵最先由申農引入信息論，目前已經在工程技術、社會經濟等領域得到了非常廣泛的應用[18]。熵權法的基本思路是根據指標變異性的大小來確定客觀權重。一般來說，某個指標的信息熵越小，指標值的變異程度越大，提供的信息量越多，在綜合評價中所能起到的作用也越大，其權重也就越大[19]。該方法是在客觀條件下，由評價指標值來確定指標權重的一種方法，具有操作性和客觀性強的特點，因此能夠避免因選用指標的差異過小造成的分析困難。城鎮(zhèn)污水處理廠綜合績效評價作為一個復雜的系統工程，受多方面因素影響。為此，將熵權法用于計算污水處理廠不同指標的權重，以期能夠系統、客觀、全面地評價污水處理廠綜合效益。

1.1 建立矩陣決策

如果某污水處理廠有n個綜合效益評價指標C1，C2，…，Cn和相應的模糊量值v1，v2，…，vn，稱R為n維模糊物元，簡記為R=(n，C，v)，如果m個污水處理廠的n維模糊物元組合在一起，則形成n維決策矩陣Rmn，記作

(1)

式中Rmn也稱為m個污水處理廠的n個綜合效益評價指標的模糊復合物元。

各單項評價指標相應的模糊量值，從屬于標準方案各對應評價指標相應的模糊量值隸屬程度，稱為從優(yōu)隸屬度(μik)，由于μik一般為正值，故：

越大越優(yōu)型μik=vikmax(vik)

越小越優(yōu)型μik=min(vik)vik

(2)

(3)

1.2 計算權重

構建m個污水處理廠的n個綜合效益評價指標的判斷矩陣A=(vik)mn，將判斷矩陣歸一化處理，得到歸一化矩陣A′：

(4)

越大越優(yōu)型aik=(vmax-vik)(vmax-vmin)

越小越優(yōu)型aik=(vik-vmin)(vmax-vmin)

在有n個評價指標m個被評價污水處理廠的評估問題中，確定第k個評價指標的熵為：

(5)

(6)

定義了k個評價指標的熵之后，得到第k個評價指標的熵權定義，即

(7)

1.3 計算歐式貼近度

歐氏貼近度是指被評價污水處理廠綜合效益與最優(yōu)綜合效益二者互相接近的程度，其值越大表示二者越接近，反之則相離較遠。根據歐氏貼近度的大小對各污水處理廠的綜合效益進行優(yōu)劣排序，確定最優(yōu)綜合效益，即：

(8)

2 城鎮(zhèn)污水處理廠綜合效益評價與分析

基于遼河流域47座污水處理廠調查，從污水處理廠的運行成本和環(huán)境效益2個方面出發(fā)，構建了污水處理廠綜合效益評價指標體系。其中，運行成本包括污水處理廠單位處理量建設費和單位處理量運行費(包括平均維修費用、工資福利、年藥劑成本、化驗室運行費用、耗電成本、污泥處理成本、其他運行成本)；環(huán)境效益包括COD和氨氮的削減比例2個指標。構建的污水處理廠綜合效益評價體系共含有4個評價指標，即單位處理量建設費(K1)、單位處理量運行費(K2)、COD削減比例(K3)、氨氮削減比例(K4)。

在47座污水處理廠中，按照污水處理廠的處理水量和出水水質分開討論評價。水量的分類主要考慮到污水處理廠的規(guī)模不同，為了使每組中污水處理廠的數量相當，將處理水量2萬td以下的污水處理廠與2萬td以上的分開討論。出水水質的分類主要考慮到污水處理廠所采用的工藝不同，深度處理也不同，所以將出水水質滿足GB 18918—2002《污水處理廠污染物排放標準》一級A標準(即末端有深度處理)的污水處理廠和出水水質滿足一級B標準(末端無深度處理)的污水處理廠分開討論。按照以上的分類方法，將47座污水處理廠分成4組進行討論分析。

建立決策矩陣，根據表1及式(1)建立13個污水處理廠4個評價指標的Rmn，結果如表2所示。

根據式(2)及式(3)，建立RΔ，結果如表3所示。

根據式(5)～式(7)計算各評價指標的權重ω=(0.249 7，0.249 8，0.250 2，0.250 3)，根據式(8)，計算各污水處理廠評價的歐式貼近度(ρH)，結果如表4所示。

表1 第1組污水處理廠工藝及其指標

表2 第1組污水處理廠4個評價指標的Rmn

表3 第1組污水處理廠4個評價指標的RΔ

表4 第1組污水處理廠的歐式貼近度

由表4可以看出，綜合效益較優(yōu)的為5號廠(浮動生化床+人工濕地)，2號廠(A2O+人工濕地)，6號廠(浮動生化床+人工濕地)，12號廠(A2O+高密度沉淀+V型濾池)，3號廠(A2O+人工濕地)。綜合考量評價結果，雖然5號廠采用的浮動生化床+人工濕地工藝有最高的歐式貼近度，但是其他污水處理廠的數值并不高，樣本之間方差較大。而采用A2O+人工濕地工藝的2號和3號廠歐式貼近度較高，且比較接近。分數較高的12號廠也是采用的A2O工藝。所以，A2O工藝在實際污水處理廠的氨氮處理過程中有較大的優(yōu)越性。

表5 第2組污水處理廠工藝及其指標

采用式(5)～式(7)建立決策矩陣和差平方決策矩陣，得出評價指標的ω=(0.250 5，0.250 4，0.249 1，0.249 9)，計算其歐式貼近度(ρH)，結果如表6所示。

表6 第2組污水處理廠的歐式貼近度

由表6可以看出，綜合效益較優(yōu)的為19號廠(MBBR+紫外消毒)，18號廠(DAT-IAT+加氯消毒)，15號廠(A2O+高密度沉淀+V型濾池)，16號廠(A2O工藝+混凝沉淀+紫外消毒)。綜合來看，MBBR+紫外消毒這一工藝在處理水量較大的污水時，其氨氮去除能力最佳。綜合第1組的結果來看，作為經典的脫氮除磷工藝，A2O工藝無論在低水量還是高水量的污水處理中都有較大的優(yōu)越性。

采用式(5)～式(7)建立決策矩陣和差平方決策矩陣，得出評價指標的ω=(0.250 6，0.249 3，0.250 3，0.249 8)，計算其歐式貼近度(ρH)，結果如表8所示。由表8可以看出，綜合效益較優(yōu)的是28號廠(CAST工藝)，26號廠(A2O工藝)，22號廠(AO工藝)，24號廠(A2O工藝)，27號廠(A2O工藝)。綜合來看，歐式貼近度最高的28號廠采用的CAST工藝有良好的效益，但是與同樣采用CAST工藝的29號和30號廠之間差距較大。然而采用A2O工藝的幾個污水處理廠分數方差較小，說明在處理較小水量，出水水質要求不嚴格的情況下，A2O工藝有較大的優(yōu)勢。

表7 第3組污水處理廠工藝及其指標

表8 第3組污水處理廠的歐式貼近度

采用式(5)～式(7)建立決策矩陣和差平方決策矩陣，得出評價指標的ω=(0.254 8，0.254 0，0.255 2，0.236 1)，計算其歐式貼近度(ρH)，結果如表10所示。

表9 第4組污水處理廠工藝及其指標

表10 第4組污水處理廠的歐式貼近度

由表10可以看出，綜合效益較優(yōu)的是47號廠(林泡爾工藝)，42號廠(百樂克工藝)和39號廠(CAST工藝)。林泡爾工藝與百樂克工藝作為新型污水處理工藝，管理、運行方便，且出水水質佳，在污水水量較大，出水水質滿足一級B標準的情況下具有較大的優(yōu)越性。

3 結論

以遼河流域47座污水處理廠作為樣本，以單位處理量建設費、單位處理量運行費、COD削減比例、氨氮削減比例等4個方面數據建立矩陣，采用客觀賦權方法——熵權法進行評估，結果表明：處理能力2萬td以下的污水處理廠中，A2O工藝具有明顯優(yōu)勢；處理能力2萬td以上的污水處理廠中，MBBR+紫外消毒工藝(一級A標準出水)、林泡爾工藝和百樂克工藝(一級B標準出水)綜合效益較高。

[1] 趙瑞,高欣,丁森,等.遼河流域大型底棲動物耐污值[J].生態(tài)學報,2015,35(14):4797-4809. ZHAO R,GAO X,DING S,et al.Tolerance values of macroinvertebrate taxa in Liao River Basin[J].Acta Ecologica Sinica,2015,35(14):4797-4809.

[2] 遼寧省環(huán)境保護廳.2011年遼寧省環(huán)境狀況公報[R].沈陽:遼寧省環(huán)境保護廳,2012.

[3] 孟偉.遼河流域水污染治理和水環(huán)境管理技術體系構建:國家重大水專項在遼河流域的探索與實踐[J].中國工程科學,2013,15(3):4-10. MENG W.Construction of technology system for watershed water pollution treatment and management:exploration and practice of the major water program in Liaohe River Basin[J].Engineering Science,2013,15(3):4-10.

[4] 王允妹.遼河沈陽段污染治理及生態(tài)恢復進程回顧[J].科技創(chuàng)新導報,2015,12(30):156-158. WANG Y M.Review on environment pollution control and ecological restoration of Liaohe River in Shenyang[J].Science and Technology Innovation Herald,2015,12(30):156-158.

[5] 晁雷,王健,尤濤,等.遼河上游地區(qū)農副產品加工廢水污染現狀及對策[J].黑龍江農業(yè)科學,2016(4):108-113. CHAO L,WANG J,YOU T,et al.Status of agricultural processing wastewater pollution of the upper reaches of the Liaohe and countermeasures[J].Heilongjiang Agricultural Sciences,2016(4):108-113.

[6] 遼寧省環(huán)境保護廳.2015年遼寧省環(huán)境狀況公報[R].沈陽:遼寧省環(huán)境保護廳,2016.

[7] 魏亮,陳瀅,劉敏,等.城鎮(zhèn)污水處理廠的綜合績效評價[J].環(huán)境工程學報,2016,10(1):490-494. WEI L,CHEN Y,LIU M,et al.Comprehensive performance evaluation of municipal wastewater treatment plants[J].Chinese Journal of Environmental Engineering,2016,10(1):490-494.

[8] 邢佳,孫偉光,張寶杰,等.基于層次分析法的流域規(guī)劃城鎮(zhèn)污水處理廠建設方案評估模型研究[J].環(huán)境科技,2015,28(4):57-61. XING J,SUN W G,ZHANG B J,et al.Research based on analytic hierarchy process of construction scheme evaluation model of river basin planning urban sewage treatment plant[J].Environmental Science and Technology,2015,28(4):57-61.

[9] ORTIZ M,RALUY R G,SERRA L.Life cycle assessment of water treatment technologies: wastewater and water-reuse in a small town[J].Desalination,2007,204(1):121-131.

[10] KABLAN M M.Decision support for energy conservation promotion: an analytic hierarchy process approach[J].Energy Policy,2004,32(10):1151-1158.

[11] 熊焱,齊香汝,金文杰,等.基于層次分析法的AO工藝夏冬季節(jié)能耗評價[J].環(huán)境工程,2014,32(4):148-152. XIONG Y,QI X R,JIN W J,et al.Energy consumption evaluation of AO process in winter and summer based on AHP[J].Environmental Engineering,2014,32(4):148-152.

[12] NEFESLIOGLU H A,SEZER E A,GOKCEOGLU C,et al.A modified analytical hierarchy process (M-AHP) approach for decision support systems in natural hazard assessments[J].Computers & Geosciences,2013,59(12345678):1-8.

[13] 林璐.基于生命周期評價方法的九龍江流域污水處理廠綜合評價研究[D].廈門:廈門大學,2008.

[14] RENOU S,THOMAS J S,AOUSTIN E,et al.Influence of impact assessment methods in wastewater treatment LCA[J].Journal of Cleaner Production,2008,16(10):1098-1105.

[15] FLORESALSINA X,GALLEGO A,FEIJOO G,et al.Multiple-objective evaluation of wastewater treatment plant control alternatives[J].Journal of Environmental Management,2010,91(5):1193-1201.

[16] 邱紅霞.基于熵權的灰色關聯模型在水電工程評價中的應用[J].水科學與工程技術,2010,157(2):33-35. QIU H X.Application of grey relation model based on entropy weight in evaluation of hydro-electric project schemes[J].Water Sciences and Engineering Technology,2010,157(2):33-35.

[17] 郝瑞霞,劉峰,呂鑒,等.基于熵權物元模型的污水處理廠運行效果綜合評價與分析[J].北京工業(yè)大學學報,2013,39(3):445-451. HAO R X,LIU F,Lü J,et al.Comprehensive evaluation and analysis on the operation of wastewater treatment plant based on matter-element model combined with entropy weight[J].Journal of Beijing University of Technology,2013,39(3):445-451.

[18] 周朝民,耿彥博.基于熵權法的商業(yè)銀行經營績效評估[J].上海管理科學,2008,171(6):9-10. ZHOU C M,GENG Y B.Entropy based performance appraisal of the commercial banks[J].Shanghai Management Science,2008,171(6):9-10.

[19] 龍騰銳,趙欣,林于廉,等.M-AHP-熵權組合賦權法在垃圾滲濾液處理技術評價中的應用[J].環(huán)境工程學報,2010,4(11):2455-2460. LONG T R,ZHAO X,LIN Y L,et al.Application of M-AHP-entropy power combination weighing method in evaluation of landfill leachate treatment technology[J].Chinese Journal of Environment Engineering,2010,4(11):2455-2460. ?

Evaluation of comprehensive benefits of urban sewage treatment plants: taking Liaohe River Basin as an example

ZHANG Hanmin, ZOU Xiang, JIANG Wei
School of Environment Science & Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China

Based on the two aspects of operation cost and environmental benefits of the sewage treatment plants (STPs), the evaluation index system with four evaluation indexes, i.e. unit construction cost, unit operation cost, COD reduction rate, ammonia nitrogen reduction rate, was constructed. Then the entropy weight method was used to determine the corresponding weight coefficient, and the Euclid approach degree applied to realize the objective evaluation of the comprehensive benefits of the STPs. Based on the treatment quantity and water quality, 47 STPs in Liaohe River Basin were divided into four groups. The results showed that the superiority of A2O technology was more obvious when the water quantity was under 20 000 td and the effluent water quality was up to Level 1A standard of GB 18918-2002, while in the process that the water quantity was above 20 000 td and the effluent water quality was up to Level 1A, MBBR+ UV disinfection technology showed better performance in the comprehensive benefit.When the water quality was under 20 000 td and the effluent quality was up to Level 1B standard, the superiority of A2O technology was obvious, and in the process that the water quantity was above 20 000 td and the effluent water quality was up to Level 1B standard,the advantages of Linpaoer technology and BIOLAK technology were obvious.

Liaohe River Basin; ammonia nitrogen pollution control technology; entropy weight method; urban sewage treatment plant; benefit evaluation

2017-04-15

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2013ZX07202-010-01)

張捍民(1973—)，女，教授，博士，主要研究方向為水污染控制理論與技術，zhanghm@dlut.edu.cn

X820.6

1674-991X(2017)05-0573-07

10.3969j.issn.1674-991X.2017.05.079

張捍民，鄒翔，姜威.城鎮(zhèn)污水處理廠綜合效益評價：以遼河流域為例[J].環(huán)境工程技術學報,2017,7(5):573-579.

ZHANG H M, ZOU X, JIANG W.Evaluation of comprehensive benefits of urban sewage treatment plants: Taking Liaohe River Basin as an example[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(5):573-579.