農(nóng)村生活污水處理工藝綜合效能評估

孔 赟 朱光燦 張亞平 吳 磊

(1東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京210096)

(2東南大學(xué)無錫太湖水環(huán)境工程研究中心，無錫214135)

目前，我國水環(huán)境仍處于嚴重的污染狀態(tài)，富營養(yǎng)化現(xiàn)象依然存在，水環(huán)境質(zhì)量的低劣直接制約了經(jīng)濟的發(fā)展與和諧社會的構(gòu)建.研究表明，農(nóng)村生活污水是水環(huán)境的重要污染源，以太湖流域為例，水環(huán)境治理區(qū)內(nèi)農(nóng)村生活污水排放量占所有污染源排放量的比例為 COD 33.47%、氨氮22.69%、TN 21.16%、TP 50.04%［1］.從農(nóng)村生活污水所占的比例來看，開展農(nóng)村生活污水的有效治理對提高流域水質(zhì)有著十分重要的作用.

由于環(huán)境的不同，成熟的城鎮(zhèn)污水處理技術(shù)很難在農(nóng)村得到推廣應(yīng)用［2］，農(nóng)村生活污水處理率還很低.在開展農(nóng)村生活污水治理的實踐中，各地研究開發(fā)了多種農(nóng)村生活污水處理技術(shù)與工藝，建設(shè)了一定數(shù)量的處理設(shè)施.但由于缺乏相應(yīng)的管理政策與法規(guī)，未建立長效運行管理機制，一些工藝也未進行充分的論證和實驗研究，導(dǎo)致部分設(shè)施處理效果不理想［3］.此外，由于缺乏相關(guān)的專業(yè)知識與有效指導(dǎo)，較難選擇適宜的處理工藝，甚至出現(xiàn)一定的盲目性，不能有效執(zhí)行“因地制宜、資源利用、經(jīng)濟有效、維護簡便”［4］的原則，導(dǎo)致處理設(shè)施不能適應(yīng)實際需求.

對于城鎮(zhèn)污水處理廠，人們一直尋求以智能控制來提高污水廠運行維護的控制和管理［5］.目前已有多種技術(shù)和手段，可幫助專業(yè)人員方便而準確地發(fā)現(xiàn)事故或隱患的所在，大大提高工作效率，確保污水處理廠的穩(wěn)定運行［6］.生命周期評估技術(shù)(LCA)用于污水處理廠的評價，可體現(xiàn)出污水處理廠從設(shè)計、運行、管理到廢棄整個過程的環(huán)境影響，從而改善城鎮(zhèn)污水處理廠的運行和管理［7］.污水處理廠采用儀表、控制、自動化(ICA)等技術(shù)可提高污水處理的效能和長期運行穩(wěn)定性.通過分析污水廠長期運行的費用、效率和穩(wěn)定性，來發(fā)現(xiàn)其設(shè)計、運行或管理方面的缺陷，并給出改進策略［8-9］.

對于農(nóng)村污水處理設(shè)施，本文借鑒城鎮(zhèn)污水處理廠評估方法，研究影響處理設(shè)施的效能與穩(wěn)定運行的內(nèi)在因素與外部原因，建立農(nóng)村污水處理設(shè)施效能的評估指標體系，初步建立農(nóng)村生活污水處理設(shè)施綜合評價模型.這樣不僅可以為農(nóng)村生活污水治理工藝的合理選擇提供有效指導(dǎo)，切實發(fā)揮農(nóng)村生活污水處理設(shè)施的效能，還有利于實現(xiàn)農(nóng)村地區(qū)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，保護流域水環(huán)境.

1 模型建立

首先建立農(nóng)村污水處理設(shè)施綜合效能評價指標體系，然后采用德爾菲法確定各級指標權(quán)重［10］，對數(shù)據(jù)進行規(guī)范化和標準化處理后，最終建立農(nóng)村生活污水處理設(shè)施綜合評價模型，用于評估農(nóng)村污水處理設(shè)施的綜合效能.

1.1 綜合效能評價指標體系

選擇農(nóng)村生活污水處理設(shè)施的技術(shù)指標(污染物去除效率穩(wěn)定性和出水達標率穩(wěn)定性［11］)與經(jīng)濟指標評價(噸水能耗、運行管理與維護、噸水投資和噸水占地面積)，建立綜合效能評價指標體系，效能層次圖如圖1所示.由于COD、氨氮、TN和 TP四項水質(zhì)指標是目前污染物排放標準中通用的指標，考慮到評價模型的通用性，選擇此4項水質(zhì)指標.

1.2 權(quán)重確定

采用德爾菲法［12］確定綜合效能層次體系各指標權(quán)重.首先構(gòu)造專家調(diào)查表，設(shè)置權(quán)重為5個等級，如表1所示.

表1 權(quán)重調(diào)查表

專家對每一層各指標在該層中的重要性進行評價，并給出重要性程度分值.經(jīng)過德爾菲法的流程后，計算各層各指標的權(quán)重值Wi，即

式中，Wi為第i個元素的權(quán)重值;Si為層次圖某一層中第i個元素的得分值;∑Si為該層元素得分總和.

由于權(quán)重值在很大程度上影響效能的計算，將計算得出的Wi值用于實際案例計算，同時將案例結(jié)果反饋給各專家以便對權(quán)重值進行再修改，進而使權(quán)重值更為合理.

1.3 數(shù)據(jù)標準化

數(shù)據(jù)標準化實質(zhì)上是把原始指標轉(zhuǎn)換成可以比較的無量綱化指標的過程［13］.

圖1 綜合效能層次模型圖

1.3.1 水質(zhì)指標數(shù)據(jù)標準化

水質(zhì)指標數(shù)據(jù)標準化基準值采用《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的指標值，計算式為

式中，Uw為水質(zhì)指標的標準化值;Nw為水質(zhì)指標的基準值，此處為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的相應(yīng)水質(zhì)標準;Ew為水質(zhì)指標實測值.若Uw≥1，則設(shè)定Uw=1.

1.3.2 經(jīng)濟指標數(shù)據(jù)標準化

1)噸水投資數(shù)據(jù)標準化

經(jīng)濟數(shù)據(jù)不存在標準值，故采用合理值.合理值通過專家調(diào)查咨詢及參考《村莊污水處理案例集》［14］所得，合理值范圍為每噸水3 400～3 800元，計算時可取平均值3 660元，該范圍可隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展而作相應(yīng)調(diào)整.標準化過程如下式所示:

式中，U'e為經(jīng)濟指標的標準化值;Ne為經(jīng)濟指標的合理值;Ee為經(jīng)濟指標的現(xiàn)狀實際值.

考慮到效能值在0～1范圍內(nèi)越大越好，故構(gòu)造噸水投資標準化式為

2)運行管理與維護標準化

對于運行管理與維護，無法進行定量的測量，因此以定性指標“運行管理與維護的復(fù)雜程度”來反映，復(fù)雜程度分級見表2.

表2 運行管理復(fù)雜程度分級標準

3)噸水能耗數(shù)據(jù)標準化

噸水能耗的理想值為0，設(shè)定其標準值為1.基于此，構(gòu)造噸水能耗的標準化方程式為

式中，Uec為噸水能耗的標準化值;Xec為噸水能耗的現(xiàn)狀實際值.

4)噸水占地面積數(shù)據(jù)標準化

噸水占地面積不存在標準值，故采用合理值.合理值通過專家調(diào)查咨詢及參考文獻［14］所得，合理值范圍為每噸水占地面積4～6 m2，計算時可取平均值5 m2，該值可隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展而作相應(yīng)調(diào)整.標準化式為

式中，U'a為噸水占地面積的標準化值;Na為噸水占地面積的合理值;Ea為噸水占地面積的現(xiàn)狀實際值.

考慮到效能值在0～1范圍內(nèi)越大越好，故構(gòu)造噸水占地面積標準化式為

1.4 綜合效能計算

1.4.1 污染物綜合去除效率的計算

污染物綜合去除效率的計算式為

式中，P為污染物綜合去除效率;Ui為第i個指標的標準化值.

1.4.2 污染物綜合達標率的計算

污染物綜合達標率Q的計算式為

1.4.3 污染物去除效率的標準差計算

污染物去除效率的標準差計算式為

式中，Zre為第i個污染物去除效率值;為污染物去除效率的平均值.

考慮到效能值在0～1之間越大越好，構(gòu)造污染物去除效率標準差表征式為

式中，Ure為污染物去除效率標準差表征值.

1.4.4 出水達標率標準差的計算

出水達標率標準差的計算式為

式中，U'ecr為出水達標率的標準差;Zecr為第i個污染物綜合達標率值;為污染物綜合達標率的平均值.

考慮到效能值在0～1之間越大越好，構(gòu)造出水達標率標準差表征式為

式中，Uecr為出水達標率標準差表征值.

1.4.5 綜合效能計算

綜合效能E計算式為

1.4.6 綜合效能分級

根據(jù)文獻［15-17］，可將效能分為5個等級，用于最終的綜合效能評價，如表3所示.

表3 綜合效能分級表

2 案例分析

2.1 案例概況

實驗1原水來自于江蘇省宜興市張渚鎮(zhèn)善卷村污水處理設(shè)施.該設(shè)施處理善卷村生活污水，采用厭氧池-梯式生態(tài)濾池工藝，設(shè)計規(guī)模15 m3/d，占地面積 70 m2，總投資 2.56萬元，噸水投資為1 707.5元/m3.設(shè)計出水標準為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級 A標準.實驗采樣時間為2009年10月28日至2010年1月15日，每15天采樣1次，檢測的水質(zhì)指標為COD、氨氮、TN、TP.

該工藝結(jié)合生物和生態(tài)方法，綜合運用了厭氧池有機物降解作用、梯式生態(tài)濾池有機物降解及硝化反硝化作用，能很好地處理農(nóng)村污水.其工藝流程如圖2示.

圖2 厭氧池-梯式生態(tài)濾池組合工藝

由于梯式生態(tài)濾池工藝充分利用當?shù)氐牡貏輻l件，故無動力運行，且流程簡單，日常管理十分簡便，基本實現(xiàn)無人管理運行，運行管理費用可忽略不計，因此可認為其“運行維護非常簡單”，噸水能耗為0.

實驗2原水來自于江蘇省南京市江寧區(qū)祿口街道石埝村污水處理設(shè)施.該設(shè)施處理石埝村生活污水，采用厭氧池-生態(tài)塘-生態(tài)渠組合工藝，設(shè)計規(guī)模52.5 m3/d，占地面積265 m2，總投資11.5萬元，噸水投資2 190元/m3.設(shè)計出水標準為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級B標準.實驗采樣時間為2009年12月13日至2010年3月26日，每15天采樣1次，檢測的水質(zhì)指標為 COD、氨氮、TN、TP.

該工藝將生物和生態(tài)方法相結(jié)合，綜合厭氧池有機物降解、生態(tài)塘有機物降解及硝化反硝化作用和生態(tài)渠較好的脫氮除磷作用，能夠很好地處理生活污水.其工藝流程圖如圖3所示.

圖3 厭氧池-生態(tài)塘-生態(tài)渠組合工藝

該工藝需要曝氣，即微動力運行，運行維護人員為1人，故認為其“運行維護”一般，取值1/3，噸水能耗0.03元.

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)

實驗1原水監(jiān)測的水質(zhì)數(shù)據(jù)如表4所示.實驗2原水監(jiān)測的水質(zhì)數(shù)據(jù)如表5所示.

2.3 綜合效能評價

根據(jù)上述綜合效能評價模型，計算得到厭氧池-梯式生態(tài)濾池組合工藝綜合效能值為0.902 6，參照綜合效能分級表3，得出該工藝綜合效能為“非常好”;厭氧池-生態(tài)塘-生態(tài)渠組合工藝綜合效能值為0.804 5，參照綜合效能分級表3，得出該工藝綜合效能為“好”.

表4 厭氧池-梯式生態(tài)濾池組合工藝實際運行水質(zhì)數(shù)據(jù) mg/L

表5 厭氧池-生態(tài)塘-生態(tài)渠組合工藝實際運行水質(zhì)數(shù)據(jù) mg/L

2.4 案例評價分析

厭氧池-梯式生態(tài)濾池組合工藝綜合效能評價結(jié)果為“非常好”，說明該工藝能夠高效處理農(nóng)村污水，這與實際情況相吻合.厭氧池-梯式生態(tài)濾池工藝針對丘陵區(qū)農(nóng)村或存在一定地勢落差的農(nóng)村地區(qū)而開發(fā)，充分利用勢能，不僅除磷脫氮效果好，而且無動力運行，大大降低了工藝投資和運行費用，且工藝流程簡單，運行維護十分簡便.厭氧池-生態(tài)塘-生態(tài)渠組合工藝綜合效能評價結(jié)果為“好”，說明該工藝能夠有效處理農(nóng)村生活污水，該工藝具有良好的有機物降解、硝化反硝化功能，只需微動力運行，管理維護也很方便.而采用農(nóng)村生活污水處理設(shè)施綜合效能評估模型得到的評價結(jié)果也科學(xué)地反映了工藝的優(yōu)點.

將2個實驗案例相比較，實驗1的綜合效能值大于實驗2，是因為實驗2單位經(jīng)濟的投入大于實驗1.實驗案例的比較也說明技術(shù)指標與處理設(shè)施的達標標準有關(guān)，綜合效能值能夠體現(xiàn)出單位經(jīng)濟投入的微小變化.

3 結(jié)語

從2個實驗案例工藝的評價結(jié)果及比較來看，效能綜合評價模型科學(xué)、合理，能夠較好地反映工藝經(jīng)濟投入和實際運行效果，而且可以迅速發(fā)現(xiàn)工藝運行中出現(xiàn)的問題，有助于對工程進行有效的監(jiān)管和維護.且經(jīng)濟指標微小的變化都能從綜合效能值上得到體現(xiàn)，表明評價模型非常靈敏.從操作過程看，效能綜合評價指標選取合理，數(shù)據(jù)比較容易收集，評價體系使用簡單，具有較強的可操作性，符合農(nóng)村污水處理設(shè)施運行、管理維護的特點.

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