農村生活污水處理技術評估方法與案例研究

駱其金，鐘昌琴，諶建宇，龐志華

環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所，廣東 廣州　510655

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農村生活污水處理技術評估方法與案例研究

駱其金，鐘昌琴*，諶建宇，龐志華

環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所，廣東 廣州510655

摘要以農村生活污水處理技術為研究對象，采用以噸水占地面積評估為限制性因素評估，費用效益分析為核心因素評估，層次分析+灰色關聯度為次重因素評估的“三步式”綜合評估方法，對農村生活污水處理技術進行了篩選研究，給出了評估法數學模型的建模過程，并進行了實例分析。通過文獻調研、實地調研及信函調研等篩選出AO、A2O、水解酸化(厭氧)+接觸氧化、厭氧+生態(tài)溝、厭氧+氧化塘和厭氧+人工濕地6類典型的農村污水處理技術，利用評估模型進行了單因素評估，在此基礎上進行了“三步式”綜合評估。單因素評估結果表明：水解酸化(厭氧)+接觸氧化、厭氧+人工濕地、水解酸化(厭氧)+接觸氧化分別是限制性因素、核心因素、次重因素等單因素評估的最佳技術。綜合評估表明：在土地限制性強的區(qū)域，水解酸化(厭氧)+接觸氧化組合工藝為最佳可行技術；在土地限制性弱的區(qū)域，厭氧+人工濕地組合工藝為最佳可行技術。

關鍵詞農村；生活污水；綜合評估

Evaluation Method of Best Available Technologies for Rural Domestic Wastewater Treatment and Case Study

LUO Qijin, ZHONG Changqin, CHEN Jianyu, PANG Zhihua

South China Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Guangzhou 510655, China

AbstractA comprehensive evaluation method was developed for screening rural domestic wastewater treatment technologies, taking per unit occupied area as the restricted factor, and adopting the cost-benefit analysis for the core factors and analytic hierarchy process (AHP) with grey relational degree method for secondary factors. The development process of mathematical models was provided with a case study. Six rural domestic sewage treatment technologies, including AO, A2O, hydrolytic acidification-biological contact oxidation process, anaerobic-constructed wetland (CW), anaerobic-ecological gully, and anaerobic-oxidation pond, were screened out as typical technologies based on literature review, on-site survey and questionnaire. The three single factors evaluations were performed individually and then the comprehensive evaluation conducted. The results of single factor evaluation showed that the hydrolytic acidification-biological contact oxidation process was the best available technology (BAT) in restricted factors evaluation and secondary factors evaluation, while the anaerobic-CW was the BAT in core factors evaluation. The results of comprehensive evaluation showed that the hydrolytic acidification-biological contact oxidation process was the BAT for rural domestic wastewater in the area in lack of land, and that the anaerobic-constructed wetland was the BAT in the area with more lands.

Key wordscountryside; domestic wastewater; comprehensive evaluation

我國農村人口數量多，居住分散，根據2010年第六次人口普查結果，我國農業(yè)人口為6.74億，占總人口的50.32%。據調查，我國農村生活污水的排放量為80億ta，約占全國生活污水排放量的50%[1-2]。但是農村基礎設施建設滯后，許多農村還未建設污水處理設施，已建的污水處理工藝參差不齊，且存在某些不良的污水排放習慣，導致農村環(huán)境污染日益嚴重，農村污染防治已成為我國環(huán)境治理的重要組成。選擇適用的污水處理技術是農村生活污水處理的關鍵。目前，農村生活污水處理技術普遍采用專家評價法進行篩選評估，以定性判斷為主。

隨著決策科學的發(fā)展，一些學者采用模糊優(yōu)劣系數法[3]、層次分析(AHP)法[4-6]、三角模糊數和AHP法綜合的模糊評價法[7]、二級模糊綜合評價法[8]、模糊積分模型[9-10]、灰色關聯-TOPSIS模型綜合效能評價法[11]、灰色綜合評判法[12]等方法評估包括農村生活污水處理技術在內的污水處理技術。然而目前常用的基于應用決策科學的綜合評估方法雖具有因素全面、客觀定量的優(yōu)點，但存在評估指標體系較復雜、指標繁多、評估重點不突出、應用性不強的問題。

根據農村的特點，確定農村生活污水處理技術選擇的原則：1)占地面積小。隨著經濟快速發(fā)展，農村土地資源價值進入升值通道，因此占地面積成為農村污水處理技術選擇時需要重點考慮的關鍵問題之一，特別是在經濟飛速發(fā)展的城市郊區(qū)農村。2)性價比高。即農村生活污水處理技術應是一次性投資少，運行費用低，處理效果好。3)技術成熟穩(wěn)定，運行管理方便。農村地區(qū)專業(yè)技術人才相對缺乏，因此要求污水處理技術成熟穩(wěn)定，故障率小，運行管理方便簡單。根據以上分析，筆者構建了“三步式”綜合評估方法，同時以廣州市某郊區(qū)農村生活污水處理技術的篩選為研究對象，進行了實例應用，探討“三步式”綜合評估方法的科學性、可行性和實用性，以期為我國農村生活污水處理技術的篩選提供技術支撐。

1農村生活污水處理技術評估方法的確定

1.1技術評估框架的確定

根據農村生活污水處理技術選擇的原則，建立了“三步式”綜合評估方法：1)以噸水占地面積評估為限制性因素評估；2)以費用效益分析為核心因素評估；3)以層次分析+灰色關聯度為次重因素評估。

占地面積評估是對技術中的噸水占地面積進行標準分評估，明確各技術類型相對占地面積；費用效益分析是指通過權衡各備選方案的效益與費用來評估方案的可行性，能較全面地鑒別評估備選方案的環(huán)境效益、經濟效益、技術性能等，實用性強[16]；為更全面的對備選方案進行評估，在限制性因素評估和核心因素評估之后，采用層次分析+灰色關聯度的評估方法進行次重因素評估；最后將綜合“三步”評估結果，得到綜合評估結果。農村生活污水處理技術評估流程見圖1。

圖1　農村生活污水處理技術評估流程Fig.1　The rural domestic wastewater of BAT assessment route

1.2綜合評估方法的建立

現有技術調研采用文獻調研、實地調研及信函調研等多種方式，采集目前已有并實際應用的農村生活污水處理技術。備選技術庫入庫門檻條件：1)技術已實現實際工程應用；2)污水經處理后可穩(wěn)定達標；3)技術成熟可靠。

1.2.1限制性因素評估

對各技術中的噸水占地面積進行標準化評分，評分公式為:

Px=AminAx

(1)

式中：Px為x技術限制性因素評分；Amin為備選技術中噸水占地面積最小值；Ax為x技術的噸水占地面積。

1.2.2核心因素評估

采用費用年值法對核心因素進行評估，計算方法[16]如下。

(1)費用年值(AC)計算：

[I+C′(PF,i,n)](AP,i,n)

(2)

式中：I為投資額；PC為費用現值；COt為第t年項目資金流出量；C′為年經營成本；PF,i,n為一次支付現值系數；AP,i,n為資金回收系數；基準收益率i設為10%，工程壽命為20 a。

(2)評估結果標準化：

Sx=ACminACx

(3)

式中：Sx為x技術核心因素評分；ACmin為最小年費用；ACx為x技術的年費用。

1.2.3次重因素評估1.2.3.1指標體系構建

根據農村生活污水處理技術的特點選擇指標，構建指標體系，如圖2所示。

圖2　次重因素評估指標體系Fig.2　The emission reduction of ammonia BAT evaluation index system(non-key factors)

1.2.3.2指標權重計算

指標權重的計算是評價指標體系準確性和科學性的關鍵。本研究采用AHP法計算各評價指標相對權重[13]，其權重(W)=(W1，W2,…,Wk)。

1.2.3.3參考數列與比較數列的選定

參考數列采用田云麗等[14]提出的方法，記為X0，X0={X0(1)，X0(2)，…，X0(m)}；將決定、影響被評判事物性質的各子因素數據的有序排列作為關聯分析的比較數列[15]，記為xi(k)，xi(k)={xi(1)，xi(2)，…，xi(m)}(i=1，2，…，n)。

1.2.3.4評估計算方法

(1)數值標準化

采用駱其金等[16-18]提出的數值標準化方法對相關數據進行標準化處理，具體如下。

對正向指標，按式(3)計算：

xi(k)=SxiSoi

(4)

對逆向指標，按式(4)計算：

xi(k)=SoiSxi

(5)

式中：xi(k)為第i項評價指標的單項標準化評價指數；Sxi為第i項評價指標的實際值；Soi為第i項評價指標的參考數列值。

(2)關聯度系數計算

關聯度系數計算公式[16-20]：ξ∈[0,1]，一般取ξ=0.5，

ξi(k)=

(6)

(3)綜合關聯度計算

綜合關聯度(ri)計算公式[13,16-19]：

(7)

1.2.4綜合評估分析

經過“三步式”綜合評估方法的評估計算，得出各自評估結果后，采用下式對三重評估結果進行綜合分析。

Rx=Px×w限+Sx×w核+ri×w次×100

(8)

式中：Rx為x技術的綜合評分；w限為限制性因素評估權重(根據實際情況取0.3～0.65)；w核為核心因素評估權重(根據實際情況取0.25～0.55)；w次為次重因素評估權重(根據實際情況取0.15～0.4)。3種評估權重之和為1。

根據綜合評估分析計算結果，當R≥80，參選技術為最佳可行技術；當70≤R<80，參選技術為可行技術，當R<70，參選技術為一般技術。

2案例分析

2.1確定備選技術

以廣州市某郊區(qū)農村生活污水處理技術篩選為研究對象，通過文獻調研、實地調研及信函調研等途徑收集目前該郊區(qū)農村常用的生活污水處理技術參數并整理分析，最終獲得6類典型的農村生活污水處理技術及其參數，見表1。

表1　工程投資及運行費用

2.2農村生活污水處理技術評估

2.2.1限制性因素評估

根據式(1)計算得到6類污水處理技術的限制性因素技術評分結果見表2。

表2　限制性因素評估結果

2.2.2核心因素評估計算

根據式(2)和(3)，核心因素評估結果見表3。

2.2.3次重因素評估2.2.3.1各技術評估指標參數

對6類農村生活污水處理技術利用構建的指標

表3　核心因素評估結果

注：基準收益率為10%，工程壽命為20 a。

評估體系進行次重因素評估。次重因素評估中各指標的參數值通過專家評分得出。向25位理論知識和實際經驗均比較豐富的廢水治理專家發(fā)送了評分問卷，專家從次重因素的各評估指標對6類技術進行評分，回收到23份有效評分表。假定專家權重相同，即所有專家在評分時具有同等的重要性，用算術加權法將各專家賦予的指標評分進行綜合計算后，得出指標綜合評分，如表4所示。

表4　專家評分均值

2.2.3.2權重計算

在發(fā)放指標參數評分問卷的同時發(fā)放有效構造判斷矩陣調研表，共回收23份，采用AHP法求解出各指標最終權重(W)，如表5所示。

表5　評估指標權重均值

2.2.3.3技術評估

將表4和表5中的數據代入式(4)～(7)中，結果如表6所示。

表6　次重因素評估結果

3綜合評估

廣州市某郊區(qū)為經濟快速發(fā)展地區(qū)，除投資總額外，部分村鎮(zhèn)土地資源成為發(fā)展的瓶頸因素，而部分村鎮(zhèn)土地資源相對比較多，因此本評估分2種情景進行權重取值。情景一：土地限制性強。限制性因素評估權重(w限)取0.5，核心評估權重(w核)取0.3，次重因素評估權重(w次)取0.2。情景二：土地限制性弱。限制性因素評估權重(w限)取0.3，核心評估權重(w核)取0.55，次重因素評估權重(w次)取0.15。根據綜合評估計算公式，各技術綜合評估結果如表7和表8所示。

表7　綜合評估結果(情景一)

表8　綜合評估結果(情景二)

根據綜合評估分析計算結果，情景一：生活污水處理技術應用區(qū)域土地限制性強，評價結果為水解酸化(厭氧)+接觸氧化達到較好水平(R≥80)，為最佳可行技術；而AO、厭氧+人工濕地(70≤R<80)為可行技術；A2O、厭氧+氧化塘、厭氧+生態(tài)溝(R<70)為一般技術。情景二：生活污水處理技術應用區(qū)域土地限制性弱，評價結果為厭氧+人工濕地達到較好水平(R≥80)，為最佳可行技術；而厭氧+氧化塘(70≤R<80)為可行技術；水解酸化(厭氧)+接觸氧化、厭氧+生態(tài)溝、AO、A2O(R<70)為一般技術。

4結論

(1)采用以噸水占地面積評估為限制性因素評估，費用效益分析為核心因素評估，層次分析+灰色關聯度為次重因素評估的“三步式”綜合評估方法，通過文獻調研、實地調研及信函調研等，在滿足污水處理后達標排放的前提下，篩選出AO、A2O、水解酸化(厭氧)+接觸氧化、厭氧+生態(tài)溝、厭氧+氧化塘和厭氧+人工濕地6類典型的農村生活污水處理技術。

(2)限制性因素評估結果表明，各典型技術優(yōu)先順序為：水解酸化(厭氧)+接觸氧化>AO>A2O>厭氧+人工濕地>厭氧+氧化塘>厭氧+生態(tài)溝。核心因素評估結果表明，各典型技術優(yōu)先順序為：厭氧+人工濕地>厭氧+氧化塘>厭氧+生態(tài)溝>水解酸化(厭氧)+接觸氧化>AO>A2O。次重因素評估結果表明，各典型技術優(yōu)先順序為：水解酸化(厭氧)+接觸氧化>A2O>AO>厭氧+人工濕地>厭氧+氧化塘>厭氧+生態(tài)溝。

(3)運用“三步式”綜合評估方法對廣州市某農村地區(qū)生活污水處理技術進行優(yōu)選。結果表明：在土地限制性強的區(qū)域，水解酸化(厭氧)+接觸氧化組合工藝為最佳可行技術，在土地限制性弱的區(qū)域，厭氧+人工濕地組合工藝為最佳可行技術。

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中圖分類號:X703

文章編號:1674-991X(2016)02-0105-06

doi:10.3969j.issn.1674-991X.2016.02.016

作者簡介:駱其金(1981—),男,高級工程師,碩士,主要研究水污染控制與治理及生態(tài)修復,luoqijin@scies.org*責任作者:鐘昌琴(1965—),男,高級工程師,主要從事水污染控制與環(huán)境評價研究,zhongchangqin@scies.org

基金項目:國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07206-002)

收稿日期:2015-10-26

駱其金，鐘昌琴，諶建宇，等.農村生活污水處理技術評估方法與案例研究[J].環(huán)境工程技術學報,2016,6(2):105-110.

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