城鎮(zhèn)污水處理廠綜合效益評(píng)價(jià)
——以遼河流域?yàn)槔?/h1>
2017-09-16 04:34:23張捍民鄒翔姜威大連理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院遼寧大連116024
環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào) 2017年5期
張捍民，鄒翔，姜威大連理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116024
城鎮(zhèn)污水處理廠綜合效益評(píng)價(jià)
——以遼河流域?yàn)槔?/p>
張捍民，鄒翔，姜威
大連理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116024
從污水處理廠的運(yùn)行成本和環(huán)境效益2個(gè)方面出發(fā)，建立了含有單位處理量建設(shè)費(fèi)、單位處理量運(yùn)行費(fèi)、COD削減比例、氨氮削減比例4個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系，采用熵權(quán)法確定相應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重，應(yīng)用歐式貼近度對(duì)污水處理廠進(jìn)行綜合效益的客觀評(píng)價(jià)。基于污水處理廠的處理水量和出水水質(zhì)特征，將遼河流域的47座污水處理廠劃分為4類進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：在處理能力2萬(wàn)td以下、出水水質(zhì)滿足GB 18918—2002《污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)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(wàn)td以上、出水水質(zhì)滿足GB 18918—2002一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)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(wàn)td以下、出水水質(zhì)滿足GB 18918—2002一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠中，A2O工藝優(yōu)越性顯著；在處理能力2萬(wàn)td以上、出水水質(zhì)滿足GB 18918—2002一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠中，林泡爾工藝和百樂(lè)克工藝優(yōu)勢(shì)非常明顯。
遼河流域；氨氮污染治理技術(shù)；熵權(quán)法；城鎮(zhèn)污水處理廠；效益評(píng)價(jià)
遼河流域位于中國(guó)東北地區(qū)西南部(116°54′E～125°32′E，40°30′N～45°17′N)，是我國(guó)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(jīng)河北省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、吉林省、遼寧省4個(gè)省(區(qū))，涉及16個(gè)市(地、州)，56個(gè)縣(縣級(jí)市、縣、旗)，最終注入渤海。河流全長(zhǎng)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(rùn)大陸性季風(fēng)氣候[1]。根據(jù)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(gè)國(guó)控?cái)嗝嬷?，Ⅳ～Ⅴ類和劣Ⅴ類水質(zhì)斷面比例達(dá)到58.3%，城市河段污染尤為嚴(yán)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(jī)氯農(nóng)藥為主[3]。2012年7月，遼河沈陽(yáng)段的12條支流中，小河子、小河子河和柳河，水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類；拉馬河為劣Ⅴ類，超標(biāo)項(xiàng)目主要是COD和BOD；其他支流水質(zhì)均為Ⅴ類和劣Ⅴ類，超標(biāo)項(xiàng)目主要為COD、BOD和氨氮。遼河沈陽(yáng)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(hù)廳的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，遼河流域水質(zhì)80%能穩(wěn)定達(dá)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?yàn)橹囟任廴?。?1項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)，遼河流域90個(gè)干、支流斷面中，Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)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(biāo)。
面對(duì)嚴(yán)峻的水環(huán)境污染問(wèn)題，為使遼河流域水質(zhì)得到全面提升，應(yīng)使已有的污水處理廠充分發(fā)揮作用。《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》指出，要加快城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)，現(xiàn)有城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施，要因地制宜進(jìn)行改造。因此，對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠設(shè)計(jì)建設(shè)和運(yùn)行管理進(jìn)行全面科學(xué)的綜合績(jī)效評(píng)價(jià)，弄清污水處理廠的實(shí)際運(yùn)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(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，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(yáng)13座，盤錦6座，鞍山5座，鐵嶺3座，錦州6座，營(yíng)口5座。從污水處理廠的運(yùn)行成本和環(huán)境效益的角度構(gòu)建綜合效益評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)47座污水處理廠運(yùn)行效果的綜合評(píng)價(jià)與客觀分析，以期為污水處理廠的運(yùn)營(yíng)管理和投資決策提供參考。
1 評(píng)價(jià)方法
對(duì)于污水處理廠的科學(xué)評(píng)價(jià)有層次分析法[8-11]、生命周期評(píng)價(jià)法[12-15]等多種主客觀結(jié)合的方法。但這些方法在賦權(quán)過(guò)程中受人為因素影響較大，缺乏客觀的賦權(quán)方法，制約了評(píng)估的準(zhǔn)確性，使得最終的結(jié)果不完全準(zhǔn)確，并且還伴有一定的歧義。熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)方法，賦權(quán)的原始信息直接源于客觀環(huán)境，根據(jù)指標(biāo)提供的信息量的大小來(lái)決定相應(yīng)的權(quán)重[16-17]，二者的有機(jī)結(jié)合適用于多指標(biāo)評(píng)價(jià)問(wèn)題，具有計(jì)算簡(jiǎn)單、概念原理清晰、權(quán)重賦值客觀等特點(diǎn)。
熵最先由申農(nóng)引入信息論，目前已經(jīng)在工程技術(shù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用[18]。熵權(quán)法的基本思路是根據(jù)指標(biāo)變異性的大小來(lái)確定客觀權(quán)重。一般來(lái)說(shuō)，某個(gè)指標(biāo)的信息熵越小，指標(biāo)值的變異程度越大，提供的信息量越多，在綜合評(píng)價(jià)中所能起到的作用也越大，其權(quán)重也就越大[19]。該方法是在客觀條件下，由評(píng)價(jià)指標(biāo)值來(lái)確定指標(biāo)權(quán)重的一種方法，具有操作性和客觀性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此能夠避免因選用指標(biāo)的差異過(guò)小造成的分析困難。城鎮(zhèn)污水處理廠綜合績(jī)效評(píng)價(jià)作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，受多方面因素影響。為此，將熵權(quán)法用于計(jì)算污水處理廠不同指標(biāo)的權(quán)重，以期能夠系統(tǒng)、客觀、全面地評(píng)價(jià)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(gè)綜合效益評(píng)價(jià)指標(biāo)C1，C2，…，Cn和相應(yīng)的模糊量值v1，v2，…，vn，稱R為n維模糊物元，簡(jiǎn)記為R=(n，C，v)，如果m個(gè)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(gè)污水處理廠的n個(gè)綜合效益評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊復(fù)合物元。
各單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)相應(yīng)的模糊量值，從屬于標(biāo)準(zhǔn)方案各對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)相應(yīng)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(jì)算權(quán)重
構(gòu)建m個(gè)污水處理廠的n個(gè)綜合效益評(píng)價(jià)指標(biāo)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(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)m個(gè)被評(píng)價(jià)污水處理廠的評(píng)估問(wèn)題中，確定第k個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵為：
(5)
(6)
定義了k個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵之后，得到第k個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)定義，即
(7)
1.3 計(jì)算歐式貼近度
歐氏貼近度是指被評(píng)價(jià)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(yuǎn)。根據(jù)歐氏貼近度的大小對(duì)各污水處理廠的綜合效益進(jìn)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(píng)價(jià)與分析
基于遼河流域47座污水處理廠調(diào)查，從污水處理廠的運(yùn)行成本和環(huán)境效益2個(gè)方面出發(fā)，構(gòu)建了污水處理廠綜合效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。其中，運(yùn)行成本包括污水處理廠單位處理量建設(shè)費(fèi)和單位處理量運(yùn)行費(fèi)(包括平均維修費(fèi)用、工資福利、年藥劑成本、化驗(yàn)室運(yùn)行費(fèi)用、耗電成本、污泥處理成本、其他運(yùn)行成本)；環(huán)境效益包括COD和氨氮的削減比例2個(gè)指標(biāo)。構(gòu)建的污水處理廠綜合效益評(píng)價(jià)體系共含有4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，即單位處理量建設(shè)費(fèi)(K1)、單位處理量運(yùn)行費(fèi)(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(zhì)分開(kāi)討論評(píng)價(jià)。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(shù)量相當(dāng)，將處理水量2萬(wàn)td以下的污水處理廠與2萬(wàn)td以上的分開(kāi)討論。出水水質(zhì)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(zhì)滿足GB 18918—2002《污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)(即末端有深度處理)的污水處理廠和出水水質(zhì)滿足一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)(末端無(wú)深度處理)的污水處理廠分開(kāi)討論。按照以上的分類方法，將47座污水處理廠分成4組進(jìn)行討論分析。
建立決策矩陣，根據(jù)表1及式(1)建立13個(gè)污水處理廠4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的Rmn，結(jié)果如表2所示。
根據(jù)式(2)及式(3)，建立RΔ，結(jié)果如表3所示。
根據(jù)式(5)～式(7)計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重ω=(0.249 7，0.249 8，0.250 2，0.250 3)，根據(jù)式(8)，計(jì)算各污水處理廠評(píng)價(jià)的歐式貼近度(ρH)，結(jié)果如表4所示。
表1 第1組污水處理廠工藝及其指標(biāo)
表2 第1組污水處理廠4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的Rmn
表3 第1組污水處理廠4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)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(hào)廠(浮動(dòng)生化床+人工濕地)，2號(hào)廠(A2O+人工濕地)，6號(hào)廠(浮動(dòng)生化床+人工濕地)，12號(hào)廠(A2O+高密度沉淀+V型濾池)，3號(hào)廠(A2O+人工濕地)。綜合考量評(píng)價(jià)結(jié)果，雖然5號(hào)廠采用的浮動(dòng)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(shù)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(hào)和3號(hào)廠歐式貼近度較高，且比較接近。分?jǐn)?shù)較高的12號(hào)廠也是采用的A2O工藝。所以，A2O工藝在實(shí)際污水處理廠的氨氮處理過(guò)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(biāo)
采用式(5)～式(7)建立決策矩陣和差平方?jīng)Q策矩陣，得出評(píng)價(jià)指標(biāo)的ω=(0.250 5，0.250 4，0.249 1，0.249 9)，計(jì)算其歐式貼近度(ρH)，結(jié)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(hào)廠(MBBR+紫外消毒)，18號(hào)廠(DAT-IAT+加氯消毒)，15號(hào)廠(A2O+高密度沉淀+V型濾池)，16號(hào)廠(A2O工藝+混凝沉淀+紫外消毒)。綜合來(lái)看，MBBR+紫外消毒這一工藝在處理水量較大的污水時(shí)，其氨氮去除能力最佳。綜合第1組的結(jié)果來(lái)看，作為經(jīng)典的脫氮除磷工藝，A2O工藝無(wú)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?jīng)Q策矩陣，得出評(píng)價(jià)指標(biāo)的ω=(0.250 6，0.249 3，0.250 3，0.249 8)，計(jì)算其歐式貼近度(ρH)，結(jié)果如表8所示。由表8可以看出，綜合效益較優(yōu)的是28號(hào)廠(CAST工藝)，26號(hào)廠(A2O工藝)，22號(hào)廠(AO工藝)，24號(hào)廠(A2O工藝)，27號(hào)廠(A2O工藝)。綜合來(lái)看，歐式貼近度最高的28號(hào)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(hào)和30號(hào)廠之間差距較大。然而采用A2O工藝的幾個(gè)污水處理廠分?jǐn)?shù)方差較小，說(shuō)明在處理較小水量，出水水質(zhì)要求不嚴(yán)格的情況下，A2O工藝有較大的優(yōu)勢(shì)。
表7 第3組污水處理廠工藝及其指標(biāo)
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?jīng)Q策矩陣，得出評(píng)價(jià)指標(biāo)的ω=(0.254 8，0.254 0，0.255 2，0.236 1)，計(jì)算其歐式貼近度(ρH)，結(jié)果如表10所示。
表9 第4組污水處理廠工藝及其指標(biāo)
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(hào)廠(林泡爾工藝)，42號(hào)廠(百樂(lè)克工藝)和39號(hào)廠(CAST工藝)。林泡爾工藝與百樂(lè)克工藝作為新型污水處理工藝，管理、運(yùn)行方便，且出水水質(zhì)佳，在污水水量較大，出水水質(zhì)滿足一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)的情況下具有較大的優(yōu)越性。
3 結(jié)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(shè)費(fèi)、單位處理量運(yùn)行費(fèi)、COD削減比例、氨氮削減比例等4個(gè)方面數(shù)據(jù)建立矩陣，采用客觀賦權(quán)方法——熵權(quán)法進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明：處理能力2萬(wàn)td以下的污水處理廠中，A2O工藝具有明顯優(yōu)勢(shì)；處理能力2萬(wàn)td以上的污水處理廠中，MBBR+紫外消毒工藝(一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)出水)、林泡爾工藝和百樂(lè)克工藝(一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)出水)綜合效益較高。
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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(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2013ZX07202-010-01)
張捍民(1973—)，女，教授，博士，主要研究方向?yàn)樗廴究刂评碚撆c技術(shù)，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(píng)價(jià)：以遼河流域?yàn)槔齕J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào),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.
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環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)2017年5期
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張捍民，鄒翔，姜威大連理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116024
城鎮(zhèn)污水處理廠綜合效益評(píng)價(jià)
——以遼河流域?yàn)槔?/p>
張捍民，鄒翔，姜威
大連理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116024
從污水處理廠的運(yùn)行成本和環(huán)境效益2個(gè)方面出發(fā)，建立了含有單位處理量建設(shè)費(fèi)、單位處理量運(yùn)行費(fèi)、COD削減比例、氨氮削減比例4個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系，采用熵權(quán)法確定相應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重，應(yīng)用歐式貼近度對(duì)污水處理廠進(jìn)行綜合效益的客觀評(píng)價(jià)。基于污水處理廠的處理水量和出水水質(zhì)特征，將遼河流域的47座污水處理廠劃分為4類進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：在處理能力2萬(wàn)td以下、出水水質(zhì)滿足GB 18918—2002《污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)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(wàn)td以上、出水水質(zhì)滿足GB 18918—2002一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)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(wàn)td以下、出水水質(zhì)滿足GB 18918—2002一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠中，A2O工藝優(yōu)越性顯著；在處理能力2萬(wàn)td以上、出水水質(zhì)滿足GB 18918—2002一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠中，林泡爾工藝和百樂(lè)克工藝優(yōu)勢(shì)非常明顯。
遼河流域；氨氮污染治理技術(shù)；熵權(quán)法；城鎮(zhèn)污水處理廠；效益評(píng)價(jià)
遼河流域位于中國(guó)東北地區(qū)西南部(116°54′E～125°32′E，40°30′N～45°17′N)，是我國(guó)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(jīng)河北省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、吉林省、遼寧省4個(gè)省(區(qū))，涉及16個(gè)市(地、州)，56個(gè)縣(縣級(jí)市、縣、旗)，最終注入渤海。河流全長(zhǎng)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(rùn)大陸性季風(fēng)氣候[1]。根據(jù)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(gè)國(guó)控?cái)嗝嬷?，Ⅳ～Ⅴ類和劣Ⅴ類水質(zhì)斷面比例達(dá)到58.3%，城市河段污染尤為嚴(yán)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(jī)氯農(nóng)藥為主[3]。2012年7月，遼河沈陽(yáng)段的12條支流中，小河子、小河子河和柳河，水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類；拉馬河為劣Ⅴ類，超標(biāo)項(xiàng)目主要是COD和BOD；其他支流水質(zhì)均為Ⅴ類和劣Ⅴ類，超標(biāo)項(xiàng)目主要為COD、BOD和氨氮。遼河沈陽(yáng)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(hù)廳的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，遼河流域水質(zhì)80%能穩(wěn)定達(dá)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?yàn)橹囟任廴?。?1項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)，遼河流域90個(gè)干、支流斷面中，Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)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(biāo)。
面對(duì)嚴(yán)峻的水環(huán)境污染問(wèn)題，為使遼河流域水質(zhì)得到全面提升，應(yīng)使已有的污水處理廠充分發(fā)揮作用。《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》指出，要加快城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)，現(xiàn)有城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施，要因地制宜進(jìn)行改造。因此，對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠設(shè)計(jì)建設(shè)和運(yùn)行管理進(jìn)行全面科學(xué)的綜合績(jī)效評(píng)價(jià)，弄清污水處理廠的實(shí)際運(yùn)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(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，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(yáng)13座，盤錦6座，鞍山5座，鐵嶺3座，錦州6座，營(yíng)口5座。從污水處理廠的運(yùn)行成本和環(huán)境效益的角度構(gòu)建綜合效益評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)47座污水處理廠運(yùn)行效果的綜合評(píng)價(jià)與客觀分析，以期為污水處理廠的運(yùn)營(yíng)管理和投資決策提供參考。
1 評(píng)價(jià)方法
對(duì)于污水處理廠的科學(xué)評(píng)價(jià)有層次分析法[8-11]、生命周期評(píng)價(jià)法[12-15]等多種主客觀結(jié)合的方法。但這些方法在賦權(quán)過(guò)程中受人為因素影響較大，缺乏客觀的賦權(quán)方法，制約了評(píng)估的準(zhǔn)確性，使得最終的結(jié)果不完全準(zhǔn)確，并且還伴有一定的歧義。熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)方法，賦權(quán)的原始信息直接源于客觀環(huán)境，根據(jù)指標(biāo)提供的信息量的大小來(lái)決定相應(yīng)的權(quán)重[16-17]，二者的有機(jī)結(jié)合適用于多指標(biāo)評(píng)價(jià)問(wèn)題，具有計(jì)算簡(jiǎn)單、概念原理清晰、權(quán)重賦值客觀等特點(diǎn)。
熵最先由申農(nóng)引入信息論，目前已經(jīng)在工程技術(shù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用[18]。熵權(quán)法的基本思路是根據(jù)指標(biāo)變異性的大小來(lái)確定客觀權(quán)重。一般來(lái)說(shuō)，某個(gè)指標(biāo)的信息熵越小，指標(biāo)值的變異程度越大，提供的信息量越多，在綜合評(píng)價(jià)中所能起到的作用也越大，其權(quán)重也就越大[19]。該方法是在客觀條件下，由評(píng)價(jià)指標(biāo)值來(lái)確定指標(biāo)權(quán)重的一種方法，具有操作性和客觀性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此能夠避免因選用指標(biāo)的差異過(guò)小造成的分析困難。城鎮(zhèn)污水處理廠綜合績(jī)效評(píng)價(jià)作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，受多方面因素影響。為此，將熵權(quán)法用于計(jì)算污水處理廠不同指標(biāo)的權(quán)重，以期能夠系統(tǒng)、客觀、全面地評(píng)價(jià)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(gè)綜合效益評(píng)價(jià)指標(biāo)C1，C2，…，Cn和相應(yīng)的模糊量值v1，v2，…，vn，稱R為n維模糊物元，簡(jiǎn)記為R=(n，C，v)，如果m個(gè)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(gè)污水處理廠的n個(gè)綜合效益評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊復(fù)合物元。
各單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)相應(yīng)的模糊量值，從屬于標(biāo)準(zhǔn)方案各對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)相應(yīng)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(jì)算權(quán)重
構(gòu)建m個(gè)污水處理廠的n個(gè)綜合效益評(píng)價(jià)指標(biāo)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(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)m個(gè)被評(píng)價(jià)污水處理廠的評(píng)估問(wèn)題中，確定第k個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵為：
(5)
(6)
定義了k個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵之后，得到第k個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)定義，即
(7)
1.3 計(jì)算歐式貼近度
歐氏貼近度是指被評(píng)價(jià)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(yuǎn)。根據(jù)歐氏貼近度的大小對(duì)各污水處理廠的綜合效益進(jìn)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(píng)價(jià)與分析
基于遼河流域47座污水處理廠調(diào)查，從污水處理廠的運(yùn)行成本和環(huán)境效益2個(gè)方面出發(fā)，構(gòu)建了污水處理廠綜合效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。其中，運(yùn)行成本包括污水處理廠單位處理量建設(shè)費(fèi)和單位處理量運(yùn)行費(fèi)(包括平均維修費(fèi)用、工資福利、年藥劑成本、化驗(yàn)室運(yùn)行費(fèi)用、耗電成本、污泥處理成本、其他運(yùn)行成本)；環(huán)境效益包括COD和氨氮的削減比例2個(gè)指標(biāo)。構(gòu)建的污水處理廠綜合效益評(píng)價(jià)體系共含有4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，即單位處理量建設(shè)費(fèi)(K1)、單位處理量運(yùn)行費(fèi)(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(zhì)分開(kāi)討論評(píng)價(jià)。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(shù)量相當(dāng)，將處理水量2萬(wàn)td以下的污水處理廠與2萬(wàn)td以上的分開(kāi)討論。出水水質(zhì)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(zhì)滿足GB 18918—2002《污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)(即末端有深度處理)的污水處理廠和出水水質(zhì)滿足一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)(末端無(wú)深度處理)的污水處理廠分開(kāi)討論。按照以上的分類方法，將47座污水處理廠分成4組進(jìn)行討論分析。
建立決策矩陣，根據(jù)表1及式(1)建立13個(gè)污水處理廠4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的Rmn，結(jié)果如表2所示。
根據(jù)式(2)及式(3)，建立RΔ，結(jié)果如表3所示。
根據(jù)式(5)～式(7)計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重ω=(0.249 7，0.249 8，0.250 2，0.250 3)，根據(jù)式(8)，計(jì)算各污水處理廠評(píng)價(jià)的歐式貼近度(ρH)，結(jié)果如表4所示。
表1 第1組污水處理廠工藝及其指標(biāo)
表2 第1組污水處理廠4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的Rmn
表3 第1組污水處理廠4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)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(hào)廠(浮動(dòng)生化床+人工濕地)，2號(hào)廠(A2O+人工濕地)，6號(hào)廠(浮動(dòng)生化床+人工濕地)，12號(hào)廠(A2O+高密度沉淀+V型濾池)，3號(hào)廠(A2O+人工濕地)。綜合考量評(píng)價(jià)結(jié)果，雖然5號(hào)廠采用的浮動(dòng)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(shù)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(hào)和3號(hào)廠歐式貼近度較高，且比較接近。分?jǐn)?shù)較高的12號(hào)廠也是采用的A2O工藝。所以，A2O工藝在實(shí)際污水處理廠的氨氮處理過(guò)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(biāo)
采用式(5)～式(7)建立決策矩陣和差平方?jīng)Q策矩陣，得出評(píng)價(jià)指標(biāo)的ω=(0.250 5，0.250 4，0.249 1，0.249 9)，計(jì)算其歐式貼近度(ρH)，結(jié)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(hào)廠(MBBR+紫外消毒)，18號(hào)廠(DAT-IAT+加氯消毒)，15號(hào)廠(A2O+高密度沉淀+V型濾池)，16號(hào)廠(A2O工藝+混凝沉淀+紫外消毒)。綜合來(lái)看，MBBR+紫外消毒這一工藝在處理水量較大的污水時(shí)，其氨氮去除能力最佳。綜合第1組的結(jié)果來(lái)看，作為經(jīng)典的脫氮除磷工藝，A2O工藝無(wú)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?jīng)Q策矩陣，得出評(píng)價(jià)指標(biāo)的ω=(0.250 6，0.249 3，0.250 3，0.249 8)，計(jì)算其歐式貼近度(ρH)，結(jié)果如表8所示。由表8可以看出，綜合效益較優(yōu)的是28號(hào)廠(CAST工藝)，26號(hào)廠(A2O工藝)，22號(hào)廠(AO工藝)，24號(hào)廠(A2O工藝)，27號(hào)廠(A2O工藝)。綜合來(lái)看，歐式貼近度最高的28號(hào)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(hào)和30號(hào)廠之間差距較大。然而采用A2O工藝的幾個(gè)污水處理廠分?jǐn)?shù)方差較小，說(shuō)明在處理較小水量，出水水質(zhì)要求不嚴(yán)格的情況下，A2O工藝有較大的優(yōu)勢(shì)。
表7 第3組污水處理廠工藝及其指標(biāo)
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?jīng)Q策矩陣，得出評(píng)價(jià)指標(biāo)的ω=(0.254 8，0.254 0，0.255 2，0.236 1)，計(jì)算其歐式貼近度(ρH)，結(jié)果如表10所示。
表9 第4組污水處理廠工藝及其指標(biāo)
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(hào)廠(林泡爾工藝)，42號(hào)廠(百樂(lè)克工藝)和39號(hào)廠(CAST工藝)。林泡爾工藝與百樂(lè)克工藝作為新型污水處理工藝，管理、運(yùn)行方便，且出水水質(zhì)佳，在污水水量較大，出水水質(zhì)滿足一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)的情況下具有較大的優(yōu)越性。
3 結(jié)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(shè)費(fèi)、單位處理量運(yùn)行費(fèi)、COD削減比例、氨氮削減比例等4個(gè)方面數(shù)據(jù)建立矩陣，采用客觀賦權(quán)方法——熵權(quán)法進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明：處理能力2萬(wàn)td以下的污水處理廠中，A2O工藝具有明顯優(yōu)勢(shì)；處理能力2萬(wàn)td以上的污水處理廠中，MBBR+紫外消毒工藝(一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)出水)、林泡爾工藝和百樂(lè)克工藝(一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)出水)綜合效益較高。
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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(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2013ZX07202-010-01)
張捍民(1973—)，女，教授，博士，主要研究方向?yàn)樗廴究刂评碚撆c技術(shù)，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(píng)價(jià)：以遼河流域?yàn)槔齕J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào),2017,7(5):573-579.
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