基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型的污水處理技術(shù)評估研究

洪尉淞

摘 要：如何客觀、定量地評估污水處理設(shè)施的技術(shù)有效性是當(dāng)前面臨的重要問題。本研究使用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法對重慶市190個污水處理設(shè)施運行有效性進(jìn)行評估，并探究8種不同污水處理技術(shù)的運行有效性。結(jié)果表明，使用人工濕地技術(shù)的污水處理設(shè)施的純技術(shù)效率和綜合技術(shù)效率均為最高，分別為0.85和0.74。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法;污水處理;技術(shù)評估

中圖分類號：X703文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）05-0138-03

Abstract： How to evaluate the technical effectiveness of sewage treatment facilities objectively and quantitatively is an important problem. In this paper， data envelopment analysis （DEA） was used to evaluate the operational effectiveness of 190 sewage treatment facilities in Chongqing and explore the operational effectiveness of eight different sewage treatment technologies. The results showed that the PTE and TE of constructed wetland were the highest， which were 0.85 and 0.74 respectively.

Keywords： data envelopment analysis;sewage treatment;technical evaluation

1 研究背景

2020年11月，生態(tài)環(huán)境部公布了《全國污水集中處理設(shè)施清單》（第二批），加上2020年3月公布的第一批清單，全國31個?。▍^(qū)、市）設(shè)計處理能力達(dá)到及超過500 t/d的污水集中處理設(shè)施已經(jīng)有10 826座，較2014年底的3 717座[1]有極大的提升。然而，管理者如何客觀、定量地評估這些數(shù)量如此龐大且不斷增長的污水處理設(shè)施的運行有效性，并提出有針對性的措施，以幫助其提升運行效率是當(dāng)前仍然面臨的重點和難點。

目前，用于評估污水處理設(shè)施運行有效性最常見的分析方法是數(shù)據(jù)包絡(luò)分析（Data Envelopment Analysis，DEA）。王芙蓉等利用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法對22座規(guī)模相同的污水處理廠的運行效率進(jìn)行評估，證明了模型的可行性，并且填補了效率評估時缺乏定量分析的缺陷[2];吳丹結(jié)合區(qū)域污水處理系統(tǒng)的特點，改進(jìn)了數(shù)據(jù)包絡(luò)模型，從而對該系統(tǒng)的綜合績效進(jìn)行評估研究[3];詹天珍應(yīng)用DEA的環(huán)境經(jīng)濟(jì)損益分析方法對某地擬建造的污水處理廠三個不同方案進(jìn)行比選，在不需要對環(huán)境要素給予確定價格的情況下，分析確定最佳的建造方案的競爭優(yōu)勢值[4];董傳強等對貴州省69座縣級污水處理廠的運行有效性進(jìn)行分析，并計算出相應(yīng)的投入冗余量和產(chǎn)出不足量[5]。通過對這些文獻(xiàn)進(jìn)行分析研究發(fā)現(xiàn)，目前對污水處理設(shè)施運行有效性的評估主要以單個污水處理設(shè)施為主，評估后的分析也僅針對單個污水處理設(shè)施，很少有將若干個污水處理設(shè)施進(jìn)行歸類后再分析研究的。因此，本研究主要使用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法對重慶市190個污水處理設(shè)施運行有效性進(jìn)行評估，并探究不同污水處理技術(shù)的運行有效性。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究方法

數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法的原理主要是通過保持決策單元（Decision Making Unit，DMU）的輸入或者輸出不變，借助于數(shù)學(xué)規(guī)劃和統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定相對有效的生產(chǎn)前沿面，將各個決策單元投影到DEA的生產(chǎn)前沿面上，并通過比較決策單元偏離DEA前沿面的程度來評價它們的相對有效性[4]。常見的DEA模型有規(guī)模報酬不可變的CCR模型和規(guī)模報酬可變的BCC模型。針對污水處理設(shè)施可升級、可改造的特點，本研究選擇規(guī)模報酬可變的BCC模型。

為了提高模型對污水處理設(shè)施運行有效性評估的合理性和科學(xué)性，本研究把污水處理設(shè)施的累計投資（萬元）和年運行費用（萬元）作為資金投入指標(biāo);把年用電量（kW·h）作為能源投入指標(biāo);把年處理污水量（萬t）作為資源產(chǎn)出指標(biāo)，把化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）去除率（%）、氨氮去除率（%）、總氮去除率（%）和總磷去除率（%）作為環(huán)境效果產(chǎn)出指標(biāo)。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本研究選取2018年重慶市190座城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施的運行數(shù)據(jù)作為研究對象，數(shù)據(jù)均取自2018年度《全國環(huán)境統(tǒng)計報表》。這190座污水處理設(shè)施涉及厭氧好氧工藝（Anoxic Oxic，AO）、厭氧-缺氧-好氧法（Anaerobic-Anoxic-Oxic，A2O）、膜生物反應(yīng)器（Membrane Bio-Reactor，MBR）、序批式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process，SBR）、人工濕地、生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤和氧化溝8種常見的污水處理技術(shù)，各種技術(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計詳見表1。

3 結(jié)果與分析

運用DEA-SOLVER Pro5軟件對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行計算及分析，得到2018年重慶市190座城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施運行有效性的評估結(jié)果。對評估結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，如表2所示。各個污水處理設(shè)施的純技術(shù)效率和綜合技術(shù)效率分別如圖1、2所示。

運行效率主要是指純技術(shù)效率（PTE）、綜合效率（TE）和規(guī)模效應(yīng)（SE），其中規(guī)模效應(yīng)是通過計算綜合效率除以純技術(shù)效率得到的。

從純技術(shù)效率來看（見圖1），190座污水處理設(shè)施中有44座污水處理設(shè)施純技術(shù)效率為1，即剔除了規(guī)模因素后所得的技術(shù)效率是有效的。所涉及的8種污水處理技術(shù)的純技術(shù)效率由高到低依次為人工濕地、SBR、A2O、AO、氧化溝、生物轉(zhuǎn)盤、生物濾池、MBR技術(shù)，具體數(shù)值依次為0.85、0.83、0.70、0.68、0.66、0.59、0.58、0.55。

從綜合效率來看（見圖2），190座污水處理設(shè)施中有21座污水處理設(shè)施綜合效率為1，即包含了規(guī)模因素后所得的技術(shù)效率是有效的。所涉及的8種污水處理技術(shù)的綜合效率由高到低依次為人工濕地、AO、A2O、SBR、氧化溝、生物轉(zhuǎn)盤、MBR、生物濾池技術(shù)，具體數(shù)值為0.74、0.64、0.56、0.55、0.54、0.51、0.45、0.31。

通過對結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，純技術(shù)效率高于0.8的只有人工濕地和SBR技術(shù)，并且沒有任何一種技術(shù)的綜合效率高于0.8。這說明評估所涉及的8種常見污水處理技術(shù)還有很大的提升空間。對于運行效率偏低的生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤和MBR技術(shù)，也提示在新建污水處理設(shè)施時多注意建設(shè)規(guī)模的大小、技術(shù)的適用性及投入和產(chǎn)出的匹配程度。

從整體來看，使用人工濕地、AO、A2O和SBR技術(shù)的污水處理設(shè)施運行有效性相對于使用氧化溝、MBR、生物濾池和生物轉(zhuǎn)盤技術(shù)的污水處理設(shè)施運行有效性更高。但是，SBR的純技術(shù)效率高于其規(guī)模效率，這表明使用SBR技術(shù)的污水處理設(shè)施在技術(shù)的選擇上比較合適，但可以通過擴(kuò)大建設(shè)規(guī)模進(jìn)一步提高運行有效性，從而使投入和產(chǎn)出更加匹配。

從投入冗余和產(chǎn)出不足的角度來分析，使用A2O技術(shù)的污水處理設(shè)施在平均累計投資成本上投入冗余為1 539萬元，因此，在投建使用A2O技術(shù)的污水處理設(shè)施時要控制成本;使用生物濾池技術(shù)的污水處理設(shè)施在平均運行費用上的投入冗余為224余萬元;在平均COD去除率以及平均總氮去除率上的產(chǎn)出不足，分別為8.41%和14.16%;使用人工濕地技術(shù)的污水處理設(shè)施在平均氨氮去除率上的產(chǎn)出不足，為8.32%;使用生物轉(zhuǎn)盤技術(shù)的污水處理設(shè)施在平均總磷去除率上的產(chǎn)出不足，為11.43%。由此，使用這些技術(shù)的污水處理設(shè)施的管理人員可以通過合理調(diào)整、科學(xué)管理來提升運行有效性。

4 結(jié)論

本研究使用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法對重慶市190座污水處理設(shè)施進(jìn)行了運行有效性評估。通過對這190座污水處理設(shè)施所涉及的8種常見污水處理技術(shù)評估結(jié)果的統(tǒng)計和分析，發(fā)現(xiàn)使用人工濕地、AO、A2O和SBR技術(shù)的污水處理設(shè)施運行有效性相對于使用氧化溝、MBR、生物濾池和生物轉(zhuǎn)盤技術(shù)的污水處理設(shè)施運行有效性更高。其中，人工濕地的純技術(shù)效率和綜合技術(shù)效率是最高的，分別為0.85和0.74。對于運行效率偏低的生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤和MBR技術(shù)，在新建污水處理設(shè)施時應(yīng)多加注意建設(shè)規(guī)模的大小、技術(shù)的適用性以及投入和產(chǎn)出的匹配程度。

此外，對于絕大多數(shù)已建成的污水處理設(shè)施，可以通過規(guī)模擴(kuò)建、技術(shù)改造、降低運行成本、科學(xué)管理來提高運行有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1]買亞宗，盧佳馨，馬中，等.城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施運行效率及其規(guī)模效應(yīng)研究[J].中央財經(jīng)大學(xué)學(xué)報，2016（4）：122-128.

[2]王芙蓉，蘇波.基于DEA技術(shù)的污水處理廠運行效率評估模型研究[J].西華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007（4）：5-8.

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