基于全生命周期成本(LCC)的污水處理企業(yè)環(huán)境效益與經(jīng)濟效益協(xié)同優(yōu)化研究

【中圖分類號】X703；F275

【文獻標(biāo)志碼】A

【文章編號】1673-1069（2025）05-0169-04

1引言

污水處理是當(dāng)今市政工程、基層治理的重要內(nèi)容，其工作效能不僅影響著城市環(huán)境，更關(guān)系著水資源的循環(huán)再利用與居民的生命健康，是我國實現(xiàn)水資源再分配與社會綠色可持續(xù)發(fā)展的中間環(huán)節(jié)。近年來，隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，原污水處理廠必須擴大規(guī)模、改進工藝、優(yōu)化技術(shù)，以提高污水處理效能，為地區(qū)綠色可持續(xù)發(fā)展賦能。然而，污水處理廠規(guī)模的擴張和水質(zhì)要求的提高，使全生命周期下污水處理的環(huán)境效益與經(jīng)濟效益管理更具難度，甚至部分地區(qū)污水處理廠出現(xiàn)了環(huán)境效益與經(jīng)濟效益割裂的現(xiàn)實問題?；诖耍斜匾谌芷诔杀荆↙CC）理論，對污水處理廠環(huán)境效益與經(jīng)濟效益相關(guān)問題展開研究，探索污水處理廠環(huán)境效益與與經(jīng)濟效益的協(xié)同優(yōu)化發(fā)展的新路徑。

2研究設(shè)計

本研究采用基于案例的定量研究方法，通過構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化模型，并引人案例數(shù)據(jù)進行求解分析。研究流程如下：

本研究的數(shù)據(jù)主要來源于： ① 上海某污水處理廠退役清算報告； ②2024 年我國污水處理行業(yè)發(fā)展報告。研究敏感性指標(biāo)主要包含碳價、電價、技術(shù)、藥耗工藝4個方面。

3全生命周期視角下污水處理廠的成本構(gòu)成

全生命周期視角下，污水處理廠成本可分為建設(shè)期、運營期和退役期3個階段。不同階段主成本分布存在差異，基于此初步確立污水處理廠全生命周期下成本控制的基礎(chǔ)指標(biāo)。

3.1建設(shè)期成本

建設(shè)期成本指的是污水處理廠從項目規(guī)劃到建設(shè)完畢投入使用前的成本總和。這部分成本大體上由3部分構(gòu)成。

首先是設(shè)備投資成本，根據(jù)主流污水處理工藝，污水處理離不開泵站、曝氣系統(tǒng)、沉淀池等核心設(shè)備，這些設(shè)備的購置與安裝成本是設(shè)備投資成本的核心構(gòu)成；其次是土建工程成本，包括廠房、管道、土地平整等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)費用；最后是設(shè)計與管理費用，如環(huán)境影響評價報告執(zhí)行費用、工程設(shè)計費用、工程監(jiān)理費用等。

在建設(shè)期成本中，設(shè)計與管理費用占比通常較小，普遍在 5%～10% ；土建工程費用占比較高，可達 50%～60% ；余下則為設(shè)備投資費用，普遍在 40% 左右。以上海某10萬噸/日污水處理廠為例，其建設(shè)期總成本約為2.5億元，其中設(shè)備投資約1億元，占比 40% ；土建工程約1.25億元，占比 50% ；設(shè)計與管理費用0.25億元，占比 10% 。

3.2運營期成本

運營期成本指的是污水處理廠投入使用后到完全退役前的成本總和。這部分成本可分為4個模塊，分別是污水處理期間的能源消耗、藥劑消耗、人工成本以及設(shè)備維護費用，具體分布結(jié)構(gòu)受污水處理工藝的影響。從現(xiàn)有工藝來看，能源消耗是污水處理廠運營期成本的主要構(gòu)成，通常占比在50% 左右；藥劑消耗指的是為了使污水達到無害化的國家標(biāo)準(zhǔn)所投入的中和藥劑，如混凝劑、消毒劑、碳源等，根據(jù)污水處理廠所用工藝，藥劑消耗占比會有較大波動，可在運營期成本的 10%～50% 波動；由于工藝與技術(shù)的改進以及人工智能設(shè)備的應(yīng)用，當(dāng)前污水處理廠人工成本已大幅降低，通常技術(shù)越先進的污水處理廠其人工成本占比越低；設(shè)備維護費用指的是因設(shè)備磨損以及部件正常消耗而產(chǎn)生的更換、升級、檢修費用，由于設(shè)備長期接觸含有多種化學(xué)物質(zhì)的污水，設(shè)備的磨損較大，但具有明顯的規(guī)律性，因此整體上看，污水處理廠設(shè)備維護費用相對穩(wěn)定，屬于可預(yù)估費用。從當(dāng)前市面上主流污水處理工藝來看，能源消耗占到了污水處理廠運營期成本的大頭，人工成本與維護費用通常保持穩(wěn)定，藥劑消耗則與污水流量有關(guān)。以上海某10萬噸/日污水處理廠為例，其年運營總成本約6000萬元，其中電費約3600萬元，占比 60% ，藥劑費用約600萬元，占比 10% ，余下為人工與設(shè)備維護費用，總占比約 30% 。

3.3退役期成本

退役期成本指的是污水處理廠設(shè)備停止運行后所需的處置、修復(fù)與管理活動相關(guān)費用統(tǒng)稱，通常包含污泥處置、設(shè)備回收、生態(tài)修復(fù)、后期監(jiān)測4個模塊。污泥處置通常是退役期成本的主要構(gòu)成，根據(jù)市場觀察報告數(shù)據(jù)，我國污水處理廠污泥處置成本在100～300元/噸；設(shè)備回收費用指的是對污水處理廠設(shè)備拆解并進行無害化處理的成本，由于存在設(shè)備殘值回收抵扣成本，通常設(shè)備回收費用占比不高；生態(tài)修復(fù)是污水處理廠退役后的必然程序，本環(huán)節(jié)費用通常與污水處理廠所處區(qū)位以及處理的污水類型有關(guān)，污水對周邊環(huán)境影響越大、污染越嚴(yán)重，本環(huán)節(jié)費用越高；后期監(jiān)測則是基于國家生態(tài)保護要求衍生出的退役期費用，通常為持續(xù)10～20年的地下水水質(zhì)與土壤質(zhì)量跟蹤監(jiān)測，費用相對固定，大約為15萬元/年。

退役期成本主要與污水處理廠規(guī)模和經(jīng)營持續(xù)時間有關(guān)，通常規(guī)模越大、經(jīng)營時間越長的污水處理廠，退役期成本越高。例如，上海某10萬噸/日污水處理廠在持續(xù)經(jīng)營23年后退役，退役后污泥處置成本約為500萬元，拆解設(shè)備扣除殘值后約為購置成本的 10% ，生態(tài)修復(fù)成本為75萬元/公頃，監(jiān)測年限為20年，最終退役期總成本約為2200萬元。

4算法模型構(gòu)建

為了提高模型的穩(wěn)定性，需要對LCC視角下污水處理廠的外部成本內(nèi)部化，將環(huán)境成本轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟成本，以便納入整體的成本核算。

4.1碳排放成本量化

核算范圍：直接排放 ^°₊ 間接排放，直接排放由 CH₄，N₂O 等構(gòu)成，間接排放由能耗、藥劑隱含碳等構(gòu)成。

計算公式：碳排放量 （活動數(shù)據(jù)×排放因子）

直接排放： CH₄ 排放量 （kgCO₂e）= 污水中有機物量 （kgCOD）×0.25kgCH₄/kgCOD×21（CH₄ 全球增溫潛勢）

式中，0.25指的是 CH₄ 排放因子（為IPCC指南默認值）；21指的是 CH₄ 全球增溫潛勢（為IPCC第二次評估報告提出）。

N₂0 排放量（ kgCO₂e 產(chǎn) ∣= 脫氮量 （kgN）×0.03kgN₂O/kgN×265 1 N₂O 全球增溫潛勢）

式中，0.03指的是 kgN₂0 排放因子（為IPCC指南默認值）；265指的是 N₂0 全球增溫潛勢（為IPCC第二次評估報告提出）。

間接排放：電耗碳排放（ kgCO₂e ）= 耗電量（kWh） ∣×∣ 電網(wǎng)排

放因子（我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為 0.583kgCO₂e/kWh ）

碳成本核算：碳成本 總碳排放×碳價

注：碳價受國內(nèi)碳交易市場波動影響，本文中取50元/噸的均價。

4.2污泥及污染成本量化

檢測指標(biāo)：分析污泥中重金屬（Cd、Pb）、有機污染物（PAHs）濃度。

環(huán)境影響評估： ① 將污染物濃度轉(zhuǎn)化為毒性當(dāng)量，如具體的Cd當(dāng)量； ② 常規(guī)按照污泥量×污泥處理費用標(biāo)準(zhǔn)計算，若污泥超標(biāo)需額外處理，在 30% 上下波動。

經(jīng)濟效益轉(zhuǎn)化：污染成本 處理成本 ?+i 污染損害成本

損害成本估算：

參考《中國環(huán)境經(jīng)濟核算技術(shù)指南》內(nèi)容，確定污泥及污染成本，具體公式如下：Cd污染損害成本 ：= 超標(biāo)濃度 單位健康損失注：本文中單位健康損失取

4.3經(jīng)濟效益與環(huán)境效益模型構(gòu)建

基于LCC理論和外部成本內(nèi)部化標(biāo)準(zhǔn)，將外部成本量化成內(nèi)部可算數(shù)據(jù)，與可明確估算的建設(shè)期成本、運營期成本、退役期成本統(tǒng)合，即可建構(gòu)起LCC總成本模型，具體如下：

LCC總成本 建設(shè)期成本（現(xiàn)值） + 運營期成本（市值） + 退 役期成本（現(xiàn)值） +J 環(huán)境成本

注：本文中運營期成本市值按照行業(yè)均值 8% 進行折現(xiàn)。

4.4算法構(gòu)建

4.4.1決策變量

① 技術(shù)選型：污水處理工藝； ② 設(shè)備參數(shù)：設(shè)備規(guī)模及處理能力； ③ 操作參數(shù)：能源效率、藥劑消耗量。

4.4.2全周期成本控制目標(biāo)

①LCC最小化：minF1=Cconsructi on+Coperation+Creirnt

式中， minF 指的是最小LCC目標(biāo)； C_constucti 指的是建設(shè)期成本； C_operaion 指的是運營期成本； C_netirement 指的是退役期成本。

② 建設(shè)期成本： C_{constructiong}=C_equipment+C_civil+C_design

式中，建設(shè)期成本為設(shè)備投資成本 C_equipment;C_eisil 指的是土建工程成本； C_design 指的是設(shè)計與管理成本統(tǒng)合。

③ 運營期成本： C_operation=E_electicity× 電價 +E_demicd× 藥價 +W_labor+ W_maintenance

運營期成本由電耗 （E_electicity）× 電價、藥耗（ E_chemical） ×藥價、人工成本（ W_labor） 和設(shè)備維護費用（ W_maintenance. 構(gòu)成。

④ 退役期成本： C_reinement=C_sludge+C_{equipmentpecycle}+C_{ecoremediation}+C_monitoing

退役期成本由設(shè)備回收 （C_{equipmentrecycle}） 、生態(tài)修復(fù)（ （C_{ecoremediation}） ）跟蹤監(jiān)測費用（ C_{ecoremediation} 和污泥處置（ C_sludge） 構(gòu)成。

4.4.3環(huán)境效益目標(biāo)

① 碳排放最小化： minF₂= 直接排放 ^°₊ 間接排放 ② 直接排放： CH₄ I₄：COD_effuent×0.25×21（kgCO₂e） （20

N₂O：N_remoned×0.03×265（kgCO₂e）₃

COD_effuent 指的是污水中有機物量， N_removed 指的是脫氮量。③ 間接排放

能耗碳排放

能耗排放主要為電力（ Q_electricity. 消耗構(gòu)成。

注：排放因子來自于IPCC指南與ISO14064-1碳排放核算標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)來源于中國生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

4.4.4約束條件設(shè)定① 水質(zhì)達標(biāo)約束：

上述條件表示了我國可排放污水規(guī)范條件，包含了有機污染物指標(biāo)、營養(yǎng)鹽指標(biāo)與總磷。

若違反，施加加罰項 P，P= 超標(biāo)倍數(shù) 罰款系數(shù)② 技術(shù)性約束

上述約束條件為國家標(biāo)準(zhǔn)下污泥處理規(guī)范的行業(yè)技術(shù)性要求。

處理方式在初始化和變異時限制變量取值。

年碳排放總量≤Qcatbon_quota③ 政策法規(guī)約束污泥處置合規(guī)率 ?95%

上述規(guī)則包含了兩個約束條件，分別是污泥處理合規(guī)率和總碳排放，這是國家標(biāo)準(zhǔn)下對污水處理廠排放的最基礎(chǔ)要求，也是行業(yè)規(guī)范。

若不符，則直接剔除個體認定方案為不可解。

5模型驗證

上海某污水處理廠于2022年退役，以該企業(yè)退役時公布數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對模型進行檢驗與分析。

5.1案例概況

該污水處理廠位于上海市區(qū)南部邊緣區(qū)域，日污水處理流量10萬噸，采用改良型 A²/O 工藝，COD去除率 90%，NH₃- N去除率 95% TP 去除率 98% ，能耗居于行業(yè)平均水平，為0.4kWh/m³ ，主要藥劑消耗為混凝劑（PAC）與消毒劑 ClO₂^? ，均耗分別為 15mg/L 和 5mg/L ，持續(xù)經(jīng)營期間年碳排放6.2萬噸。該數(shù)據(jù)來源于上海某污水處理廠退役清算報告。

5.2經(jīng)濟-環(huán)境權(quán)衡關(guān)系

通過NSGA-II算法對模型進行求解，依據(jù)約束條件進行清洗與篩選，求出100組適格解構(gòu)建帕累托前沿，檢驗?zāi)Ｐ偷目煽啃耘c敏感性。

① 帕累托前沿特征。經(jīng)濟目標(biāo)層面，無論如何優(yōu)化，案例中污水處理廠年經(jīng)濟效益最小值5.8億元，最大值7.2億元（年化）。環(huán)境目標(biāo)層面，無論如何優(yōu)化，案例中污水處理廠年碳排放量最小值5.1萬噸，最大值6.8萬噸（年化）。

② 解集分布。模型解集符合帕累托前沿一般分布規(guī)律，左下方解集迫近高初始投資-低碳排放組合，右上方解集迫近低初始投資-高碳排放量組合。

③ 權(quán)衡關(guān)系。一是經(jīng)濟效益-環(huán)境效益權(quán)衡關(guān)系呈現(xiàn)非典型線性分布關(guān)系，大體上關(guān)系為：LCC每增加0.35億元，碳排放降低1萬噸。二是最優(yōu)方案位于帕累托前沿中段，LCC約為6.5億元，碳排放約為5.8萬噸/年。

5.3最優(yōu)方案篩選

采用TOPSIS篩選最優(yōu)方案，將NSGA-II生成的Pareto解集轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟-環(huán)境綜合指標(biāo)，得到正負理想解。正理想解為最低LCC（5.8億元） + 最低碳排放（5.1萬噸）；負理想解為最高LCC（7.2億元） + 最高碳排放（6.8萬噸）。應(yīng)用公式 C_i= D計算相對貼近度。其中，D為正理想解的歐氏距離，D為解到負理想解的距離。

5.4最優(yōu)方案篩選結(jié)果

篩選后最優(yōu)方案如下：

LCC約為6.5億元，較基準(zhǔn)值降低 15% ；碳排放約為5.8萬噸/年，較基準(zhǔn)值減少 22% 。最優(yōu)方案解下關(guān)鍵參數(shù)為采用高效曝氣系統(tǒng)，LCC增加 10% ；優(yōu)化碳源投放策略，藥耗降低15% 。方案對比如表1所示。

表1方案對比

5.5敏感性分析

5.5.1碳交易價格對優(yōu)化結(jié)果的影響

假設(shè)條件：碳交易市場價格由50元噸上漲至200元/噸。

NSGA-II求解發(fā)展趨勢： ① 當(dāng)碳價超過100元/噸時，帕累托前沿向碳排放更低的方向偏移 12% ； ② 在高碳價情況下，為滿足環(huán)境約束條件，LCC目標(biāo)權(quán)重需從0.6下調(diào)至0.4，才可確保模型有解。

結(jié)論：不考慮經(jīng)濟效益前提下，碳交易均價每提升10元噸，最優(yōu)方案碳排放減少量約為 1.5% 。

5.5.2能源價格對優(yōu)化結(jié)果的影響

假設(shè)條件：電價從0.5元/kWh上漲至0.8元/k Wh 。

NSGA-II求解發(fā)展趨勢： ① 電價上漲驅(qū)動下，促使模型選擇更加高效的泵機（如變頻電機），導(dǎo)致LCC增加約 6% ，碳排放降低約 12% 。 ② 經(jīng)濟效益構(gòu)成中，能耗成本在運營期成本的占比提升，由 60% 上漲至 65% 。為滿足約束條件，污水處理企業(yè)必須將藥耗從 10% 優(yōu)化至 5% 。電價敏感性分析結(jié)果如表2所示。

表2電價敏感性分析（年化）

結(jié)論：電價提升后為實現(xiàn)成本控制目標(biāo)，企業(yè)會加速技術(shù)工藝革新，以此來降低碳排放與其他經(jīng)營消耗。

6LCC視域下污水處理企業(yè)環(huán)境效益與經(jīng)濟效益協(xié)同優(yōu)化策略

6.1加強碳交易市場調(diào)控

碳交易市場調(diào)控是倒逼污水處理企業(yè)實現(xiàn)技術(shù)優(yōu)化與成本控制策略的有效方式。當(dāng)前，國內(nèi)碳交易市場覆蓋范圍尚未拓展至污水處理行業(yè)，未來可將這一范圍擴大，并逐步提高碳交易單價，以此促使污水處理企業(yè)完成技術(shù)創(chuàng)新與管理優(yōu)化。

6.2碳稅的考量

國內(nèi)可參考歐盟地區(qū)經(jīng)驗，對污染風(fēng)險高、環(huán)境影響大、能源消耗多的企業(yè)征收階梯式碳稅，允許企業(yè)在基準(zhǔn)范圍內(nèi)排放，當(dāng)企業(yè)超標(biāo)排放時則征收碳稅，以督促企業(yè)改進工藝，實現(xiàn)環(huán)境效益與經(jīng)濟效益的協(xié)同優(yōu)化。具體標(biāo)準(zhǔn)可參考歐盟地區(qū)，如超出基準(zhǔn)值 10% ，基準(zhǔn)值內(nèi)采用100元/噸征收碳稅，超出部分則按照200元/噸征收碳稅。

6.3市場導(dǎo)引

對污水處理廠實施分時電價，高峰時段電價上浮 20% ，低谷時段下浮 30% ，引導(dǎo)污水處理廠錯峰運行，減輕地區(qū)能源負荷的同時督促污水處理企業(yè)加強能耗管理，實現(xiàn)節(jié)能減排。

6.4技術(shù)性補貼

國家可對應(yīng)用低碳技術(shù)、先進設(shè)備的污水處理企業(yè)予以政策性補貼，如對采用高效電機、變頻設(shè)備的污水處理廠給予電價補貼，在未超出企業(yè)階梯電價基準(zhǔn)的情況下，每kWh電費降低0.1元等。

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