我国城镇污水处理厂综合效能评估

2021-12-23

本研究最终对我国2019年4 733座城镇污水处理厂的综合效能进行了评估。

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图3从评估指标体系的角度总结了本次评估样本的基本特征。从图3中可以看出,2019年我国有50%的城镇污水处理厂吨水能耗为0.25~0.49 kW·h/m3,吨水COD去除量为120~250 mg/L,吨水TN去除量为14~30 mg/L,吨水TP去除量为1.7~3.9 mg/L,吨水污泥产量为2.3~7.0 t/万m3,吨出水富营养化潜力为4.1~6.0 mg PO43--eq/L ,吨水温室气体排放量为4.3~8.3 t CO2-eq/万m3,吨出水灰水足迹(不含调正值)为-0.17~0.57。从数据分布来看,灰水足迹的厂间差距较小,变异系数仅为0.15,其余变量的变异系数均介于1.1至1.9。

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2.2 综合效能评估结果及其特征分析

图4展示了2019年我国4733座城镇污水处理厂综合效能的计算结果。全国城镇污水处理厂的综合效能均值为0.60,其意味着,平均而言我国城镇污水处理厂的综合效能有40%的提升空间。评估样本中综合效能为1的标杆厂有179座,占比3.8%。50%的厂综合效能介于0.53至0.67之间。

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从空间分布来看综合效能较低的污水处理厂主要位于南方和西部经济及污水处理设施建设后发省份。西藏、海南、江西的综合效能最低,相比全国平均值低了60%、20%和17%。天津、山东、北京的综合效能最高,相比全国平均值高了20%、9%和8%。

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图6给出了179座标杆厂基于评估指体系的基本特征。可以看出,标杆厂具有低吨水电耗、低污泥强度、低富营养化潜力的特征。统计上,50%的标杆厂吨水电耗为0.18~0.40 kW·h/m3,中位数比全国平均水平低22%;吨水污泥排放量为0.3~6.4 t/万m3,中位数比全国平均水平低36%;吨出水富营养化潜力为2.8~5.6 mg PO43-.eq/L ,中位数比全国平均水平低19%。

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从污水处理厂自身属性来看,通过计算不同组别标杆厂占该组所有污水处理厂数目的比例,发现大规模(>20万m3/d)、高入水COD浓度(>400 mg/L)、高入水C/N(>15)、高出水水质标准(地表Ⅳ)的厂更容易成为标杆厂,如图7所示。

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2.3 综合效能影响因素分析

对于污水处理厂而言,综合效能的差异既可能与其自身特征相关,如地域、规模、技术、入水水质,也可能与人为管理相关,如运行负荷等相关。因此,本研究按照规模、技术、入水COD浓度、入水C/N、地域以及负荷率,对4 733座污水处理厂的综合效能进行了分组描述统计,结果如图8所示。

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通过非参数检验发现,规模、技术、入水COD浓度、入水C/N、地域以及负荷率都是影响综合效能的重要因素。规模越大,综合效能越高,其中规模大于40万m3/d的厂相比小于1万m3/d的厂综合效能平均提高48%。氧化沟以及曝气生物滤池的综合效能相对较低,采用这两种技术的污水处理厂综合效能分别比全国平均水平低了5%和14%。入水COD浓度越高,污水处理厂综合效能越高,其中入水COD浓度高于400 mg/L的厂相比浓度小于150 mg/L的厂综合效能平均提高34%。入水C/N越高,综合效能越高,其中入水C/N>15的厂相比<5的厂综合效能平均提高10%。东部一线城市的污水处理厂综合效能最高,相比全国平均高14%。负荷率100%~120%的厂综合效能最高,相比全国平均水平高8%。

2.4 综合效能提升建议

如式(1)所示,在计算各污水处理厂综合效能的同时,还可以量化该污水处理厂在8项评估指标方面的改进潜力。通过对8项指标的改进潜力进行聚类,并对各个类别的污水处理厂进行特征归纳后,本研究针对我国2019年的污水处理厂运行提出了4条综合效能提升建议:

对于低入水C/N、高负荷率、东部的污水处理厂,可通过污泥减量进一步提升综合效能;

对于高入水COD浓度、高出水标准的污水处理厂,可通过温室气体减排进一步提升综合效能;

对于大规模、高入水C/N的厂,可通过节能降耗和污泥减量进一步提升综合效能;

对低出水标准的污水处理厂,可通过污染物去除率提升、节能降耗以及污泥减量等进一步提升综合效能。

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3 结论与建议

本研究基于数据包络分析方法,建立了涵盖生产投入、污染削减、生态环境影响等3类8项指标的污水处理厂综合效能评估模型。针对污水处理厂的生产特点,本研究选取DEA中的方向距离函数模型对综合效能进行量化。从综合效能评估结果来看,2019年全国平均综合效能为0.60,50%的厂综合效能介于0.53至0.67。空间上,经济发达地区的综合效能水平相对更高。从影响因素来看,规模、入水COD浓度以及入水C/N具有规模效益,即该值越大,污水处理厂的综合效能越高;SBR及AAO、东部一线、负荷率100%~120%的厂综合效能也相对更高。基于聚类,本研究提炼出4条综合效能提升路径,适用于不同地域、规模、入水水质、负荷率以及出水水质的污水处理厂。这些路径在污泥减量、温室气体减排、节能以及污染物去除率提升上有不同侧重。

本研究有两个层面的意义。对于单个污水处理厂,本研究的评估结果能够为其提出综合效能改进的具体路径与目标,为其进一步开展优化运行、技术改造、标准提升等提供数据及理论支持。对于管理部门,本研究能够支撑城镇污水处理厂综合效能提升的相关政策制定,同时也能够为管理者提供新的管理视角、方法与技术手段。

未来的研究可以进一步讨论不确定性对于评估结果的影响,包括模型结构,如权重和改进方向设置的不确定性、指标选取的不确定性、数据输入的不确定性、样本集构建的不确定性等,从而提升评估的稳健性。

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