污水处理厂综合效能评估指标体系

2021-12-23

引言

随着近十余年的高速建设,中国的城镇污水处理厂已经从2007年的1 205座增长到2019年的5462座,增长了354%。在“量”提升的同时,污水处理厂的“质”开始受到关注。对污水处理厂进行效能评估能够促进其效能的提升。中国住房和城乡建设部在2014年12月发布了《城镇污水处理厂运营质量评价标准》,美国和欧盟也分别提出ENERGY STAR和ENERWATER对污水处理厂的能耗效能进行评价。

污水处理厂在去除污染物的同时,也会产生温室气体、污泥等非期望产出。随着人们对可持续发展目标的关注,大部分研究者在经济效能和能耗效能基础上提出了生态效能(eco-efficiency)的概念。G-MEZ等指出,污水处理厂的生态效能有3个主要目标:①增加服务或者产品的价值;②优化资源的使用;③减少环境影响。随着生态效能概念的提出,污水处理厂效能评估的方法也有了相应的发展。目前,污水处理厂效能评估的方法有三大类。第一类是指标法,包括赋权均值法、层次分析法、优劣解距离法、全生命周期法等;第二类是参数法,包括随机前沿面法、最小二乘法等;第三类是非参数法,主要包括数据包络分析法(Data Envelopment Analysis,DEA)。

在众多效能评估方法中,DEA方法在近些年应用地比较广泛。与全生命周期法相比,该方法的复杂度低,能够对大量样本同时进行评估,便于应用于实际管理中。与随机前沿面法相比,该方法不需要定义最佳前沿面的函数形式,在目前对于污水处理厂生产函数认知十分欠缺的情况下,可以相对有效客观地开展效能评估。

1 数据与方法

1. 污水处理厂综合效能评估指标体系建立

根据DEA方法的原理,本研究建立的污水处理厂综合效能评估指标体系包括投入类指标、期望产出类指标及非期望产出类指标。具体各项指标及计算方法如图1所示。

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1.2 污水处理厂综合效能计算方法

式(1)给出了污水处理厂综合效能θ(WWTP0)的计算方法,其等于1减去污水处理厂的最大综合效能改进潜力D(WWTP0)。污水处理厂的综合改进潜力越小,表明其综合效能越高。针对污水处理厂多投入多产出以及存在非期望环境影响类产出的特征,本研究利用DEA中的加权Russell方向距离函数模型对其最大化综合效能改进潜力进行量化。

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其中θ(WWTP0)为待评价污水处理厂WWTP0的综合效能。D(WWTP0)为待评价污水处理厂WWTP0的最大化的综合改进潜力。ωenergy、ωCOD、ωTN、ωTP、ωsludge、ωEutro、ωGHG、ωWF 为能耗权重、COD去除量权重、TN去除量权重、TP去除量权重、污泥权重、富营养化潜力权重、温室气体权重、灰水足迹权重,本研究分别取1/3, 1/9, 1/9, 1/9, 1/12, 1/12, 1/12, 1/12。β0-energy、β0-COD、β0-TN、β0-TP、β0-sludge、β0-Eutro、β0-GHG、β0-WF 为待评价污水处理厂WWTP0的能耗改进潜力、COD去除量改进潜力、TN去除量改进潜力、TP去除量改进潜力、污泥改进潜力、富营养化潜力改进潜力、温室气体改进潜力、灰水足迹改进潜力;其中β0-energy、β0-sludge、β0-Eutro、β0-GHG、β0-WF取值范围[0,1),β0-COD,β0-TN,β0-TP取值范围[0,+∞)。K为待评估污水处理厂总数。λk为使得综合改进潜力最大化的污水处理厂线性组合最优解中,第k个污水处理厂WWTPk的系数,k=1,2,3,……,K。Energyk、CODk、TNk、TPk、Sludgek、Eutrok、GHGk、WFk为污水处理厂WWTPk的能耗、COD去除量、TN去除量、TP去除量、污泥、富营养化潜力、温室气体、灰水足迹,k=1,2,3,……,K。Energy0、COD0、TN0、TP0、Sludge0、Eutro0、GHG0、WF0为待评价污水处理厂WWTP0的能耗、COD去除量、TN去除量、TP去除量、污泥、富营养化潜力、温室气体、灰水足迹。COD0-effluent、TN0-effluent、TP0-effluent为待评价污水处理厂WWTP0出水中COD总量、TN总量、TP总量。

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