中国城镇污水处理厂综合效能评估报告

发布时间：2021-11-08

在可持续发展目标下，污水处理厂不仅要有效去除污染物，还要综合考虑节能减排、减少二次污染等多项任务。面向此需求，基于数据包络分析法建立了污水处理厂综合效能评估方法。在此基础上，对我国2019年4733座城镇污水处理厂的综合效能进行了量化，识别了影响综合效能的因素，并对我国污水处理厂综合效能的提升提出了分类指导意见。不仅能够为单个污水处理厂的综合效能提升提供路径指导，也能够为我国污水处理行业的绩效监管提供方法支撑。

　　0 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

　　1.1 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。

　　图1 污水处理厂综合效能评价指标及计算方法

　　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。

　　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。

　　2 2019年我国城镇污水处理厂综合效能评估

　　2.1 评估样本基本情况

　　在进行数据清洗后，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。

　　图2 评估样本的空间分布及建设时间

　　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。

　　图3 基于评价指标的评估样本基本特征

　　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。

　　图4 城镇污水处理厂综合效能的计算结果