农村生活污水处理工艺综合效能评估

孔 赟 朱光灿 张亚平 吴 磊

(1东南大学能源与环境学院，南京210096)

(2东南大学无锡太湖水环境工程研究中心，无锡214135)

目前，我国水环境仍处于严重的污染状态，富营养化现象依然存在，水环境质量的低劣直接制约了经济的发展与和谐社会的构建.研究表明，农村生活污水是水环境的重要污染源，以太湖流域为例，水环境治理区内农村生活污水排放量占所有污染源排放量的比例为 COD 33.47%、氨氮22.69%、TN 21.16%、TP 50.04%［1］.从农村生活污水所占的比例来看，开展农村生活污水的有效治理对提高流域水质有着十分重要的作用.

由于环境的不同，成熟的城镇污水处理技术很难在农村得到推广应用［2］，农村生活污水处理率还很低.在开展农村生活污水治理的实践中，各地研究开发了多种农村生活污水处理技术与工艺，建设了一定数量的处理设施.但由于缺乏相应的管理政策与法规，未建立长效运行管理机制，一些工艺也未进行充分的论证和实验研究，导致部分设施处理效果不理想［3］.此外，由于缺乏相关的专业知识与有效指导，较难选择适宜的处理工艺，甚至出现一定的盲目性，不能有效执行“因地制宜、资源利用、经济有效、维护简便”［4］的原则，导致处理设施不能适应实际需求.

对于城镇污水处理厂，人们一直寻求以智能控制来提高污水厂运行维护的控制和管理［5］.目前已有多种技术和手段，可帮助专业人员方便而准确地发现事故或隐患的所在，大大提高工作效率，确保污水处理厂的稳定运行［6］.生命周期评估技术(LCA)用于污水处理厂的评价，可体现出污水处理厂从设计、运行、管理到废弃整个过程的环境影响，从而改善城镇污水处理厂的运行和管理［7］.污水处理厂采用仪表、控制、自动化(ICA)等技术可提高污水处理的效能和长期运行稳定性.通过分析污水厂长期运行的费用、效率和稳定性，来发现其设计、运行或管理方面的缺陷，并给出改进策略［8-9］.

对于农村污水处理设施，本文借鉴城镇污水处理厂评估方法，研究影响处理设施的效能与稳定运行的内在因素与外部原因，建立农村污水处理设施效能的评估指标体系，初步建立农村生活污水处理设施综合评价模型.这样不仅可以为农村生活污水治理工艺的合理选择提供有效指导，切实发挥农村生活污水处理设施的效能，还有利于实现农村地区生态环境的可持续发展，保护流域水环境.

1 模型建立

首先建立农村污水处理设施综合效能评价指标体系，然后采用德尔菲法确定各级指标权重［10］，对数据进行规范化和标准化处理后，最终建立农村生活污水处理设施综合评价模型，用于评估农村污水处理设施的综合效能.

1.1 综合效能评价指标体系

选择农村生活污水处理设施的技术指标(污染物去除效率稳定性和出水达标率稳定性［11］)与经济指标评价(吨水能耗、运行管理与维护、吨水投资和吨水占地面积)，建立综合效能评价指标体系，效能层次图如图1所示.由于COD、氨氮、TN和 TP四项水质指标是目前污染物排放标准中通用的指标，考虑到评价模型的通用性，选择此4项水质指标.

1.2 权重确定

采用德尔菲法［12］确定综合效能层次体系各指标权重.首先构造专家调查表，设置权重为5个等级，如表1所示.

表1 权重调查表

专家对每一层各指标在该层中的重要性进行评价，并给出重要性程度分值.经过德尔菲法的流程后，计算各层各指标的权重值Wi，即

式中，Wi为第i个元素的权重值;Si为层次图某一层中第i个元素的得分值;∑Si为该层元素得分总和.

由于权重值在很大程度上影响效能的计算，将计算得出的Wi值用于实际案例计算，同时将案例结果反馈给各专家以便对权重值进行再修改，进而使权重值更为合理.

1.3 数据标准化

数据标准化实质上是把原始指标转换成可以比较的无量纲化指标的过程［13］.

图1 综合效能层次模型图

1.3.1 水质指标数据标准化

水质指标数据标准化基准值采用《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的指标值，计算式为

式中，Uw为水质指标的标准化值;Nw为水质指标的基准值，此处为《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的相应水质标准;Ew为水质指标实测值.若Uw≥1，则设定Uw=1.

1.3.2 经济指标数据标准化

1)吨水投资数据标准化

经济数据不存在标准值，故采用合理值.合理值通过专家调查咨询及参考《村庄污水处理案例集》［14］所得，合理值范围为每吨水3 400～3 800元，计算时可取平均值3 660元，该范围可随着社会经济的发展而作相应调整.标准化过程如下式所示:

式中，U'e为经济指标的标准化值;Ne为经济指标的合理值;Ee为经济指标的现状实际值.

考虑到效能值在0～1范围内越大越好，故构造吨水投资标准化式为

2)运行管理与维护标准化

对于运行管理与维护，无法进行定量的测量，因此以定性指标“运行管理与维护的复杂程度”来反映，复杂程度分级见表2.

表2 运行管理复杂程度分级标准

3)吨水能耗数据标准化

吨水能耗的理想值为0，设定其标准值为1.基于此，构造吨水能耗的标准化方程式为

式中，Uec为吨水能耗的标准化值;Xec为吨水能耗的现状实际值.

4)吨水占地面积数据标准化

吨水占地面积不存在标准值，故采用合理值.合理值通过专家调查咨询及参考文献［14］所得，合理值范围为每吨水占地面积4～6 m2，计算时可取平均值5 m2，该值可随着社会经济的发展而作相应调整.标准化式为

式中，U'a为吨水占地面积的标准化值;Na为吨水占地面积的合理值;Ea为吨水占地面积的现状实际值.

考虑到效能值在0～1范围内越大越好，故构造吨水占地面积标准化式为

1.4 综合效能计算

1.4.1 污染物综合去除效率的计算

污染物综合去除效率的计算式为

式中，P为污染物综合去除效率;Ui为第i个指标的标准化值.

1.4.2 污染物综合达标率的计算

污染物综合达标率Q的计算式为

1.4.3 污染物去除效率的标准差计算

污染物去除效率的标准差计算式为

式中，Zre为第i个污染物去除效率值;为污染物去除效率的平均值.

考虑到效能值在0～1之间越大越好，构造污染物去除效率标准差表征式为

式中，Ure为污染物去除效率标准差表征值.

1.4.4 出水达标率标准差的计算

出水达标率标准差的计算式为

式中，U'ecr为出水达标率的标准差;Zecr为第i个污染物综合达标率值;为污染物综合达标率的平均值.

考虑到效能值在0～1之间越大越好，构造出水达标率标准差表征式为

式中，Uecr为出水达标率标准差表征值.

1.4.5 综合效能计算

综合效能E计算式为

1.4.6 综合效能分级

根据文献［15-17］，可将效能分为5个等级，用于最终的综合效能评价，如表3所示.

表3 综合效能分级表

2 案例分析

2.1 案例概况

实验1原水来自于江苏省宜兴市张渚镇善卷村污水处理设施.该设施处理善卷村生活污水，采用厌氧池-梯式生态滤池工艺，设计规模15 m3/d，占地面积 70 m2，总投资 2.56万元，吨水投资为1 707.5元/m3.设计出水标准为《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级 A标准.实验采样时间为2009年10月28日至2010年1月15日，每15天采样1次，检测的水质指标为COD、氨氮、TN、TP.

该工艺结合生物和生态方法，综合运用了厌氧池有机物降解作用、梯式生态滤池有机物降解及硝化反硝化作用，能很好地处理农村污水.其工艺流程如图2示.

图2 厌氧池-梯式生态滤池组合工艺

由于梯式生态滤池工艺充分利用当地的地势条件，故无动力运行，且流程简单，日常管理十分简便，基本实现无人管理运行，运行管理费用可忽略不计，因此可认为其“运行维护非常简单”，吨水能耗为0.

实验2原水来自于江苏省南京市江宁区禄口街道石埝村污水处理设施.该设施处理石埝村生活污水，采用厌氧池-生态塘-生态渠组合工艺，设计规模52.5 m3/d，占地面积265 m2，总投资11.5万元，吨水投资2 190元/m3.设计出水标准为《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级B标准.实验采样时间为2009年12月13日至2010年3月26日，每15天采样1次，检测的水质指标为 COD、氨氮、TN、TP.

该工艺将生物和生态方法相结合，综合厌氧池有机物降解、生态塘有机物降解及硝化反硝化作用和生态渠较好的脱氮除磷作用，能够很好地处理生活污水.其工艺流程图如图3所示.

图3 厌氧池-生态塘-生态渠组合工艺

该工艺需要曝气，即微动力运行，运行维护人员为1人，故认为其“运行维护”一般，取值1/3，吨水能耗0.03元.

2.2 监测数据

实验1原水监测的水质数据如表4所示.实验2原水监测的水质数据如表5所示.

2.3 综合效能评价

根据上述综合效能评价模型，计算得到厌氧池-梯式生态滤池组合工艺综合效能值为0.902 6，参照综合效能分级表3，得出该工艺综合效能为“非常好”;厌氧池-生态塘-生态渠组合工艺综合效能值为0.804 5，参照综合效能分级表3，得出该工艺综合效能为“好”.

表4 厌氧池-梯式生态滤池组合工艺实际运行水质数据 mg/L

表5 厌氧池-生态塘-生态渠组合工艺实际运行水质数据 mg/L

2.4 案例评价分析

厌氧池-梯式生态滤池组合工艺综合效能评价结果为“非常好”，说明该工艺能够高效处理农村污水，这与实际情况相吻合.厌氧池-梯式生态滤池工艺针对丘陵区农村或存在一定地势落差的农村地区而开发，充分利用势能，不仅除磷脱氮效果好，而且无动力运行，大大降低了工艺投资和运行费用，且工艺流程简单，运行维护十分简便.厌氧池-生态塘-生态渠组合工艺综合效能评价结果为“好”，说明该工艺能够有效处理农村生活污水，该工艺具有良好的有机物降解、硝化反硝化功能，只需微动力运行，管理维护也很方便.而采用农村生活污水处理设施综合效能评估模型得到的评价结果也科学地反映了工艺的优点.

将2个实验案例相比较，实验1的综合效能值大于实验2，是因为实验2单位经济的投入大于实验1.实验案例的比较也说明技术指标与处理设施的达标标准有关，综合效能值能够体现出单位经济投入的微小变化.

3 结语

从2个实验案例工艺的评价结果及比较来看，效能综合评价模型科学、合理，能够较好地反映工艺经济投入和实际运行效果，而且可以迅速发现工艺运行中出现的问题，有助于对工程进行有效的监管和维护.且经济指标微小的变化都能从综合效能值上得到体现，表明评价模型非常灵敏.从操作过程看，效能综合评价指标选取合理，数据比较容易收集，评价体系使用简单，具有较强的可操作性，符合农村污水处理设施运行、管理维护的特点.

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