基于数据包络分析模型的污水处理技术评估研究

洪尉淞

摘 要：如何客观、定量地评估污水处理设施的技术有效性是当前面临的重要问题。本研究使用数据包络分析法对重庆市190个污水处理设施运行有效性进行评估，并探究8种不同污水处理技术的运行有效性。结果表明，使用人工湿地技术的污水处理设施的纯技术效率和综合技术效率均为最高，分别为0.85和0.74。

关键词：数据包络分析法;污水处理;技术评估

中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）05-0138-03

Abstract： How to evaluate the technical effectiveness of sewage treatment facilities objectively and quantitatively is an important problem. In this paper， data envelopment analysis （DEA） was used to evaluate the operational effectiveness of 190 sewage treatment facilities in Chongqing and explore the operational effectiveness of eight different sewage treatment technologies. The results showed that the PTE and TE of constructed wetland were the highest， which were 0.85 and 0.74 respectively.

Keywords： data envelopment analysis;sewage treatment;technical evaluation

1 研究背景

2020年11月，生態环境部公布了《全国污水集中处理设施清单》（第二批），加上2020年3月公布的第一批清单，全国31个省（区、市）设计处理能力达到及超过500 t/d的污水集中处理设施已经有10 826座，较2014年底的3 717座[1]有极大的提升。然而，管理者如何客观、定量地评估这些数量如此庞大且不断增长的污水处理设施的运行有效性，并提出有针对性的措施，以帮助其提升运行效率是当前仍然面临的重点和难点。

目前，用于评估污水处理设施运行有效性最常见的分析方法是数据包络分析（Data Envelopment Analysis，DEA）。王芙蓉等利用数据包络分析法对22座规模相同的污水处理厂的运行效率进行评估，证明了模型的可行性，并且填补了效率评估时缺乏定量分析的缺陷[2];吴丹结合区域污水处理系统的特点，改进了数据包络模型，从而对该系统的综合绩效进行评估研究[3];詹天珍应用DEA的环境经济损益分析方法对某地拟建造的污水处理厂三个不同方案进行比选，在不需要对环境要素给予确定价格的情况下，分析确定最佳的建造方案的竞争优势值[4];董传强等对贵州省69座县级污水处理厂的运行有效性进行分析，并计算出相应的投入冗余量和产出不足量[5]。通过对这些文献进行分析研究发现，目前对污水处理设施运行有效性的评估主要以单个污水处理设施为主，评估后的分析也仅针对单个污水处理设施，很少有将若干个污水处理设施进行归类后再分析研究的。因此，本研究主要使用数据包络分析法对重庆市190个污水处理设施运行有效性进行评估，并探究不同污水处理技术的运行有效性。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

数据包络分析法的原理主要是通过保持决策单元（Decision Making Unit，DMU）的输入或者输出不变，借助于数学规划和统计数据确定相对有效的生产前沿面，将各个决策单元投影到DEA的生产前沿面上，并通过比较决策单元偏离DEA前沿面的程度来评价它们的相对有效性[4]。常见的DEA模型有规模报酬不可变的CCR模型和规模报酬可变的BCC模型。针对污水处理设施可升级、可改造的特点，本研究选择规模报酬可变的BCC模型。

为了提高模型对污水处理设施运行有效性评估的合理性和科学性，本研究把污水处理设施的累计投资（万元）和年运行费用（万元）作为资金投入指标;把年用电量（kW·h）作为能源投入指标;把年处理污水量（万t）作为资源产出指标，把化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）去除率（%）、氨氮去除率（%）、总氮去除率（%）和总磷去除率（%）作为环境效果产出指标。

2.2 数据来源

本研究选取2018年重庆市190座城镇污水处理设施的运行数据作为研究对象，数据均取自2018年度《全国环境统计报表》。这190座污水处理设施涉及厌氧好氧工艺（Anoxic Oxic，AO）、厌氧-缺氧-好氧法（Anaerobic-Anoxic-Oxic，A2O）、膜生物反应器（Membrane Bio-Reactor，MBR）、序批式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process，SBR）、人工湿地、生物滤池、生物转盘和氧化沟8种常见的污水处理技术，各种技术的相关数据统计详见表1。

3 结果与分析

运用DEA-SOLVER Pro5软件对样本数据进行计算及分析，得到2018年重庆市190座城镇污水处理设施运行有效性的评估结果。对评估结果进行统计，如表2所示。各个污水处理设施的纯技术效率和综合技术效率分别如图1、2所示。

运行效率主要是指纯技术效率（PTE）、综合效率（TE）和规模效应（SE），其中规模效应是通过计算综合效率除以纯技术效率得到的。

从纯技术效率来看（见图1），190座污水处理设施中有44座污水处理设施纯技术效率为1，即剔除了规模因素后所得的技术效率是有效的。所涉及的8种污水处理技术的纯技术效率由高到低依次为人工湿地、SBR、A2O、AO、氧化沟、生物转盘、生物滤池、MBR技术，具体数值依次为0.85、0.83、0.70、0.68、0.66、0.59、0.58、0.55。

從综合效率来看（见图2），190座污水处理设施中有21座污水处理设施综合效率为1，即包含了规模因素后所得的技术效率是有效的。所涉及的8种污水处理技术的综合效率由高到低依次为人工湿地、AO、A2O、SBR、氧化沟、生物转盘、MBR、生物滤池技术，具体数值为0.74、0.64、0.56、0.55、0.54、0.51、0.45、0.31。

通过对结果进行分析发现，纯技术效率高于0.8的只有人工湿地和SBR技术，并且没有任何一种技术的综合效率高于0.8。这说明评估所涉及的8种常见污水处理技术还有很大的提升空间。对于运行效率偏低的生物滤池、生物转盘和MBR技术，也提示在新建污水处理设施时多注意建设规模的大小、技术的适用性及投入和产出的匹配程度。

从整体来看，使用人工湿地、AO、A2O和SBR技术的污水处理设施运行有效性相对于使用氧化沟、MBR、生物滤池和生物转盘技术的污水处理设施运行有效性更高。但是，SBR的纯技术效率高于其规模效率，这表明使用SBR技术的污水处理设施在技术的选择上比较合适，但可以通过扩大建设规模进一步提高运行有效性，从而使投入和产出更加匹配。

从投入冗余和产出不足的角度来分析，使用A2O技术的污水处理设施在平均累计投资成本上投入冗余为1 539万元，因此，在投建使用A2O技术的污水处理设施时要控制成本;使用生物滤池技术的污水处理设施在平均运行费用上的投入冗余为224余万元;在平均COD去除率以及平均总氮去除率上的产出不足，分别为8.41%和14.16%;使用人工湿地技术的污水处理设施在平均氨氮去除率上的产出不足，为8.32%;使用生物转盘技术的污水处理设施在平均总磷去除率上的产出不足，为11.43%。由此，使用这些技术的污水处理设施的管理人员可以通过合理调整、科学管理来提升运行有效性。

4 结论

本研究使用数据包络分析法对重庆市190座污水处理设施进行了运行有效性评估。通过对这190座污水处理设施所涉及的8种常见污水处理技术评估结果的统计和分析，发现使用人工湿地、AO、A2O和SBR技术的污水处理设施运行有效性相对于使用氧化沟、MBR、生物滤池和生物转盘技术的污水处理设施运行有效性更高。其中，人工湿地的纯技术效率和综合技术效率是最高的，分别为0.85和0.74。对于运行效率偏低的生物滤池、生物转盘和MBR技术，在新建污水处理设施时应多加注意建设规模的大小、技术的适用性以及投入和产出的匹配程度。

此外，对于绝大多数已建成的污水处理设施，可以通过规模扩建、技术改造、降低运行成本、科学管理来提高运行有效性。

参考文献：

[1]买亚宗，卢佳馨，马中，等.城镇污水处理设施运行效率及其规模效应研究[J].中央财经大学学报，2016（4）：122-128.

[2]王芙蓉，苏波.基于DEA技术的污水处理厂运行效率评估模型研究[J].西华大学学报（自然科学版），2007（4）：5-8.

[3]吴丹.区域污水处理系统绩效评价研究[J].中国农村水利水电，2011（11）：25-29.

[4]詹天珍.使用数据包络（DEA）对不同污水处理厂方案的环境经济损益分析[J].新疆环境保护，2016（4）：20-24.

[5]董传强，成官文，吴琼芳，等.贵州省县级城镇污水处理厂运行有效性评价：基于DEA模型[J].工业安全与环保，2015（10）：10-13，102.