农村生活污水处理技术评估方法与案例研究

骆其金，钟昌琴，谌建宇，庞志华

环境保护部华南环境科学研究所，广东 广州　510655



农村生活污水处理技术评估方法与案例研究

骆其金，钟昌琴*，谌建宇，庞志华

环境保护部华南环境科学研究所，广东 广州510655

摘要以农村生活污水处理技术为研究对象，采用以吨水占地面积评估为限制性因素评估，费用效益分析为核心因素评估，层次分析+灰色关联度为次重因素评估的“三步式”综合评估方法，对农村生活污水处理技术进行了筛选研究，给出了评估法数学模型的建模过程，并进行了实例分析。通过文献调研、实地调研及信函调研等筛选出AO、A2O、水解酸化(厌氧)+接触氧化、厌氧+生态沟、厌氧+氧化塘和厌氧+人工湿地6类典型的农村污水处理技术，利用评估模型进行了单因素评估，在此基础上进行了“三步式”综合评估。单因素评估结果表明：水解酸化(厌氧)+接触氧化、厌氧+人工湿地、水解酸化(厌氧)+接触氧化分别是限制性因素、核心因素、次重因素等单因素评估的最佳技术。综合评估表明：在土地限制性强的区域，水解酸化(厌氧)+接触氧化组合工艺为最佳可行技术；在土地限制性弱的区域，厌氧+人工湿地组合工艺为最佳可行技术。

关键词农村；生活污水；综合评估

Evaluation Method of Best Available Technologies for Rural Domestic Wastewater Treatment and Case Study

LUO Qijin, ZHONG Changqin, CHEN Jianyu, PANG Zhihua

South China Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Guangzhou 510655, China

AbstractA comprehensive evaluation method was developed for screening rural domestic wastewater treatment technologies, taking per unit occupied area as the restricted factor, and adopting the cost-benefit analysis for the core factors and analytic hierarchy process (AHP) with grey relational degree method for secondary factors. The development process of mathematical models was provided with a case study. Six rural domestic sewage treatment technologies, including AO, A2O, hydrolytic acidification-biological contact oxidation process, anaerobic-constructed wetland (CW), anaerobic-ecological gully, and anaerobic-oxidation pond, were screened out as typical technologies based on literature review, on-site survey and questionnaire. The three single factors evaluations were performed individually and then the comprehensive evaluation conducted. The results of single factor evaluation showed that the hydrolytic acidification-biological contact oxidation process was the best available technology (BAT) in restricted factors evaluation and secondary factors evaluation, while the anaerobic-CW was the BAT in core factors evaluation. The results of comprehensive evaluation showed that the hydrolytic acidification-biological contact oxidation process was the BAT for rural domestic wastewater in the area in lack of land, and that the anaerobic-constructed wetland was the BAT in the area with more lands.

Key wordscountryside; domestic wastewater; comprehensive evaluation

我国农村人口数量多，居住分散，根据2010年第六次人口普查结果，我国农业人口为6.74亿，占总人口的50.32%。据调查，我国农村生活污水的排放量为80亿ta，约占全国生活污水排放量的50%[1-2]。但是农村基础设施建设滞后，许多农村还未建设污水处理设施，已建的污水处理工艺参差不齐，且存在某些不良的污水排放习惯，导致农村环境污染日益严重，农村污染防治已成为我国环境治理的重要组成。选择适用的污水处理技术是农村生活污水处理的关键。目前，农村生活污水处理技术普遍采用专家评价法进行筛选评估，以定性判断为主。

随着决策科学的发展，一些学者采用模糊优劣系数法[3]、层次分析(AHP)法[4-6]、三角模糊数和AHP法综合的模糊评价法[7]、二级模糊综合评价法[8]、模糊积分模型[9-10]、灰色关联-TOPSIS模型综合效能评价法[11]、灰色综合评判法[12]等方法评估包括农村生活污水处理技术在内的污水处理技术。然而目前常用的基于应用决策科学的综合评估方法虽具有因素全面、客观定量的优点，但存在评估指标体系较复杂、指标繁多、评估重点不突出、应用性不强的问题。

根据农村的特点，确定农村生活污水处理技术选择的原则：1)占地面积小。随着经济快速发展，农村土地资源价值进入升值通道，因此占地面积成为农村污水处理技术选择时需要重点考虑的关键问题之一，特别是在经济飞速发展的城市郊区农村。2)性价比高。即农村生活污水处理技术应是一次性投资少，运行费用低，处理效果好。3)技术成熟稳定，运行管理方便。农村地区专业技术人才相对缺乏，因此要求污水处理技术成熟稳定，故障率小，运行管理方便简单。根据以上分析，笔者构建了“三步式”综合评估方法，同时以广州市某郊区农村生活污水处理技术的筛选为研究对象，进行了实例应用，探讨“三步式”综合评估方法的科学性、可行性和实用性，以期为我国农村生活污水处理技术的筛选提供技术支撑。

1农村生活污水处理技术评估方法的确定

1.1技术评估框架的确定

根据农村生活污水处理技术选择的原则，建立了“三步式”综合评估方法：1)以吨水占地面积评估为限制性因素评估；2)以费用效益分析为核心因素评估；3)以层次分析+灰色关联度为次重因素评估。

占地面积评估是对技术中的吨水占地面积进行标准分评估，明确各技术类型相对占地面积；费用效益分析是指通过权衡各备选方案的效益与费用来评估方案的可行性，能较全面地鉴别评估备选方案的环境效益、经济效益、技术性能等，实用性强[16]；为更全面的对备选方案进行评估，在限制性因素评估和核心因素评估之后，采用层次分析+灰色关联度的评估方法进行次重因素评估；最后将综合“三步”评估结果，得到综合评估结果。农村生活污水处理技术评估流程见图1。

图1　农村生活污水处理技术评估流程Fig.1　The rural domestic wastewater of BAT assessment route

1.2综合评估方法的建立

现有技术调研采用文献调研、实地调研及信函调研等多种方式，采集目前已有并实际应用的农村生活污水处理技术。备选技术库入库门槛条件：1)技术已实现实际工程应用；2)污水经处理后可稳定达标；3)技术成熟可靠。

1.2.1限制性因素评估

对各技术中的吨水占地面积进行标准化评分，评分公式为:

Px=AminAx

(1)

式中：Px为x技术限制性因素评分；Amin为备选技术中吨水占地面积最小值；Ax为x技术的吨水占地面积。

1.2.2核心因素评估

采用费用年值法对核心因素进行评估，计算方法[16]如下。

(1)费用年值(AC)计算：

[I+C′(PF,i,n)](AP,i,n)

(2)

式中：I为投资额；PC为费用现值；COt为第t年项目资金流出量；C′为年经营成本；PF,i,n为一次支付现值系数；AP,i,n为资金回收系数；基准收益率i设为10%，工程寿命为20 a。

(2)评估结果标准化：

Sx=ACminACx

(3)

式中：Sx为x技术核心因素评分；ACmin为最小年费用；ACx为x技术的年费用。

1.2.3次重因素评估1.2.3.1指标体系构建

根据农村生活污水处理技术的特点选择指标，构建指标体系，如图2所示。

图2　次重因素评估指标体系Fig.2　The emission reduction of ammonia BAT evaluation index system(non-key factors)

1.2.3.2指标权重计算

指标权重的计算是评价指标体系准确性和科学性的关键。本研究采用AHP法计算各评价指标相对权重[13]，其权重(W)=(W1，W2,…,Wk)。

1.2.3.3参考数列与比较数列的选定

参考数列采用田云丽等[14]提出的方法，记为X0，X0={X0(1)，X0(2)，…，X0(m)}；将决定、影响被评判事物性质的各子因素数据的有序排列作为关联分析的比较数列[15]，记为xi(k)，xi(k)={xi(1)，xi(2)，…，xi(m)}(i=1，2，…，n)。

1.2.3.4评估计算方法

(1)数值标准化

采用骆其金等[16-18]提出的数值标准化方法对相关数据进行标准化处理，具体如下。

对正向指标，按式(3)计算：

xi(k)=SxiSoi

(4)

对逆向指标，按式(4)计算：

xi(k)=SoiSxi

(5)

式中：xi(k)为第i项评价指标的单项标准化评价指数；Sxi为第i项评价指标的实际值；Soi为第i项评价指标的参考数列值。

(2)关联度系数计算

关联度系数计算公式[16-20]：ξ∈[0,1]，一般取ξ=0.5，

ξi(k)=

(6)

(3)综合关联度计算

综合关联度(ri)计算公式[13,16-19]：

(7)

1.2.4综合评估分析

经过“三步式”综合评估方法的评估计算，得出各自评估结果后，采用下式对三重评估结果进行综合分析。

Rx=Px×w限+Sx×w核+ri×w次×100

(8)

式中：Rx为x技术的综合评分；w限为限制性因素评估权重(根据实际情况取0.3～0.65)；w核为核心因素评估权重(根据实际情况取0.25～0.55)；w次为次重因素评估权重(根据实际情况取0.15～0.4)。3种评估权重之和为1。

根据综合评估分析计算结果，当R≥80，参选技术为最佳可行技术；当70≤R<80，参选技术为可行技术，当R<70，参选技术为一般技术。

2案例分析

2.1确定备选技术

以广州市某郊区农村生活污水处理技术筛选为研究对象，通过文献调研、实地调研及信函调研等途径收集目前该郊区农村常用的生活污水处理技术参数并整理分析，最终获得6类典型的农村生活污水处理技术及其参数，见表1。

表1　工程投资及运行费用

2.2农村生活污水处理技术评估

2.2.1限制性因素评估

根据式(1)计算得到6类污水处理技术的限制性因素技术评分结果见表2。

表2　限制性因素评估结果

2.2.2核心因素评估计算

根据式(2)和(3)，核心因素评估结果见表3。

2.2.3次重因素评估2.2.3.1各技术评估指标参数

对6类农村生活污水处理技术利用构建的指标

表3　核心因素评估结果

注：基准收益率为10%，工程寿命为20 a。

评估体系进行次重因素评估。次重因素评估中各指标的参数值通过专家评分得出。向25位理论知识和实际经验均比较丰富的废水治理专家发送了评分问卷，专家从次重因素的各评估指标对6类技术进行评分，回收到23份有效评分表。假定专家权重相同，即所有专家在评分时具有同等的重要性，用算术加权法将各专家赋予的指标评分进行综合计算后，得出指标综合评分，如表4所示。

表4　专家评分均值

2.2.3.2权重计算

在发放指标参数评分问卷的同时发放有效构造判断矩阵调研表，共回收23份，采用AHP法求解出各指标最终权重(W)，如表5所示。

表5　评估指标权重均值

2.2.3.3技术评估

将表4和表5中的数据代入式(4)～(7)中，结果如表6所示。

表6　次重因素评估结果

3综合评估

广州市某郊区为经济快速发展地区，除投资总额外，部分村镇土地资源成为发展的瓶颈因素，而部分村镇土地资源相对比较多，因此本评估分2种情景进行权重取值。情景一：土地限制性强。限制性因素评估权重(w限)取0.5，核心评估权重(w核)取0.3，次重因素评估权重(w次)取0.2。情景二：土地限制性弱。限制性因素评估权重(w限)取0.3，核心评估权重(w核)取0.55，次重因素评估权重(w次)取0.15。根据综合评估计算公式，各技术综合评估结果如表7和表8所示。

表7　综合评估结果(情景一)

表8　综合评估结果(情景二)

根据综合评估分析计算结果，情景一：生活污水处理技术应用区域土地限制性强，评价结果为水解酸化(厌氧)+接触氧化达到较好水平(R≥80)，为最佳可行技术；而AO、厌氧+人工湿地(70≤R<80)为可行技术；A2O、厌氧+氧化塘、厌氧+生态沟(R<70)为一般技术。情景二：生活污水处理技术应用区域土地限制性弱，评价结果为厌氧+人工湿地达到较好水平(R≥80)，为最佳可行技术；而厌氧+氧化塘(70≤R<80)为可行技术；水解酸化(厌氧)+接触氧化、厌氧+生态沟、AO、A2O(R<70)为一般技术。

4结论

(1)采用以吨水占地面积评估为限制性因素评估，费用效益分析为核心因素评估，层次分析+灰色关联度为次重因素评估的“三步式”综合评估方法，通过文献调研、实地调研及信函调研等，在满足污水处理后达标排放的前提下，筛选出AO、A2O、水解酸化(厌氧)+接触氧化、厌氧+生态沟、厌氧+氧化塘和厌氧+人工湿地6类典型的农村生活污水处理技术。

(2)限制性因素评估结果表明，各典型技术优先顺序为：水解酸化(厌氧)+接触氧化>AO>A2O>厌氧+人工湿地>厌氧+氧化塘>厌氧+生态沟。核心因素评估结果表明，各典型技术优先顺序为：厌氧+人工湿地>厌氧+氧化塘>厌氧+生态沟>水解酸化(厌氧)+接触氧化>AO>A2O。次重因素评估结果表明，各典型技术优先顺序为：水解酸化(厌氧)+接触氧化>A2O>AO>厌氧+人工湿地>厌氧+氧化塘>厌氧+生态沟。

(3)运用“三步式”综合评估方法对广州市某农村地区生活污水处理技术进行优选。结果表明：在土地限制性强的区域，水解酸化(厌氧)+接触氧化组合工艺为最佳可行技术，在土地限制性弱的区域，厌氧+人工湿地组合工艺为最佳可行技术。

参考文献

[1]彭举威,汪诚文,付宏祥,等.我国农村水污染现状及治理措施[J].中国资源综合利用,2010,28(2):44-45.

PENG J W,WANG C W,FU H X,et al.The status quo of rural wastewater and treatment countermeasure[J].China Resources Comprehensive Utilization,2010,28(2):44-45.

[2]梁祝,倪晋仁.农村生活污水处理技术与政策选择[J].中国地质大学学报(社会科学版),2007,7(3):18-22.

LIANG Z, NI J R. Treatment technologies and approaches for rural domestic sewage[J].Journal of China University of Geosciences(Social Sciences Edition),2007,7(3):18-22.

[3]夏训峰,王明新,闵慧,等.基于模糊优劣系数法的农村生活污水处理技术优选评价方法[J].环境科学学报,2012,32(9):2287-2293.

XIA X F,WANG M X, MIN H, et al. Rural sewage treatment technology evaluation method based on fuzzy advantages and disadvantages coefficient[J].Journal of Environmental Sciences,2012,32(9):2287-2293.

[4]谢礼国,张照清,谭铭卓,等.层次分析法优选三峡库区农村生活污水处理技术研究[J].土木建筑与环境工程,2011,33(增刊1):20-22.

XIE L G, ZHANG Z Q, TAN M Z,et al. Research of rural domestic sewage treatment technology in three gorges reservoir optimized by analytical hierarchy process[J].Journal of Civil,Architectural & Environmental Engineering,2011,33(Suppl 1):20-22.

[5]郝晓伟,干钢,裴瑶,等.基于层次分析法的水源地上游农村生活污水处理技术综合性能评价[J].南水北调与水利科技,2012,10(4):42-47.

HAO X W,GAN G,PEI Y, et al.Comprehensive performance evaluation of rural domestic sewage treatment techniques applied in the upstream of water source area based on AHP[J].South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology,2012,10(4):42-47.

[6]刘扬,杨玉楠,王勇.层次分析法在我国小城镇分散型生活污水处理技术综合评价中的应用[J].水力学报,2009,39(9):1146-1150.

LIU Y,YANG Y N,WANG Y. Application of analytic hierarchy process in comprehensive evaluation of decentralized domestic wastewater treatment in small tow[J].Journal of Hydraulic Engineering,2009,39(9):1146-1150.

[7]邓仁健,任伯帜,周赛军.采用三角模糊数层次分析法选择小型污水处理工艺[J].环境工程,2010,28(1):91-93.

DENG R J, REN B Z,ZHOU S J.Selection of thechnology for small sewage treatment based on analytic hierarchy process(AHP) with triangular fuzzy numbers[J].Environmental Engineering,2010,28(1):91-93.

[8]辜凌云,全向春,杨志峰.基于二级模糊综合评价的白洋淀淀中村生活污水处理技术决策方法[J].环境工程学报,2012,6(4):1161-1166.

GU L Y, QUAN X C, YANG Z F. Decision-making method of domestic sewage treatment technologies for villages in baiyangdian lake based on the secondary fuzzy comprehensive evaluation[J].Chinese Journal of Environmental Engineering,2012,6(4):1161-1166.

[9]沈丰菊,张克强,李军幸,等.基于模糊积分模型的农村生活污水处理模式综合评价方法[J].农业工程学报,2014,30(15):272-280.

SHEN F J, ZHANG K Q, LI J X, et al. Evaluation method for engineering technology of rural domestic sewage treatment based on fuzzy integral model[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2014,30(15):272-280.

[10]马威.小城镇污水处理适用技术工艺的分析与评价[D].西安:西安建筑科技大学,2013.

[11]程星华.基于灰色关联-TOPSIS模型的农村生活污水处理工艺综合效能评价研究[D].武汉:华中师范大学,2014.

[12]刘方贵,夏岑岭.灰色综合评判法在城市防洪规划方案选择中的应用[J].山东水利,2001(2):32-33.

[13]杜栋,庞庆华,吴炎.现代综合评价方法与案例精选[M].北京:清华大学出版社,2008:111-138.

[14]田云丽.基于模糊综合方法的工业污水环境安全影响评价研究[J].中国安全科学学报,2007,17(9):109-112.

TIAN Y L.Research on impact evaluation of industrial waste-water on environment based on the fuzzy comprehensive evaluation method[J].China Safety Science Journal,2007,17(9):109-112.

[15]赵玲萍,张凤娥,董良飞,等.灰色模糊综合评价法在中水工程中的应用[J].节水灌溉,2009(4):40-45.

ZHAO L P,ZHANG F E,DONG L F, et al. Application of grey fuzzy comprehensive evaluation method in water reuse project[J].Water Saving Irrigation,2009(4):40-45.

[16]骆其金,谌建宇,王振兴,等.氮肥行业氨氮工程减排技术评估方法研究与应用[J].中国工程科学,2014,16(8):88-92.

LUO Q J,CHEN J Y,WANG Z X,et al. Technology assessment of best available technology for emission reduction of ammonia in nitrogen fertilizer industry[J].Engineering Science,2014,16(8):88-92.

[17]骆其金,谌建宇,王振兴,等.氮肥行业氨氮减排清洁生产技术评估方法研究[J].环境工程技术学报,2014,4(3):243-247.

LUO Q J,CHEN J Y,WANG Z X,et al.Evaluation method of best available cleaner production technology based on emission reduction of ammonia in nitrogen fertilizer industry[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2014,4(3):243-247.

[18]骆其金,谌建宇,王振兴,等.基于氨氮减排的氮肥工业废水处理技术评价研究初探[J].安徽农业科学,2013,41(22):9398-9400.

LUO Q J,CHEN J Y,WANG Z X,et al. Preliminary study on nitrogen fertilizer industry wastewater treatment technology assessment based on emission reduction of ammonia[J].Journal of Anhui Agricultural Sciences,2013,41(22):9398-9400.

[19]向连城,宋永会,段亮,等.辽河流域重污染行业废水处理最佳可行技术评估方法与系统开发[J].中国工程学报,2013,15(3):49-55.

XIANG L C,SONG Y H,DUAN L,et al. Evaluation method and computer software development on best available technologies for heavy pollution industrial wastewater treatment in Liaohe river basin[J].Engineering Science,2013,15(3):49-55.

[20]慕金波,杨红红,姜涛.灰色综合评判用于工厂废水处理方案的优选[J].环境工程,1992,10(5):37-41. ○

周世伟，陈善任，薛朋，等.催化湿式过氧化氢氧化苯酚的诱导期研究[J].环境工程技术学报,2016,6(2):111-116.

ZHOU S W, CHEN S R, XUE P, et al.Study on induction period during catalytic wet peroxide oxidation of phenol[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2016,6(2):111-116.

中图分类号:X703

文章编号:1674-991X(2016)02-0105-06

doi:10.3969j.issn.1674-991X.2016.02.016

作者简介:骆其金(1981—),男,高级工程师,硕士,主要研究水污染控制与治理及生态修复,luoqijin@scies.org*责任作者:钟昌琴(1965—),男,高级工程师,主要从事水污染控制与环境评价研究,zhongchangqin@scies.org

基金项目:国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07206-002)

收稿日期:2015-10-26

骆其金，钟昌琴，谌建宇，等.农村生活污水处理技术评估方法与案例研究[J].环境工程技术学报,2016,6(2):105-110.

LUO Q J, ZHONG C Q, CHEN J Y, et al.Evaluation method of best available technologies for rural domestic wastewater treatment and case study[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2016,6(2):105-110.