城镇污水处理厂综合效益评价——以辽河流域为例

张捍民，邹翔，姜威大连理工大学环境学院，辽宁 大连 116024

城镇污水处理厂综合效益评价
——以辽河流域为例

张捍民，邹翔，姜威
大连理工大学环境学院，辽宁 大连 116024

从污水处理厂的运行成本和环境效益2个方面出发，建立了含有单位处理量建设费、单位处理量运行费、COD削减比例、氨氮削减比例4个指标的评价体系，采用熵权法确定相应指标的权重，应用欧式贴近度对污水处理厂进行综合效益的客观评价。基于污水处理厂的处理水量和出水水质特征，将辽河流域的47座污水处理厂划分为4类进行评价。结果表明：在处理能力2万td以下、出水水质满足GB 18918—2002《污水处理厂污染物排放标准》一级A标准的污水处理厂中，A2O工艺优越性较为明显；在处理能力2万td以上、出水水质满足GB 18918—2002一级A标准的污水处理厂中，MBBR+紫外消毒工艺综合效益较高；在处理能力2万td以下、出水水质满足GB 18918—2002一级B标准的污水处理厂中，A2O工艺优越性显著；在处理能力2万td以上、出水水质满足GB 18918—2002一级B标准的污水处理厂中，林泡尔工艺和百乐克工艺优势非常明显。

辽河流域；氨氮污染治理技术；熵权法；城镇污水处理厂；效益评价

辽河流域位于中国东北地区西南部(116°54′E～125°32′E，40°30′N～45°17′N)，是我国七大江河流域之一，发源于河北省承德地区七老图山脉的光头山(海拔1 490 m)，流经河北省、内蒙古自治区、吉林省、辽宁省4个省(区)，涉及16个市(地、州)，56个县(县级市、县、旗)，最终注入渤海。河流全长1 345 km，流域面积约22.0×104km2。辽河流域年降水量350～1 000 mm，降水分布极不均匀，降水量自东南向西北逐渐减少，且多集中于6—9月，约占全年降水量的70%，属温带、暖温带半湿润大陆性季风气候[1]。根据河口控制站1956—1979年资料推算，辽河多年平均流量约400 m3s，多年平均径流量约126亿m3。

2011年，辽河水系36个国控断面中，Ⅳ～Ⅴ类和劣Ⅴ类水质断面比例达到58.3%，城市河段污染尤为严重[2]。辽河流域检出的新型有毒有害、难降解、特征污染物共7类60种，其中以多环芳烃、取代苯类、酚类和有机氯农药为主[3]。2012年7月，辽河沈阳段的12条支流中，小河子、小河子河和柳河，水质达到Ⅳ类；拉马河为劣Ⅴ类，超标项目主要是COD和BOD；其他支流水质均为Ⅴ类和劣Ⅴ类，超标项目主要为COD、BOD和氨氮。辽河沈阳段主要污染源为生活污水、生活垃圾、畜禽粪便和化肥[4]。从2014年辽宁省环境保护厅的监测数据来看，辽河流域水质80%能稳定达到Ⅳ类，尚未做到全面消除劣Ⅴ类水体[5]。2015年辽河流域主要河流自然径流明显减少，全流域为重度污染。以21项指标评价，辽河流域90个干、支流断面中，Ⅰ～Ⅲ类水质断面占15.6%，Ⅳ类占38.9%，Ⅴ类占14.4%，劣Ⅴ类占31.1%[6]。氨氮是近年辽河水系的最主要污染指标。

面对严峻的水环境污染问题，为使辽河流域水质得到全面提升，应使已有的污水处理厂充分发挥作用。《水污染防治行动计划》指出，要加快城镇污水处理设施建设，现有城镇污水处理设施，要因地制宜进行改造。因此，对城镇污水处理厂设计建设和运行管理进行全面科学的综合绩效评价，弄清污水处理厂的实际运行状况，并提出合理的改善措施具有重要意义[7]。本研究以辽河流域47座污水处理厂运行数据为基础，其中污水处理厂在各城市的分布如下：本溪5座，阜新4座，沈阳13座，盘锦6座，鞍山5座，铁岭3座，锦州6座，营口5座。从污水处理厂的运行成本和环境效益的角度构建综合效益评价体系，实现对47座污水处理厂运行效果的综合评价与客观分析，以期为污水处理厂的运营管理和投资决策提供参考。

1 评价方法

对于污水处理厂的科学评价有层次分析法[8-11]、生命周期评价法[12-15]等多种主客观结合的方法。但这些方法在赋权过程中受人为因素影响较大，缺乏客观的赋权方法，制约了评估的准确性，使得最终的结果不完全准确，并且还伴有一定的歧义。熵权法是一种客观赋权方法，赋权的原始信息直接源于客观环境，根据指标提供的信息量的大小来决定相应的权重[16-17]，二者的有机结合适用于多指标评价问题，具有计算简单、概念原理清晰、权重赋值客观等特点。

熵最先由申农引入信息论，目前已经在工程技术、社会经济等领域得到了非常广泛的应用[18]。熵权法的基本思路是根据指标变异性的大小来确定客观权重。一般来说，某个指标的信息熵越小，指标值的变异程度越大，提供的信息量越多，在综合评价中所能起到的作用也越大，其权重也就越大[19]。该方法是在客观条件下，由评价指标值来确定指标权重的一种方法，具有操作性和客观性强的特点，因此能够避免因选用指标的差异过小造成的分析困难。城镇污水处理厂综合绩效评价作为一个复杂的系统工程，受多方面因素影响。为此，将熵权法用于计算污水处理厂不同指标的权重，以期能够系统、客观、全面地评价污水处理厂综合效益。

1.1 建立矩阵决策

如果某污水处理厂有n个综合效益评价指标C1，C2，…，Cn和相应的模糊量值v1，v2，…，vn，称R为n维模糊物元，简记为R=(n，C，v)，如果m个污水处理厂的n维模糊物元组合在一起，则形成n维决策矩阵Rmn，记作

(1)

式中Rmn也称为m个污水处理厂的n个综合效益评价指标的模糊复合物元。

各单项评价指标相应的模糊量值，从属于标准方案各对应评价指标相应的模糊量值隶属程度，称为从优隶属度(μik)，由于μik一般为正值，故：

越大越优型μik=vikmax(vik)

越小越优型μik=min(vik)vik

(2)

(3)

1.2 计算权重

构建m个污水处理厂的n个综合效益评价指标的判断矩阵A=(vik)mn，将判断矩阵归一化处理，得到归一化矩阵A′：

(4)

越大越优型aik=(vmax-vik)(vmax-vmin)

越小越优型aik=(vik-vmin)(vmax-vmin)

在有n个评价指标m个被评价污水处理厂的评估问题中，确定第k个评价指标的熵为：

(5)

(6)

定义了k个评价指标的熵之后，得到第k个评价指标的熵权定义，即

(7)

1.3 计算欧式贴近度

欧氏贴近度是指被评价污水处理厂综合效益与最优综合效益二者互相接近的程度，其值越大表示二者越接近，反之则相离较远。根据欧氏贴近度的大小对各污水处理厂的综合效益进行优劣排序，确定最优综合效益，即：

(8)

2 城镇污水处理厂综合效益评价与分析

基于辽河流域47座污水处理厂调查，从污水处理厂的运行成本和环境效益2个方面出发，构建了污水处理厂综合效益评价指标体系。其中，运行成本包括污水处理厂单位处理量建设费和单位处理量运行费(包括平均维修费用、工资福利、年药剂成本、化验室运行费用、耗电成本、污泥处理成本、其他运行成本)；环境效益包括COD和氨氮的削减比例2个指标。构建的污水处理厂综合效益评价体系共含有4个评价指标，即单位处理量建设费(K1)、单位处理量运行费(K2)、COD削减比例(K3)、氨氮削减比例(K4)。

在47座污水处理厂中，按照污水处理厂的处理水量和出水水质分开讨论评价。水量的分类主要考虑到污水处理厂的规模不同，为了使每组中污水处理厂的数量相当，将处理水量2万td以下的污水处理厂与2万td以上的分开讨论。出水水质的分类主要考虑到污水处理厂所采用的工艺不同，深度处理也不同，所以将出水水质满足GB 18918—2002《污水处理厂污染物排放标准》一级A标准(即末端有深度处理)的污水处理厂和出水水质满足一级B标准(末端无深度处理)的污水处理厂分开讨论。按照以上的分类方法，将47座污水处理厂分成4组进行讨论分析。

建立决策矩阵，根据表1及式(1)建立13个污水处理厂4个评价指标的Rmn，结果如表2所示。

根据式(2)及式(3)，建立RΔ，结果如表3所示。

根据式(5)～式(7)计算各评价指标的权重ω=(0.249 7，0.249 8，0.250 2，0.250 3)，根据式(8)，计算各污水处理厂评价的欧式贴近度(ρH)，结果如表4所示。

表1 第1组污水处理厂工艺及其指标

表2 第1组污水处理厂4个评价指标的Rmn

表3 第1组污水处理厂4个评价指标的RΔ

表4 第1组污水处理厂的欧式贴近度

由表4可以看出，综合效益较优的为5号厂(浮动生化床+人工湿地)，2号厂(A2O+人工湿地)，6号厂(浮动生化床+人工湿地)，12号厂(A2O+高密度沉淀+V型滤池)，3号厂(A2O+人工湿地)。综合考量评价结果，虽然5号厂采用的浮动生化床+人工湿地工艺有最高的欧式贴近度，但是其他污水处理厂的数值并不高，样本之间方差较大。而采用A2O+人工湿地工艺的2号和3号厂欧式贴近度较高，且比较接近。分数较高的12号厂也是采用的A2O工艺。所以，A2O工艺在实际污水处理厂的氨氮处理过程中有较大的优越性。

表5 第2组污水处理厂工艺及其指标

采用式(5)～式(7)建立决策矩阵和差平方决策矩阵，得出评价指标的ω=(0.250 5，0.250 4，0.249 1，0.249 9)，计算其欧式贴近度(ρH)，结果如表6所示。

表6 第2组污水处理厂的欧式贴近度

由表6可以看出，综合效益较优的为19号厂(MBBR+紫外消毒)，18号厂(DAT-IAT+加氯消毒)，15号厂(A2O+高密度沉淀+V型滤池)，16号厂(A2O工艺+混凝沉淀+紫外消毒)。综合来看，MBBR+紫外消毒这一工艺在处理水量较大的污水时，其氨氮去除能力最佳。综合第1组的结果来看，作为经典的脱氮除磷工艺，A2O工艺无论在低水量还是高水量的污水处理中都有较大的优越性。

采用式(5)～式(7)建立决策矩阵和差平方决策矩阵，得出评价指标的ω=(0.250 6，0.249 3，0.250 3，0.249 8)，计算其欧式贴近度(ρH)，结果如表8所示。由表8可以看出，综合效益较优的是28号厂(CAST工艺)，26号厂(A2O工艺)，22号厂(AO工艺)，24号厂(A2O工艺)，27号厂(A2O工艺)。综合来看，欧式贴近度最高的28号厂采用的CAST工艺有良好的效益，但是与同样采用CAST工艺的29号和30号厂之间差距较大。然而采用A2O工艺的几个污水处理厂分数方差较小，说明在处理较小水量，出水水质要求不严格的情况下，A2O工艺有较大的优势。

表7 第3组污水处理厂工艺及其指标

表8 第3组污水处理厂的欧式贴近度

采用式(5)～式(7)建立决策矩阵和差平方决策矩阵，得出评价指标的ω=(0.254 8，0.254 0，0.255 2，0.236 1)，计算其欧式贴近度(ρH)，结果如表10所示。

表9 第4组污水处理厂工艺及其指标

表10 第4组污水处理厂的欧式贴近度

由表10可以看出，综合效益较优的是47号厂(林泡尔工艺)，42号厂(百乐克工艺)和39号厂(CAST工艺)。林泡尔工艺与百乐克工艺作为新型污水处理工艺，管理、运行方便，且出水水质佳，在污水水量较大，出水水质满足一级B标准的情况下具有较大的优越性。

3 结论

以辽河流域47座污水处理厂作为样本，以单位处理量建设费、单位处理量运行费、COD削减比例、氨氮削减比例等4个方面数据建立矩阵，采用客观赋权方法——熵权法进行评估，结果表明：处理能力2万td以下的污水处理厂中，A2O工艺具有明显优势；处理能力2万td以上的污水处理厂中，MBBR+紫外消毒工艺(一级A标准出水)、林泡尔工艺和百乐克工艺(一级B标准出水)综合效益较高。

[1] 赵瑞,高欣,丁森,等.辽河流域大型底栖动物耐污值[J].生态学报,2015,35(14):4797-4809. ZHAO R,GAO X,DING S,et al.Tolerance values of macroinvertebrate taxa in Liao River Basin[J].Acta Ecologica Sinica,2015,35(14):4797-4809.

[2] 辽宁省环境保护厅.2011年辽宁省环境状况公报[R].沈阳:辽宁省环境保护厅,2012.

[3] 孟伟.辽河流域水污染治理和水环境管理技术体系构建:国家重大水专项在辽河流域的探索与实践[J].中国工程科学,2013,15(3):4-10. MENG W.Construction of technology system for watershed water pollution treatment and management:exploration and practice of the major water program in Liaohe River Basin[J].Engineering Science,2013,15(3):4-10.

[4] 王允妹.辽河沈阳段污染治理及生态恢复进程回顾[J].科技创新导报,2015,12(30):156-158. WANG Y M.Review on environment pollution control and ecological restoration of Liaohe River in Shenyang[J].Science and Technology Innovation Herald,2015,12(30):156-158.

[5] 晁雷,王健,尤涛,等.辽河上游地区农副产品加工废水污染现状及对策[J].黑龙江农业科学,2016(4):108-113. CHAO L,WANG J,YOU T,et al.Status of agricultural processing wastewater pollution of the upper reaches of the Liaohe and countermeasures[J].Heilongjiang Agricultural Sciences,2016(4):108-113.

[6] 辽宁省环境保护厅.2015年辽宁省环境状况公报[R].沈阳:辽宁省环境保护厅,2016.

[7] 魏亮,陈滢,刘敏,等.城镇污水处理厂的综合绩效评价[J].环境工程学报,2016,10(1):490-494. WEI L,CHEN Y,LIU M,et al.Comprehensive performance evaluation of municipal wastewater treatment plants[J].Chinese Journal of Environmental Engineering,2016,10(1):490-494.

[8] 邢佳,孙伟光,张宝杰,等.基于层次分析法的流域规划城镇污水处理厂建设方案评估模型研究[J].环境科技,2015,28(4):57-61. XING J,SUN W G,ZHANG B J,et al.Research based on analytic hierarchy process of construction scheme evaluation model of river basin planning urban sewage treatment plant[J].Environmental Science and Technology,2015,28(4):57-61.

[9] ORTIZ M,RALUY R G,SERRA L.Life cycle assessment of water treatment technologies: wastewater and water-reuse in a small town[J].Desalination,2007,204(1):121-131.

[10] KABLAN M M.Decision support for energy conservation promotion: an analytic hierarchy process approach[J].Energy Policy,2004,32(10):1151-1158.

[11] 熊焱,齐香汝,金文杰,等.基于层次分析法的AO工艺夏冬季节能耗评价[J].环境工程,2014,32(4):148-152. XIONG Y,QI X R,JIN W J,et al.Energy consumption evaluation of AO process in winter and summer based on AHP[J].Environmental Engineering,2014,32(4):148-152.

[12] NEFESLIOGLU H A,SEZER E A,GOKCEOGLU C,et al.A modified analytical hierarchy process (M-AHP) approach for decision support systems in natural hazard assessments[J].Computers & Geosciences,2013,59(12345678):1-8.

[13] 林璐.基于生命周期评价方法的九龙江流域污水处理厂综合评价研究[D].厦门:厦门大学,2008.

[14] RENOU S,THOMAS J S,AOUSTIN E,et al.Influence of impact assessment methods in wastewater treatment LCA[J].Journal of Cleaner Production,2008,16(10):1098-1105.

[15] FLORESALSINA X,GALLEGO A,FEIJOO G,et al.Multiple-objective evaluation of wastewater treatment plant control alternatives[J].Journal of Environmental Management,2010,91(5):1193-1201.

[16] 邱红霞.基于熵权的灰色关联模型在水电工程评价中的应用[J].水科学与工程技术,2010,157(2):33-35. QIU H X.Application of grey relation model based on entropy weight in evaluation of hydro-electric project schemes[J].Water Sciences and Engineering Technology,2010,157(2):33-35.

[17] 郝瑞霞,刘峰,吕鉴,等.基于熵权物元模型的污水处理厂运行效果综合评价与分析[J].北京工业大学学报,2013,39(3):445-451. HAO R X,LIU F,LÜ J,et al.Comprehensive evaluation and analysis on the operation of wastewater treatment plant based on matter-element model combined with entropy weight[J].Journal of Beijing University of Technology,2013,39(3):445-451.

[18] 周朝民,耿彦博.基于熵权法的商业银行经营绩效评估[J].上海管理科学,2008,171(6):9-10. ZHOU C M,GENG Y B.Entropy based performance appraisal of the commercial banks[J].Shanghai Management Science,2008,171(6):9-10.

[19] 龙腾锐,赵欣,林于廉,等.M-AHP-熵权组合赋权法在垃圾渗滤液处理技术评价中的应用[J].环境工程学报,2010,4(11):2455-2460. LONG T R,ZHAO X,LIN Y L,et al.Application of M-AHP-entropy power combination weighing method in evaluation of landfill leachate treatment technology[J].Chinese Journal of Environment Engineering,2010,4(11):2455-2460. ▷

Evaluation of comprehensive benefits of urban sewage treatment plants: taking Liaohe River Basin as an example

ZHANG Hanmin, ZOU Xiang, JIANG Wei
School of Environment Science & Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China

Based on the two aspects of operation cost and environmental benefits of the sewage treatment plants (STPs), the evaluation index system with four evaluation indexes, i.e. unit construction cost, unit operation cost, COD reduction rate, ammonia nitrogen reduction rate, was constructed. Then the entropy weight method was used to determine the corresponding weight coefficient, and the Euclid approach degree applied to realize the objective evaluation of the comprehensive benefits of the STPs. Based on the treatment quantity and water quality, 47 STPs in Liaohe River Basin were divided into four groups. The results showed that the superiority of A2O technology was more obvious when the water quantity was under 20 000 td and the effluent water quality was up to Level 1A standard of GB 18918-2002, while in the process that the water quantity was above 20 000 td and the effluent water quality was up to Level 1A, MBBR+ UV disinfection technology showed better performance in the comprehensive benefit.When the water quality was under 20 000 td and the effluent quality was up to Level 1B standard, the superiority of A2O technology was obvious, and in the process that the water quantity was above 20 000 td and the effluent water quality was up to Level 1B standard,the advantages of Linpaoer technology and BIOLAK technology were obvious.

Liaohe River Basin; ammonia nitrogen pollution control technology; entropy weight method; urban sewage treatment plant; benefit evaluation

2017-04-15

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2013ZX07202-010-01)

张捍民(1973—)，女，教授，博士，主要研究方向为水污染控制理论与技术，zhanghm@dlut.edu.cn

X820.6

1674-991X(2017)05-0573-07

10.3969j.issn.1674-991X.2017.05.079

张捍民，邹翔，姜威.城镇污水处理厂综合效益评价：以辽河流域为例[J].环境工程技术学报,2017,7(5):573-579.

ZHANG H M, ZOU X, JIANG W.Evaluation of comprehensive benefits of urban sewage treatment plants: Taking Liaohe River Basin as an example[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(5):573-579.