我国城镇污水处理厂环境绩效评价研究

陈敏敏， 吴 琼， 张 震， 邢 瑜， 赵学涛*

1.中国环境监测总站， 国家环境保护环境监测质量控制重点实验室， 北京 100012

2.生态环境部环境规划院， 北京 100012

3.生态环境部华南环境科学研究所， 广东 广州 510655

城镇污水处理厂是对城镇居民生活污水、各种机构及公共设施排水和部分工业废水等经城镇污水收集系统进行净化处理的污水处理设施[1-2]. 通过城镇污水处理厂实现对城市范围内收集污水进行集中处理，是城市水污染防治的重要举措，也是改善水环境质量的重要措施. 我国城镇污水处理行业整体发展迅速，2007—2017年我国城镇污水处理厂数量、设计污水处理能力、污水实际处理量分别增长了5.38、1.67和2.06倍[3-4]，目前城镇污水处理厂的数量、设计处理能力、实际处理水量分别占全国总量的11.5%、86.5%、91.4%，城镇污水处理厂仍是我国当前污水处理的主体，是实现水污染物削减的主要途径，其运行效果的好坏直接影响工业和生活污染源的污染物排放总量控制效果. 由于我国城镇污水处理厂分布范围广，使用的污水处理工艺类型多样，设计规模、运行效率及管理情况差异较大[5-6]，科学评估城镇污水处理厂的环境绩效情况，对于提高我国城镇污水处理效率、强化城镇污水处理厂监管具有重要意义.

国外非常重视城镇污水处理厂绩效评估方法与实践研究，已经形成了一系列相对比较成熟和规范的方法. 欧盟国家会对污水排放企业和污水处理厂开展绩效评估[7-8]；国际水协会制定了一套完整的污水处理厂绩效评价指标体系，覆盖了管理、人事、财务、设施设备、运行、环境影响和服务质量等六大类182个指标[9-10]. 在国内，学者们从节能降耗、节能减排、生活污水管理、处理工艺选择、运行规模等多个角度进行了污水处理绩效评价指标建立和评估体系的研究[11-15]，指标体系建立采用的方法也较多，常用的方法有平衡计分卡、数据包网络分析法、生命周期评价法、层次分析法、随机前沿分析法等[16-24]. 2014年，住房和城乡建设部发布了CJJT 228—2014《城镇污水处理厂运营质量评价标准》，该标准从设施设备利用率、环境效益、能耗物耗、设施设备完好率4个方面提出了评价城镇污水处理厂运营绩效的方法，其中包含部分城镇污水处理厂环境绩效评价指标.

1 研究方法

1.1 评价指标选择

城镇污水处理厂环境绩效评价的目标：在保持现有设计规模、处理工艺的基础上，提高污水处理厂运行水平和污染物削减能力，降低污水处理过程中的能源消耗，鼓励水和污泥的再生利用. 在确定评价目标的基础上，此次评价参照CJJT 228—2014《城镇污水处理厂运营质量评价标准》，在考虑数据可得性的前提下，结合污水处理厂实际情况，从污水处理厂运行情况、污染物削减情况、污水处理能耗情况、资源再生利用情况4个方面考虑，构建涵盖4个方面10个指标为主(见表1)的环境绩效评价方法，对全国城镇污水处理厂的环境绩效进行量化评价.

表1 城镇污水处理厂环境绩效评价指标计算方法和权重

污水处理厂运行情况反映的是城镇污水处理厂各类设备和设施的总体使用情况，一般用设备运行率和水力负荷率等指标反映，其中，设备运行率一般用污水处理厂全年运行的时间占比来反映，水力负荷率用污水处理厂实际处理水量占设计处理水量的比率来反映. 这2个指标是反映城镇污水处理厂运行的基础指标，一般而言，设备运行率和平均水力负荷率越高，其环境绩效越好.

污染物削减情况以污染物削减量综合指数、污染物削减率综合指数、单位污水干污泥产生强度3个指标表征，其中前2个指标主要反映对污染物的削减效果. 单位污水干污泥产生强度反映某一城镇污水处理厂在削减污染物的同时，干污泥的产生情况. 一般而言，污染物削减量综合指数和污染物削减率综合指数越高，单位污水干污泥产生强度在一定范围内相对越低，其环境绩效就越好.

污水处理能耗情况的高低在很大程度上能反映出城镇污水处理厂运行管理的水平，能耗费用约占总运行费用的30%～60%[25]，单位污水耗电量、单位>耗氧污染物耗电量2个指标能够较全面地反映出城镇污水处理厂运营的能源消耗水平. 当运行水平相同时，进水浓度较低的污水处理厂的单位污水耗电量也较低，但单位耗氧污染物耗电量则会较高；进水浓度较高的污水处理厂的单位污水耗电量较高，单位耗氧污染物耗电量则会较低. 其中，城镇污水处理厂主要的耗氧过程是有机物的生物降解和氨氮的硝化，因此该研究中耗氧污染物为生化需氧量和氨氮2种[26]. 一般而言，高水平的运行管理可以实现较低的单位污水电耗和单位耗氧污染物耗电量，从而其环境绩效也较好.

资源再生利用情况反映的污水处理过程中的副产物污泥和再生水的产生利用情况. 该研究选取污泥资源化利用、再生水生产、再生水利用3个指标反映污水处理厂在资源再生利用方面的绩效. 一般而言，这3项指标值越高，说明城镇污水处理厂资源再生利用情况越好，其环境绩效也越高.

1.2 评价指标计算和评分方法

1.2.1评价指标计算方法

两种算法的运行时间以及ERLE参数如表1所示。输入信号为语音情况下的两种算法的失调量如图3所示,噪声输入情况下的失调量如图4所示。两组测试的结果一致,NLMS和FDNLMS算法的收敛时间、失调量、ERLE相差不大,但是,在处理速度方面,FDNLMS算法由于运算量大幅度降低,所用的处理时间只占NLMS算法的8.5%,说明算法的效率高,实用性强。

所用数据源自第二次全国污染源普查中城镇污水处理厂的调查数据，各指标的基础计算方法参考经验公式或文献资料[27](见表1).

各评价指标的评分范围均为0～10分. 设备运行率和水力负荷率由运行时间、污水实际处理量确定，指标值越高，对应的评分值越大，设备运行率按4个等级、水力负荷率按5个等级分别计分；污染物削减量综合指数、污染物削减率综合指数为综合性指标，根据不同污染物的削减量和削减率水平得到相应的污染物指数值，同时参照文献[14,27]中不同污染物权重进行综合评分；单位污水耗电量、单位耗氧污染物耗电量由城镇污水处理厂的总耗电量、污水实际处理量或生化需氧量和氨氮等耗氧污染物削减量确定，具体分级评分结合设计处理能力规模取值；单位污水干污泥产生强度由城镇污水处理厂的干污泥产生量和实际污水处理量来确定，参照文献[27-28]的分级取值，污泥资源化利用率、再生水生产率、再生水利用率按实际计算值对应比例取值. 为便于各个指标统计分析比较，将污染物削减量综合指数、污染物削减率综合指数、单位污水干污泥产生强度、单位污水耗电量、单位耗氧污染物耗电量5个指标进行无量纲化后再分级评分.

1.2.2评价指标权重的确定

结合城镇污水处理厂运行和监管工作的实际情况，选取层次分析法确定各指标的权重. 层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)是一种定性与定量相结合的系统工程评价方法[29]，将与决策有关的元素分解为多层次的目标、准则、方案等，并可将专家意见、主观判断及政策经验导入层次模型，构建判断矩阵进行量化处理，得到各个评价目标的权重(见表1).

1.2.3评价指标结果的表征

每家城镇污水处理厂的环境绩效评估结果综合考虑以上4个方面的影响，根据各个评价指标的权重和评分进行叠加，得到每家城镇污水处理厂绩效评价综合得分. 计算公式：

(1)

式中，C为每家城镇污水处理厂的绩效评价综合得分，Fj、Wj分别为各评价指标的评分、权重.

1.2.4评价结果评判

该研究采用模糊综合评价法[30-31]对城镇污水处理厂的评价结果展开分析. 模糊综合评价的评判对象P为城镇污水处理厂，环境绩效评价因素组成集合F(污水处理厂运行F1，污染物削减F2，污水处理能耗F3，资源再生利用F4)，其中各个因素都对应于评价指标的子目标，子目标中的多个因素共同影响着集合F中的各个因素，从而建立4个子目标集，即F1(设备运行率F11、水力负荷率F12)、F2(污染物削减量综合指数F21、污染物削减率综合指数F22、单位污水干污泥产生强度F23)、F3(单位污水耗电量F31、单位耗氧污染物耗电量F32)、F4(污泥资源化利用率F41、再生水率F42、再生水利用率F43)，同时建立评判等级集合U(优秀、良好、较好、一般、较差)，如表2所示.

表2 城镇污水处理厂环境绩效评价等级

2 结果与讨论

2.1 城镇污水处理厂环境绩效评价结果总体分析

该研究中城镇污水处理厂数据主要来自于第二次全国污染源普查结果，在分析前，经过数据预处理和筛查删除停产及关闭的情况，分析数据为2017年正常运行的 8 550 家城镇污水处理厂的实际调查结果，代表了现阶段我国城镇污水处理厂的总体情况.

通过该评价方法对2017年我国城镇污水处理厂进行评价测算(见表3)，8 550 家城镇污水处理厂的平均得分为60.6分，有45.4%的城镇污水处理厂评价等级为较差(<60分)，有50.9%的等级为一般和较好(60～80分)，仅有3.6%的城镇污水处理厂为良好和优秀(≥80分)，说明我国城镇污水处理厂在现有设施设备的基础上，在提高设施设备利用水平、降低能源消耗、提升出水水质方面仍有较大的空间.

表3 城镇污水处理厂环境绩效评价得分分布特征

有60.8%的城镇污水处理厂在环境效益方面的得分超过全国平均值，污染物削减情况的得分总体相对较高，大部分污水处理厂在污染物的削减量、削减率等综合环境效益的表现良好，污染物被有效去除；有59.3%的城镇污水处理厂在运行方面的得分超过全国平均值，同时有10.0%的城镇污水处理厂在污水处理厂运行情况方面的得分仅为0.4，说明其在设备运行率、水力负荷率低于80%、60%的控制值，设施未能充分发挥效用，应采取有效措施提高设施的运行时间和进水水量；与污水处理厂运行情况和污染物削减情况比较，城镇污水处理厂在污水处理能源消耗和资源再生利用2个方面得分较低，有52.4%、81.6%的城镇污水处理厂得分低于全国平均值，说明部分城镇污水处理厂在节能降耗和资源再生利用的水平较低. 因此在维持现有设施基础上，应对能源消耗、再生利用等主要影响城镇污水处理厂环境绩效的指标进行深入分析，从规划、机制等角度多重举措，达到城镇污水处理提质增效行动方案的目标.

2.2 污水处理工艺对评价结果的影响

目前我国城镇污水处理厂使用的污水处理工艺包括好氧生物处理、厌氧生物处理和稳定塘、人工湿地及土地处理三大类、20种处理工艺小类及组合，其中，A2O工艺、普通活性污泥法、氧化沟类和AO工艺4种工艺使用最多，比例之和为68.0%.

使用居前10位的处理小类工艺中，好氧生物处理工艺有9种，稳定塘、人工湿地及土地处理工艺有1种，其中，好氧生物处理工艺包括A2O工艺、普通活性污泥法、氧化沟类、AO工艺、SBR类、MBR类6种活性污泥法和生物滤池、生物接触氧化法、生物转盘3种生物膜法，稳定塘、人工湿地及土地处理工艺包括人工湿地1种. 各处理工艺的绩效评估情况见表4.

表4 城镇污水处理厂不同处理工艺的环境绩效评价

A2O工艺、普通活性污泥法、氧化沟类、AO工艺、SBR类5种工艺的绩效评价得分与全国平均水平接近，相对偏差范围为-0.5%(AO工艺)～4.2%(SBR类)；在设施利用方面，除AO工艺绩效评价得分比全国平均水平低7.5%以外，其他4种处理工艺均高于全国平均水平，相对偏差范围为1.0%(A2O工艺)～16.9%(氧化沟类)；5种工艺在环境效益方面的表现均略高于全国平均水平，相对偏差范围为0.6%(AO工艺)～2.0%(普通活性污泥法)；在能源消耗方面，SBR类、普通活性污泥法和AO工艺分别比全国平均水平高9.9%、8.7%、4.9%，A2O工艺、氧化沟类分别比全国平均水平低6.5%、11.6%；再生利用方面，5种工艺均低于全国平均水平，相对偏差范围为-31.6%(SBR类)～-1.9%(A2O工艺). MBR类工艺因其为膜处理工艺，在再生水的生产利用方面表现较好，比全国平均水平高58.2%，但在污水处理厂运行情况、污染物削减情况、污水处理能耗情况3个方面分别比全国平均值低26.4%、2.8%、8.7%.

生物滤池、生物转盘、生物接触氧化法、人工湿地4种处理工艺的绩效评价得分总体比全国平均水平分别低2.5%、5.7%、6.4%、2.6%，特别是在设施利用方面，这4种工艺的分值与全国平均水平差别明显，比全国平均值分别低10.4%、26.8%、14.9%、10.4%；在体现污染物削减情况的环境效益上这4项工艺的得分也较低，比全国平均值低约6.0%，说明这类工艺对污染物的总体削减量和削减率不及活性污泥法相关工艺. 与前两个方面不同，上述4种处理工艺在能源消耗和再生利用方面表现较好，除生物滤池的能源消耗比全国平均值低2.3%外，生物转盘、生物接触氧化法、人工湿地在能源消耗上分别比全国平均值高18.3%、1.2%、17.5%；4种工艺在再生利用方面分别比全国平均值高3.3%、32.2%、16.0%、0.5%. 我国城镇污水处理厂广泛使用的活性污泥法处理工艺在环境绩效上的总体表现以及体现污染物削减的环境效益和运行情况的设施利用方面均优于生物膜法和人工湿地等处理工艺，而在再生利用方面的表现不如生物膜法和人工湿地等处理工艺.

2.3 设计处理规模对评价结果的影响

按照设计处理规模将城镇污水处理厂分为5类，分别为≥50×104m3d、20×104～50×104m3d、10×104～20×104m3d、1×104～10×104m3d、<1×104m3d，各设计处理规模的绩效评估情况见表5. 我国城镇污水处理厂的设计处理规模以10×104m3d以下为主，占全国总数的93.6%；污水实际处理量以1×104～20×104m3d为主，实际处理污水量占全国处理总量的66.1%.

表5 城镇污水处理厂不同规模的环境绩效评价

规模为≥50×104m3d、20×104～50×104m3d、10×104～20×104m3d、1×104～10×104m3d、<1×104m3d的污水处理厂的绩效评价得分与全国平均值相比较，相对偏差分别为19.2%、16.9%、14.6%、3.5%、-4.4%，城镇污水处理厂规模绩效评价得分随设计处理规模的增加而明显提高，这与Francesc等[32]的研究结果相同. 同样的趋势也表现在污水处理厂运行情况、污染物削减情况、资源再生利用情况3个方面，<1×104m3d的城镇污水处理厂在这3个方面的评价得分分别比全国平均值低14.5%、3.5%、0.2%，≥50×104m3d的城镇污水处理厂分别比全国平均值高48.5%、13.1%、142.7%；在污水处理能耗情况上，规模为1×104～10×104m3d、≥50×104m3d污水处理厂的得分分别比全国平均值低6.8%、2.7%，规模为<1×104m3d、10×104～20×104m3d、20×104～50×104m3d的污水处理厂分别比全国平均值高3.9%、11.8%、9.6%，规模效应趋势不明显，各个规模的污水处理厂在运行过程中均需普遍关注能源消耗的问题.

分析污水处理厂规模分布和污水实际处理量情况发现，规模效应对污水处理厂的环境绩效有利，大型污水处理厂对运行管理、污水处理和污染物削减等资源集中使用上具有优势，同时由于规模低于10×104m3d的中小型城镇污水处理厂，特别是规模小于1×104m3d的小型污水处理厂的大量存在，其运行情况体现在设施利用、环境效益、能源消耗和再生利用的得分较低，说明了进一步提升我国中小型污水处理厂运行质量的重要性.

2.4 地区分布对评价结果的影响

按照我国七大地理分区统计分析不同地区城镇污水处理厂的环境绩效评价结果(见表6). 结果显示，按照环境绩效评价总体来看，华北地区最高，其次为东北地区和华东地区，均高于全国平均值；华中地区、西南地区与全国平均值相接近，华南地区、西北地区低于全国平均值. 按污水处理厂运行情况排序，华东地区、华南地区、华北地区、华中地区较高，东北地区、西北地区和西南地区较低，这与区域人口、经济水平相关，人口多、经济发达地区的管网配套更完善，收集水量大，因此设施设备利用情况较好；污染物削减情况与污染物削减率密切相关，而污染物削减率主要与化学需氧量进水污染物浓度相关. 我国城镇污水处理厂的化学需氧量进水浓度偏低主要与城镇污水收集管网的建设及质量相关，进水浓度偏低的主要原因：一是部分城镇污水处理厂接纳了工业企业处理后的低浓度污水继续处理；二是城镇污水收集管网可能配套不完善，覆盖面不全，收集的水量不足，这在污水处理量方面也有所体现；三是城镇污水收集管网可能存在渗漏处，特别是在地下水位高、水资源丰富的地区，地表水或地下水由渗漏处进入管网稀释污水；四是合流制系统的雨水量、分流制建设区域存在雨污合流或串接等. 因此华南地区、华中地区的污染物削减情况得分较低，与化学需氧量进水浓度偏低有关，东北、西北、华北等北方地区化学需氧量进水浓度普遍偏高，与地下水位低、管网质量良好、收纳的工业废水少等方面也有关联[33]；总体来看，全国各地区污水处理能源消耗差别不大，但污染物削减情况大幅增加也需要较高的能耗水平；华北地区资源再生利用情况较好，特别是北京等地的再生水利用量已超过10×108m3a[34]，其水资源的回收利用率较高，这与该地区城镇污水处理厂接纳的工业废水较少，其对出水水质和污泥处理处置等带来不良影响较低也有关.

表6 城镇污水处理厂不同地区环境绩效评价结果

3 结论

a) 基于第二次全国污染源普查数据，采用层次分析法和模糊综合评价方法，建立了以污水处理厂运行情况、污染物削减情况、污水处理能耗情况、资源再生利用情况4个方面、10个指标为主体的城镇污水处理厂绩效评价体系，并对我国城镇污水处理厂从处理工艺、设计处理规模及地区分布等角度开展了绩效评价.

b) 据测算，2017年我国 8 550 家城镇污水处理厂的环境绩效评价平均得分为60.6分，有45.4%的城镇污水处理厂等级评价为较差，有50.9%在一般和较好等级范围内，仅有3.6%的城镇污水处理厂为良好和优秀等级. 从处理工艺来看，使用活性污泥法的城镇污水处理厂的环境绩效评价结果总体优于使用生物膜法和人工湿地的结果；从设计处理规模来看，城镇污水处理厂的环境绩效具有规模效应的特点；从地理分区来看，华北、东北地区的总体环境绩效较好.

c) 从污水处理厂运行情况、污染物削减情况、污水处理能耗情况、资源再生利用情况4个方面来看，我国城镇污水处理厂在运行和污染物削减情况普遍表现较好，分别有59.3%、60.8%的城镇污水处理厂得分高于全国平均值，污水处理能耗和资源再生利用情况2个方面相对表现较差，分别有52.4%、81.6%的城镇污水处理厂得分均低于全国平均值.