基于生态修复的污水处理技术可持续性评价指标体系及方法

毛珊瑛，史 敏，罗 建

（湖南农业大学 商学院，湖南 长沙 410128）

生物修复是一种利用特定的生物（如植物、微生物或原生动物等）来吸收、转化或降解污染物，实现净化环境和恢复生态效应的生物措施。其中，微生物生态修复是通过向受污染水体中投加人工驯化培养的优势复合菌群（Effective microorganism），强化和提高水体有机物和污染物的降解效率，在处理污水、净化空气、改善土壤、资源循环利用等领域已得到广泛应用[1-2]。在污水处理厂中，应用较多的生态修复技术主要包括人工增氧修复技术和生物膜技术，其中以厌氧-缺氧-好氧技术（A2/O 技术）和MBR 膜处理技术最为典型[3]。A2/O 技术利用机械设备搅动，向曝气池中增加氧气含量，并使污染物与微生物充分接触，提高降解效率；或投放化学药剂产生化学反应来控制氧气含量，实现微生物对污染物的降解。MBR 膜处理技术利用人造材料构建生物膜，将微生物截留在反应池内或附着在生物膜上，促进微生物增殖从而提高反应效率。现有研究集中在对A2/O 技术和MBR 膜处理技术等生态修复污水处理技术的污染物去除效果进行评价[4-5]，鲜有从环境、经济、社会等因素进行综合评价的研究。

自1987年联合国首次提出“可持续发展”定义以来，可持续发展理念逐渐深入人心。基于可持续发展理念，实现能源产耗平衡，是“十三五”以来污水处理企业的重要目标之一，但现有的“以能消能”“以物换物”的污水处理造成能源浪费和环境恶化[6]，与可持续发展要求背道而驰，因此企业对可持续性污水处理技术的需求日益强烈，亟需构建一套实用性强的可持续性技术评价指标体系和方法，为优选可持续性污水处理技术提供决策支持。随着理念的更新，生态修复污水处理技术的技术性能评价逐渐由单一指标评价向多目标综合评价转变[7]。国内外学者对污水处理技术评价指标体系的研究从经济[8]、环境[9]、技术[10]等单个因素发展到环境和经济[11]，经济和技术[12]或环境、经济和技术[13-14]等因素，最终转变为环境、经济、技术、社会[15]4 个因素的综合评价。在评价方法上，针对环境因素，多采用生命周期评价法（Life cycle assessment，LCA）[16-17]，针对多个因素则根据不同评价指标的特点[18]或评价的前后过程[19]，采用综合评价方法。本研究在已有研究的基础上，构建了一套涵盖环境、技术、经济和社会因素的污水处理技术可持续性评价指标体系，并根据不同评价指标采用适宜的评价方法，如采用生命周期评价法（LCA）和多属性效用法分别对环境影响和社会影响进行评价，应用综合评价指数方法对环境、技术、经济和社会4 个因素进行综合评价，以A2/O 技术作为基准技术，以MBR 膜处理候选技术为评价技术，对建立的可持续性评价指标体系及方法进行验证，说明这套指标体系和方法具有一定的可行性。

1 可持续性评价指标体系的构建

首先通过文献调研，梳理生态修复污水处理技术可持续性评价指标体系，然后结合实际调研确定生态修复污水处理技术可持续性评价指标体系，最后采用层次分析法对建立的指标体系赋权。

1.1 可持续性评价指标文献调研

通过对国内外学术数据库进行检索，检索的主题为“污水处理技术”“评价”“生态修复”等，在人工进一步核对后，最终获得国内文献128 篇，国外文献71 篇，对文献中涉及评价指标的研究内容按照环境、技术、经济、社会4 个一级指标进行整理，得到污水处理技术评价指标如表1所示：

表1 污水处理技术评价指标研究现状Table 1 Research status of sewage treatment technology evaluation index

1.2 可持续性评价指标体系确定

1.2.1 指标体系构建原则

评价指标体系的建立是一个从无到有、从有到优的创造过程。综合已有研究[44-46]和实际情况，形成可持续性评价指标体系构建的原则。

1）科学性和实用性原则。科学性要求选取的指标得到科学界和学术界的广泛认可，并符合学术规范与科学发展的需要；实用性要求指标可量化，数据收集应以现有数据或易于收集的数据为基础，并符合实际情况。

2）整体性和层次性原则。整体性要求指标比较全面反映污水处理技术的综合效益，体现环境、技术、经济和环境各个因素的主要特征；层次性要求评价指标体系由多级指标构成，每级指标之间存在层次性。

3）灵活性和可操作性原则。灵活性表现在指标的选取要综合不同评价主体的评价需求，可操作性要求评价指标要能便于理解和计算。

4）定性与定量结合原则。选取的指标应大部分为定量指标或能够定量化的定性指标，定性与定量评价指标相结合，得到更为合理的评价结果。

1.2.2 指标体系确定

1）环境指标。生态修复污水处理技术中投加的微生物包括厌氧菌、兼性菌和好氧菌等不同菌种，要满足不同菌种的特定作用环境就会产生能耗，菌种降解污染物又会产生二氧化碳等温室气体，因此在环境指标中需要考虑到能耗和全球变暖。鉴于后续将采用生命周期评价方法对环境因素进行评价，而生命周期评价（LCA）已将污水处理过程所需要的资源与能源利用消耗情况，用全球变暖、臭氧层破坏等表示，因此基于科学性和实用性原则，剔除资源与能源利用消耗情况。据此，将二级指标设置为非生命生态系统影响、人类健康影响和生态毒性影响等3 个指标，选取全球变暖、臭氧层破坏、酸化、水体富营养化、人体毒性、水生生态毒性、陆生生态毒性等7 个指标作为三级指标。

2）技术指标。已有对于技术指标的研究较为完善，根据已有研究将技术处理效果和技术性能作为二级指标。技术处理效果主要是定量指标，包括：生化需氧量去除率（BOD）、化学需氧量去除率（COD）、悬浮物去除率（SS）、总氮去除率（TN）和总磷去除率（TP）。技术性能主要是定性指标，包括：技术先进性、技术成熟程度、运行安全性、抗冲击负荷程度和操作复杂程度。其中体现了主要污染物去除率的技术处理效果指标，充分反映生态修复污水处理技术的污染物降解效率和处理效果。

3）经济指标。在调研中发现，企业对生态修复污水处理技术经济成本的匡算主要包括两个方面，一是建设投资费用，二是运行成本费用，因此根据灵活性和可操作性原则，将建设投资和运行成本作为二级指标。建设投资中涵盖了建设费用和工程投资的相关指标，具体包括：工程建设费用、基本预备费、土建费用、设备费用和安装费用。运行成本包括：动力费、药剂费、维修费、人员费和其他费用。关于文献调研中涉及的占地面积和经济效益，由于污水处理企业尚未考虑土地购买费用，也尚未产生产物的附加收益，因此这两个指标暂未纳入。

4）社会指标。鉴于组织管理科学和组织过程文明一般用来表征污水处理过程的工作环境文明程度[47]，基于整体性和层次性原则，将已有研究中的组织管理科学性和组织过程文明性两个二级指标归并为工作环境文明程度。据此，将二级指标设置为：利益相关者健康影响程度和工作环境文明程度。采用生态修复污水处理技术进行污水处理时，由于微生物的降解作用，产生的气体、排放的污染物一定程度上会产生健康影响，因此选取对操作人员和对周围居民的健康影响程度作为利益相关者健康影响程度的三级指标。选取组织管理科学性和组织过程文明性作为工作环境文明程度的三级指标。

综上，基于生态修复的污水处理技术可持续性评价指标体系包括4 个一级指标，9 个二级指标和31 个三级指标，具体如表2所示。其中，31 个指标中包括14 个正向指标和17 个负向指标，负向指标主要是反映环境影响的全球变暖、臭氧层破坏等7 个三级环境指标和反映建设投资、运行成本的如工程建设费用、动力费等10 个三级经济指标。

表2 基于生态修复的污水处理技术可持续性评价指标体系Table 2 Sustainability evaluation index system of sewage treatment technology based on ecological restoration

1.3 可持续性评价指标体系赋权

美国运筹学家Saaty 教授最早提出层次分析法。层次分析法将复杂问题层次化，根据决策目标各影响因素之间的关联进行分类，形成一个多层次的决策系统。通过对各层的影响因素两两比较，构造判断矩阵，通过计算最大特征值及特征向量，最终得到各因素的相对权重。由于层次分析法比较灵活，且是各类评价中常用的赋权方法[48-49]，因此本研究采用层次分析法对指标体系进行赋权。向环境保护、污水处理等领域内10 位专家，发放污水处理技术可持续性评价指标体系的调查问卷，得到各位专家对指标的打分表。根据专家反馈，应用MATLAB 软件对原始数据赋权，得到各级指标的权重值。结合污水处理实际，客观独立判断后认为各指标的权重比较符合实际情况，指标体系的具体权重值如表3所示：

表3 基于生态修复的污水处理技术可持续性评价指标权重Table 3 Weight of sustainability evaluation index of sewage treatment technology based on ecological restoration

2 污水处理技术可持续性评价方法

综合评价指数方法在评价区域可持续发展能力[50]、企业可持续发展[51]、水资源可持续利用[52]等方面均有应用，因此也适用于技术的可持续性评价。本研究采用综合评价指数方法从环境、技术、经济和社会4 个方面，对生态修复污水处理技术的可持续性综合影响进行评价。具体计算步骤如下：

1）获得各级指标单项指标值

采用LCA 方法获得环境指标的三级指标值。采用多属性效用法获得社会指标的三级指标值。定性指标采用评分取值方法实现定量化，如，技术先进性指标根据技术获奖数量、国家发明专利授权数量等，分为优（0.8～1.00）、良（0.70～0.80）、中（0.60～0.70）、差（0～0.60）四级；技术成熟程度指标根据技术开发的年代，参考工业化程度和市场普及率情况等，分为产业化阶段（0.80～1.00）、工程化阶段（0.60～0.80）、实验室阶段（0～0.60）三级；运行安全性指标、抗冲击负荷能力指标、操作复杂程度等指标根据技术实际情况，均分为优（0.80～1.00）、良（0.70～0.80）、中（0.60～0.70）、差（0～0.60）四级。

2）计算三级指标评价指数

正向指标：

负向指标：

式（1）～（2）中：Iijk为拟评价技术的第i项一级指标中的第j项二级指标的第k项三级指标的评价指数；Sijk为拟评价技术的第i项一级指标中的第j项二级指标的第k项三级指标的指标值；Sbijk为基准技术的第i项一级指标中的第j项二级指标的第k项三级指标的指标值。

3）计算二级指标的评价指数

计算公式定义如下：

式（3）中：Iij为拟评价技术的第i项一级指标中的第j项二级指标的评价指数；Iijk为拟评价技术的第i项一级指标中的第j项二级指标的第k项三级指标的评价指数；Wijk为拟评价技术的第i项一级指标中的第j项二级指标的第k项三级指标的权重；m为拟评价技术的第i项一级指标中的第j项二级指标包含的三级指标个数。

4）计算一级指标的评价指数

计算公式定义如下：

式（4）中：Ii为拟评价技术的第i项一级指标的评价指数；Iij为拟评价技术的第i项一级指标中的第j项二级指标的评价指数；Wij为拟评价技术的第i项一级指标中的第j项二级指标的权重；n为拟评价技术的第i项一级指标中包含的二级指标个数。

5）计算综合评价指数

计算公式定义如下：

式（5）中：I为拟评价技术的综合评价指数；Ii为拟评价技术的第i项一级指标的评价指数；Wi为拟评价技术的第i项一级指标的权重；t为拟评价技术包含的一级指标个数。

6）综合评价分析判定

综合评价指数I大于1，可判定该生态修复污水处理技术的可持续性运行效果好于基准技术，建议企业引进采用该生态修复污水处理技术；综合评价指数I等于1，可判定该生态修复污水处理技术的可持续性运行效果和基准技术相同，是否引进采用该生态修复污水处理技术，企业根据自身实际情况决定；综合评价指数I小于1，可判定该生态修复污水处理技术的可持续性运行效果和基准技术相比存在差距，不建议企业采用该生态修复污水处理技术。

3 污水处理技术可持续性评价实证研究

3.1 基准技术和候选技术介绍

某污水处理公司下辖若干个污水处理厂，其中多个污水处理厂采用的是较为传统的A2/O 技术，采用改进的MBR 膜处理技术新建了1 个污水处理厂。选择一个采用A2/O 技术的A 污水处理厂和采用改进的MBR 膜处理技术新建的B 污水处理厂进行实地调研，并发放了污水处理技术可持续性评价调查问卷。为了达到国家或行业规定的出水排放标准，A 厂在保持原有A2/O 污水处理技术不变的情况下，改进污水处理流程，降低尾水中污染物含量。B 厂率先在原先“预处理+A2/O 技术”基础上增加MBR 平板膜处理技术，采用“预处理+改良A2/O 生物池+MBR 平板膜”技术，对传统的A2/O 技术进行改良。两种污水处理技术为常用的生态修复污水处理技术，具体流程如图1～2所示。A2/O 技术由A/O 技术发展而来，以物理过程为主，结合生物处理过程，通过创造厌氧、缺氧和好氧环境，通过人工增氧，利用硝化菌、反硝化菌和聚磷菌等在特定环境下的特定功能，降解污染物实现脱氮除磷。MBR 膜处理技术在A2/O 技术基础上将曝气池与二沉池合二为一，增加平板膜处理流程，将微生物截留在反应池内或聚集在生物膜上，促进硝化菌的增殖，提高系统硝化效率，从而提高出水水质。

图1 A2/O 技术流程Fig.1 Technology flow chart of A2/O

图2 “预处理+改良A2/O 生物池+MBR 平板膜”技术流程Fig.2 Technical flow chart of “pretreatment + improved A2/O biological pool + MBR flat membrane”

在对调查问卷数据进行多次核实，并对有关录音文件进行整理的基础上，以A2/O 技术为基准技术，以改进的MBR 膜处理技术为候选技术，采用前述构建的生态修复污水处理技术可持续性评价指标体系和方法进行评价。

3.2 污水处理技术可持续性评价

1）计算第三级指标值和评价指数

应用生命周期评价方法（LCA），借助GaBi软件分析工具得到第三级环境指标值；结合收集的原始数据及定性技术指标的评分依据，得到第三级技术指标值；确定两种技术的建设期和运行期，采用终值公式得到第三级经济指标值；应用多属性效用法，结合收集的原始数据得到第三级社会指标值。根据式（1）～（2）得到两种技术三级指标评价指数，具体如表4所示。

表4 两种技术三级指标的指标值Table 4 Index value of three level indexes of two kinds of technology

2）计算二级、一级指标及综合评价指数

根据式（2）～（3）得到二级指标评价指数，根据式（4）得到一级指标评价指数，根据式（5）得到综合评价指数。各级指标评价指数如表5所示。

表5 两种技术各级评价指数Table 5 Evaluation index of each indicators of two kinds of technology

3）综合评价分析判定

MBR 平板膜技术相对于A2/O 基准技术，其综合评价指数I=1.355 7，说明MBR 膜处理技术在环境影响、技术性能及处理效果、经济成本和社会影响等方面的综合表现优于A2/O 技术，这与新建污水处理厂决策采用MBR 平板膜技术保持一致，说明构建的污水处理技术可持续性评价指标体系和方法具有可操作性和合理性。从环境因素评价指数I1=0.997 9 来看，MBR 平板膜技术相对于A2/O 基准技术，在环境因素上略有劣势，这与已有研究指出的膜污染严重、电耗高的问题仍有待解决相一致[53]；从技术处理效果评价指数I=3.544 4 来看，MBR 平板膜技术相对于A2/O 基准技术，污染物去除效果存在明显优势，这与已有研究指出的生物膜处理技术处理有机物污染水体效果最好[54]相一致，说明环境、技术因素的指标选择和评价方法的选用具有可行性。

4 结论与讨论

4.1 结 论

本研究采用文献调研、实地调研与问卷调研等研究方法，在已有研究的基础上，结合我国污水处理技术发展与应用现状，构建了一套符合我国国情的基于生态修复的污水处理技术可持续性评价指标体系和评价方法，并以两种生态修复污水处理技术为实证，验证了指标体系和评价方法的可操作性和合理性。

通过对MBR 平板膜技术与A2/O 技术进行对比评价，发现MBR 膜处理技术在整体可持续性上优于A2/O 技术，但在环境因素方面还有待改善。针对能耗最大的生物处理阶段，建议通过控制氧气的进入量，改善菌种的作用环境，一方面，提高污染物降解效率节约耗能时间；另一方面，提高产生和收集气体的效率，通过沼气发电实现清洁能源的利用，减轻环境负荷，产生经济效益。

4.2 讨 论

本研究存在一些缺陷，例如在经济指标中，由于缺乏调研数据，因此暂未将占地面积和经济效益纳入。因此本研究下一步将完善指标体系，加强收集相关评价数据，并进一步将实证对象拓展至污泥的生态修复技术评价、再生水回用的生态修复技术等，以进一步验证和优化基于生态修复的污水处理技术可持续性评价指标体系和方法，为更好的筛选生态修复污水处理技术提供支撑。