孔 赟 朱光燦 張亞平 吳 磊

(1東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京210096)

(2東南大學(xué)無錫太湖水環(huán)境工程研究中心，無錫214135)

目前，我國水環(huán)境仍處于嚴(yán)重的污染狀態(tài)，富營養(yǎng)化現(xiàn)象依然存在，水環(huán)境質(zhì)量的低劣直接制約了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與和諧社會(huì)的構(gòu)建.研究表明，農(nóng)村生活污水是水環(huán)境的重要污染源，以太湖流域?yàn)槔?，水環(huán)境治理區(qū)內(nèi)農(nóng)村生活污水排放量占所有污染源排放量的比例為 COD 33.47%、氨氮22.69%、TN 21.16%、TP 50.04%［1］.從農(nóng)村生活污水所占的比例來看，開展農(nóng)村生活污水的有效治理對提高流域水質(zhì)有著十分重要的作用.

由于環(huán)境的不同，成熟的城鎮(zhèn)污水處理技術(shù)很難在農(nóng)村得到推廣應(yīng)用［2］，農(nóng)村生活污水處理率還很低.在開展農(nóng)村生活污水治理的實(shí)踐中，各地研究開發(fā)了多種農(nóng)村生活污水處理技術(shù)與工藝，建設(shè)了一定數(shù)量的處理設(shè)施.但由于缺乏相應(yīng)的管理政策與法規(guī)，未建立長效運(yùn)行管理機(jī)制，一些工藝也未進(jìn)行充分的論證和實(shí)驗(yàn)研究，導(dǎo)致部分設(shè)施處理效果不理想［3］.此外，由于缺乏相關(guān)的專業(yè)知識(shí)與有效指導(dǎo)，較難選擇適宜的處理工藝，甚至出現(xiàn)一定的盲目性，不能有效執(zhí)行“因地制宜、資源利用、經(jīng)濟(jì)有效、維護(hù)簡便”［4］的原則，導(dǎo)致處理設(shè)施不能適應(yīng)實(shí)際需求.

對于城鎮(zhèn)污水處理廠，人們一直尋求以智能控制來提高污水廠運(yùn)行維護(hù)的控制和管理［5］.目前已有多種技術(shù)和手段，可幫助專業(yè)人員方便而準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)事故或隱患的所在，大大提高工作效率，確保污水處理廠的穩(wěn)定運(yùn)行［6］.生命周期評估技術(shù)(LCA)用于污水處理廠的評價(jià)，可體現(xiàn)出污水處理廠從設(shè)計(jì)、運(yùn)行、管理到廢棄整個(gè)過程的環(huán)境影響，從而改善城鎮(zhèn)污水處理廠的運(yùn)行和管理［7］.污水處理廠采用儀表、控制、自動(dòng)化(ICA)等技術(shù)可提高污水處理的效能和長期運(yùn)行穩(wěn)定性.通過分析污水廠長期運(yùn)行的費(fèi)用、效率和穩(wěn)定性，來發(fā)現(xiàn)其設(shè)計(jì)、運(yùn)行或管理方面的缺陷，并給出改進(jìn)策略［8-9］.

對于農(nóng)村污水處理設(shè)施，本文借鑒城鎮(zhèn)污水處理廠評估方法，研究影響處理設(shè)施的效能與穩(wěn)定運(yùn)行的內(nèi)在因素與外部原因，建立農(nóng)村污水處理設(shè)施效能的評估指標(biāo)體系，初步建立農(nóng)村生活污水處理設(shè)施綜合評價(jià)模型.這樣不僅可以為農(nóng)村生活污水治理工藝的合理選擇提供有效指導(dǎo)，切實(shí)發(fā)揮農(nóng)村生活污水處理設(shè)施的效能，還有利于實(shí)現(xiàn)農(nóng)村地區(qū)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，保護(hù)流域水環(huán)境.

1 模型建立

首先建立農(nóng)村污水處理設(shè)施綜合效能評價(jià)指標(biāo)體系，然后采用德爾菲法確定各級指標(biāo)權(quán)重［10］，對數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化處理后，最終建立農(nóng)村生活污水處理設(shè)施綜合評價(jià)模型，用于評估農(nóng)村污水處理設(shè)施的綜合效能.

1.1 綜合效能評價(jià)指標(biāo)體系

選擇農(nóng)村生活污水處理設(shè)施的技術(shù)指標(biāo)(污染物去除效率穩(wěn)定性和出水達(dá)標(biāo)率穩(wěn)定性［11］)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)評價(jià)(噸水能耗、運(yùn)行管理與維護(hù)、噸水投資和噸水占地面積)，建立綜合效能評價(jià)指標(biāo)體系，效能層次圖如圖1所示.由于COD、氨氮、TN和 TP四項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)是目前污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中通用的指標(biāo)，考慮到評價(jià)模型的通用性，選擇此4項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo).

1.2 權(quán)重確定

采用德爾菲法［12］確定綜合效能層次體系各指標(biāo)權(quán)重.首先構(gòu)造專家調(diào)查表，設(shè)置權(quán)重為5個(gè)等級，如表1所示.

表1 權(quán)重調(diào)查表

專家對每一層各指標(biāo)在該層中的重要性進(jìn)行評價(jià)，并給出重要性程度分值.經(jīng)過德爾菲法的流程后，計(jì)算各層各指標(biāo)的權(quán)重值Wi，即

式中，Wi為第i個(gè)元素的權(quán)重值;Si為層次圖某一層中第i個(gè)元素的得分值;∑Si為該層元素得分總和.

由于權(quán)重值在很大程度上影響效能的計(jì)算，將計(jì)算得出的Wi值用于實(shí)際案例計(jì)算，同時(shí)將案例結(jié)果反饋給各專家以便對權(quán)重值進(jìn)行再修改，進(jìn)而使權(quán)重值更為合理.

1.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)質(zhì)上是把原始指標(biāo)轉(zhuǎn)換成可以比較的無量綱化指標(biāo)的過程［13］.

圖1 綜合效能層次模型圖

1.3.1 水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)值采用《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中的指標(biāo)值，計(jì)算式為

式中，Uw為水質(zhì)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值;Nw為水質(zhì)指標(biāo)的基準(zhǔn)值，此處為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中的相應(yīng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);Ew為水質(zhì)指標(biāo)實(shí)測值.若Uw≥1，則設(shè)定Uw=1.

1.3.2 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

1)噸水投資數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)不存在標(biāo)準(zhǔn)值，故采用合理值.合理值通過專家調(diào)查咨詢及參考《村莊污水處理案例集》［14］所得，合理值范圍為每噸水3 400～3 800元，計(jì)算時(shí)可取平均值3 660元，該范圍可隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而作相應(yīng)調(diào)整.標(biāo)準(zhǔn)化過程如下式所示:

式中，U'e為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值;Ne為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的合理值;Ee為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的現(xiàn)狀實(shí)際值.

考慮到效能值在0～1范圍內(nèi)越大越好，故構(gòu)造噸水投資標(biāo)準(zhǔn)化式為

2)運(yùn)行管理與維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化

對于運(yùn)行管理與維護(hù)，無法進(jìn)行定量的測量，因此以定性指標(biāo)“運(yùn)行管理與維護(hù)的復(fù)雜程度”來反映，復(fù)雜程度分級見表2.

表2 運(yùn)行管理復(fù)雜程度分級標(biāo)準(zhǔn)

3)噸水能耗數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

噸水能耗的理想值為0，設(shè)定其標(biāo)準(zhǔn)值為1.基于此，構(gòu)造噸水能耗的標(biāo)準(zhǔn)化方程式為

式中，Uec為噸水能耗的標(biāo)準(zhǔn)化值;Xec為噸水能耗的現(xiàn)狀實(shí)際值.

4)噸水占地面積數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

噸水占地面積不存在標(biāo)準(zhǔn)值，故采用合理值.合理值通過專家調(diào)查咨詢及參考文獻(xiàn)［14］所得，合理值范圍為每噸水占地面積4～6 m2，計(jì)算時(shí)可取平均值5 m2，該值可隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而作相應(yīng)調(diào)整.標(biāo)準(zhǔn)化式為

式中，U'a為噸水占地面積的標(biāo)準(zhǔn)化值;Na為噸水占地面積的合理值;Ea為噸水占地面積的現(xiàn)狀實(shí)際值.

考慮到效能值在0～1范圍內(nèi)越大越好，故構(gòu)造噸水占地面積標(biāo)準(zhǔn)化式為

1.4 綜合效能計(jì)算

1.4.1 污染物綜合去除效率的計(jì)算

污染物綜合去除效率的計(jì)算式為

式中，P為污染物綜合去除效率;Ui為第i個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值.

1.4.2 污染物綜合達(dá)標(biāo)率的計(jì)算

污染物綜合達(dá)標(biāo)率Q的計(jì)算式為

1.4.3 污染物去除效率的標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算

污染物去除效率的標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算式為

式中，Zre為第i個(gè)污染物去除效率值;為污染物去除效率的平均值.

考慮到效能值在0～1之間越大越好，構(gòu)造污染物去除效率標(biāo)準(zhǔn)差表征式為

式中，Ure為污染物去除效率標(biāo)準(zhǔn)差表征值.

1.4.4 出水達(dá)標(biāo)率標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算

出水達(dá)標(biāo)率標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算式為

式中，U'ecr為出水達(dá)標(biāo)率的標(biāo)準(zhǔn)差;Zecr為第i個(gè)污染物綜合達(dá)標(biāo)率值;為污染物綜合達(dá)標(biāo)率的平均值.

考慮到效能值在0～1之間越大越好，構(gòu)造出水達(dá)標(biāo)率標(biāo)準(zhǔn)差表征式為

式中，Uecr為出水達(dá)標(biāo)率標(biāo)準(zhǔn)差表征值.

1.4.5 綜合效能計(jì)算

綜合效能E計(jì)算式為

1.4.6 綜合效能分級

根據(jù)文獻(xiàn)［15-17］，可將效能分為5個(gè)等級，用于最終的綜合效能評價(jià)，如表3所示.

表3 綜合效能分級表

2 案例分析

2.1 案例概況

實(shí)驗(yàn)1原水來自于江蘇省宜興市張渚鎮(zhèn)善卷村污水處理設(shè)施.該設(shè)施處理善卷村生活污水，采用厭氧池-梯式生態(tài)濾池工藝，設(shè)計(jì)規(guī)模15 m3/d，占地面積 70 m2，總投資 2.56萬元，噸水投資為1 707.5元/m3.設(shè)計(jì)出水標(biāo)準(zhǔn)為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級 A標(biāo)準(zhǔn).實(shí)驗(yàn)采樣時(shí)間為2009年10月28日至2010年1月15日，每15天采樣1次，檢測的水質(zhì)指標(biāo)為COD、氨氮、TN、TP.

該工藝結(jié)合生物和生態(tài)方法，綜合運(yùn)用了厭氧池有機(jī)物降解作用、梯式生態(tài)濾池有機(jī)物降解及硝化反硝化作用，能很好地處理農(nóng)村污水.其工藝流程如圖2示.

圖2 厭氧池-梯式生態(tài)濾池組合工藝

由于梯式生態(tài)濾池工藝充分利用當(dāng)?shù)氐牡貏輻l件，故無動(dòng)力運(yùn)行，且流程簡單，日常管理十分簡便，基本實(shí)現(xiàn)無人管理運(yùn)行，運(yùn)行管理費(fèi)用可忽略不計(jì)，因此可認(rèn)為其“運(yùn)行維護(hù)非常簡單”，噸水能耗為0.

實(shí)驗(yàn)2原水來自于江蘇省南京市江寧區(qū)祿口街道石埝村污水處理設(shè)施.該設(shè)施處理石埝村生活污水，采用厭氧池-生態(tài)塘-生態(tài)渠組合工藝，設(shè)計(jì)規(guī)模52.5 m3/d，占地面積265 m2，總投資11.5萬元，噸水投資2 190元/m3.設(shè)計(jì)出水標(biāo)準(zhǔn)為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級B標(biāo)準(zhǔn).實(shí)驗(yàn)采樣時(shí)間為2009年12月13日至2010年3月26日，每15天采樣1次，檢測的水質(zhì)指標(biāo)為 COD、氨氮、TN、TP.

該工藝將生物和生態(tài)方法相結(jié)合，綜合厭氧池有機(jī)物降解、生態(tài)塘有機(jī)物降解及硝化反硝化作用和生態(tài)渠較好的脫氮除磷作用，能夠很好地處理生活污水.其工藝流程圖如圖3所示.

圖3 厭氧池-生態(tài)塘-生態(tài)渠組合工藝

該工藝需要曝氣，即微動(dòng)力運(yùn)行，運(yùn)行維護(hù)人員為1人，故認(rèn)為其“運(yùn)行維護(hù)”一般，取值1/3，噸水能耗0.03元.

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)1原水監(jiān)測的水質(zhì)數(shù)據(jù)如表4所示.實(shí)驗(yàn)2原水監(jiān)測的水質(zhì)數(shù)據(jù)如表5所示.

2.3 綜合效能評價(jià)

根據(jù)上述綜合效能評價(jià)模型，計(jì)算得到厭氧池-梯式生態(tài)濾池組合工藝綜合效能值為0.902 6，參照綜合效能分級表3，得出該工藝綜合效能為“非常好”;厭氧池-生態(tài)塘-生態(tài)渠組合工藝綜合效能值為0.804 5，參照綜合效能分級表3，得出該工藝綜合效能為“好”.

表4 厭氧池-梯式生態(tài)濾池組合工藝實(shí)際運(yùn)行水質(zhì)數(shù)據(jù) mg/L

表5 厭氧池-生態(tài)塘-生態(tài)渠組合工藝實(shí)際運(yùn)行水質(zhì)數(shù)據(jù) mg/L

2.4 案例評價(jià)分析

厭氧池-梯式生態(tài)濾池組合工藝綜合效能評價(jià)結(jié)果為“非常好”，說明該工藝能夠高效處理農(nóng)村污水，這與實(shí)際情況相吻合.厭氧池-梯式生態(tài)濾池工藝針對丘陵區(qū)農(nóng)村或存在一定地勢落差的農(nóng)村地區(qū)而開發(fā)，充分利用勢能，不僅除磷脫氮效果好，而且無動(dòng)力運(yùn)行，大大降低了工藝投資和運(yùn)行費(fèi)用，且工藝流程簡單，運(yùn)行維護(hù)十分簡便.厭氧池-生態(tài)塘-生態(tài)渠組合工藝綜合效能評價(jià)結(jié)果為“好”，說明該工藝能夠有效處理農(nóng)村生活污水，該工藝具有良好的有機(jī)物降解、硝化反硝化功能，只需微動(dòng)力運(yùn)行，管理維護(hù)也很方便.而采用農(nóng)村生活污水處理設(shè)施綜合效能評估模型得到的評價(jià)結(jié)果也科學(xué)地反映了工藝的優(yōu)點(diǎn).

將2個(gè)實(shí)驗(yàn)案例相比較，實(shí)驗(yàn)1的綜合效能值大于實(shí)驗(yàn)2，是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)2單位經(jīng)濟(jì)的投入大于實(shí)驗(yàn)1.實(shí)驗(yàn)案例的比較也說明技術(shù)指標(biāo)與處理設(shè)施的達(dá)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)，綜合效能值能夠體現(xiàn)出單位經(jīng)濟(jì)投入的微小變化.

3 結(jié)語

從2個(gè)實(shí)驗(yàn)案例工藝的評價(jià)結(jié)果及比較來看，效能綜合評價(jià)模型科學(xué)、合理，能夠較好地反映工藝經(jīng)濟(jì)投入和實(shí)際運(yùn)行效果，而且可以迅速發(fā)現(xiàn)工藝運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，有助于對工程進(jìn)行有效的監(jiān)管和維護(hù).且經(jīng)濟(jì)指標(biāo)微小的變化都能從綜合效能值上得到體現(xiàn)，表明評價(jià)模型非常靈敏.從操作過程看，效能綜合評價(jià)指標(biāo)選取合理，數(shù)據(jù)比較容易收集，評價(jià)體系使用簡單，具有較強(qiáng)的可操作性，符合農(nóng)村污水處理設(shè)施運(yùn)行、管理維護(hù)的特點(diǎn).

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