駱其金，鐘昌琴，諶建宇，龐志華

環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣東 廣州　510655

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農(nóng)村生活污水處理技術(shù)評(píng)估方法與案例研究

駱其金，鐘昌琴*，諶建宇，龐志華

環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣東 廣州510655

摘要以農(nóng)村生活污水處理技術(shù)為研究對(duì)象，采用以噸水占地面積評(píng)估為限制性因素評(píng)估，費(fèi)用效益分析為核心因素評(píng)估，層次分析+灰色關(guān)聯(lián)度為次重因素評(píng)估的“三步式”綜合評(píng)估方法，對(duì)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)進(jìn)行了篩選研究，給出了評(píng)估法數(shù)學(xué)模型的建模過(guò)程，并進(jìn)行了實(shí)例分析。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研、實(shí)地調(diào)研及信函調(diào)研等篩選出AO、A2O、水解酸化(厭氧)+接觸氧化、厭氧+生態(tài)溝、厭氧+氧化塘和厭氧+人工濕地6類典型的農(nóng)村污水處理技術(shù)，利用評(píng)估模型進(jìn)行了單因素評(píng)估，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了“三步式”綜合評(píng)估。單因素評(píng)估結(jié)果表明：水解酸化(厭氧)+接觸氧化、厭氧+人工濕地、水解酸化(厭氧)+接觸氧化分別是限制性因素、核心因素、次重因素等單因素評(píng)估的最佳技術(shù)。綜合評(píng)估表明：在土地限制性強(qiáng)的區(qū)域，水解酸化(厭氧)+接觸氧化組合工藝為最佳可行技術(shù)；在土地限制性弱的區(qū)域，厭氧+人工濕地組合工藝為最佳可行技術(shù)。

關(guān)鍵詞農(nóng)村；生活污水；綜合評(píng)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

我國(guó)農(nóng)村人口數(shù)量多，居住分散，根據(jù)2010年第六次人口普查結(jié)果，我國(guó)農(nóng)業(yè)人口為6.74億，占總?cè)丝诘?0.32%。據(jù)調(diào)查，我國(guó)農(nóng)村生活污水的排放量為80億ta，約占全國(guó)生活污水排放量的50%[1-2]。但是農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后，許多農(nóng)村還未建設(shè)污水處理設(shè)施，已建的污水處理工藝參差不齊，且存在某些不良的污水排放習(xí)慣，導(dǎo)致農(nóng)村環(huán)境污染日益嚴(yán)重，農(nóng)村污染防治已成為我國(guó)環(huán)境治理的重要組成。選擇適用的污水處理技術(shù)是農(nóng)村生活污水處理的關(guān)鍵。目前，農(nóng)村生活污水處理技術(shù)普遍采用專家評(píng)價(jià)法進(jìn)行篩選評(píng)估，以定性判斷為主。

隨著決策科學(xué)的發(fā)展，一些學(xué)者采用模糊優(yōu)劣系數(shù)法[3]、層次分析(AHP)法[4-6]、三角模糊數(shù)和AHP法綜合的模糊評(píng)價(jià)法[7]、二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)法[8]、模糊積分模型[9-10]、灰色關(guān)聯(lián)-TOPSIS模型綜合效能評(píng)價(jià)法[11]、灰色綜合評(píng)判法[12]等方法評(píng)估包括農(nóng)村生活污水處理技術(shù)在內(nèi)的污水處理技術(shù)。然而目前常用的基于應(yīng)用決策科學(xué)的綜合評(píng)估方法雖具有因素全面、客觀定量的優(yōu)點(diǎn)，但存在評(píng)估指標(biāo)體系較復(fù)雜、指標(biāo)繁多、評(píng)估重點(diǎn)不突出、應(yīng)用性不強(qiáng)的問(wèn)題。

根據(jù)農(nóng)村的特點(diǎn)，確定農(nóng)村生活污水處理技術(shù)選擇的原則：1)占地面積小。隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，農(nóng)村土地資源價(jià)值進(jìn)入升值通道，因此占地面積成為農(nóng)村污水處理技術(shù)選擇時(shí)需要重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵問(wèn)題之一，特別是在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的城市郊區(qū)農(nóng)村。2)性價(jià)比高。即農(nóng)村生活污水處理技術(shù)應(yīng)是一次性投資少，運(yùn)行費(fèi)用低，處理效果好。3)技術(shù)成熟穩(wěn)定，運(yùn)行管理方便。農(nóng)村地區(qū)專業(yè)技術(shù)人才相對(duì)缺乏，因此要求污水處理技術(shù)成熟穩(wěn)定，故障率小，運(yùn)行管理方便簡(jiǎn)單。根據(jù)以上分析，筆者構(gòu)建了“三步式”綜合評(píng)估方法，同時(shí)以廣州市某郊區(qū)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)的篩選為研究對(duì)象，進(jìn)行了實(shí)例應(yīng)用，探討“三步式”綜合評(píng)估方法的科學(xué)性、可行性和實(shí)用性，以期為我國(guó)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)的篩選提供技術(shù)支撐。

1農(nóng)村生活污水處理技術(shù)評(píng)估方法的確定

1.1技術(shù)評(píng)估框架的確定

根據(jù)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)選擇的原則，建立了“三步式”綜合評(píng)估方法：1)以噸水占地面積評(píng)估為限制性因素評(píng)估；2)以費(fèi)用效益分析為核心因素評(píng)估；3)以層次分析+灰色關(guān)聯(lián)度為次重因素評(píng)估。

占地面積評(píng)估是對(duì)技術(shù)中的噸水占地面積進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)分評(píng)估，明確各技術(shù)類型相對(duì)占地面積；費(fèi)用效益分析是指通過(guò)權(quán)衡各備選方案的效益與費(fèi)用來(lái)評(píng)估方案的可行性，能較全面地鑒別評(píng)估備選方案的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益、技術(shù)性能等，實(shí)用性強(qiáng)[16]；為更全面的對(duì)備選方案進(jìn)行評(píng)估，在限制性因素評(píng)估和核心因素評(píng)估之后，采用層次分析+灰色關(guān)聯(lián)度的評(píng)估方法進(jìn)行次重因素評(píng)估；最后將綜合“三步”評(píng)估結(jié)果，得到綜合評(píng)估結(jié)果。農(nóng)村生活污水處理技術(shù)評(píng)估流程見(jiàn)圖1。

圖1　農(nóng)村生活污水處理技術(shù)評(píng)估流程Fig.1　The rural domestic wastewater of BAT assessment route

1.2綜合評(píng)估方法的建立

現(xiàn)有技術(shù)調(diào)研采用文獻(xiàn)調(diào)研、實(shí)地調(diào)研及信函調(diào)研等多種方式，采集目前已有并實(shí)際應(yīng)用的農(nóng)村生活污水處理技術(shù)。備選技術(shù)庫(kù)入庫(kù)門檻條件：1)技術(shù)已實(shí)現(xiàn)實(shí)際工程應(yīng)用；2)污水經(jīng)處理后可穩(wěn)定達(dá)標(biāo)；3)技術(shù)成熟可靠。

1.2.1限制性因素評(píng)估

對(duì)各技術(shù)中的噸水占地面積進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)分，評(píng)分公式為:

Px=AminAx

(1)

式中：Px為x技術(shù)限制性因素評(píng)分；Amin為備選技術(shù)中噸水占地面積最小值；Ax為x技術(shù)的噸水占地面積。

1.2.2核心因素評(píng)估

采用費(fèi)用年值法對(duì)核心因素進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算方法[16]如下。

(1)費(fèi)用年值(AC)計(jì)算：

[I+C′(PF,i,n)](AP,i,n)

(2)

式中：I為投資額；PC為費(fèi)用現(xiàn)值；COt為第t年項(xiàng)目資金流出量；C′為年經(jīng)營(yíng)成本；PF,i,n為一次支付現(xiàn)值系數(shù)；AP,i,n為資金回收系數(shù)；基準(zhǔn)收益率i設(shè)為10%，工程壽命為20 a。

(2)評(píng)估結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化：

Sx=ACminACx

(3)

式中：Sx為x技術(shù)核心因素評(píng)分；ACmin為最小年費(fèi)用；ACx為x技術(shù)的年費(fèi)用。

1.2.3次重因素評(píng)估1.2.3.1指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)的特點(diǎn)選擇指標(biāo)，構(gòu)建指標(biāo)體系，如圖2所示。

圖2　次重因素評(píng)估指標(biāo)體系Fig.2　The emission reduction of ammonia BAT evaluation index system(non-key factors)

1.2.3.2指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算是評(píng)價(jià)指標(biāo)體系準(zhǔn)確性和科學(xué)性的關(guān)鍵。本研究采用AHP法計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)權(quán)重[13]，其權(quán)重(W)=(W1，W2,…,Wk)。

1.2.3.3參考數(shù)列與比較數(shù)列的選定

參考數(shù)列采用田云麗等[14]提出的方法，記為X0，X0={X0(1)，X0(2)，…，X0(m)}；將決定、影響被評(píng)判事物性質(zhì)的各子因素?cái)?shù)據(jù)的有序排列作為關(guān)聯(lián)分析的比較數(shù)列[15]，記為xi(k)，xi(k)={xi(1)，xi(2)，…，xi(m)}(i=1，2，…，n)。

1.2.3.4評(píng)估計(jì)算方法

(1)數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化

采用駱其金等[16-18]提出的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化方法對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，具體如下。

對(duì)正向指標(biāo)，按式(3)計(jì)算：

xi(k)=SxiSoi

(4)

對(duì)逆向指標(biāo)，按式(4)計(jì)算：

xi(k)=SoiSxi

(5)

式中：xi(k)為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的單項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)指數(shù)；Sxi為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)際值；Soi為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的參考數(shù)列值。

(2)關(guān)聯(lián)度系數(shù)計(jì)算

關(guān)聯(lián)度系數(shù)計(jì)算公式[16-20]：ξ∈[0,1]，一般取ξ=0.5，

ξi(k)=

(6)

(3)綜合關(guān)聯(lián)度計(jì)算

綜合關(guān)聯(lián)度(ri)計(jì)算公式[13,16-19]：

(7)

1.2.4綜合評(píng)估分析

經(jīng)過(guò)“三步式”綜合評(píng)估方法的評(píng)估計(jì)算，得出各自評(píng)估結(jié)果后，采用下式對(duì)三重評(píng)估結(jié)果進(jìn)行綜合分析。

Rx=Px×w限+Sx×w核+ri×w次×100

(8)

式中：Rx為x技術(shù)的綜合評(píng)分；w限為限制性因素評(píng)估權(quán)重(根據(jù)實(shí)際情況取0.3～0.65)；w核為核心因素評(píng)估權(quán)重(根據(jù)實(shí)際情況取0.25～0.55)；w次為次重因素評(píng)估權(quán)重(根據(jù)實(shí)際情況取0.15～0.4)。3種評(píng)估權(quán)重之和為1。

根據(jù)綜合評(píng)估分析計(jì)算結(jié)果，當(dāng)R≥80，參選技術(shù)為最佳可行技術(shù)；當(dāng)70≤R<80，參選技術(shù)為可行技術(shù)，當(dāng)R<70，參選技術(shù)為一般技術(shù)。

2案例分析

2.1確定備選技術(shù)

以廣州市某郊區(qū)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)篩選為研究對(duì)象，通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研、實(shí)地調(diào)研及信函調(diào)研等途徑收集目前該郊區(qū)農(nóng)村常用的生活污水處理技術(shù)參數(shù)并整理分析，最終獲得6類典型的農(nóng)村生活污水處理技術(shù)及其參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1　工程投資及運(yùn)行費(fèi)用

2.2農(nóng)村生活污水處理技術(shù)評(píng)估

2.2.1限制性因素評(píng)估

根據(jù)式(1)計(jì)算得到6類污水處理技術(shù)的限制性因素技術(shù)評(píng)分結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　限制性因素評(píng)估結(jié)果

2.2.2核心因素評(píng)估計(jì)算

根據(jù)式(2)和(3)，核心因素評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表3。

2.2.3次重因素評(píng)估2.2.3.1各技術(shù)評(píng)估指標(biāo)參數(shù)

對(duì)6類農(nóng)村生活污水處理技術(shù)利用構(gòu)建的指標(biāo)

表3　核心因素評(píng)估結(jié)果

注：基準(zhǔn)收益率為10%，工程壽命為20 a。

評(píng)估體系進(jìn)行次重因素評(píng)估。次重因素評(píng)估中各指標(biāo)的參數(shù)值通過(guò)專家評(píng)分得出。向25位理論知識(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)均比較豐富的廢水治理專家發(fā)送了評(píng)分問(wèn)卷，專家從次重因素的各評(píng)估指標(biāo)對(duì)6類技術(shù)進(jìn)行評(píng)分，回收到23份有效評(píng)分表。假定專家權(quán)重相同，即所有專家在評(píng)分時(shí)具有同等的重要性，用算術(shù)加權(quán)法將各專家賦予的指標(biāo)評(píng)分進(jìn)行綜合計(jì)算后，得出指標(biāo)綜合評(píng)分，如表4所示。

表4　專家評(píng)分均值

2.2.3.2權(quán)重計(jì)算

在發(fā)放指標(biāo)參數(shù)評(píng)分問(wèn)卷的同時(shí)發(fā)放有效構(gòu)造判斷矩陣調(diào)研表，共回收23份，采用AHP法求解出各指標(biāo)最終權(quán)重(W)，如表5所示。

表5　評(píng)估指標(biāo)權(quán)重均值

2.2.3.3技術(shù)評(píng)估

將表4和表5中的數(shù)據(jù)代入式(4)～(7)中，結(jié)果如表6所示。

表6　次重因素評(píng)估結(jié)果

3綜合評(píng)估

廣州市某郊區(qū)為經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展地區(qū)，除投資總額外，部分村鎮(zhèn)土地資源成為發(fā)展的瓶頸因素，而部分村鎮(zhèn)土地資源相對(duì)比較多，因此本評(píng)估分2種情景進(jìn)行權(quán)重取值。情景一：土地限制性強(qiáng)。限制性因素評(píng)估權(quán)重(w限)取0.5，核心評(píng)估權(quán)重(w核)取0.3，次重因素評(píng)估權(quán)重(w次)取0.2。情景二：土地限制性弱。限制性因素評(píng)估權(quán)重(w限)取0.3，核心評(píng)估權(quán)重(w核)取0.55，次重因素評(píng)估權(quán)重(w次)取0.15。根據(jù)綜合評(píng)估計(jì)算公式，各技術(shù)綜合評(píng)估結(jié)果如表7和表8所示。

表7　綜合評(píng)估結(jié)果(情景一)

表8　綜合評(píng)估結(jié)果(情景二)

根據(jù)綜合評(píng)估分析計(jì)算結(jié)果，情景一：生活污水處理技術(shù)應(yīng)用區(qū)域土地限制性強(qiáng)，評(píng)價(jià)結(jié)果為水解酸化(厭氧)+接觸氧化達(dá)到較好水平(R≥80)，為最佳可行技術(shù)；而AO、厭氧+人工濕地(70≤R<80)為可行技術(shù)；A2O、厭氧+氧化塘、厭氧+生態(tài)溝(R<70)為一般技術(shù)。情景二：生活污水處理技術(shù)應(yīng)用區(qū)域土地限制性弱，評(píng)價(jià)結(jié)果為厭氧+人工濕地達(dá)到較好水平(R≥80)，為最佳可行技術(shù)；而厭氧+氧化塘(70≤R<80)為可行技術(shù)；水解酸化(厭氧)+接觸氧化、厭氧+生態(tài)溝、AO、A2O(R<70)為一般技術(shù)。

4結(jié)論

(1)采用以噸水占地面積評(píng)估為限制性因素評(píng)估，費(fèi)用效益分析為核心因素評(píng)估，層次分析+灰色關(guān)聯(lián)度為次重因素評(píng)估的“三步式”綜合評(píng)估方法，通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研、實(shí)地調(diào)研及信函調(diào)研等，在滿足污水處理后達(dá)標(biāo)排放的前提下，篩選出AO、A2O、水解酸化(厭氧)+接觸氧化、厭氧+生態(tài)溝、厭氧+氧化塘和厭氧+人工濕地6類典型的農(nóng)村生活污水處理技術(shù)。

(2)限制性因素評(píng)估結(jié)果表明，各典型技術(shù)優(yōu)先順序?yàn)椋核馑峄?厭氧)+接觸氧化>AO>A2O>厭氧+人工濕地>厭氧+氧化塘>厭氧+生態(tài)溝。核心因素評(píng)估結(jié)果表明，各典型技術(shù)優(yōu)先順序?yàn)椋簠捬?人工濕地>厭氧+氧化塘>厭氧+生態(tài)溝>水解酸化(厭氧)+接觸氧化>AO>A2O。次重因素評(píng)估結(jié)果表明，各典型技術(shù)優(yōu)先順序?yàn)椋核馑峄?厭氧)+接觸氧化>A2O>AO>厭氧+人工濕地>厭氧+氧化塘>厭氧+生態(tài)溝。

(3)運(yùn)用“三步式”綜合評(píng)估方法對(duì)廣州市某農(nóng)村地區(qū)生活污水處理技術(shù)進(jìn)行優(yōu)選。結(jié)果表明：在土地限制性強(qiáng)的區(qū)域，水解酸化(厭氧)+接觸氧化組合工藝為最佳可行技術(shù)，在土地限制性弱的區(qū)域，厭氧+人工濕地組合工藝為最佳可行技術(shù)。

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中圖分類號(hào):X703

文章編號(hào):1674-991X(2016)02-0105-06

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

作者簡(jiǎn)介:駱其金(1981—),男,高級(jí)工程師,碩士,主要研究水污染控制與治理及生態(tài)修復(fù),luoqijin@scies.org*責(zé)任作者:鐘昌琴(1965—),男,高級(jí)工程師,主要從事水污染控制與環(huán)境評(píng)價(jià)研究,zhongchangqin@scies.org

基金項(xiàng)目:國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07206-002)

收稿日期:2015-10-26

駱其金，鐘昌琴，諶建宇，等.農(nóng)村生活污水處理技術(shù)評(píng)估方法與案例研究[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào),2016,6(2):105-110.

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