【谷騰環(huán)保網(wǎng)訊】地下式污水處理廠的迅速發(fā)展為實(shí)施“適度集中、就地處理、就近回用”的建設(shè)理念帶來了契機(jī)，以地下廠為核心的分布式廠網(wǎng)建設(shè)模式可彌補(bǔ)傳統(tǒng)集中式模式的不足，具有較大的工程應(yīng)用潛力。對于排水系統(tǒng)建設(shè)方案的決策比選，現(xiàn)有模型極少關(guān)注資源、環(huán)境及社會效益。為此，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)先進(jìn)性、資源效益、環(huán)境效益和社會效益4個(gè)方面構(gòu)建了16個(gè)指標(biāo)的排水系統(tǒng)分布-集中方案決策模型，并以決策指數(shù)H作為最終評價(jià)指標(biāo)。以南明河流域水環(huán)境綜合治理項(xiàng)目為例進(jìn)行綜合評價(jià)，評價(jià)結(jié)果表明分布式廠網(wǎng)建設(shè)模式?jīng)Q策指數(shù)為63.31，優(yōu)于傳統(tǒng)集中式建設(shè)方案。方案實(shí)施后，南明河治理段黑臭消除，國控?cái)嗝嬷饕|(zhì)指標(biāo)達(dá)地表水Ⅲ類，水生植物覆蓋率和生物多樣性提升。

0 引 言

相比于美國在城鎮(zhèn)化率達(dá)60%時(shí)開始建設(shè)污水處理廠，我國在城鎮(zhèn)化率近30%時(shí)已開始建設(shè)，至今建設(shè)模式仍以集中式為主，即在遠(yuǎn)離城市的邊緣、排放水體下游建設(shè)集中式收集管網(wǎng)和大型污水處理廠。集中式排水系統(tǒng)建設(shè)模式在國外較為常見，特別是城市和人口密集地區(qū)，如美國芝加哥Stickney污水處理廠（465萬m³/d）、英國倫敦Beckon污水處理廠（240萬m³/d）、加拿大蒙特利爾Riviere-des-Prairies污水處理廠（760萬m³/d）。集中式模式具有顯著的規(guī)模效應(yīng)，大型污水處理廠選址簡單、易于管理、可靠性強(qiáng)，該模式在我國水污染防治方面發(fā)揮了重要作用，彌補(bǔ)了我國水污染治理行業(yè)發(fā)展初期處理能力不足、運(yùn)營水平不高、管理機(jī)制不完善的缺陷。然而，當(dāng)下我國城鎮(zhèn)化率已突破60%，這種建設(shè)模式所存在的弊端也逐漸顯現(xiàn)：

（1）占用大量土地資源，鄰避效應(yīng)顯著。宮徽等研究結(jié)果表明，傳統(tǒng)污水處理廠建設(shè)模式會對廠區(qū)占據(jù)的土地及其周邊地產(chǎn)產(chǎn)生遠(yuǎn)超自身建設(shè)投資數(shù)倍的價(jià)值損失。

（2）污水長距離輸送，埋深大投資高，管網(wǎng)滲漏率高，進(jìn)廠水質(zhì)濃度低，單位污染物能耗高。曹業(yè)始等研究表明，我國污水管網(wǎng)的平均滲漏率高達(dá)46%，COD在管網(wǎng)中的損失率高達(dá)55%。由于進(jìn)水水質(zhì)濃度低，我國單位污染物去除所需的能耗遠(yuǎn)高于國際平均水平。

（3）不利于水資源回用。再生水廠通常需要建設(shè)較長的回用管網(wǎng)，建設(shè)在河道下游的水廠需要利用水泵將再生水再次提升至河道上游，由此造成管網(wǎng)投資高、運(yùn)行成本高的情況。

（4）不利于能源利用。采用水源熱泵對污水處理廠出水制冷供暖是能源利用的有效手段，其有效服務(wù)半徑一般為3km，而污水處理廠通常遠(yuǎn)離建成區(qū)，導(dǎo)致熱能難利用。

近年中國城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速，新建污水處理廠通常在5~10年內(nèi)就面臨被城市化區(qū)域包圍的局面。傳統(tǒng)模式下，水廠擴(kuò)建提標(biāo)勢必需要在下游選擇新址，擴(kuò)大處理規(guī)模、占地面積和管網(wǎng)輻射范圍，然而仍將面臨若干年后再次被城市包圍的局面。如成都三瓦窯污水處理廠在2013年因鄰避效應(yīng)而搬遷至下游4km處，僅管網(wǎng)投資新增達(dá)8.5億元，現(xiàn)新廠址已再次被城市包圍。傳統(tǒng)建設(shè)模式會導(dǎo)致“異地新建、被城市包圍、再次異地、再次被包圍”的惡性循環(huán)。

針對集中式建設(shè)模式存在的問題，“適度集中、就地處理、就近回用”的新建設(shè)原則逐漸被業(yè)界接受、提倡并推廣。美國就經(jīng)歷了“集中、分散、集中與分散相結(jié)合”的發(fā)展路徑：在20世紀(jì)70、80年代開始大規(guī)模建設(shè)集中式污水處理系統(tǒng)，20世紀(jì)90年代分散式污水處理開始流行，至今美國已形成分散式治理系統(tǒng)與集中式污水處理并行相伴的治理模式。采用分散與集中相結(jié)合的原則進(jìn)行污水處理廠及管網(wǎng)建設(shè)具備節(jié)省管網(wǎng)投資、降低管道滲漏率、有利于水資源回用與能源利用等優(yōu)點(diǎn)。

我國地下式污水處理廠發(fā)展迅速，為實(shí)施集中分散相結(jié)合的廠網(wǎng)建設(shè)理念提供了契機(jī)。“十三五”末期我國地下廠總數(shù)量已達(dá)119座，處理規(guī)模達(dá)1 253萬m³/d。地下式污水處理廠具有環(huán)境友好、土地集約、資源利用、化鄰避為鄰利、選址靈活等優(yōu)勢，將之與上述建設(shè)理念結(jié)合而形成的分布式廠網(wǎng)建設(shè)模式，兼具地下廠和分散式的優(yōu)點(diǎn)，在合理規(guī)劃的基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境和社會正效益，具有實(shí)際工程意義和大范圍推廣應(yīng)用的潛力。

對于排水系統(tǒng)建設(shè)方案分散還是集中的決策比選，現(xiàn)有模型方法多從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度評價(jià)，極少關(guān)注資源、環(huán)境和社會方面的影響。層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是一種定性與定量相結(jié)合的決策評價(jià)方法，是分析多目標(biāo)、多層次、復(fù)雜系統(tǒng)的有效工具，被廣泛應(yīng)用于環(huán)保行業(yè)中各類技術(shù)、方案的綜合評估，如最佳可行技術(shù)（Best Available Technology，BAT）。本文從技術(shù)經(jīng)濟(jì)先進(jìn)性、資源效益、環(huán)境效益及社會效益4個(gè)方面構(gòu)建了16個(gè)指標(biāo)的分布-集中方案決策評價(jià)模型。為使評價(jià)模型具有普遍可比性，針對確定性指標(biāo)建立可通用的標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)，針對非確定性指標(biāo)采用5級劃分法，并以決策指數(shù)H作為最終評價(jià)指標(biāo)。

1  排水系統(tǒng)分布-集中方案決策評價(jià)模型構(gòu)建

1.1 評價(jià)指標(biāo)優(yōu)選

模型中準(zhǔn)則層下的相應(yīng)指標(biāo)通過專家咨詢和技術(shù)調(diào)研篩選得出，同時(shí)遵循目標(biāo)針對性、綜合指示性、數(shù)據(jù)可獲得性和指標(biāo)可考性原則。表1為最終篩選出的16項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)。在指標(biāo)篩選過程中，曾考慮管網(wǎng)單位建設(shè)成本、服務(wù)范圍管網(wǎng)密度、單位水資源回用收入、民眾滿意度、科普教育普及性等指標(biāo)，但上述指標(biāo)存在數(shù)據(jù)可獲得性較差、與已有指標(biāo)關(guān)聯(lián)度高等問題，且這些指標(biāo)的相關(guān)內(nèi)容均可被最終篩選出的16項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)覆蓋。

表1 分布-集中決策模型評價(jià)指標(biāo)篩選

1.2 層次模型與指標(biāo)權(quán)重

排水系統(tǒng)分布-集中決策模型的指標(biāo)權(quán)重確定步驟為：①行業(yè)內(nèi)5位專家及5位工程師，按照9標(biāo)度法對指標(biāo)體系逐層比較；②構(gòu)建判斷矩陣，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。若一致性檢驗(yàn)不通過，則與受訪者進(jìn)一步溝通；③以專家給出的權(quán)重均值作為評價(jià)指標(biāo)權(quán)重。結(jié)果顯示，準(zhǔn)則層中資源效益所占權(quán)重最高，這與如今國家大力推行資源化的發(fā)展方向一致。技術(shù)經(jīng)濟(jì)先進(jìn)性在本模型中同樣重要，權(quán)重占比第二。污水處理廠的建設(shè)應(yīng)適度集中，過于分散會增加污水處理廠建設(shè)和運(yùn)維成本，降低方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，而過于集中則會導(dǎo)致管網(wǎng)長度和成本增加，同樣會影響技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。環(huán)境效益和社會效益在本模型中重要程度基本相當(dāng)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有評價(jià)模型的不足。各評價(jià)指標(biāo)中，能量平衡率、再生水利用率、土地釋放程度對評價(jià)結(jié)果的影響最大，且這三項(xiàng)指標(biāo)均屬于資源效益準(zhǔn)則層?？梢钥闯?，不同分散程度的方案在能量、再生水及土地等資源利用上所產(chǎn)生的效益是衡量方案好壞的重要考量。

1.3 評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

C1~C5采用離差標(biāo)準(zhǔn)化法對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理［見式（1）］。該方法需要確定評價(jià)指標(biāo)中的最大值（Cmax）和最小值（Cmin），否則每次評價(jià)時(shí)若最大值和最小值變化，就需要重新定義標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)，無法做到橫向統(tǒng)一對比不同方案。

式中 Ci——待標(biāo)準(zhǔn)化的樣本數(shù)據(jù)；

Cmax——對應(yīng)評價(jià)指標(biāo)最大值；

Cmin——對應(yīng)評價(jià)指標(biāo)最小值。

確定性指標(biāo)對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)見表3，數(shù)據(jù)范圍確定方法如下：

（1）污水處理廠單位建設(shè)成本（C1）：參考《建標(biāo)［2001］77號 城市污水處理工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》及相關(guān)文獻(xiàn)，以噸水投資2 000元/（m³·d）為最小值。采用大數(shù)據(jù)技術(shù)、結(jié)合公開發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)，調(diào)研國內(nèi)103座已運(yùn)行的地下廠，選取出水標(biāo)準(zhǔn)高于一級A、箱體及設(shè)備均一次建成的地下廠作為成本分析對象，有效數(shù)據(jù)樣本共計(jì)28座。圖1顯示規(guī)模效應(yīng)在地下廠領(lǐng)域仍在存在，其單位建設(shè)成本與處理規(guī)模的關(guān)系以式（2）表示。計(jì)算處理規(guī)模為1萬m³/d時(shí)的單位建設(shè)成本，取整后作為標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)的最大值，即16 000元/（m³·d）。

式中 P——地下廠單位建設(shè)成本，元/（m³·d）；

Q——為處理規(guī)模，萬m³/d。

表3 評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)范圍與標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)

（2）單位污水收集管網(wǎng)長度（C2）：以《中國城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒（2019）》中各省市建成區(qū)排水管道長度和污水處理能力為基礎(chǔ)，計(jì)算全國680座城市單位污水收集管網(wǎng)長度，其最小值和均值分別為0.17 m/（m³·d）、3.54 m/（m³·d）。考慮標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)的可用性，取3.55 m/（萬m³·年）作為本評價(jià)指標(biāo)最大值，取0.15m/（萬m³·年）為最小值。

（3）單位再生水回用管網(wǎng)長度（C3）：以《中國城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒（2019）》中各省市再生水管道長度和全年再生水利用量為基礎(chǔ)，計(jì)算全國680座城市的單位再生水回用管網(wǎng)長度，其最小值、均值分別為0、10.46 m/（萬m³·年）。考慮標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)的可用性，取10 m/（萬m³·年）作為本評價(jià)指標(biāo)最大值，取0為最小值。

（4）污水處理廠單位污染物去除能耗（C4）：至2018年我國一級A及以上污水處理廠單位COD能耗范圍為0.6~5.2 kW·h/kg COD，該數(shù)據(jù)基于住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部“全國城鎮(zhèn)污水處理廠信息管理系統(tǒng)”（2018年）中4 300多座污水處理廠實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出，具備可靠性。同時(shí)，考慮數(shù)據(jù)時(shí)效性、水處理技術(shù)發(fā)展速度和標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)的可用性，該項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的最小值、最大值分別確定為0.5 kW·h/kg COD、5.0 kW·h/kg COD。

（5）污水處理廠單位用地面積（C5）：以《建標(biāo)［2001］77號 城市污水處理工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的城鎮(zhèn)污水處理廠單位用地面積1.6 m²/（m³·d）為最大值。以103座調(diào)研的已運(yùn)行地下廠為基礎(chǔ)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)、文獻(xiàn)調(diào)研等方法獲取地下廠的箱體占地面積，有效數(shù)據(jù)樣本共計(jì)61座，其最小值、最大值和全國均值分別為0.15 m²/（m³·d）、0.83 m²/（m³·d）、0.33 m²/（m³·d）?？紤]標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)的可用性，取0.15 m²/（m³·d）作為本評價(jià)指標(biāo)最小值。

（6）C7~C9、C11、C12的數(shù)據(jù)范圍為0~100%。C13、C15分別構(gòu)建與水資源利用種類的數(shù)量、公共服務(wù)供給種類的數(shù)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)。

其余指標(biāo)采用5級劃分法進(jìn)行評分，評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表4。

1.4 決策指數(shù)H的計(jì)算方法

利用式（15）計(jì)算各方案的最終得分，以分布-集中決策指數(shù)H表示，并用于評價(jià)不同分布程度的排水系統(tǒng)方案，決策指數(shù)越高，表明方案越優(yōu)。
 

2 應(yīng)用案例

2.1 南明河概況

南明河是貴陽市的母親河，其干流及5條支流全長118 km，流域內(nèi)服務(wù)人口350萬人，服務(wù)面積6 600km²，是長江與珠江上游的重要生態(tài)屏障。2013年前，南明河流域水質(zhì)惡化、污染嚴(yán)重，中心城區(qū)段水質(zhì)長期處于劣Ⅴ類，主要原因包括：①收集與處理設(shè)施跟不上城市高速發(fā)展，現(xiàn)狀污水處理廠僅5座，處理能力67萬m³/d，遠(yuǎn)期缺口超100萬m³/d；②貴陽市為典型喀斯特地貌，且南明河流域主城區(qū)人口密度高（7 100~8 100人/km²），污水收集難、輸送難；③南明河為季節(jié)性缺水河流，城市發(fā)展占用水資源，使生態(tài)基流持續(xù)下降，河道自凈能力降低。針對上述問題，南明河流域水環(huán)境綜合治理項(xiàng)目自2012年開始實(shí)施，至今已持續(xù)近9年。

2.2 決策模型應(yīng)用與結(jié)果討論

在南明河流域綜合治理之初提出了傳統(tǒng)集中式建設(shè)模式和分布式廠網(wǎng)建設(shè)模式兩種方案。圖2為按照原規(guī)劃思路編制的排水系統(tǒng)集中式方案，新建3座地上式污水處理廠（處理規(guī)模62.5萬m³/d），擴(kuò)建4座地上式污水處理廠（處理規(guī)模53.5萬m³/d）。圖3為以“下沉式再生水廠”為核心，結(jié)合“適度集中、就地處理、就近回用”原則提出的分布式廠網(wǎng)建設(shè)模式，沿南明河干支流新建改擴(kuò)建再生水廠23座，新增處理規(guī)模116萬m³/d。其中，下沉式污水處理廠17座（處理規(guī)模67.5萬m³/d），地上污水處理廠6座（處理規(guī)模48.5萬m³/d）。

應(yīng)用排水系統(tǒng)分布-集中決策模型，對原規(guī)劃集中式下游建廠方案（方案一）及分布式廠網(wǎng)建設(shè)方案（方案二）進(jìn)行評價(jià)決策，評價(jià)結(jié)果見表5。兩方案決策指數(shù)H分別為31.06和63.31，表明方案二較方案一更優(yōu)。方案二在技術(shù)經(jīng)濟(jì)先進(jìn)性上的得分略高于方案一，這是因?yàn)椋弘m然方案一中的污水處理廠具有規(guī)模效應(yīng)，單位建設(shè)成本、單位污染物去除能耗、運(yùn)行維護(hù)便捷性的得分高于方案二，但因方案二采用的分布式廠網(wǎng)建設(shè)模式大幅節(jié)省了污水收集管網(wǎng)和回用管網(wǎng)的長度，且該方案中的污水處理廠以下沉廠為主，整體節(jié)地效果明顯。“分布”“下沉”帶來的優(yōu)勢在資源、環(huán)境、社會效益層面均有體現(xiàn)：借助下沉廠實(shí)施分布式廠網(wǎng)建設(shè)，一方面能夠提升水資源、能源的利用效率和多樣性，為實(shí)現(xiàn)碳中和提供條件；另一方面，可充分釋放土地資源，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)開發(fā)可體現(xiàn)土地價(jià)值，進(jìn)行景觀公園建設(shè)可提升地面綠化率、降低碳排放，在解決鄰避效應(yīng)的同時(shí)供給公共服務(wù)，實(shí)現(xiàn)與周邊環(huán)境的高度相容。

表5 南明河排水系統(tǒng)分布-集中方案評價(jià)結(jié)果

圖4 2012-2021年南明河河道國控?cái)嗝嫠|(zhì)指標(biāo)變化情況

將下沉廠與“適度集中、就地處理、就近回用”相結(jié)合所形成的分布式廠網(wǎng)建設(shè)模式可在保證技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生較好的資源、環(huán)境和社會效益。運(yùn)用本模型進(jìn)行方案評價(jià)時(shí)可將各維度評價(jià)指標(biāo)量化為指標(biāo)得分，易于方案比選與深入分析。上述方案二已實(shí)際運(yùn)用于南明河流域水環(huán)境綜合治理項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)南明河高品質(zhì)再生水水源補(bǔ)水4.5億m³/年，節(jié)省管網(wǎng)投資15億元，節(jié)省調(diào)水補(bǔ)水費(fèi)用超1.58億元/年，節(jié)約土地資源約1 053畝（1畝=667 m²）。目前，南明河治理段黑臭已消除，2021年國控?cái)嗝鍯OD、NH3-N已達(dá)地表水Ⅲ類，部分河段水生植物覆蓋率達(dá)到80%以上，水生生物多樣性提升。

3 結(jié) 論

（1）針對排水系統(tǒng)分布式建設(shè)方案和集中式建設(shè)方案的決策比選，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)先進(jìn)性、資源效益、環(huán)境效益、社會效益四個(gè)方面16個(gè)指標(biāo)，首次構(gòu)建了排水系統(tǒng)分布-集中方案的綜合性決策模型。

（2）采用層次分析法確定了決策模型的指標(biāo)權(quán)重，準(zhǔn)則層中資源效益所占權(quán)重最高，技術(shù)經(jīng)濟(jì)先進(jìn)性權(quán)重占比第二，環(huán)境效益和社會效益重要程度基本相當(dāng)，評價(jià)指標(biāo)中的能量平衡率、再生水利用率、土地釋放程度對評價(jià)結(jié)果的影響最大。

（3）為使評價(jià)模型具有普遍可比性，針對確定性指標(biāo)，采用離差標(biāo)準(zhǔn)化法構(gòu)建可通用的標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)，針對非確定性指標(biāo)，采用5級劃分法，最終以決策指數(shù)H作為評價(jià)指標(biāo)，易于方案比選與深入分析。

（4）以南明河流域水環(huán)境綜合治理項(xiàng)目為例，進(jìn)行了傳統(tǒng)集中式和分布式建設(shè)方案的綜合評價(jià)，結(jié)果表明分布式廠網(wǎng)建設(shè)方案優(yōu)于傳統(tǒng)集中式建設(shè)方案，國控?cái)嗝嬷饕|(zhì)指標(biāo)已達(dá)地表水Ⅲ類，水生植物覆蓋率和水生生物多樣性提升。該項(xiàng)目是國內(nèi)首次將分布式廠網(wǎng)建設(shè)模式與下沉廠結(jié)合應(yīng)用于流域尺度、城市河道治理的案例，具有借鑒意義。

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