2023, Vol. 44
2. 北京林业大学环境科学与工程学院, 污染水体源控制与生态修复技术北京市高等学校工程研究中心, 北京 100083;
3. 上海勘测设计研究院有限公司, 上海 200335;
4. 中国长江三峡集团有限公司, 长江生态环境工程研究中心(上海), 上海 200335
, ZHANG Wen-qiang1,2 , HU Fei-chao1,2 , PANG Kuo1,2 , GUO Ya-li3,4 , ZHANG Ting3,4 , LI Min1,2
2. Engineering Research Center for Water Pollution Source Control & Eco-remediation, College of Environmental Science and Engineering, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China;
3. Shanghai Investigation, Design & Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200335, China;
4. Yangtze Eco-Environment Engineering Research Center (Shanghai), China Three Gorges Corporation, Shanghai 200335, China
长江流域农村污水治理是实施长江大保护战略的重要环节, 建设农村污水治理工程, 对改善农村生活环境和提升农民生活品质具有重要作用.随着长江大保护战略的持续推动, 众多污水处理技术被研发和应用到农村地区, 包括借鉴城市污水处理发展相对成熟的技术[1]以及针对农村污水特点衍生出的新技术[2].污水处理技术的发展对农村污水治理工作的实施起到了积极地推动作用, 但如何从众多技术中选择出满足实际工程需要的处理技术, 也成为了设计人员在工程设计时的难点.若盲目地对技术进行应用不仅会影响到污水的治理效果, 还会导致成本的大幅增加[3~5], 因此, 农村污水处理技术的合理选择是解决长江流域农村污水治理问题的关键.
目前, 污水处理技术主要通过构建指标体系的方法进行评价和选择, 从技术性能、经济效益、运维管理、环境影响或社会效益等几方面多维度考察[6~8], 能够较为全面地评价处理技术的综合性能.如金汉峰等[9]选取绍兴14个污水处理终端工艺进行评价, 优选出AO+人工湿地为最佳推荐工艺; 刘建伟等[10]以北京市6种常见农村污水处理技术为评价对象, 评价结果表明A2O+MBR技术的综合性能最优.然而现有研究缺少对技术应用条件的系统分析, 简单地将处理技术归集为同一类别进行评价, 忽略了处理技术应用情景的差异性[11], 最终导致优选技术与实际应用条件不匹配[12].基于污水收集方式和排放标准对方案层中的处理技术进行分类评价[13], 优选出的处理技术更具适用性.如史世强等[14]对北京市常用的6种农村污水处理技术进行了分类评估, 得到了不同污水产生和排放背景下的适宜技术; 王培京等[12]为北京市农村污水治理优选出了适用于不同处理规模和排放标准的处理技术.
污水处理技术常用的评价方法有层次分析法[15, 16]、灰色关联分析法[17]、逼近理想排序法[18]和生命周期评价[19, 20]等.由于农村污水处理技术评价涉及诸多影响因素, 层次分析法以其应用性强和评价重点突出的特点, 在农村污水处理技术评价中更多被应用[21].然而层次分析法[22]受专家的主观影响较大, 每位专家个体权重计算结果存在较大差异[23].群决策是在层次分析法的基础上实现的[24], 当邀请多位专家进行决策时, 可以综合考虑多位专家的意见, 进而有效降低专家个人主观因素带来的影响, 因此将群决策和层次分析法相结合, 可有效降低专家主观决策的影响, 使得权重分配更加合理[25].刘本本等[23]和李慧敏等[25]通过聚类的方法采用加权平均计算群体决策权重, 减小了个别专家主观意见和偏好对权重计算结果的影响.
本研究在统计分析长江中游地区农村污水处理技术应用现状的基础上, 依据收集方式和排放标准分类设定污水处理技术的应用情景, 筛选出各类应用情景中使用较为广泛的处理技术.构建长江中游地区农村污水处理技术评价指标体系, 并基于群决策和层次分析法对不同应用情景的污水处理技术进行评价和优选, 以期为长江中游地区农村污水处理技术的选择提供参考.
1 材料与方法 1.1 研究区域概况长江中游地区包括湖北、湖南、江西和安徽四省, 地形以丘陵和山地为主, 村庄分布总体呈点多面广和布局分散的特点[26], 少数平原地区农村多为连片集中分布[27], 很多行政村位于重要水系流域范围内(如洞庭湖、鄱阳湖和巢湖).根据住房和城乡建设部统计数据[28], 截至2020年, 长江中游四省农村供水普及率均超过65%, 用水总人口为8 978.29万人, 农村居民人均生活用水量为90~110 L·d-1, 农户用水在早晚时间出现高峰[27].区域内农村生活污水水质波动范围较大[29], 部分地区由于水冲式厕所尚未普及、雨污分流不彻底或管网渗漏严重等问题, 导致污水中污染物浓度偏低.
四省农村污水处理设施的水污染物排放标准与国家标准对比见表 1, 湖北、江西和湖南三省的地方一级标准基本相同, 且与国家一级B标准接近, 而安徽省地标一级A标准对COD排放限值的要求更为严格, 采用国家一级A标准.这可能是由于安徽省大多位于长江下游的平原地区, 村庄分布和农村人口居住相对密集, 污水处理规模相对较大, 容易实现对COD的稳定处理[30], 因此安徽省采用了较为严格的COD排放限值.
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表 1 农村污水处理设施水污染物排放标准对比/mg·L-1 Table 1 Comparison of water pollutant discharge standards for rural sewage treatment facilities/mg·L-1 |
通过长江大保护农村污水治理工程的实践, 长江中游地区农村污水治理正逐渐形成符合其区域特征的污水处理模式.污水处理模式包括收集方式、处理技术和运维管理这3个方面[31].收集方式主要有分散式、集中式和纳管收集三类[32]; 处理技术主要包括生物、生态和组合工艺的应用, 同时一体化设备也得到了广泛的应用[27]; 运维方式依据农村污水处理设施的收集方式、处理规模和工艺特点, 采取了以农户、政府事业单位和第三方公司为运维主体的3种方式进行运维管理[27].
1.2 长江中游地区农村污水处理技术评价体系 1.2.1 处理技术应用情景分类农村污水处理技术的选择首先要满足达标排放要求, 其次依据收集方式和处理规模[33], 同时兼顾经济、自然和社会等区域特征[34~36], 选择适当的污水处理技术, 因此, 根据长江中游地区实际调研情况、地方规范标准和技术指南中的分类应用情景, 选择出更符合长江中游地区农村特征的污水处理技术.
排放标准方面, 依据本课题组实际调研情况, 长江中游地区农村污水排放更多采用地方一级标准, 同时考虑到农村污水排放要求的提升, 为方便农村污水处理技术的筛选, 主要针对能够达到地方一级或国家一级A排放标准的处理技术进行评价; 收集方式方面, 通过查阅长江中游地区农村污水治理相关规范标准, 将收集方式依据处理规模Q划分为单户/联户分散(Q < 5 m3·d-1)、单村相对集中(5 m3·d-1≤Q < 50 m3·d-1)、联村相对集中(50 m3·d-1≤Q < 500 m3·d-1)和纳管集中[37]这4种收集方式, 其中纳管集中是将污水纳入城市管网进行收集, 不单独建设污水处理站点, 本研究仅针对农村单独建站的处理技术进行评价.
1.2.2 处理技术评价指标的确定评价指标主要通过频度分析法和理论分析法[38]进行筛选, 并结合专家意见完善评价指标.通过文献查阅, 采用频度分析法, 筛选文献中应用频度较高的评价指标; 结合长江中游地区农村污水特点、经济水平、水环境质量要求、治理政策和规范标准等实际情况, 对各评价指标的涵义进行理论分析并分类, 更具针对性地选取符合评价目标要求的评价指标; 邀请专家进行开放式访谈, 调整并完善评价指标, 确定长江中游地区农村污水处理技术的评价指标体系; 对评价指标体系先后进行了3次专家评审, 确保选取指标的科学性和合理性, 最终构建出长江中游地区农村污水处理技术的评价指标体系.
1.2.3 群决策和层次分析法确定权重在建立评价指标体系的基础上, 通过专家评判, 采用层次分析法[39]计算每位专家的个体权重.由于专家的主观判断导致每位专家个体权重计算结果存在一定差异, 为消除专家个人因素对结果的影响, 采用系统聚类的方法通过加权平均将专家的个体权重归集为群体决策权重.采用各专家评价结果的相似度作为聚类分析的标准[40], 相似度dxy计算公式为：
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(1) |
式中, 相似度dxy越接近于1, 专家间评价结果的相似性越大; X和Y为其中两位专家评价同一层次指标的特征向量X=(x1, x2, …, xn)和Y=(y1, y2, …, yn).
以dxy作为标准对专家进行聚类, 不同类别专家的权重系数不同, 包含专家数较多的类别代表了大多数专家的意见, 因而被赋予较大的权重系数, 反之则被赋予较小的权重系数[41]; 相同类别专家的评价结果具有极大的相似性, 从而赋予同类专家相同的权重系数[40].专家权重系数的计算公式为：
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(2) |
式中, λk为第k位专家的权重系数; φk为第k位专家所在类别中的专家数量; m为参与打分的专家数量.
对专家的个体权重与专家权重系数进行加权求和计算, 得到各评价指标的群体决策权重ωi：
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(3) |
式中, wik为第k位专家评价第i个指标计算得到的权重结果.
1.3 数据来源与处理方法通过资料调研和现场调研获得长江中游地区农村污水处理工程项目的基础资料, 其中资料调研主要是收集2017~2021年农村污水处理工程项目的可研报告或环评报告.共获得长江中游地区农村污水处理工程案例2 035项, 其中Q < 5 m3·d-1的案例206项, 5 m3·d-1≤Q < 50 m3·d-1的案例833项, 50 m3·d-1≤Q < 500 m3·d-1的案例645项, 纳管集中收集的案例351项.并通过频度分析, 筛选出各类情景中应用最为广泛的处理技术.
研究过程中邀请15名在本领域工作15 a以上的正高级专家进行访谈、论证、评审和打分工作, 专家主要来自设计单位、施工单位、运维单位、高校、科研院所和政府部门, 在农村污水处理工程设计、技术研究和运维管理等方面具有丰富经验.
评价指标中的定量指标采用可研报告或环评报告中具体的数值进行计量, 定性指标采用1~5标度法[2]通过专家打分进行赋值, 并对各指标值进行无量纲化[42]处理.计算各处理技术的评价得分Tj, 得到各方案层中得分较高的农村污水处理技术.Tj的计算公式为：
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(4) |
式中, Lij为各指标经无量纲化处理后的指标值.
农村污水处理工程项目案例的统计分析采用Origin 2021软件, 应用yaahp 12.8层次分析法软件进行专家个体权重的计算, 专家打分结果的聚类分析采用SPSS 23.0完成, 使用Oracle Crystal Ball软件进行蒙特卡洛模拟完成敏感性分析, 计算肯德尔和谐系数完成模型的鲁棒性检验.
2 结果与讨论 2.1 长江中游地区农村污水处理技术应用现状长江中游地区农村污水处理设施应用的主体工艺类型见图 1.各类工艺应用占比为：组合工艺(49.74%)>生物工艺(37.99%)>生态工艺(12.27%), 其中组合工艺以生物+生态组合为主, 厌氧+生态工艺(28.05%)应用最多, 这是由于长江中游农村地区经济欠发达, 厌氧+生态工艺更具经济性且运维简单; 生物工艺中AO/A2O、接触氧化和MBR等处理技术由于借鉴了城市污水治理的经验, 发展相对成熟, 因此在农村地区得到了普遍应用[43].分布较为分散的村落多采用化粪池+贮存池形式收集污水并进行资源化利用.生态工艺中强化生态处理(11.88%)工艺应用最多, 主要包括高负荷地下渗滤技术[44]和土壤型高负荷微生物滤床技术[45], 一般来说, 生态工艺经济性好, 但难以达到较高的排放要求, 因此改良型生态工艺(如：土壤型高负荷微生物滤床添加特异性微生物强化)在长江中游农村地区应用较多.
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图 1 长江中游地区农村污水处理设施主体工艺应用情况 Fig. 1 Application of the main process of rural sewage treatment facilities in the middle reaches of the Yangtze River |
一体化设备在长江中游地区农村污水治理中也有较多应用, 占工程案例总数量的22.47%.一体化设备主要以生物处理为主体工艺, 其中AO/A2O、AO/A2O+MBR和接触氧化等是最常用的主体工艺, FMBR是对MBR技术的改进[46], 也有部分工程应用.总体而言, 一体化设备在长江中游的农村地区已经得到了较为广泛的应用[46].
排放标准和收集方式是影响农村污水处理技术选择的关键因素[33, 47].长江中游地区农村污水收集方式的顺序为：单村(40.93%)>联村(31.70%)>纳管(17.25%)>分散(10.12%), 其中联村收集的污水处理规模主要集中在200 m3·d-1以下, 可见该地区农村多以单村和小规模联村的方式收集污水.图 2为不同情景下农村污水处理技术应用的主体工艺情况.各类收集方式的处理规模不同, 出水标准也存在差异, 随着污水收集规模的增加, 出水标准逐渐严格.其中分散收集以资源化利用为主; 单村收集方式采用地方一级排放标准最多, 主要以组合处理工艺为主; 联村收集方式则主要采用国家一级A或地方一级标准, 应用处理技术的类型多样, 组合工艺和一体化设备的应用更为广泛.
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图 2 不同排放标准和收集方式下长江中游地区农村污水处理工艺应用案例数量 Fig. 2 Number of cases of rural sewage treatment processes applied in the middle reaches of the Yangtze River under different discharge standards and collection modes |
基于系统性、科学性和可操作性原则, 构建长江中游地区农村污水处理技术评价指标体系(见图 3).体系中包括技术性能、经济效益、运行管理和环境影响4项准则和15个评价指标.依据污水收集方式和排放标准分类设定应用情景, 筛选各类应用情景中应用较为广泛的处理技术, 并参考长江中游四省技术指南中的推荐技术作为补充, 构成体系中的方案层.
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图 3 长江中游地区农村污水处理技术评价指标体系 Fig. 3 Evaluation index system of rural sewage treatment technologies in the middle reaches of the Yangtze River |
处理规模Q < 5 m3·d-1以分散形式收集污水的单户或联户, 主要借助化粪池有“化粪池+资源化利用”和“化粪池+达标处理技术”两种污水处理方式.由于国家农村改厕的持续推进[48], 长江中游地区农村水冲式厕所正在全面推广和普及, 为避免液态粪污未经处理直接外排带来的污染问题, 农户化粪池的建设成为污水收集和处理的必要环节[48], 同时也为后续处理技术的长期正常稳定运行提供了保障[12]. 处理规模5 m3·d-1≤Q < 50 m3·d-1以相对集中形式收集污水的单村, 在出水标准为地方一级时, 主要采用生物/生态-生态组合工艺处理污水.出水标准为国家一级A时, 污水处理技术多采用高负荷地下渗滤技术, 其次为一体化设备.高负荷地下渗滤技术是通过散水管将污水分配至填料中, 污水在填料中横向运移和向下渗滤, 污染物被不同功能结构层的填料拦截和吸附, 最终通过微生物作用而去除.该技术在长江中游不同污水处理规模的农村均有广泛应用. 处理规模50 m3·d-1≤Q < 500 m3·d-1以相对集中形式收集污水的联村, 主要采用组合工艺和一体化设备处理污水.随着排放标准的提升, 污水处理工艺组合形式由生物-生态组合转变为生物-深度处理组合.一体化设备由于其较强的灵活性[12], 在各类污水处理情景下均有应用, 且随着处理规模的增加和出水标准的提升应用也更加广泛.
2.3 农村污水处理技术评价指标权重的确定各判断矩阵的CR值均通过一致性检验.分别计算15位专家的个体权重和各专家之间的相似度并进行聚类分析.以准则层为例, 图 4为各专家个体权重的聚类情况, 将15位专家分为8类较为合适, 其中第一类包括专家1、9、4、6、10和8共6位专家, 第二类包括专家3、15和5共3位专家, 其余6位专家各自分为一类.计算得到第一类专家的权重系数为2/17, 第二类专家的权重系数为1/17, 其余各类专家的权重系数为1/51.
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图 4 准则层专家个体权重的聚类分析 Fig. 4 Clustering analysis of individual weight of experts at the criterion level |
评价指标的群体决策权重结果见图 5.在准则层中, 技术性能占有最大的权重0.503 9, 其余依次为经济效益(0.247 4)、运行管理(0.155 9)和环境影响(0.092 8), 污水能够稳定达标排放是农村污水处理技术选择的关键, 因此人们更加关注处理技术的技术性能[10]; 指标层中, TP去除率、吨水运行成本、NH4+-N去除率、维护管理难易和COD去除率占有较大权重, 分别为0.137 4、0.126 0、0.122 1、0.105 2和0.100 0.农村污水主要以去除NH4+-N和COD为主, 现阶段的处理技术普遍达到了去除COD和NH4+-N的技术要求, 人们正逐渐关注农村污水中氮和磷的去除[21].此外, 农村的经济条件不及城市, 且缺乏专业的运维人员, 部分村庄分布较为分散进一步加大了运维难度, 人们更倾向选择成本低和维护管理简单的污水处理技术[49].
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图 5 评价指标的群体决策权重 Fig. 5 Group decision weights for evaluation indicators |
图 6为不同应用情景中各处理技术的评价得分情况.分散收集污水情景下, 化粪池+接触氧化净化槽获得了最高得分, 这与王培京等[12]“化粪池+生态技术”得分最高的评价结果存在差异, 这是由于接触氧化净化槽对污染物有良好的去除效果, 从而获得了最高的技术性能得分, 但其工艺高度集成使得后期维护困难, 更适合在对出水有严格要求或经济较发达的农村地区采用.化粪池+土壤渗滤技术弥补了运维管理困难的缺点, 也获得了较高得分, 该技术在美国[50]和澳大利亚[51]等城镇化率高、村落和人口分布分散的发达国家应用较多, 当农户有较充足的可用地时推荐采用.
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图 6 长江中游地区农村污水处理技术评价结果 Fig. 6 Evaluation results of rural sewage treatment technologies in the middle reaches of the Yangtze River |
当排放标准为国家一级A时, 高负荷地下渗滤技术在单村和联村的应用情景中均获得了最高得分, 这是由于其兼具了技术、经济和运维等多方面的优点.此外, 生物+深度处理技术也获得了较高得分, 这是由于深度处理(如化学除磷)去除效果好且稳定, 能够保证出水水质稳定达标; 当排放标准为地方一级时, 土壤型高负荷微生物滤床在单村应用情景中获得了最高得分, 这与史世强等[14]“人工湿地”得分最高的评价结果相似, 而厌氧+人工湿地/稳定塘技术在联村应用情景中获得了最高得分, 则与之“AO+MBR”得分最高的评价结果存在差异, 这与厌氧+人工湿地/稳定塘技术具有更好的经济效益密切相关.在良好的运维条件下, 厌氧+人工湿地技术也能够保证出水的达标排放, 但其更具经济效益弥补了技术性能方面的不足而获得了最高得分.AO+MBR技术在单村应用情景的得分略低于联村, 主要是由于经济和运行管理因素相对限制了其在小规模农村中的应用[14].
综合整体评价结果, 强化生态处理以及厌氧+生态处理技术在各类应用情景的评价中均获得了较高得分, 更适于在长江中游的农村地区推广和应用, 这是由于生态类处理技术兼具了成本低和运维管理简单的优点[52, 53].最终根据评价得分对处理技术进行优选, 污水分散收集方式下推荐采用化粪池+接触氧化净化槽; 以单村和联村的方式收集污水, 排放标准为国家一级A的情景推荐采用高负荷地下渗滤技术, 排放标准为地标一级的情景分别推荐采用土壤型高负荷微生物滤床(单村)技术和厌氧+人工湿地(联村)技术.
2.5 敏感性和鲁棒性分析通过敏感性分析确定某个指标权重发生变化时对方案层技术评价结果的影响, 采用许晓芳等[54]使用的方法, 以联村收集且排放标准为地标一级的方案层为例, 对最优技术厌氧+人工湿地和次优技术A2O一体化设备进行敏感性分析, 分别分析每个准则层权重在0~1范围变化时对最优技术评价得分的影响, 处理技术的最终得分结果见表 2.各准则层权重在技术性能(0.606 0)、经济效益(0.174 0)和环境影响(0.714 0)时方案层排序会发生变化, 运行管理权重的变化则不会导致排序发生变化.可见评价结果对技术性能和经济效益两准则较为敏感, 当它们的权重发生轻微变化时即会影响到处理技术的选择.
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表 2 敏感性分析结果 Table 2 Sensitivity analysis results |
采用肯德尔和谐系数[55]来测度群体决策权重计算方法改变时模型的鲁棒性, 通过考察评价对象排序结果的差异衡量评价结果的一致性程度, 该值越接近于1, 则模型的鲁棒性越好.计算得到各方案层的肯德尔和谐系数均大于0.8, 模型具有较好的鲁棒性.
3 结论(1) 长江中游地区农村污水的收集方式：单村(40.93%)>联村(31.70%)>纳管(17.25%)>分散(10.12%), 处理规模主要集中在200 m3·d-1以下.厌氧+生态处理技术的应用最多, 占比为28.05%, 一体化设备应用也较为广泛, 占比为22.47%.
(2) 构建了包括技术性能、经济效益、运行管理和环境影响4项准则和15个指标的长江中游地区农村污水处理技术评价指标体系.基于群决策和层次分析法计算群体决策权重结果表明, 准则层中技术性能(0.503 9)>经济效益(0.247 4)>运行管理(0.155 9)>环境影响(0.092 8), 指标层中TP去除率、吨水运行成本、氨氮去除率和维护管理难易4个指标权重较高.
(3) 评价和优选结果表明：强化生态以及厌氧+生态处理技术更适于在长江中游的农村地区推广和应用.以单村和联村的方式收集污水, 排放标准为国家一级A的情景推荐采用高负荷地下渗滤技术, 排放标准为地标一级的情景分别推荐采用土壤型高负荷微生物滤床(单村)技术和厌氧+人工湿地(联村)技术.
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