分散or集中？排水系統(tǒng)怎樣建設(shè)更優(yōu)秀

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(duì)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(huì)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(huì)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(píng)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(píng)價(jià)，評(píng)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(guó)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(guó)在城鎮(zhèn)化率達(dá)60%時(shí)開始建設(shè)污水處理廠，我國(guó)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(guó)外較為常見，特別是城市和人口密集地區(qū)，如美國(guó)芝加哥Stickney污水處理廠（465萬m3/d）、英國(guó)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(jiǎn)單、易于管理、可靠性強(qiáng)，該模式在我國(guó)水污染防治方面發(fā)揮了重要作用，彌補(bǔ)了我國(guó)水污染治理行業(yè)發(fā)展初期處理能力不足、運(yùn)營(yíng)水平不高、管理機(jī)制不完善的缺陷。然而，當(dāng)下我國(guó)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(huì)對(duì)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(zhǎng)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(guó)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(guó)單位污染物去除所需的能耗遠(yuǎn)高于國(guó)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(zhǎng)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(duì)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(guó)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(shì)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(huì)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(duì)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(guó)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(guó)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(guó)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)?！笆濉蹦┢谖覈?guó)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(shì)，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(huì)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(duì)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(píng)價(jià)，極少關(guān)注資源、環(huán)境和社會(huì)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(píng)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(píng)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(huì)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(píng)價(jià)模型。為使評(píng)價(jià)模型具有普遍可比性，針對(duì)確定性指標(biāo)建立可通用的標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)，針對(duì)非確定性指標(biāo)采用5級(jí)劃分法，并以決策指數(shù)H作為最終評(píng)價(jià)指標(biāo)。

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

1.1 評(píng)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(duì)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(píng)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(píng)價(jià)指標(biāo)覆蓋。

表1 分布-集中決策模型評(píng)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(duì)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(píng)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(guó)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(huì)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(huì)導(dǎo)致管網(wǎng)長(zhǎng)度和成本增加，同樣會(huì)影響技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。環(huán)境效益和社會(huì)效益在本模型中重要程度基本相當(dāng)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有評(píng)價(jià)模型的不足。各評(píng)價(jià)指標(biāo)中，能量平衡率、再生水利用率、土地釋放程度對(duì)評(píng)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(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

C1~C5采用離差標(biāo)準(zhǔn)化法對(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)中的最大值（Cmax）和最小值（Cmin），否則每次評(píng)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(duì)比不同方案。

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

Cmax——對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)最大值；

Cmin——對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)最小值。

確定性指標(biāo)對(duì)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(hào) 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(guó)內(nèi)103座已運(yùn)行的地下廠，選取出水標(biāo)準(zhǔn)高于一級(jí)A、箱體及設(shè)備均一次建成的地下廠作為成本分析對(duì)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(píng)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(zhǎng)度（C2）：以《中國(guó)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(zhǎng)度和污水處理能力為基礎(chǔ)，計(jì)算全國(guó)680座城市單位污水收集管網(wǎng)長(zhǎng)度，其最小值和均值分別為0.17 m/（m3·d）、3.54 m/（m3·d）?？紤]標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)的可用性，取3.55 m/（萬m3·年）作為本評(píng)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(zhǎng)度（C3）：以《中國(guó)城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒（2019）》中各省市再生水管道長(zhǎng)度和全年再生水利用量為基礎(chǔ)，計(jì)算全國(guó)680座城市的單位再生水回用管網(wǎng)長(zhǎng)度，其最小值、均值分別為0、10.46 m/（萬m3·年）?？紤]標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)的可用性，取10 m/（萬m3·年）作為本評(píng)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(guó)一級(jí)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(guó)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(píng)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(hào) 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(guó)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(píng)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(jí)劃分法進(jìn)行評(píng)分，評(píng)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(píng)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(yáng)市的母親河，其干流及5條支流全長(zhǎng)118 km，流域內(nèi)服務(wù)人口350萬人，服務(wù)面積6 600km2，是長(zhǎng)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(zhǎng)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(yáng)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(duì)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）。