周 延 李晨洋 孙 楠

(东北农业大学，哈尔滨，150030)

据联合国统计，到2025年，三分之二的世界人口可能会面临水资源短缺。随着城镇人口的增加和工农业生产的发展，污水排放量也日益增加，水体污染相当严重，而且几乎遍及全国各地。黑龙江省国有林区主要包括大兴安岭国有林区和小兴安岭国有林区。两片国有林区，由于长时间高强度的商品林采伐，森林资源大幅减少，生态屏障作用大幅降低。基于此现状，20世纪90年代末期，中国政府便通过天然林保护工程，将上述区域纳入保护范畴。2010年，国务院批复黑龙江省大小兴安岭生态功能区建设的意见，将其升格为国家战略。城镇化战略的推进，离不开城镇污水处理。近几十年来，越来越多的研究者认为，污水处理工艺优选决策过程，应当涵盖经济、社会、技术、运行管理、环境影响、占地、污泥处置等方面。这些因子间的关系复杂，各因子的量纲或量级不同，有的还相互矛盾，难以将这些因子转化为单一的经济指标进行比较，亟需建立客观、科学、有效的城镇污水处理工艺优选决策方案，为决策者优选工艺提供更为科学的指导。本文基于此背景，进行污水治理工程中所产生的工艺优化决策研究。

1 林区城镇污水治理工程典型工艺评述

1.1 污水处理工艺类型评述

目前，城市污水处理主要采用了生物活性污泥法。生物活性污泥法有多种处理工艺，城市二级污水处理厂常用的工艺方法有:普通曝气法、A－B法(二段曝气法)、A/O除磷工艺、A/O脱氮工艺、A2/O除磷脱氮工艺、氧化沟工艺、序批式反应器(SBR)工艺等。按照构筑物的组成形式，运行性能以及运行操作方式的不同，已有的生物除磷脱氮的工艺可分成几个系列:A/O系列、氧化沟系列和SBR系列等。随着各个系列不断地发展、改进，形成了目前较典型的工艺:A/O工艺、UCT工艺、改良UCT工艺、VIP工艺、A2/O工艺、改良A2/O、倒置A2/O工艺、orbel氧化沟工艺、CAST工艺、百乐克工艺等。下面就几个应用比较广泛的处理工艺进行阐述。

虽然所述各工艺的技术比较成熟，处理效果也不错，但都或多或少存在着问题，都还须在实际运行中得到解决和完善。

A/O工艺。污泥回流需用泵提升;设备数量较多，操作维护难，投资较大;生物池和二沉池单独设置，占地面积较大;抗冲击负荷的能力，不如CASS工艺和氧化沟工艺。

百乐克工艺。曝气时间相对较长;污泥处置，不如A/O工艺。CASS工艺。自控设备质量要求高;工程投资较大，设备利用率较低;水头损失比连续流工艺大;国内运行经验不多。

氧化沟工艺。池深较浅，占地面积较大;动力消耗较大，运行费用较高;设备维护工作量较大。

从目前国际及国内所采用的污水处理工艺情况来，各种工艺并不是短时所能改进和完善的，也更不是在实验室内所能完成的，理论上的论证与实践是有差距的。因此，各种处理工艺需要在实际运行中不断改进和完善，才能提高工艺先进性，从而减少工程投资费用和运行费用，并提高废水处理技术水平。

1.2 林区城镇污水治理工程典型工艺

通过对城镇污水治理工程的现状研究，以及对工艺类型的具体评述，不难发现，我国对大部分工艺都曾经有过尝试。据不完全统计，SBR、氧化沟、活性污泥等占的比例较大，是城镇常用工艺，也是比较典型的工艺，是应用效果比较好的工艺;但是，在应用中仍然存在一些问题。

通过实地调研、文献调查及评述结果，城镇推荐采用SBR系列、氧化沟系列以及活性污泥系统，土地资源比较丰富的城镇可采用自然净化系统。

城市污水处理厂需要较大的投资和运营费用。林区污水厂由于设计、运行、低温等各方面的原因，成本比我国其他区域高很多，同时设备很难取得稳定的处理效果，甚至出现冬季部分设备无法运转、生化池结冰等不正常现象。由于东北国有林区，冬季气候寒冷漫长，冰冻期长达6个月;严酷的气候条件对污水生物净化极为不利。为保证冬季低温污水的处理效果，目前我国寒冷地区工程中，一般采用增加水力停留时间、降低污泥负荷、对构筑物采取保温或升温等措施，保证冬季污水处理达标。这些措施，不仅会增加工程投资和运行费用，而且污水处理的效果也很难得到保证，还常会引起污泥膨胀等问题。所以，开发出一套在东北国有林区低温地区能有效、稳定处理城市污水的工艺，已经成为当务之急。

2 林区城镇污水治理典型工艺指标体系

2.1 指标选取因素分析

城市污水治理工程，是一项极其复杂的系统工程，涉及到社会、经济和环境等各个方面。其中，经济是影响其发展的重要因素，必须通过多种指标方案的综合比较研究。经济评价指标，涉及经济效益、技术性能和管理效益3个方面;评价指标，包括基本建设投资、基本运行费用、厂区占地投资、基本运行能耗、运行稳定性情况、生物效果、自控系统完善性、污泥处理与利用、工艺成熟性、设备完好性、运行安全性、操作难易程度、工艺处理效率等多个方面。

2.1.1 经济因素

经济指标作为影响污水行业发展的重要因素，对经济指标的分析，则涉及投资、能耗、运行成本、占地面积等。在出水水质满足排放要求的前提下，“投资省、能耗和运行成本低、占地少”，是衡量处理工艺经济与否的基本要求[1]。对于污水处理厂，费用包括建厂的一次性投资和运行成本2部分。项目建设的一次性投资的大小，并不直接决定运行成本，但可对运行费用起很大的影响和作用。建设投资内容，主要包括土地(即厂址和搬迁安置)费用、直接建设安装工程费用、设备费用、管理费用和财务费用;运行费用内容，包括人工费、电力和运输费、药剂费、维护费。与工艺方法选择直接相关的，有土地面积、建安费、设备费，电力与运输费、药品费。其中，在选址已定的情况下，土地的价格、补偿拆迁费用标准、管理费用、人工费用，可看成是一种常数。

当然，不同的工艺类型，追求的费用目标也不同。例如，生物工艺方法的主要目标，是追求在最小的容积和时间内，通过好氧或厌氧完成污水中污染物的生物降解。通过对经济指标进行比较分析，对于城镇污水治理工程工艺，以下经济指标对工艺的影响较大，主要有建设投资、土地面积、土地价格、处理成本(能源、药剂、维护管理)。

①建设投资。污水处理厂处理工艺的不同，直接关系到污水厂的建设投资，因此，污水处理工艺方案的可行性首先要考虑建设投资。有研究指出，经济性能在5万m3/d规模下，SBR和氧化沟系列的基建费用明显低于常规活性污泥法以及A/A/O工艺，规模越小优势越明显。目前，四川、云南采用SBR、BAF或氧化沟系列的城镇污水处理厂，单位基建投资一般在1000～1300元/(m3/d)，其中，氧化沟系列工艺因设有二次沉淀沉池，污水处理厂的基建投资较大;BAF污水处理厂的基建投资稍高于SBR工艺污水处理厂，主要源于BAF土建成本较高。

②土地面积。工艺类型的不同，导致污水处理厂建设的单元构筑物的数量、大小不同，设备的种类、体积、质量等都有所不同，因此成为影响经济性的主要因素。占地面积是制约工艺使用范围的关键因素之一，尤其是针对城市用地紧张的特点，占地面积对于城市污水工艺的选择至关重要。目前各类处理工艺中，采用氧化沟工艺的污水处理厂，平均吨水占地面积为0.88 m2。采用A/A/O工艺的污水处理厂，平均吨水占地面积为0.94 m2;采用SBR工艺的污水处理厂，平均吨水占地面积为0.84 m2;采用A/A/O工艺的污水处理厂，平均吨水占地面积为0.94 m2;其他工艺的污水处理厂，平均吨水占地面积为1.00 m2。

③土地价格。由于有些工艺类型对污水处理厂的位置也有所要求。故土地的类型、在城市中的位置，以及周围商业的影响程度，会使土地的价格有所不同。

④处理成本。污水厂的处理成本，是衡量其经济性能的重要指标。主要指污水处理厂运行使用的各类费用:能源、运输、药剂价格、维护、管理等各类费用。活性污泥法存在明显规模效应，小型污水处理厂的单位处理费用比大型污水处理厂高40%。处理厂的单位污水处理成本，主要由能耗费、工资福利费、污泥处置费、管理费组成，且能耗费是处理成本的主要组成部分。SBR系列、氧化沟系列、BAF系列，流程简单、设备少，其能耗费一般较传统活性污泥法、A/O、A/A/O少。从处理成本看，SBR系列、氧化沟系列、BAF工艺，适于处理规模5万m3/d以下的城镇污水处理厂。

根据上述分析，最终确定将上述所列指标与本文所建立的费用模型相结合，给出经济性指标因素。由于土地费用在污水处理厂的基建投资中占有越来越大的份额，因此，将其从建设费用中分离出来，并将土地价格与土地面积2个指标综合成土地使用费。剩余部分，作为建设投资，单独作为一个指标。这样得到了城镇污水治理工程工艺优化决策的经济指标，即建设投资、土地使用费、处理成本(运行费用)3部分。

2.1.2 技术因素

污水处理的基本作用是保证受纳水体的使用功能，因而，技术可持续性，首先应以污水处理工艺能达到相应的污水排放标准为准则。当前，我国近海海域、各主要淡水湖泊以及三峡库区，都有不同程度的富营养化现象，大部分新建城镇污水处理厂必须具有脱氮除磷功能。二级处理后，出水的BOD、COD、SS值，一般都能达到国家排放标准;但对于TN、TP，只有部分二级处理工艺的出水能满足排放要求[2]。一方面，磷是造成水体富营养化的主要因素;另一方面，磷是一种重要的不可再生资源，我国富磷矿贮藏量仅能维持使用10～15 a时间[3]，从这个角度看，从污水中回收磷具有重要意义。因此，污水处理工艺在满足污水排放标准的基础上，还应考虑从污水中回收磷的潜力。所以，污水处理工艺的技术可持续性，可通过在满足排放标准的基础上，处理工艺对污水中磷的回收潜力来衡量。

针对林区城镇的地理、气候特点，分析污水处理工程的多种技术指标，确定我国城镇污水治理工程的主要技术影响因素，包括单位时间处理水量、进水水质、处理效率、出水水质等，在研究工艺优选时往往将其成为技术效果指标。此外工艺可靠性指标，也是工艺技术因素的一项很重要的内容，包括所选用工艺技术的新颖性、先进性、技术的成熟程度、对水量水质变化的适应性、设备的耐久性、设备维修的难易程度等。因此，最终确定林区城镇污水治理工程工艺优化决策的技术指标，为技术效果、工艺可靠性2个。

2.1.3 环境因素

对于污水处理工艺而言，除了需要达到国家规定的污水水质达标以外，还应考虑工艺中碳的排放指标。因为污水处理是一个碳、磷等物质的转化过程，由于碳排放会造成大气污染，因此需要考虑碳的排放要求。控制碳排放，大力采用低碳新技术和新产品。应通过技术创新，加强节能新技术、新工艺、新材料和新设备的开发，向市场和公众提供各种高效节能设备、材料和工具。以求实现节能减排，顺应社会的低碳经济的可持续发展战略。因此，在选取工艺时，也要考虑碳排放问题。近年来，部分国内学者已开始研究污水处理厂在全球变暖、臭氧耗竭、光化学烟雾等方面产生的环境影响。因此，本文借鉴国内相关的思想，通过量化分析工艺在其整个生命周期阶段的能量与资源消耗，衡量其环境风险性、分析污水处理工艺的环境影响。对污水处理厂整个生命周期阶段，能量与资源消耗、对环境排放(如对全球变暖、臭氧耗竭的影响等)进行数据量化分析。

能耗。污水处理工艺的能耗，包括直接能耗与间接能耗。前者指处理过程耗费的能量，后者包括建材生产和运输、建筑施工、耗用药剂的生产和运输，以及工艺拆除报废阶段的能耗。

直接能耗——城镇污水处理厂的能耗，主要为二级处理系统与污水提升的能耗，且前者的能耗占总能耗的60%以上。由于各工艺中污水提升的能耗相近，故优选工艺时，可采用二级处理系统的能耗(包括曝气池、二沉池、混合液回流和污泥回流系统、剩余污泥排放单元)衡量与比较不同工艺的直接能耗。衡量污水处理工艺能耗的传统指标是比能耗，它指处理单位体积污水所耗费的外界供给能量。对处理工艺而言，剩余污泥能量的回收，可以降低外界供能与生物固体的体积。当用能量利用率衡量污水处理系统的直接能耗时，不仅能考虑剩余污泥对工艺能耗的影响，而且能兼顾进水污染物本身能量对工艺能耗的影响。

能量利用率(η)，指系统有效耗用能量与外界供给总能量的比值。对于稳定运行的二级处理系统，输入系统的能量包括进水中有机污染物的含能量(Ejs，1gCOD=13.91 kJ)与外界输入系统的能量(Esr，主要指电能)，输出系统的包括出水中有机物含能量(Ecs)、剩余污泥蕴含的能量(Esw，1gVSS=22.15 kJ)、系统损失的能(Er)。二级处理系统有效降低的能量为(Ejs－Ecs－Esw)，其回收的能量(Ehs)是被系统有效利用的部分，因此系统总有效耗能为(Ejs－Ecs－Esw)+Ehs。η=(总有效耗能/外界供给总能)=((Ejs－Ecs－Esw)+Ehs)/(Ejs+Esr)。

间接能耗——分析污水处理工艺间接能耗时，空间边界一般界定为厂界，时间边界通常为15～20 a。污水处理工艺的间接能耗，体现在施工建设阶段、生产阶段与拆除作业阶段，其中:施工建设阶段能耗(E1)，包括建材生产能耗(e11)、建材运输能耗(e12)和建筑施工能耗(e13);生产阶段能耗(E2)，指耗用药剂的生产(e21)、运输能耗(e22);拆除作业阶段能耗(E3)，包括拆除作业能耗(e31)、覆土填充材料运输能耗(e32)。间接能耗E=E1+E2+E3。

物耗。污水处理工艺的物耗，由直接物耗与间接物耗2部分组成，前者主要指处理工艺的药耗和占地，后者包括建筑施工阶段与拆除作业阶段的耗用物质。成本效益分析中，采用运行费、征地费、材料费反映物耗。社会的高速发展，使土地的珍贵性日益突出，且土地是直接关系到人类可持续发展的重要资源;从这个意义上讲，征地费无法全面反映土地资源的价值。因而，有必要单独考虑处理厂占地，并将其作为物耗指标的重要组成部分，以便在决策中体现土地资源的价值。

二级处理系统占地，是工艺占地的主要组成。通常各工艺的预处理流程与构筑物相似，并且各方案的道路、绿化等公共设施，与辅助建筑物的占地面积类似。工艺优选决策时，本文用二级处理系统(包括生化池、二沉池、污泥处理与处置单元)的占地可以大体反映工艺的占地情况。

2.2 指标体系的建立

通过对影响工艺的经济、技术、环境因素的研究，最终可确定城镇污水治理工程工艺指标体系(见图1)。根据建立的指标体系，运用决策评价方法对城镇污水治理工程进行工艺优化决策。

图1 城镇污水治理工程工艺指标体系

3 基于灰色关联分析的城镇污水处理工程工艺优化决策

污水处理工艺优选，应当考虑经济、技术、环境与社会诸方面，属于多目标决策问题;一般而言，多目标决策问题难以借助人的主观判断得出决策结果。因此，通过建立城镇污水处理工艺优选决策模型进行工艺优选，可以提高决策结果的客观性与正确性。

评判最优污水处理工艺的标准，随着社会经济水平、人们的思想观念以及污水处理事业的发展不断改变。因此，城镇污水处理工艺优选决策模型的优选决策目标，需作相应调整或改变，以保证优选决策结果符合社会发展需求，使其能够有效的为社会、经济的发展服务。污水处理工艺优选决策模型的客观合理性，通常由其决策结果体现。为保证决策结果客观合理，决策指标及其量化结果，应能客观反映工艺性能;决策模型数学方法，需符合工艺优选特点。灰色关联法由邓聚龙教授于1982年提出[4]，主要用于对信息不明确及信息不完整的系统进关联分析，从而找出影响系统发展态势的重要因素，并掌握事物变化的主要特征。根据建立的城镇污水治理工程工艺指标体系，本文采用灰色关联分析理论，对城镇污水治理工程工艺进行优选研究。

现以黑龙江省大兴安岭地区塔河县已建污水厂为例(该厂日处理规模为5.5万t)，进行具体综合评价(见表1～表4)。

通过3种工艺各指标的灰色关联度计算可知，3种工艺中，各指标的灰色关联度最好为活性污泥工艺，灰色关联度为0.854，为最优方案，SBR次之，A/O再次之。即认为，对于此东北地区城镇污水治理厂而言，活性污泥工艺具有更好的技术经济效益，更适合在此污水处理厂采用。实际调研结果与评价结果相符，本案例中污水厂采用活性污泥工艺处理污水效果良好，污水厂运行过程中工艺流畅，遇到问题较少，基本可以达到日处理5.5万t要求。说明综合优选结果具有一定可靠性。

4 林区城镇污水治理工程工艺优化决策建议

林区城镇污水处理，由于处理标准要求高、投资大、运行费用高，为降低污水处理投资和运行成本，因地制宜地进行工艺方案(主要是生物处理方案)比较是必须的。对污水处理方案的比较，力求客观全面，在同等进水、出水条件下，其设计参数，应包括对各种污染物的去除率、曝气时间、污泥负荷和容积负荷、曝气量及氧的利用率(及动力效率)和污泥产量(及污泥指数)等做全面分析。数据丰富，可以做到集思广益，扬长避短;根据技术上合理，经济上合算，管理方便，运行可靠且有利于近、远期结合的原则，进行污水处理工艺方案的优化选择。

表1 备选工艺方案指标局势矩阵(A)

表2 备选工艺方案指标规范化决策矩阵(R)

表3 备选工艺方案指标差序列

表4 备选工艺方案灰色关联系数及灰色关联度

在对国内污水处理设施建设投资及运行费进行广泛调研基础上，认为不包括管网工程、引进污水处理设备和引进沼气发电设备，较优的城镇污水处理厂建设投资及运行费用的技术经济指标:污水处理设施建设投资宜控制在1000元/t左右;污水处理设施运行费(包括折旧费)宜控制在0.5元/t左右。

[1]王涛，楼上游.中国城市污水处理工艺现状调查与技术经济指标评价[J].给水排水，2004，30(5):1－4.

[2]Marcos Van Sperling，Carlos Augusto de Lenmos Chernicharo.Urban wastewater treatment technologies and the implementation of discharge standards in developing countries[J].Urban Water，2002，4(1):105－114.

[3]荆肇乾，吕锡武.污水处理中磷回收理论与技术[J].安全与环境工程，2005，12(1):29－32.

[4]刘思峰，邓聚龙.GM(1，1)模型的适用范围[J].系统工程理论与实践，2000(5):121－124.