基于生態(tài)修復的污水處理技術可持續(xù)性評價指標體系及方法

毛珊瑛，史 敏，羅 建

（湖南農(nóng)業(yè)大學 商學院，湖南 長沙 410128）

生物修復是一種利用特定的生物（如植物、微生物或原生動物等）來吸收、轉化或降解污染物，實現(xiàn)凈化環(huán)境和恢復生態(tài)效應的生物措施。其中，微生物生態(tài)修復是通過向受污染水體中投加人工馴化培養(yǎng)的優(yōu)勢復合菌群（Effective microorganism），強化和提高水體有機物和污染物的降解效率，在處理污水、凈化空氣、改善土壤、資源循環(huán)利用等領域已得到廣泛應用[1-2]。在污水處理廠中，應用較多的生態(tài)修復技術主要包括人工增氧修復技術和生物膜技術，其中以厭氧-缺氧-好氧技術（A2/O 技術）和MBR 膜處理技術最為典型[3]。A2/O 技術利用機械設備攪動，向曝氣池中增加氧氣含量，并使污染物與微生物充分接觸，提高降解效率；或投放化學藥劑產(chǎn)生化學反應來控制氧氣含量，實現(xiàn)微生物對污染物的降解。MBR 膜處理技術利用人造材料構建生物膜，將微生物截留在反應池內(nèi)或附著在生物膜上，促進微生物增殖從而提高反應效率?，F(xiàn)有研究集中在對A2/O 技術和MBR 膜處理技術等生態(tài)修復污水處理技術的污染物去除效果進行評價[4-5]，鮮有從環(huán)境、經(jīng)濟、社會等因素進行綜合評價的研究。

自1987年聯(lián)合國首次提出“可持續(xù)發(fā)展”定義以來，可持續(xù)發(fā)展理念逐漸深入人心?；诳沙掷m(xù)發(fā)展理念，實現(xiàn)能源產(chǎn)耗平衡，是“十三五”以來污水處理企業(yè)的重要目標之一，但現(xiàn)有的“以能消能”“以物換物”的污水處理造成能源浪費和環(huán)境惡化[6]，與可持續(xù)發(fā)展要求背道而馳，因此企業(yè)對可持續(xù)性污水處理技術的需求日益強烈，亟需構建一套實用性強的可持續(xù)性技術評價指標體系和方法，為優(yōu)選可持續(xù)性污水處理技術提供決策支持。隨著理念的更新，生態(tài)修復污水處理技術的技術性能評價逐漸由單一指標評價向多目標綜合評價轉變[7]。國內(nèi)外學者對污水處理技術評價指標體系的研究從經(jīng)濟[8]、環(huán)境[9]、技術[10]等單個因素發(fā)展到環(huán)境和經(jīng)濟[11]，經(jīng)濟和技術[12]或環(huán)境、經(jīng)濟和技術[13-14]等因素，最終轉變?yōu)榄h(huán)境、經(jīng)濟、技術、社會[15]4 個因素的綜合評價。在評價方法上，針對環(huán)境因素，多采用生命周期評價法（Life cycle assessment，LCA）[16-17]，針對多個因素則根據(jù)不同評價指標的特點[18]或評價的前后過程[19]，采用綜合評價方法。本研究在已有研究的基礎上，構建了一套涵蓋環(huán)境、技術、經(jīng)濟和社會因素的污水處理技術可持續(xù)性評價指標體系，并根據(jù)不同評價指標采用適宜的評價方法，如采用生命周期評價法（LCA）和多屬性效用法分別對環(huán)境影響和社會影響進行評價，應用綜合評價指數(shù)方法對環(huán)境、技術、經(jīng)濟和社會4 個因素進行綜合評價，以A2/O 技術作為基準技術，以MBR 膜處理候選技術為評價技術，對建立的可持續(xù)性評價指標體系及方法進行驗證，說明這套指標體系和方法具有一定的可行性。

1 可持續(xù)性評價指標體系的構建

首先通過文獻調(diào)研，梳理生態(tài)修復污水處理技術可持續(xù)性評價指標體系，然后結合實際調(diào)研確定生態(tài)修復污水處理技術可持續(xù)性評價指標體系，最后采用層次分析法對建立的指標體系賦權。

1.1 可持續(xù)性評價指標文獻調(diào)研

通過對國內(nèi)外學術數(shù)據(jù)庫進行檢索，檢索的主題為“污水處理技術”“評價”“生態(tài)修復”等，在人工進一步核對后，最終獲得國內(nèi)文獻128 篇，國外文獻71 篇，對文獻中涉及評價指標的研究內(nèi)容按照環(huán)境、技術、經(jīng)濟、社會4 個一級指標進行整理，得到污水處理技術評價指標如表1所示：

表1 污水處理技術評價指標研究現(xiàn)狀Table 1 Research status of sewage treatment technology evaluation index

1.2 可持續(xù)性評價指標體系確定

1.2.1 指標體系構建原則

評價指標體系的建立是一個從無到有、從有到優(yōu)的創(chuàng)造過程。綜合已有研究[44-46]和實際情況，形成可持續(xù)性評價指標體系構建的原則。

1）科學性和實用性原則?？茖W性要求選取的指標得到科學界和學術界的廣泛認可，并符合學術規(guī)范與科學發(fā)展的需要；實用性要求指標可量化，數(shù)據(jù)收集應以現(xiàn)有數(shù)據(jù)或易于收集的數(shù)據(jù)為基礎，并符合實際情況。

2）整體性和層次性原則。整體性要求指標比較全面反映污水處理技術的綜合效益，體現(xiàn)環(huán)境、技術、經(jīng)濟和環(huán)境各個因素的主要特征；層次性要求評價指標體系由多級指標構成，每級指標之間存在層次性。

3）靈活性和可操作性原則。靈活性表現(xiàn)在指標的選取要綜合不同評價主體的評價需求，可操作性要求評價指標要能便于理解和計算。

4）定性與定量結合原則。選取的指標應大部分為定量指標或能夠定量化的定性指標，定性與定量評價指標相結合，得到更為合理的評價結果。

1.2.2 指標體系確定

1）環(huán)境指標。生態(tài)修復污水處理技術中投加的微生物包括厭氧菌、兼性菌和好氧菌等不同菌種，要滿足不同菌種的特定作用環(huán)境就會產(chǎn)生能耗，菌種降解污染物又會產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體，因此在環(huán)境指標中需要考慮到能耗和全球變暖。鑒于后續(xù)將采用生命周期評價方法對環(huán)境因素進行評價，而生命周期評價（LCA）已將污水處理過程所需要的資源與能源利用消耗情況，用全球變暖、臭氧層破壞等表示，因此基于科學性和實用性原則，剔除資源與能源利用消耗情況。據(jù)此，將二級指標設置為非生命生態(tài)系統(tǒng)影響、人類健康影響和生態(tài)毒性影響等3 個指標，選取全球變暖、臭氧層破壞、酸化、水體富營養(yǎng)化、人體毒性、水生生態(tài)毒性、陸生生態(tài)毒性等7 個指標作為三級指標。

2）技術指標。已有對于技術指標的研究較為完善，根據(jù)已有研究將技術處理效果和技術性能作為二級指標。技術處理效果主要是定量指標，包括：生化需氧量去除率（BOD）、化學需氧量去除率（COD）、懸浮物去除率（SS）、總氮去除率（TN）和總磷去除率（TP）。技術性能主要是定性指標，包括：技術先進性、技術成熟程度、運行安全性、抗沖擊負荷程度和操作復雜程度。其中體現(xiàn)了主要污染物去除率的技術處理效果指標，充分反映生態(tài)修復污水處理技術的污染物降解效率和處理效果。

3）經(jīng)濟指標。在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，企業(yè)對生態(tài)修復污水處理技術經(jīng)濟成本的匡算主要包括兩個方面，一是建設投資費用，二是運行成本費用，因此根據(jù)靈活性和可操作性原則，將建設投資和運行成本作為二級指標。建設投資中涵蓋了建設費用和工程投資的相關指標，具體包括：工程建設費用、基本預備費、土建費用、設備費用和安裝費用。運行成本包括：動力費、藥劑費、維修費、人員費和其他費用。關于文獻調(diào)研中涉及的占地面積和經(jīng)濟效益，由于污水處理企業(yè)尚未考慮土地購買費用，也尚未產(chǎn)生產(chǎn)物的附加收益，因此這兩個指標暫未納入。

4）社會指標。鑒于組織管理科學和組織過程文明一般用來表征污水處理過程的工作環(huán)境文明程度[47]，基于整體性和層次性原則，將已有研究中的組織管理科學性和組織過程文明性兩個二級指標歸并為工作環(huán)境文明程度。據(jù)此，將二級指標設置為：利益相關者健康影響程度和工作環(huán)境文明程度。采用生態(tài)修復污水處理技術進行污水處理時，由于微生物的降解作用，產(chǎn)生的氣體、排放的污染物一定程度上會產(chǎn)生健康影響，因此選取對操作人員和對周圍居民的健康影響程度作為利益相關者健康影響程度的三級指標。選取組織管理科學性和組織過程文明性作為工作環(huán)境文明程度的三級指標。

綜上，基于生態(tài)修復的污水處理技術可持續(xù)性評價指標體系包括4 個一級指標，9 個二級指標和31 個三級指標，具體如表2所示。其中，31 個指標中包括14 個正向指標和17 個負向指標，負向指標主要是反映環(huán)境影響的全球變暖、臭氧層破壞等7 個三級環(huán)境指標和反映建設投資、運行成本的如工程建設費用、動力費等10 個三級經(jīng)濟指標。

表2 基于生態(tài)修復的污水處理技術可持續(xù)性評價指標體系Table 2 Sustainability evaluation index system of sewage treatment technology based on ecological restoration

1.3 可持續(xù)性評價指標體系賦權

美國運籌學家Saaty 教授最早提出層次分析法。層次分析法將復雜問題層次化，根據(jù)決策目標各影響因素之間的關聯(lián)進行分類，形成一個多層次的決策系統(tǒng)。通過對各層的影響因素兩兩比較，構造判斷矩陣，通過計算最大特征值及特征向量，最終得到各因素的相對權重。由于層次分析法比較靈活，且是各類評價中常用的賦權方法[48-49]，因此本研究采用層次分析法對指標體系進行賦權。向環(huán)境保護、污水處理等領域內(nèi)10 位專家，發(fā)放污水處理技術可持續(xù)性評價指標體系的調(diào)查問卷，得到各位專家對指標的打分表。根據(jù)專家反饋，應用MATLAB 軟件對原始數(shù)據(jù)賦權，得到各級指標的權重值。結合污水處理實際，客觀獨立判斷后認為各指標的權重比較符合實際情況，指標體系的具體權重值如表3所示：

表3 基于生態(tài)修復的污水處理技術可持續(xù)性評價指標權重Table 3 Weight of sustainability evaluation index of sewage treatment technology based on ecological restoration

2 污水處理技術可持續(xù)性評價方法

綜合評價指數(shù)方法在評價區(qū)域可持續(xù)發(fā)展能力[50]、企業(yè)可持續(xù)發(fā)展[51]、水資源可持續(xù)利用[52]等方面均有應用，因此也適用于技術的可持續(xù)性評價。本研究采用綜合評價指數(shù)方法從環(huán)境、技術、經(jīng)濟和社會4 個方面，對生態(tài)修復污水處理技術的可持續(xù)性綜合影響進行評價。具體計算步驟如下：

1）獲得各級指標單項指標值

采用LCA 方法獲得環(huán)境指標的三級指標值。采用多屬性效用法獲得社會指標的三級指標值。定性指標采用評分取值方法實現(xiàn)定量化，如，技術先進性指標根據(jù)技術獲獎數(shù)量、國家發(fā)明專利授權數(shù)量等，分為優(yōu)（0.8～1.00）、良（0.70～0.80）、中（0.60～0.70）、差（0～0.60）四級；技術成熟程度指標根據(jù)技術開發(fā)的年代，參考工業(yè)化程度和市場普及率情況等，分為產(chǎn)業(yè)化階段（0.80～1.00）、工程化階段（0.60～0.80）、實驗室階段（0～0.60）三級；運行安全性指標、抗沖擊負荷能力指標、操作復雜程度等指標根據(jù)技術實際情況，均分為優(yōu)（0.80～1.00）、良（0.70～0.80）、中（0.60～0.70）、差（0～0.60）四級。

2）計算三級指標評價指數(shù)

正向指標：

負向指標：

式（1）～（2）中：Iijk為擬評價技術的第i項一級指標中的第j項二級指標的第k項三級指標的評價指數(shù)；Sijk為擬評價技術的第i項一級指標中的第j項二級指標的第k項三級指標的指標值；Sbijk為基準技術的第i項一級指標中的第j項二級指標的第k項三級指標的指標值。

3）計算二級指標的評價指數(shù)

計算公式定義如下：

式（3）中：Iij為擬評價技術的第i項一級指標中的第j項二級指標的評價指數(shù)；Iijk為擬評價技術的第i項一級指標中的第j項二級指標的第k項三級指標的評價指數(shù)；Wijk為擬評價技術的第i項一級指標中的第j項二級指標的第k項三級指標的權重；m為擬評價技術的第i項一級指標中的第j項二級指標包含的三級指標個數(shù)。

4）計算一級指標的評價指數(shù)

計算公式定義如下：

式（4）中：Ii為擬評價技術的第i項一級指標的評價指數(shù)；Iij為擬評價技術的第i項一級指標中的第j項二級指標的評價指數(shù)；Wij為擬評價技術的第i項一級指標中的第j項二級指標的權重；n為擬評價技術的第i項一級指標中包含的二級指標個數(shù)。

5）計算綜合評價指數(shù)

計算公式定義如下：

式（5）中：I為擬評價技術的綜合評價指數(shù)；Ii為擬評價技術的第i項一級指標的評價指數(shù)；Wi為擬評價技術的第i項一級指標的權重；t為擬評價技術包含的一級指標個數(shù)。

6）綜合評價分析判定

綜合評價指數(shù)I大于1，可判定該生態(tài)修復污水處理技術的可持續(xù)性運行效果好于基準技術，建議企業(yè)引進采用該生態(tài)修復污水處理技術；綜合評價指數(shù)I等于1，可判定該生態(tài)修復污水處理技術的可持續(xù)性運行效果和基準技術相同，是否引進采用該生態(tài)修復污水處理技術，企業(yè)根據(jù)自身實際情況決定；綜合評價指數(shù)I小于1，可判定該生態(tài)修復污水處理技術的可持續(xù)性運行效果和基準技術相比存在差距，不建議企業(yè)采用該生態(tài)修復污水處理技術。

3 污水處理技術可持續(xù)性評價實證研究

3.1 基準技術和候選技術介紹

某污水處理公司下轄若干個污水處理廠，其中多個污水處理廠采用的是較為傳統(tǒng)的A2/O 技術，采用改進的MBR 膜處理技術新建了1 個污水處理廠。選擇一個采用A2/O 技術的A 污水處理廠和采用改進的MBR 膜處理技術新建的B 污水處理廠進行實地調(diào)研，并發(fā)放了污水處理技術可持續(xù)性評價調(diào)查問卷。為了達到國家或行業(yè)規(guī)定的出水排放標準，A 廠在保持原有A2/O 污水處理技術不變的情況下，改進污水處理流程，降低尾水中污染物含量。B 廠率先在原先“預處理+A2/O 技術”基礎上增加MBR 平板膜處理技術，采用“預處理+改良A2/O 生物池+MBR 平板膜”技術，對傳統(tǒng)的A2/O 技術進行改良。兩種污水處理技術為常用的生態(tài)修復污水處理技術，具體流程如圖1～2所示。A2/O 技術由A/O 技術發(fā)展而來，以物理過程為主，結合生物處理過程，通過創(chuàng)造厭氧、缺氧和好氧環(huán)境，通過人工增氧，利用硝化菌、反硝化菌和聚磷菌等在特定環(huán)境下的特定功能，降解污染物實現(xiàn)脫氮除磷。MBR 膜處理技術在A2/O 技術基礎上將曝氣池與二沉池合二為一，增加平板膜處理流程，將微生物截留在反應池內(nèi)或聚集在生物膜上，促進硝化菌的增殖，提高系統(tǒng)硝化效率，從而提高出水水質(zhì)。

圖1 A2/O 技術流程Fig.1 Technology flow chart of A2/O

圖2 “預處理+改良A2/O 生物池+MBR 平板膜”技術流程Fig.2 Technical flow chart of “pretreatment + improved A2/O biological pool + MBR flat membrane”

在對調(diào)查問卷數(shù)據(jù)進行多次核實，并對有關錄音文件進行整理的基礎上，以A2/O 技術為基準技術，以改進的MBR 膜處理技術為候選技術，采用前述構建的生態(tài)修復污水處理技術可持續(xù)性評價指標體系和方法進行評價。

3.2 污水處理技術可持續(xù)性評價

1）計算第三級指標值和評價指數(shù)

應用生命周期評價方法（LCA），借助GaBi軟件分析工具得到第三級環(huán)境指標值；結合收集的原始數(shù)據(jù)及定性技術指標的評分依據(jù)，得到第三級技術指標值；確定兩種技術的建設期和運行期，采用終值公式得到第三級經(jīng)濟指標值；應用多屬性效用法，結合收集的原始數(shù)據(jù)得到第三級社會指標值。根據(jù)式（1）～（2）得到兩種技術三級指標評價指數(shù)，具體如表4所示。

表4 兩種技術三級指標的指標值Table 4 Index value of three level indexes of two kinds of technology

2）計算二級、一級指標及綜合評價指數(shù)

根據(jù)式（2）～（3）得到二級指標評價指數(shù)，根據(jù)式（4）得到一級指標評價指數(shù)，根據(jù)式（5）得到綜合評價指數(shù)。各級指標評價指數(shù)如表5所示。

表5 兩種技術各級評價指數(shù)Table 5 Evaluation index of each indicators of two kinds of technology

3）綜合評價分析判定

MBR 平板膜技術相對于A2/O 基準技術，其綜合評價指數(shù)I=1.355 7，說明MBR 膜處理技術在環(huán)境影響、技術性能及處理效果、經(jīng)濟成本和社會影響等方面的綜合表現(xiàn)優(yōu)于A2/O 技術，這與新建污水處理廠決策采用MBR 平板膜技術保持一致，說明構建的污水處理技術可持續(xù)性評價指標體系和方法具有可操作性和合理性。從環(huán)境因素評價指數(shù)I1=0.997 9 來看，MBR 平板膜技術相對于A2/O 基準技術，在環(huán)境因素上略有劣勢，這與已有研究指出的膜污染嚴重、電耗高的問題仍有待解決相一致[53]；從技術處理效果評價指數(shù)I=3.544 4 來看，MBR 平板膜技術相對于A2/O 基準技術，污染物去除效果存在明顯優(yōu)勢，這與已有研究指出的生物膜處理技術處理有機物污染水體效果最好[54]相一致，說明環(huán)境、技術因素的指標選擇和評價方法的選用具有可行性。

4 結論與討論

4.1 結 論

本研究采用文獻調(diào)研、實地調(diào)研與問卷調(diào)研等研究方法，在已有研究的基礎上，結合我國污水處理技術發(fā)展與應用現(xiàn)狀，構建了一套符合我國國情的基于生態(tài)修復的污水處理技術可持續(xù)性評價指標體系和評價方法，并以兩種生態(tài)修復污水處理技術為實證，驗證了指標體系和評價方法的可操作性和合理性。

通過對MBR 平板膜技術與A2/O 技術進行對比評價，發(fā)現(xiàn)MBR 膜處理技術在整體可持續(xù)性上優(yōu)于A2/O 技術，但在環(huán)境因素方面還有待改善。針對能耗最大的生物處理階段，建議通過控制氧氣的進入量，改善菌種的作用環(huán)境，一方面，提高污染物降解效率節(jié)約耗能時間；另一方面，提高產(chǎn)生和收集氣體的效率，通過沼氣發(fā)電實現(xiàn)清潔能源的利用，減輕環(huán)境負荷，產(chǎn)生經(jīng)濟效益。

4.2 討 論

本研究存在一些缺陷，例如在經(jīng)濟指標中，由于缺乏調(diào)研數(shù)據(jù)，因此暫未將占地面積和經(jīng)濟效益納入。因此本研究下一步將完善指標體系，加強收集相關評價數(shù)據(jù)，并進一步將實證對象拓展至污泥的生態(tài)修復技術評價、再生水回用的生態(tài)修復技術等，以進一步驗證和優(yōu)化基于生態(tài)修復的污水處理技術可持續(xù)性評價指標體系和方法，為更好的篩選生態(tài)修復污水處理技術提供支撐。