农村生活污水一体化处理设备跟踪评估

本项目选择长江下游安徽省内5个村庄开展农村生活污水治理试点，试点村庄均位于长江沿线4km范围内。在对国内水处理设备供应商充分调研的基础上，选择了6套一体化处理设备对5个村庄的生活污水进行处理。为提高长江下游水资源保护水平，发挥试点示范作用，处理设备出水均执行安徽省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 34/3527-2019)一级A标准。本项目中设备处理规模为10~50m3/d，生物反应单元均投加K3型填料，形成MBBR泥膜复合工艺，详细设备参数见表1。

表1 评估设备参数

2.1 评估方法

层次分析法广泛地用于技术方案比选、环境评价和生态承载力预测等方面，运用定性与定量结合的评判模型，综合考虑各方面因素，并按各因素对评判目标的影响程度综合评判，得到定量化的评价结果。该方法目前已广泛应用于污水处理工程的方案评选，能够较好地解决污水处理技术方案选择的难题。农村生活污水一体化处理设备评估涉及众多定性、定量指标，层次分析法可以较好的将定性分析与定量分析结合，得出综合评价结果。

2.2 评估指标体系建立

农村生活污水一体化处理设备的评价指标主要包括技术特征、经济特征和周边环境影响三方面。本次研究评估设备均设置有盖板，封闭状态运维，安置于村庄下风向且远离居住区；同时设有专门的隔音控制间安置风机、水泵等易产生噪声的部件。跟踪评估期间，走访周边居民未收到有受到影响的反馈，故此次评估指标不包括周边环境影响方面。

技术特征主要包括满足评估一体化处理设备处理能力（污水处理的目标要求）的指标。目前我国农村生活污水污染物控制指标主要包括COD、BOD5、TN、NH3-N与TP等指标，选择出水指标达标率［见式（1）］评估设备运行稳定性。本次跟踪评估过程中，各设备COD、BOD5达标率均为100%，为提升指标体系区分度，暂不考虑这两个指标。

经济特征是影响农村生活污水一体化处理设备正常运行的重要因素，主要包括设备购置费、基建费用（建筑工程费、安装工程费等）、维护费用（设备维修、日常巡检的人工成本与配件成本）与运行费用（设备正常运行所需的电费、药剂投加费用等）等。

结合层次分析法基本原理，构建了图1所示5层16个指标。

表2 一体化设备评价指标体系

图1 农村生活污水一体化处理设备评估层次结构

2.3 判断矩阵构建

判断矩阵表征层次结构中同一层次各项指标两两相比的重要程度，本研究采用1~9标度法构建判断矩阵（见表3）。通过查阅相关设备文献资料以及召开专家咨询会问询专家意见建立各准则层的判断矩阵。

表3 判断矩阵标度及其含义

2.4 数据标准化处理

由于各指标评价的量纲不同，为消除量纲不同带来的不可比性，在评价之前首先对各评价指标进行无量纲化处理。对于不同类型的指标，无量纲化处理的方法也不相同。其中效益型指标是属性值越大越好的指标，其无量纲化处理的方法如式(2)所示：

成本性指标是指属性值越小越好的指标，处理方法如式(3)所示：

式中，xij为第i种方案下第j个指标值；xjmax为第j个指标值中的最大值；xjmin为第j个指标值中的最小值；Lij为xij指标标准化处理结果。

2.5 综合评价

将方案层中不同方案的各指标得分与指标权重通过下式计算可得到不同农村生活污水一体化处理设备的最终评分，如式(4)所示：

式中，Wj为第j个评价指标的权重；Lij为第i种方案第j个指标值；Li为第i种方案的综合评价结果。

4.1 各指标权重分布

经文献资料收集与专家咨询，确定农村生活污水一体化设备评价指标体系各层指标权重，计算各一体化处理设备最终评分如表4所示，一体化设备评价指标权重赋值情况如图2所示。在准则层一级指标中技术特征所占权重最大（0.8333），这与一体化处理设备以保障出水水质达标的目的一致。技术特征层下设指标中，TP达标率的权重最高（0.57）。这与当前农村生活污水处理中生物除磷效果受水质水量波动影响较大，稳定性较差的情势一致。除磷性能是一体化设备评估的重点，TP达标率较高的设备会获得更高的评分。

表4 农村生活污水一体化处理设备评价结果

经济特征层下设指标中，运行费用指标权重最高（0.0638），维护费用其次（0.0459），设备购置费（0.0459），基建费用最低（0.011）。这说明相较于前期设备购置、基建等一次性投入，后期长达数年甚至数十年的运行维护费用占有较大比重。运行稳定，维护简单的设备会得到更高的评分。

综合评价指标权重分布情况，可得出影响农村生活污水处理设备表现的关键指标是TP达标率（技术特征）、运行费用与维护费用（经济特征）。在农村生活污水一体化处理设备的选择中，设备的除磷性能与后期的运维费用是关键影响因素。

图2 一体化处理设备评价指标权重计算结果

4.2 一体化处理设备评估得分

出水达标率得分情况如图3所示，3号、4号与6号设备采用人工湿地技术深度除磷，处理效果受气候等条件影响较大，TP达标率评分显著低于采用电解除磷与加药除磷的其他设备。6号设备采用兼氧膜生物反应器工艺(FMBR)，总氮达标率得分远低于氨氮达标率得分。这主要是由于FMBR需要较高的运营水平，才能保证兼氧环境下同步硝化反硝化的顺利进行。一旦反硝化细菌成为劣势菌群，就会导致硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的积累，导致出水TN超标，TN达标率评分低于NH3-N达标率评分。

图3 各一体化处理设备出水达标率得分

经济特征指标得分情况如图4所示，1号设备采用三级AO工艺，吨水基建成本较高，得分较低，其他各项指标得分居中。2号设备采用SBR工艺，流程简单，设备吨水价格最低，得分最高；SBR工艺需两套设备保证连续出水，设备占地面积较高，得分较低。3号、4号、6号设备采用人工湿地强化除磷，吨水物耗最低，得分最高。

图4 各一体化处理设备经济特征指标得分

综合评估技术特征和经济特征，一体化处理设备最终得分如表2所示，从高到低依次为1#、2#、5#、3#、4#和6#设备。1#设备采用三级AO工艺，出水水质稳定达标、工艺简单、运维简便，综合得分最高。6#设备采用FMBR工艺，吨水电耗较低，但实际运行过程中工艺运维难度较大，综合得分最低；后期可通过配套远程运维模块，提高设备在线运维技术水平解决。

目前，农村生活污水一体化处理设备相关国家标准有待进一步完善。已有行业标准《小型生活污水处理成套设备》(CJ/T 355-2010)、《农村生活污水净化装置》（JB/T 14095-2020），团体标准《小型生活污水处理设备标准》(T/CCPITCUDC-001-2021)仅对设备的外观、材质、强度、密封性、防腐、电气安全、抗水量冲击及检验方法等基本性能进行了相关规定。《农村生活污水处理设施运行效果评价技术要求》（GB/T 40201-2021）提供了农村生活污水处理设施运行效果的评价规范，可用以评估处理设施的运行状况。上述标准对不同设备的经济性能、技术性能规定涉及较少，不能直接用于指导一体化处理设备的选择。本跟踪评估研究通过对一体化处理设备一年运行期技术、经济特征的记录与分析，采用层次分析法构建了农村生活污水一体化处理设备的评估体系，针对长江下游地区典型村庄的评估结果显示：

（1）不同工艺流程在不同评估指标上各有优劣，工艺流程不能准确地反映农村生活污水一体化处理设备的处理水平和效率。

（2）影响农村生活污水一体化处理设备评估表现的关键指标是TP达标率、运行费用与维护费用（经济特征）。在农村生活污水一体化处理设备的选择中，设备的除磷性能与后期的运维费用是关键影响因素。

根据评估结果结合业内专家咨询意见，针对农村生活污水一体化处理设备选择提出如下建议：

①农村人口流动性较大，生活污水水量、水质波动明显，一体化处理设备应优先选择耐冲击负荷性高的处理设备。对除磷有较高要求的地区，应配备化学除磷、电解除磷等装置保障除磷效果。

②农村生活污水处理站点分散，后期运维成本较高。设备选择应优先考虑可靠性高、运维需求低、智慧化程度高（可实现或易于实现远程监控、远程数据采集传输以及远程设备操控）的设备。

③一体化污水处理设备的环境影响主要包括噪声和臭气。为降低农村生活污水处理站点的环境影响，应优先选择生物处理单元有封盖，水泵、风机有专门隔音处置的设备。