截至2015年,我国范围内已建成运营的污水处理厂约4 000 座,其中16.3% 污水处理厂采用A²/O工艺,在所有污水处理工艺中排名第二,属于应用最广泛的工艺之一。A²/O工艺从1980年诞生至今已有近36年的时间,由于其工艺简单和同步脱氮除磷效果好等优点,在我国得到迅速发展,在城市污水处理厂、小区生活污水处理站以及工业废水处理设施等系统中得到广泛应用。 但是,如何评价A²/O工艺污水处理厂的运行工况好坏,如何评估A²/O工艺污水处理厂的能耗水平,如何评价A²/O工艺污水处理厂的运营水平高低,目前为止行业内对这方面的研究报道较为鲜见^[1,2]。

　　 本文在分析总结我国A²/O工艺污水处理厂的运行工况和能耗水平现状的基础上,利用专家调查法和主成分分析法建立一个诊断A²/O污水处理厂运行工况和能耗水平的综合评价体系,为科学合理地评价A²/O污水处理厂运行工况和能耗水平提供参考。

　　 A²/O工艺污水处理厂运行工况和能耗水平的综合评价体系分为3层,即目标层(B)、准则层(C)和指标层(D),如表1 所示。其中准则层的4 个子系统权重由专家调查法统计分析获得;指标层的29个基本评价指标是在对基础数据进行标准化处理之后通过主成分分析法分析计算得到。

　　 指标层评价指标的确定是综合考虑A²/O工艺的运行参数、处理效果、处理效率和能耗水平4个方面的特点确立的,其中运行参数准则层中的混合液回流比能够直接反映A²/O工艺特点;运行参数中其他指标(如剩余污泥回流比、食微比、污泥浓度、HRT、固体停留时间SRT、MLVSS/MLSS比值)的参考值均依据《室外排水设计规范》和《给水排水设计手册》中给出的A²/O工艺的设计范围进行设定,这些运行参数评价指标可间接反映A²/O工艺的特点。此外,污染物削减效率、污染物削减效果、能耗与药耗等准则层中的评价指标参考值也是依据A²/O工艺的运行水平进行设定,也能够间接体现出其特点和能耗水平。综上所述,本文构建的综合评价体系在很大程度上能反映A²/O工艺的特点,能够对其运行工况和能耗水平进行有针对性和准确的综合评价。

　　 通过建立相应的调查问卷,请污水处理行业内150名环保专家、设计工程师和研究人员进行回答,针对回收的专家调查问卷的统计结果,获得准则层指标权重值如表2所示。

　　 经过查阅大量相关文献、统计资料,收集和整理我国A²/O工艺污水处理厂运行工况综合评价体系中相应指标的基础数据^[3~7]。以昆明市为例,主要数据采集自《昆明市第七污水处理厂2012年~2014年报》、《昆明市第二污水处理厂2012年~2014年年报》、《昆明市第五污水处理厂2012年~2014年年报》、《昆明市第六污水处理厂2012年~2014年年报》等。通过对以上数据的分析整理,得到A²/O工艺运行工况综合评价体系指标层对应各项的统计基础数据,在基础数据基础上采用标准化法(Z-score法)对指标数据进行无量纲化处理,见式(1)~式(3):

　　 其中:i=1,2,3,…,n; j=1,2,3,…,p。

　　 经过标准化方法进行归一化处理后得到指标层标准化数据库,数据标准化结果如表3~表6所示。

　　 本研究采用SPSS 13.0统计软件对指标层评价指标进行主成分分析,分析过程如下:

　　 (1)以A²/O工艺运行工况综合评价体系中指标层的29个指标作为分析变量,并按照准则层对指标进行分类,分别以各类别中所采用的统计年限的对应指标值为分析样本,建立准则层4个子系统的数据文件,见表3~表6。

　　 (2)根据所建立的数据文件,选择菜单栏中的分析选项,如:[analyze]→[Data Reduction]→[Fac-tor Analysis],并在打开的对话框中针对PCA分析所需结果进行选项设置,在提取方法[Method]的列表中选择主成分分析法[Principal components],通过计算获得主成分分析结果输出,如表7所示。

　　 由表7可知:污染物削减效率主成分表达式见式(4):

　　 按照以上主成分分析方法,准则层其他三个子系统的主成分表达式,如下所示:

　　 污染物削减效果主成分表达式见式(5):

　　 运行参数主成分表达式见式(6):

　　 能耗与药耗主成分表达式见式(7):

　　 (3)依据主成分分析法得出的表达式通过加权平均法分别计算4个准则层各子系统下各指标对应的权重值,如表8所示。

　　 依据本研究构建的递阶层次A²/O工艺运行工况综合评价体系,结合算术平均函数形式由指标层向上逐层建立评价模型,其中指标层各指标通过标准化计算方法进行无量纲化处理后获得相应的基础评价值(D_i),该基础评价值乘以各指标对应的权重求和后得到准则层各项中间评价值(C_i),最后各准则层中间评价值(C_i)乘以各准则层对应的权重求和后得到综合评价值(B)。 其中需要注意的是能耗与药耗准则层的中间评价值(C₄)除了乘以相应的权重(U₄)之外还需乘以一个修正系数(η₄)。

　　 评价体系综合评价值的计算公式见式(8)和式(9)。

　　 式中C_i———准则层各项中间评价值,无量纲;

　　 w_j———指标层各项指标权重,无量纲;

　　 D_j———指标层各项基础评价值,无量纲。

　　 式中B———A²/O工艺运行工况和能耗水平综合评价体系综合评价值,无量纲;

　　 U_j———准则层各项指标权重,无量纲;

　　 C_j———准则层各项中间评价值,无量纲;

　　 U₄———能耗与药耗对应权重,无量纲;

　　 C₄———能耗与药耗对应的中间评价值,无量纲;

　　 η₄———能耗与药耗修正系数,无量纲。

　　 A²/O污水处理厂的能耗与药耗水平与该污水处理厂的设计规模密切相关,为了公平客观评价污水处理厂的运行工况和能耗水平,本文引入一个能耗与药耗修正系数η₄来解决该问题。根据2014年全国污水处理厂的实际情况^[8],经统计分析并结合专家调查结果获得修正系数η₄的取值,如表9所示。

　　 另外,进水水质的差异对A²/O污水处理厂的运行工况和能耗水平具有较大的影响。进水污染物浓度过高会导致污水处理系统出水水质难以达标,同时药耗和能耗的运行成本增加;反之亦然。因此,当对不同区域之间的A²/O工艺污水处理厂进行综合评价时,评价体系需要适当考虑地域、气候、经济等方面因素,才能确保评价结果的准确和合理。在实际研究过程中发现我国不同地域之间由于经济、气候、生活习惯的差异导致不同区域之间污水水质差别很大,北方地区的生活污水污染物浓度较高,南方地区的生活污水污染物浓度较低。

　　 在评价不同区域A²/O工艺污水处理厂的运行工况和能耗水平时,建议引入一个简单的地域修正系数η₅,该修正系数的取值范围按照南北方地域进行区分,其中南方地区的地域修正系数η₅为0.7~1.0;北方地区的地域修正系数η₅为1.1~1.4。最终对A²/O工艺污水处理厂进行综合评价时,污染物削减负荷和污染物削减效果两部分得分均需要考虑地域修正系数的影响才能获得最终的评价结果。不过目前针对我国不同区域之间进水水质差异的研究报道较少,导致该地域修正系数的地区分类过于简单,该参数有待于在今后的研究中进一步完善。

　　 A²/O工艺运行工况综合评价体系指标层各项指标的基础评价值及计算方法如表10所示。

　　 各项评价指标因量纲不同不能直接代入模型进行计算,先对其进行无量纲化处理之后,逐层代入评价模型,最终得到A²/O工艺污水处理厂运行工况的综合评价值,评价标准如表11所示。

　　 在昆明第七污水处理厂2015年1~6月实际运行数据基础上,获得该污水处理厂的运行工况及其能耗水平的相关数据,利用本研究建立的“A²/O工艺运行工况及能耗水平综合评价模型”进行评价。由表11可知,由于昆明第七污水处理厂的设计规模为30万m³/d,则能耗与药耗准则层的修正系数η₄为0.8,地域修正系数η₅取值1.0,因此能耗与药耗准则层对应的权重为0.25×0.8=0.2。综合评价体系的计算结果如表12所示。

　　 由表12可知,昆明市第七污水处理厂运行工况和能耗水平综合评价得分为88.43。利用本研究建立的评价体系对该污处理水厂评价结果为优秀。由此可见,除了能耗和药耗水平还存在一定的提升空间之外,昆明市第七污水处理厂运行工况和能耗水平基本维持在较好的水平。

　　 (1)本研究构建了针对A²/O污水处理厂运行工况优化运行和能耗水平的综合评价体系。引入该评价体系有助于A²/O污水处理厂了解自身运行管理水平和节能降耗潜力,有助于比较不同厂之间的运行绩效从而促进政府主管部门的有效监管。

　　 (2)评价指标体系从污染物削减效率、污染物削减效果、运行参数及能耗和药耗4个维度考察A²/O工艺污水处理厂的运行工况和能耗水平,利用专家调查法和主成分分析法分别获得准则层和指标层的权重,构建A²/O工艺运行工况及能耗水平综合评价体系模型。同时对各指标的权重值以及评价指标的考核计算方法作出了相应说明。

　　 (3)本文所建立的A²/O工艺运行工况和能耗水平综合评价体系理论上可行,简单实用、易操作、评价结果真实可靠。其应用于昆明市第七污水处理厂的综合评价,各项指标具备较强实用性,能够客观地评价A²/O工艺运行工况和能耗水平。