基于數據包絡分析模型的污水處理技術評估研究

洪尉淞

摘 要：如何客觀、定量地評估污水處理設施的技術有效性是當前面臨的重要問題。本研究使用數據包絡分析法對重慶市190個污水處理設施運行有效性進行評估，并探究8種不同污水處理技術的運行有效性。結果表明，使用人工濕地技術的污水處理設施的純技術效率和綜合技術效率均為最高，分別為0.85和0.74。

關鍵詞：數據包絡分析法;污水處理;技術評估

中圖分類號：X703文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）05-0138-03

Abstract： How to evaluate the technical effectiveness of sewage treatment facilities objectively and quantitatively is an important problem. In this paper， data envelopment analysis （DEA） was used to evaluate the operational effectiveness of 190 sewage treatment facilities in Chongqing and explore the operational effectiveness of eight different sewage treatment technologies. The results showed that the PTE and TE of constructed wetland were the highest， which were 0.85 and 0.74 respectively.

Keywords： data envelopment analysis;sewage treatment;technical evaluation

1 研究背景

2020年11月，生態環境部公布了《全國污水集中處理設施清單》（第二批），加上2020年3月公布的第一批清單，全國31個省（區、市）設計處理能力達到及超過500 t/d的污水集中處理設施已經有10 826座，較2014年底的3 717座[1]有極大的提升。然而，管理者如何客觀、定量地評估這些數量如此龐大且不斷增長的污水處理設施的運行有效性，并提出有針對性的措施，以幫助其提升運行效率是當前仍然面臨的重點和難點。

目前，用于評估污水處理設施運行有效性最常見的分析方法是數據包絡分析（Data Envelopment Analysis，DEA）。王芙蓉等利用數據包絡分析法對22座規模相同的污水處理廠的運行效率進行評估，證明了模型的可行性，并且填補了效率評估時缺乏定量分析的缺陷[2];吳丹結合區域污水處理系統的特點，改進了數據包絡模型，從而對該系統的綜合績效進行評估研究[3];詹天珍應用DEA的環境經濟損益分析方法對某地擬建造的污水處理廠三個不同方案進行比選，在不需要對環境要素給予確定價格的情況下，分析確定最佳的建造方案的競爭優勢值[4];董傳強等對貴州省69座縣級污水處理廠的運行有效性進行分析，并計算出相應的投入冗余量和產出不足量[5]。通過對這些文獻進行分析研究發現，目前對污水處理設施運行有效性的評估主要以單個污水處理設施為主，評估后的分析也僅針對單個污水處理設施，很少有將若干個污水處理設施進行歸類后再分析研究的。因此，本研究主要使用數據包絡分析法對重慶市190個污水處理設施運行有效性進行評估，并探究不同污水處理技術的運行有效性。

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

數據包絡分析法的原理主要是通過保持決策單元（Decision Making Unit，DMU）的輸入或者輸出不變，借助于數學規劃和統計數據確定相對有效的生產前沿面，將各個決策單元投影到DEA的生產前沿面上，并通過比較決策單元偏離DEA前沿面的程度來評價它們的相對有效性[4]。常見的DEA模型有規模報酬不可變的CCR模型和規模報酬可變的BCC模型。針對污水處理設施可升級、可改造的特點，本研究選擇規模報酬可變的BCC模型。

為了提高模型對污水處理設施運行有效性評估的合理性和科學性，本研究把污水處理設施的累計投資（萬元）和年運行費用（萬元）作為資金投入指標;把年用電量（kW·h）作為能源投入指標;把年處理污水量（萬t）作為資源產出指標，把化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）去除率（%）、氨氮去除率（%）、總氮去除率（%）和總磷去除率（%）作為環境效果產出指標。

2.2 數據來源

本研究選取2018年重慶市190座城鎮污水處理設施的運行數據作為研究對象，數據均取自2018年度《全國環境統計報表》。這190座污水處理設施涉及厭氧好氧工藝（Anoxic Oxic，AO）、厭氧-缺氧-好氧法（Anaerobic-Anoxic-Oxic，A2O）、膜生物反應器（Membrane Bio-Reactor，MBR）、序批式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process，SBR）、人工濕地、生物濾池、生物轉盤和氧化溝8種常見的污水處理技術，各種技術的相關數據統計詳見表1。

3 結果與分析

運用DEA-SOLVER Pro5軟件對樣本數據進行計算及分析，得到2018年重慶市190座城鎮污水處理設施運行有效性的評估結果。對評估結果進行統計，如表2所示。各個污水處理設施的純技術效率和綜合技術效率分別如圖1、2所示。

運行效率主要是指純技術效率（PTE）、綜合效率（TE）和規模效應（SE），其中規模效應是通過計算綜合效率除以純技術效率得到的。

從純技術效率來看（見圖1），190座污水處理設施中有44座污水處理設施純技術效率為1，即剔除了規模因素后所得的技術效率是有效的。所涉及的8種污水處理技術的純技術效率由高到低依次為人工濕地、SBR、A2O、AO、氧化溝、生物轉盤、生物濾池、MBR技術，具體數值依次為0.85、0.83、0.70、0.68、0.66、0.59、0.58、0.55。

從綜合效率來看（見圖2），190座污水處理設施中有21座污水處理設施綜合效率為1，即包含了規模因素后所得的技術效率是有效的。所涉及的8種污水處理技術的綜合效率由高到低依次為人工濕地、AO、A2O、SBR、氧化溝、生物轉盤、MBR、生物濾池技術，具體數值為0.74、0.64、0.56、0.55、0.54、0.51、0.45、0.31。

通過對結果進行分析發現，純技術效率高于0.8的只有人工濕地和SBR技術，并且沒有任何一種技術的綜合效率高于0.8。這說明評估所涉及的8種常見污水處理技術還有很大的提升空間。對于運行效率偏低的生物濾池、生物轉盤和MBR技術，也提示在新建污水處理設施時多注意建設規模的大小、技術的適用性及投入和產出的匹配程度。

從整體來看，使用人工濕地、AO、A2O和SBR技術的污水處理設施運行有效性相對于使用氧化溝、MBR、生物濾池和生物轉盤技術的污水處理設施運行有效性更高。但是，SBR的純技術效率高于其規模效率，這表明使用SBR技術的污水處理設施在技術的選擇上比較合適，但可以通過擴大建設規模進一步提高運行有效性，從而使投入和產出更加匹配。

從投入冗余和產出不足的角度來分析，使用A2O技術的污水處理設施在平均累計投資成本上投入冗余為1 539萬元，因此，在投建使用A2O技術的污水處理設施時要控制成本;使用生物濾池技術的污水處理設施在平均運行費用上的投入冗余為224余萬元;在平均COD去除率以及平均總氮去除率上的產出不足，分別為8.41%和14.16%;使用人工濕地技術的污水處理設施在平均氨氮去除率上的產出不足，為8.32%;使用生物轉盤技術的污水處理設施在平均總磷去除率上的產出不足，為11.43%。由此，使用這些技術的污水處理設施的管理人員可以通過合理調整、科學管理來提升運行有效性。

4 結論

本研究使用數據包絡分析法對重慶市190座污水處理設施進行了運行有效性評估。通過對這190座污水處理設施所涉及的8種常見污水處理技術評估結果的統計和分析，發現使用人工濕地、AO、A2O和SBR技術的污水處理設施運行有效性相對于使用氧化溝、MBR、生物濾池和生物轉盤技術的污水處理設施運行有效性更高。其中，人工濕地的純技術效率和綜合技術效率是最高的，分別為0.85和0.74。對于運行效率偏低的生物濾池、生物轉盤和MBR技術，在新建污水處理設施時應多加注意建設規模的大小、技術的適用性以及投入和產出的匹配程度。

此外，對于絕大多數已建成的污水處理設施，可以通過規模擴建、技術改造、降低運行成本、科學管理來提高運行有效性。

參考文獻：

[1]買亞宗，盧佳馨，馬中，等.城鎮污水處理設施運行效率及其規模效應研究[J].中央財經大學學報，2016（4）：122-128.

[2]王芙蓉，蘇波.基于DEA技術的污水處理廠運行效率評估模型研究[J].西華大學學報（自然科學版），2007（4）：5-8.

[3]吳丹.區域污水處理系統績效評價研究[J].中國農村水利水電，2011（11）：25-29.

[4]詹天珍.使用數據包絡（DEA）對不同污水處理廠方案的環境經濟損益分析[J].新疆環境保護，2016（4）：20-24.

[5]董傳強，成官文，吳瓊芳，等.貴州省縣級城鎮污水處理廠運行有效性評價：基于DEA模型[J].工業安全與環保，2015（10）：10-13，102.