分散or集中？排水系統怎樣建設更優秀
地下式污水處理廠的迅速發展為實施“適度集中、就地處理、就近回用”的建設理念帶來了契機，以地下廠為核心的分布式廠網建設模式可彌補傳統集中式模式的不足，具有較大的工程應用潛力。對于排水系統建設方案的決策比選，現有模型極少關注資源、環境及社會效益。為此，從技術經濟先進性、資源效益、環境效益和社會效益4個方面構建了16個指標的排水系統分布-集中方案決策模型，并以決策指數H作為最終評價指標。以南明河流域水環境綜合治理項目為例進行綜合評價，評價結果表明分布式廠網建設模式決策指數為63.31，優于傳統集中式建設方案。方案實施后，南明河治理段黑臭消除，國控斷面主要水質指標達地表水Ⅲ類，水生植物覆蓋率和生物多樣性提升。 科曼環保www.futabashoukai.com
0 引 言
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相比于美國在城鎮化率達60%時開始建設污水處理廠，我國在城鎮化率近30%時已開始建設，至今建設模式仍以集中式為主，即在遠離城市的邊緣、排放水體下游建設集中式收集管網和大型污水處理廠。集中式排水系統建設模式在國外較為常見，特別是城市和人口密集地區，如美國芝加哥Stickney污水處理廠（465萬m3/d）、英國倫敦Beckon污水處理廠（240萬m3/d）、加拿大蒙特利爾Riviere-des-Prairies污水處理廠（760萬m3/d）。集中式模式具有顯著的規模效應，大型污水處理廠選址簡單、易于管理、可靠性強，該模式在我國水污染防治方面發揮了重要作用，彌補了我國水污染治理行業發展初期處理能力不足、運營水平不高、管理機制不完善的缺陷。然而，當下我國城鎮化率已突破60%，這種建設模式所存在的弊端也逐漸顯現： 工業凈化www.futabashoukai.com
（1）占用大量土地資源，鄰避效應顯著。宮徽等研究結果表明，傳統污水處理廠建設模式會對廠區占據的土地及其周邊地產產生遠超自身建設投資數倍的價值損失。 水凈化www.futabashoukai.com
（2）污水長距離輸送，埋深大投資高，管網滲漏率高，進廠水質濃度低，單位污染物能耗高。曹業始等研究表明，我國污水管網的平均滲漏率高達46%，COD在管網中的損失率高達55%。由于進水水質濃度低，我國單位污染物去除所需的能耗遠高于國際平均水平。
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（3）不利于水資源回用。再生水廠通常需要建設較長的回用管網，建設在河道下游的水廠需要利用水泵將再生水再次提升至河道上游，由此造成管網投資高、運行成本高的情況。 水凈化www.futabashoukai.com
（4）不利于能源利用。采用水源熱泵對污水處理廠出水制冷供暖是能源利用的有效手段，其有效服務半徑一般為3km，而污水處理廠通常遠離建成區，導致熱能難利用。 工業凈化www.futabashoukai.com
近年中國城鎮化發展迅速，新建污水處理廠通常在5~10年內就面臨被城市化區域包圍的局面。傳統模式下，水廠擴建提標勢必需要在下游選擇新址，擴大處理規模、占地面積和管網輻射范圍，然而仍將面臨若干年后再次被城市包圍的局面。如成都三瓦窯污水處理廠在2013年因鄰避效應而搬遷至下游4km處，僅管網投資新增達8.5億元，現新廠址已再次被城市包圍。傳統建設模式會導致“異地新建、被城市包圍、再次異地、再次被包圍”的惡性循環。
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針對集中式建設模式存在的問題，“適度集中、就地處理、就近回用”的新建設原則逐漸被業界接受、提倡并推廣。美國就經歷了“集中、分散、集中與分散相結合”的發展路徑：在20世紀70、80年代開始大規模建設集中式污水處理系統，20世紀90年代分散式污水處理開始流行，至今美國已形成分散式治理系統與集中式污水處理并行相伴的治理模式。采用分散與集中相結合的原則進行污水處理廠及管網建設具備節省管網投資、降低管道滲漏率、有利于水資源回用與能源利用等優點。
我國地下式污水處理廠發展迅速，為實施集中分散相結合的廠網建設理念提供了契機。“十三五”末期我國地下廠總數量已達119座，處理規模達1 253萬m3/d。地下式污水處理廠具有環境友好、土地集約、資源利用、化鄰避為鄰利、選址靈活等優勢，將之與上述建設理念結合而形成的分布式廠網建設模式，兼具地下廠和分散式的優點，在合理規劃的基礎上可實現排水系統經濟、資源、環境和社會正效益，具有實際工程意義和大范圍推廣應用的潛力。
對于排水系統建設方案分散還是集中的決策比選，現有模型方法多從技術經濟角度評價，極少關注資源、環境和社會方面的影響。層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是一種定性與定量相結合的決策評價方法，是分析多目標、多層次、復雜系統的有效工具，被廣泛應用于環保行業中各類技術、方案的綜合評估，如最佳可行技術（Best Available Technology，BAT）。本文從技術經濟先進性、資源效益、環境效益及社會效益4個方面構建了16個指標的分布-集中方案決策評價模型。為使評價模型具有普遍可比性，針對確定性指標建立可通用的標準化函數，針對非確定性指標采用5級劃分法，并以決策指數H作為最終評價指標。
1? 排水系統分布-集中方案決策評價模型構建
1.1 評價指標優選
模型中準則層下的相應指標通過專家咨詢和技術調研篩選得出，同時遵循目標針對性、綜合指示性、數據可獲得性和指標可考性原則。表1為最終篩選出的16項評價指標。在指標篩選過程中，曾考慮管網單位建設成本、服務范圍管網密度、單位水資源回用收入、民眾滿意度、科普教育普及性等指標，但上述指標存在數據可獲得性較差、與已有指標關聯度高等問題，且這些指標的相關內容均可被最終篩選出的16項評價指標覆蓋。
表1 分布-集中決策模型評價指標篩選
1.2 層次模型與指標權重
排水系統分布-集中決策模型的指標權重確定步驟為：①行業內5位專家及5位工程師，按照9標度法對指標體系逐層比較；②構建判斷矩陣，進行一致性檢驗。若一致性檢驗不通過，則與受訪者進一步溝通；③以專家給出的權重均值作為評價指標權重。結果顯示，準則層中資源效益所占權重最高，這與如今國家大力推行資源化的發展方向一致。技術經濟先進性在本模型中同樣重要，權重占比第二。污水處理廠的建設應適度集中，過于分散會增加污水處理廠建設和運維成本，降低方案技術經濟性，而過于集中則會導致管網長度和成本增加，同樣會影響技術經濟性。環境效益和社會效益在本模型中重要程度基本相當，彌補了現有評價模型的不足。各評價指標中，能量平衡率、再生水利用率、土地釋放程度對評價結果的影響最大，且這三項指標均屬于資源效益準則層。可以看出，不同分散程度的方案在能量、再生水及土地等資源利用上所產生的效益是衡量方案好壞的重要考量。
1.3 評價指標標準化
C1~C5采用離差標準化法對數據進行標準化處理［見式（1）］。該方法需要確定評價指標中的最大值（Cmax）和最小值（Cmin），否則每次評價時若最大值和最小值變化，就需要重新定義標準化函數，無法做到橫向統一對比不同方案。
式中 Ci——待標準化的樣本數據；
Cmax——對應評價指標最大值；
Cmin——對應評價指標最小值。
確定性指標對應的標準化函數見表3，數據范圍確定方法如下：
（1）污水處理廠單位建設成本（C1）：參考《建標［2001］77號 城市污水處理工程項目建設標準》及相關文獻，以噸水投資2 000元/（m3·d）為最小值。采用大數據技術、結合公開發表的相關文獻，調研國內103座已運行的地下廠，選取出水標準高于一級A、箱體及設備均一次建成的地下廠作為成本分析對象，有效數據樣本共計28座。圖1顯示規模效應在地下廠領域仍在存在，其單位建設成本與處理規模的關系以式（2）表示。計算處理規模為1萬m3/d時的單位建設成本，取整后作為標準化函數的最大值，即16 000元/（m3·d）。
式中 P——地下廠單位建設成本，元/（m3·d）；
Q——為處理規模，萬m3/d。
表3 評價指標數據范圍與標準化函數
（2）單位污水收集管網長度（C2）：以《中國城市建設統計年鑒（2019）》中各省市建成區排水管道長度和污水處理能力為基礎，計算全國680座城市單位污水收集管網長度，其最小值和均值分別為0.17 m/（m3·d）、3.54 m/（m3·d）。考慮標準化函數的可用性，取3.55 m/（萬m3·年）作為本評價指標最大值，取0.15m/（萬m3·年）為最小值。
（3）單位再生水回用管網長度（C3）：以《中國城市建設統計年鑒（2019）》中各省市再生水管道長度和全年再生水利用量為基礎，計算全國680座城市的單位再生水回用管網長度，其最小值、均值分別為0、10.46 m/（萬m3·年）。考慮標準化函數的可用性，取10 m/（萬m3·年）作為本評價指標最大值，取0為最小值。
（4）污水處理廠單位污染物去除能耗（C4）：至2018年我國一級A及以上污水處理廠單位COD能耗范圍為0.6~5.2 kW·h/kg COD，該數據基于住房和城鄉建設部“全國城鎮污水處理廠信息管理系統”（2018年）中4 300多座污水處理廠實際運行數據統計得出，具備可靠性。同時，考慮數據時效性、水處理技術發展速度和標準化函數的可用性，該項評價指標的最小值、最大值分別確定為0.5 kW·h/kg COD、5.0 kW·h/kg COD。
（5）污水處理廠單位用地面積（C5）：以《建標［2001］77號 城市污水處理工程項目建設標準》中規定的城鎮污水處理廠單位用地面積1.6 m2/（m3·d）為最大值。以103座調研的已運行地下廠為基礎，結合地理信息系統、文獻調研等方法獲取地下廠的箱體占地面積，有效數據樣本共計61座，其最小值、最大值和全國均值分別為0.15 m2/（m3·d）、0.83 m2/（m3·d）、0.33 m2/（m3·d）。考慮標準化函數的可用性，取0.15 m2/（m3·d）作為本評價指標最小值。
（6）C7~C9、C11、C12的數據范圍為0~100%。C13、C15分別構建與水資源利用種類的數量、公共服務供給種類的數量相關標準化函數。
其余指標采用5級劃分法進行評分，評價標準見表4。
1.4 決策指數H的計算方法
利用式（15）計算各方案的最終得分，以分布-集中決策指數H表示，并用于評價不同分布程度的排水系統方案，決策指數越高，表明方案越優。
2 應用案例
2.1 南明河概況
南明河是貴陽市的母親河，其干流及5條支流全長118 km，流域內服務人口350萬人，服務面積6 600km2，是長江與珠江上游的重要生態屏障。2013年前，南明河流域水質惡化、污染嚴重，中心城區段水質長期處于劣Ⅴ類，主要原因包括：①收集與處理設施跟不上城市高速發展，現狀污水處理廠僅5座，處理能力67萬m3/d，遠期缺口超100萬m3/d；②貴陽市為典型喀斯特地貌，且南明河流域主城區人口密度高（7 100~8 100人/km2），污水收集難、輸送難；③南明河為季節性缺水河流，城市發展占用水資源，使生態基流持續下降，河道自凈能力降低。針對上述問題，南明河流域水環境綜合治理項目自2012年開始實施，至今已持續近9年。
2.2 決策模型應用與結果討論
在南明河流域綜合治理之初提出了傳統集中式建設模式和分布式廠網建設模式兩種方案。圖2為按照原規劃思路編制的排水系統集中式方案，新建3座地上式污水處理廠（處理規模62.5萬m3/d），擴建4座地上式污水處理廠（處理規模53.5萬m3/d）。圖3為以“下沉式再生水廠”為核心，結合“適度集中、就地處理、就近回用”原則提出的分布式廠網建設模式，沿南明河干支流新建改擴建再生水廠23座，新增處理規模116萬m3/d。其中，下沉式污水處理廠17座（處理規模67.5萬m3/d），地上污水處理廠6座（處理規模48.5萬m3/d）。
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