1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

研究范圍包括黃河流域中下游山西、河南和山東3個省29個主要城市174座城市污水處理廠。各污水處理廠的污水處理量、進(jìn)出水水質(zhì)、藥耗與電耗、污泥處置量以及實(shí)際投資等數(shù)據(jù)來自“全國城鎮(zhèn)污水處理管理信息平臺”。運(yùn)行成本主要考慮電費(fèi)，藥劑費(fèi)用和員工工資等，其中污水處理廠的年耗電量，各類藥劑使用量和員工人數(shù)可從“平臺”中直接獲取，部分污水處理廠“平臺”上缺失員工人數(shù)數(shù)據(jù)，通過查詢企業(yè)官網(wǎng)、相關(guān)微信推文信息和國家企業(yè)信用信息公示系統(tǒng)企業(yè)年報社保繳納人數(shù)等獲取，并結(jié)合當(dāng)?shù)仉妰r，市場藥價費(fèi)用和當(dāng)?shù)氐穆毠て骄�工資等進(jìn)行估算。核算過程中對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，去除異常數(shù)據(jù)與缺失數(shù)據(jù)過多的污水處理廠，對個別缺失數(shù)據(jù)使用加權(quán)平均值等進(jìn)行補(bǔ)充。

1.2 評估指標(biāo)體系

污水處理不僅要減污達(dá)標(biāo)，也要協(xié)同推進(jìn)碳減排和提升運(yùn)行效能。因此，本文綜合考慮城市污水處理廠減污降碳協(xié)同增效等多方面的目標(biāo)，確定綜合運(yùn)行效能評估指標(biāo)體系如表1所示。

表1 城市污水處理廠綜合運(yùn)行效能評估指標(biāo)體系

1.3 評估方法

1.3.1 污水處理廠綜合運(yùn)行效能評估

采用基于SBM模型的數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法進(jìn)行評估。本研究統(tǒng)計(jì)有174座污水處理廠，每座污水處理廠可視為一個評估決策單元，對其綜合運(yùn)行效能進(jìn)行評估。選取m種投入指標(biāo)xi，q1種期望產(chǎn)出指標(biāo)yi和q2種非期望產(chǎn)出指標(biāo)bi，具體見表1，則第k個污水處理廠的綜合運(yùn)行效能值ρ如式（1）、式（2）所示：

式中，xik、yrk、bwk分別為第k個污水處理廠的第i個投入指標(biāo)變量、第r個產(chǎn)出指標(biāo)變量和第w個非期望產(chǎn)出指標(biāo)變量；s-、s+、sb-分別為投入、期望產(chǎn)出和非期望產(chǎn)出的松弛變量（松弛變量值即投入冗余量、期望產(chǎn)出不足量和非期望產(chǎn)出超標(biāo)量）；λ為權(quán)重向量。本文ρ值由DEARUN軟件計(jì)算。

1.3.2 污水處理廠運(yùn)行效能影響因素分析

為進(jìn)一步解析影響污水處理廠綜合運(yùn)行效能的影響因素和影響程度，選取能影響污水處理廠績效的因素指標(biāo)，采用Kruskal-Wallis檢驗(yàn)法分析各因素對污水處理廠運(yùn)行效能的影響。Kruskal-Wallis檢驗(yàn)步驟如下：

（1）將多組樣本數(shù)據(jù)(ρ值)混合并按升序排序，求出各變量的秩。

（2）計(jì)算 K-W 統(tǒng)計(jì)量如式（3）~式（5）所示：

2.1 污水處理量變化情況

圖1為研究區(qū)域城市污水處理量變化情況�？梢钥闯�，近五年研究區(qū)域污水處理廠處理污水量不斷增加，到2022年區(qū)域污水處理廠年污水處理量已達(dá)到45億m3。研究區(qū)域174座污水處理廠中64.9%的污水處理廠出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)，35.1%的污水處理廠出水執(zhí)行地方標(biāo)準(zhǔn)（嚴(yán)于一級A）。

圖1 2018-2022年研究區(qū)域城市污水處理量

2.2 碳排放解析

2.2.1 電耗與藥耗情況

電耗是污水處理廠主要能耗。整體上研究區(qū)域污水處理電耗近5年不斷攀升（見圖2）。本文統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)域各污水處理廠碳源、除磷藥劑和污泥脫水藥劑投加情況，如圖2所示。其中，碳源和除磷藥劑是投加量較大的藥劑，而污泥脫水藥劑投加量相對較小。從整體上看，近5年藥劑投加量呈上升趨勢，但藥劑投加強(qiáng)度略有不同，其中碳源和除磷藥劑投加強(qiáng)度整體呈上升趨勢，而污泥脫水藥劑投加強(qiáng)度呈緩慢下降趨勢。

圖2 2018-2022年區(qū)域污水處理廠藥劑投加與電耗情況

2.2.2 碳排放變化情況

本文參考《污水處理廠低碳運(yùn)行評價技術(shù)規(guī)范》，計(jì)算出研究區(qū)域城市污水處理廠間接碳排放情況如圖3a所示。整體呈遞增趨勢，2022年比2018年間接碳排放量增加將近75萬tCO2--eq，而間接碳排放強(qiáng)度則在6.5 tCO2-eq/萬m3左右波動。污水處理廠直接碳排放量考慮污水處理過程中生物處理單元中產(chǎn)生的N2O排放和初沉池及生物處理等單元厭氧過程中CH4排放，計(jì)算方法參考《污水處理廠低碳運(yùn)行評價技術(shù)規(guī)范》（T/CAEPI-2022)。整體來看，研究區(qū)域污水處理廠直接碳排放量逐漸遞增，近5年增加將近25萬tCO2-eq，而直接碳排放強(qiáng)度則在2.3 tCO2-eq/萬m3左右波動，直接碳排放量約為間接碳排放量的三分之一左右。研究區(qū)域污水處理廠碳排放污染情況較為嚴(yán)重，在雙碳戰(zhàn)略背景下，污水處理廠不但要關(guān)注污染物的削減，還要重視降碳，做到減污降碳協(xié)同增效。

3.1 城市污水處理廠綜合運(yùn)行效能現(xiàn)狀分析

本文通過數(shù)據(jù)包絡(luò)分析對各城市污水處理廠運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)一步分析，基于已構(gòu)建的指標(biāo)體系和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用DEA方法進(jìn)行分析。

首先，以各城市污水處理廠整體作為評估單元（DMU），基于SBM模型進(jìn)行數(shù)據(jù)包絡(luò)分析，結(jié)果如圖4所示。可以看到，2022年有11個城市污水處理系統(tǒng)綜合運(yùn)行效能值為1，表明這些城市污水處理廠綜合運(yùn)行效能總體表現(xiàn)較好，它們在資金、物資和能源配置上都相對較好，并且投入產(chǎn)出比相對較高，綜合運(yùn)行效能較好。

考慮到每個污水處理廠的建設(shè)運(yùn)行時間、工藝路線、運(yùn)行管理水平以及進(jìn)水水質(zhì)等均有所差別，從而影響污水處理廠綜合運(yùn)行效能水平，而僅從城市整體的角度去考量，規(guī)模較小和中等污水處理廠的問題在總量上會被稀釋，很難具體明晰城市內(nèi)部的問題，需要以獨(dú)立的污水處理廠為主體進(jìn)行更深入的分析研究。因此，本文以城市污水處理廠為評估單元進(jìn)行數(shù)據(jù)包絡(luò)分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 研究區(qū)域2022年174座城市污水處理廠綜合運(yùn)行效能

由圖5可知，研究區(qū)域各城市污水處理廠的綜合運(yùn)行效能平均值為0.5148，中位數(shù)為0.4104，整體水平不高，表明研究區(qū)域污水處理廠綜合運(yùn)行效能整體改進(jìn)空間還很大。將綜合運(yùn)行效能進(jìn)一步分解為純技術(shù)效能和規(guī)模效能，反映決策單元資源配置等的合理性。其中，純技術(shù)效能是指在不考慮規(guī)模報酬變動的情況下，投入資源的利用情況，它主要衡量技術(shù)水平、管理水平和制度等因素對技術(shù)效能的影響程度；規(guī)模效能是由于企業(yè)規(guī)模因素影響的生產(chǎn)效能，或者說指產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)通過優(yōu)化配置對產(chǎn)出單元所發(fā)生作用的大小，用于衡量投入和產(chǎn)出在數(shù)量上能否達(dá)到最優(yōu)的匹配狀態(tài)。

研究區(qū)域174座污水處理廠綜合運(yùn)行效能的分解如圖6所示，其中規(guī)模效能平均值為0.8256，純技術(shù)效能平均值為0.6392。

圖6污水處理廠綜合運(yùn)行效能分解

由圖6亦可看出，規(guī)模效能整體高于純技術(shù)效能，即研究區(qū)域污水處理廠在管理與技術(shù)水平上仍有較大的提升空間。純技術(shù)效能小于1的污水處理廠，可以通過技術(shù)進(jìn)步、提升管理水平、完善制度等措施來提高投入資源的利用率，減少現(xiàn)有資源的浪費(fèi)。規(guī)模效能小于1表示該污水處理廠投入和產(chǎn)出未達(dá)到最優(yōu)的匹配狀態(tài)，企業(yè)需要調(diào)整現(xiàn)有運(yùn)行規(guī)模以達(dá)到更優(yōu)水平。

數(shù)據(jù)包絡(luò)分析綜合運(yùn)行效能值為1的污水處理廠有39個，這些污水處理廠在資金、物耗和能耗配置方面相對較好。對比綜合運(yùn)行效能值為1（高效廠）的污水處理廠和低于1（低效廠）的污水處理廠各項(xiàng)投入產(chǎn)出指標(biāo)如圖7所示�？芍�高效廠噸水實(shí)際投資（固定資本存量）和運(yùn)行成本都少于低效廠，而污泥處置量和主要污染物單位削減量（尤其是TP）均多于低效廠。在碳排放強(qiáng)度方面，高效廠總的碳排放強(qiáng)度低于低效廠。通過進(jìn)一步分析，可以識別和量化各廠可改善的指標(biāo)以提高效能。

圖7污水處理廠指標(biāo)對比

DEA 模型能根據(jù)前沿面的投影為每個決策單元提供目標(biāo)改進(jìn)量，包括投入產(chǎn)出指標(biāo)的量化。污水處理廠可通過減少投入冗余量和非期望產(chǎn)出超標(biāo)量，以及彌補(bǔ)期望產(chǎn)出不足量來提高運(yùn)行效能。表2是研究區(qū)域污水處理廠各項(xiàng)指標(biāo)冗余值，也可稱為改進(jìn)潛力值。在理想狀態(tài)下，如果區(qū)域各個污水處理廠都能夠達(dá)到群體最佳運(yùn)行效能水平，即綜合運(yùn)行效能值都能達(dá)到標(biāo)桿廠的水平，則區(qū)域污水處理廠將減少8.13億元的年運(yùn)行成本，污水年處理量也能增加4.6億m3，碳排放量可以減少112.36萬tCO2-eq，各個主要污染物的削減潛力也都有所增加。

3.2 污水處理綜合運(yùn)行效能影響因素解析

采用Kruskal-Wallis檢驗(yàn)法對污水處理廠綜合運(yùn)行效能的影響因素進(jìn)行研究，找出主要影響因素并判斷其影響程度，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步解析。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)并結(jié)合本研究實(shí)際情況，選取處理規(guī)模、污水處理負(fù)荷率、工藝類型、藥劑投加強(qiáng)度、

表2 研究區(qū)域污水處理廠指標(biāo)冗余松弛值

指標(biāo)類型冗余松弛值運(yùn)行成本/萬元-81 273.45污水處理量/萬m3+45 783.27污泥處置量/萬t+196.11COD削減量/萬t+7.30NH3-N削減量/萬t+0.45TN削減量/萬t+0.02TP削減量/萬t+0��34總碳排放量/萬tCO2-eq112.36進(jìn)水COD濃度、污泥處置方式等6個指標(biāo)，研究對城市污水處理廠綜合運(yùn)行效能的影響情況，各指標(biāo)統(tǒng)計(jì)情況見表3。

表3 污水處理廠運(yùn)行效能影響因素

使用SPSS軟件對研究區(qū)域174座污水處理廠2022年的運(yùn)行效能影響因素進(jìn)行 Kruskal-Wallis 檢驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

表4 污水處理廠運(yùn)行效能影響因素 Kruskal-Wallis 檢驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，工藝類型、污水處理負(fù)荷率、處理規(guī)模、藥劑投加強(qiáng)度和進(jìn)水COD濃度的p值均小于0.05，表明對污水處理廠的綜合運(yùn)行效能存在顯著性影響，可以從這幾方面入手對污水處理廠運(yùn)行進(jìn)行改善。

3.2.1 污水處理規(guī)模的影響

由表3可以看到，隨著污水處理規(guī)模的提高，污水處理廠的綜合運(yùn)行效能呈現(xiàn)上升趨勢，污水處理規(guī)模在20萬m3/d以上的平均效能值較高。同時，通過顯著性檢驗(yàn)，處理規(guī)模的漸進(jìn)顯著性為0.001<0.05，表明污水處理規(guī)模對污水處理廠的效能值具有顯著性影響，這與買亞宗等的研究結(jié)果相近。由此，可以認(rèn)為研究區(qū)域污水處理廠應(yīng)為有一定規(guī)模效應(yīng)后能提高其運(yùn)行效能。

大型污水處理廠在資源配置，工藝設(shè)計(jì)，運(yùn)行管理等方面具有一定優(yōu)勢，但是規(guī)模過高也會提升管網(wǎng)收集系統(tǒng)運(yùn)行難度和管理費(fèi)用。因此，對于污水處理規(guī)模，需要統(tǒng)籌規(guī)劃，規(guī)模達(dá)不到處理需要的廠及時擴(kuò)建。

3.2.2 污水處理負(fù)荷率的影響

污水處理負(fù)荷率可以反映污水處理廠運(yùn)行狀況，在實(shí)際運(yùn)行過程中，污水處理廠的運(yùn)行條件和設(shè)計(jì)條件不完全一樣，實(shí)際處理水量與設(shè)計(jì)量不一致，從而會影響污水處理廠的運(yùn)行效能。

由表3可知，隨著污水處理負(fù)荷率的提高，綜合運(yùn)行效能值也在逐漸增加。同時，參考K-W檢驗(yàn)結(jié)果，其漸進(jìn)顯著性為0.000小于0.05，表明污水處理廠的污水處理負(fù)荷率與綜合運(yùn)行效能具有高度顯著影響關(guān)系，這與郭盛杰等的研究結(jié)論一致。污水處理負(fù)荷率低于60%的污水處理廠綜合運(yùn)行效能平均值僅為0.277 4，而負(fù)荷率在80%~100%的污水處理廠綜合運(yùn)行效能平均值較高。因此，低負(fù)荷運(yùn)行的污水處理廠需要盡量提高其污水處理負(fù)荷率。李鑫等研究指出排水管網(wǎng)對污水處理負(fù)荷率的提升有重要作用, 加強(qiáng)管網(wǎng)配套建設(shè), 擴(kuò)大污水處理覆蓋面可以提升污水處理負(fù)荷率。另外，雖然在超負(fù)荷時污水處理廠依然有較高的運(yùn)行效能，但是污水處理廠長期超負(fù)荷運(yùn)行，可能會影響設(shè)備的負(fù)載平衡，容易產(chǎn)生故障，導(dǎo)致出水水質(zhì)下降，因此將污水處理負(fù)荷率控制在80%~100%較為合理。

3.2.3 工藝類型的影響

表3給出研究區(qū)域各污水處理廠運(yùn)行工藝與綜合運(yùn)行效能值的分布情況。本研究通過數(shù)據(jù)包絡(luò)分析，計(jì)算出采用AO、AAO、倒置AAO、氧化溝和其他工藝的污水處理廠平均綜合運(yùn)行效能值分別為0.569 3、0.482 9、0.629 0、0.567 0和0.418 6。其中，平均綜合運(yùn)行效能最高的是倒置AAO工藝，甚至高于其他AnO工藝。根據(jù)K-W檢驗(yàn)結(jié)果，處理工藝的漸近顯著性為0.026<0.05，可以判斷為運(yùn)行工藝對污水處理廠的綜合運(yùn)行效能存在顯著性影響。這與楊莉等的研究結(jié)論一致。

因此，城市污水處理廠需要結(jié)合進(jìn)水水質(zhì)與設(shè)計(jì)規(guī)模等，選擇適合的處理工藝，充分發(fā)揮其工藝運(yùn)行優(yōu)勢，并通過實(shí)際運(yùn)行調(diào)整提高運(yùn)行效能。同時現(xiàn)行工藝運(yùn)行效能較低的污水處理廠可以通過工藝改造來提高效能。就具體技術(shù)而言，主要針對節(jié)能減排，可以通過設(shè)備與控制系統(tǒng)的升級改造實(shí)現(xiàn)精細(xì)化曝氣，精確計(jì)算和合理設(shè)計(jì)來降低水泵揚(yáng)程與輸送距離等，同時加強(qiáng)運(yùn)行控制，防止出現(xiàn)初沉池刮泥排泥不正常、厭氧或缺氧區(qū)攪拌不充分、曝氣池好氧區(qū)曝氣不均勻等狀況導(dǎo)致構(gòu)筑物內(nèi)存在污泥淤積，減少甲烷等的直接碳排放。

3.2.4 藥劑投加強(qiáng)度的影響

合理的投加各種藥劑能夠保證污水處理廠工藝運(yùn)行穩(wěn)定和提高處理質(zhì)量。然而，在實(shí)際操作過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)過量投加藥劑等現(xiàn)象，不僅會造成運(yùn)行效能下降，而且各種藥劑的使用會增加間接碳排放量。

本文對污水處理過程中的碳源、除磷藥劑和脫水藥劑的使用進(jìn)行了分析，并對不同分組污水處理廠的綜合運(yùn)行效能進(jìn)行了群組顯著性差異檢驗(yàn)。從表3中可以看到，藥劑投加較大的污水處理廠綜合運(yùn)行效能整體平均值較低。依據(jù)表4相關(guān)內(nèi)容，可以發(fā)現(xiàn)，污水處理廠碳源、除磷藥劑和脫水藥劑的投加強(qiáng)度的漸進(jìn)顯著性分別為0.000、0.001和0.026，都小于0.05，即這3種化學(xué)藥劑的投加強(qiáng)度均對效能值具有顯著性影響。不合理的化學(xué)藥劑投加會使污水處理運(yùn)行效能下降，城市污水處理廠可以通過回流比優(yōu)化、控制內(nèi)回流液溶解氧、多點(diǎn)進(jìn)水、間歇曝氣、加藥點(diǎn)優(yōu)化、藥劑比選等來控制碳源投加。通過控制污泥齡、控制厭氧池溶解氧、加藥點(diǎn)優(yōu)化、藥劑比選等方法來控制除磷藥劑投加。對于污泥脫水藥劑，則應(yīng)根據(jù)處理情況和污泥性質(zhì)合理投加，同時依據(jù)實(shí)際情況及時調(diào)整，將投加強(qiáng)度控制在一個合適的范圍內(nèi)，從而提高運(yùn)行效能。

3.2.5 污泥主要處置方式的影響

不同污泥處置方法的成本和對環(huán)境的影響均有所差異。各種污泥處置方式的綜合運(yùn)行效能平均值見表3，衛(wèi)生填埋是平均效能值最低的一種處置方法，僅為0.494 3。調(diào)研的污水處理廠污泥處置方式的K-W檢驗(yàn)，其漸進(jìn)接近顯著性為0.976>0.05，不同處置方式的綜合運(yùn)行效能分布沒有顯著性差異。

3.2.6進(jìn)水COD濃度的影響

污水處理廠的進(jìn)水水質(zhì)會影響其處理效能。由表3可以發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)水COD濃度的提升，污水處理廠綜合運(yùn)行效能平均值也呈遞增趨勢。通過K-W檢驗(yàn)，在0��05的顯著性水平上看，不同濃度區(qū)間的效能值分布具有顯著性差異（p=0.025＜0.05）。進(jìn)水COD濃度較低時，進(jìn)廠污水在后續(xù)生化處理中可能會面臨碳源不足的情況，添加外來碳源會增加污水處理廠的投入，也會影響整體的運(yùn)行效果。因此，需要提升污水處理廠的進(jìn)水COD濃度，尤其要重視污水管網(wǎng)的建設(shè)，提升污水收集率，同時定期排查管道破損與錯接漏接等情況，減少外水入侵。

本文采用基于SBM模型的數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法評估了區(qū)域174座污水處理廠的2022年綜合運(yùn)行效能情況；通過Kruskal-Wallis檢驗(yàn)法分析了影響綜合運(yùn)行效能的因素，并提出相應(yīng)的污水處理廠運(yùn)行效能改進(jìn)對策，研究得到以下結(jié)論：

（1）將碳排放量作為非期望產(chǎn)出指標(biāo)融入指標(biāo)體系，構(gòu)建的評估參數(shù)可反映污水處理廠減污降碳協(xié)同增效的指標(biāo)。采用SBM模型的數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法能夠準(zhǔn)確反映出污水處理廠的綜合運(yùn)行效能，研究區(qū)域污水處理廠綜合運(yùn)行效能平均值僅0.5148，整體改進(jìn)空間較大。

（2）Kruskal-Wallis檢驗(yàn)法可以解析出影響污水處理廠綜合運(yùn)行效能的因素，工藝類型、污水處理負(fù)荷率、處理規(guī)模、藥劑投加強(qiáng)度和進(jìn)水COD濃度等對污水處理廠的綜合運(yùn)行效能存在顯著性影響。

（3）綜合運(yùn)行效能相對低的污水處理廠，在運(yùn)行成本和碳排放方面表現(xiàn)較差，今后的改進(jìn)方向應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注增效和減碳方面�？蓮娘@著性影響因素入手，通過調(diào)整運(yùn)行規(guī)模、工藝改造、精細(xì)化運(yùn)行調(diào)控減少藥劑投加與污水管網(wǎng)修復(fù)改造等提高綜合運(yùn)行效能。