基于德爾菲法和情景分析的北京市農村生活污水處理工藝優選

　　摘要：針對農村生活污水處理工藝多樣、適應性差、決策難等問題，在系統分析北京市農村生活污水處理工藝的基礎上，結合情景分析法和德爾菲法等方法，優選農村生活污水處理工藝.研究結果表明，北京市農村生活污水采用單村或聯村的治理模式，處理規模集中在50(含)~500 m3 ·d-1 ，處理工藝以MBR、AO+MBR、A2 O+MBR以及人工濕地等為主，逐漸由單元生物工藝向組合工藝轉變、且生態工藝得到更多應用.依據處理規模和排放標準，推薦預處理+生物/生態處理、預處理+生物/生態處理+物化處理、預處理+生物處理+生態處理+物化處理等組合工藝分別適用北京市農村生活污水處理三級排放標準、二級排放標準和一級排放標準，為農村生活污水治理工作的穩步推進提供技術支撐.

　　關鍵詞：農村污水;單元工藝;組合工藝;技術優選

　　王培京; 孟慶義; 肖金玉; 胡明; 趙媛; 嚴玉林; 楊蘭琴 環境科學學報2021-12-12

　　1 引言(Introduction)

　　農村生活污水治理是農村人居環境整治的重要內容，是實施鄉村振興戰略的重要舉措，是全面建成小康社會的內在要求.截止到2019年(住房和城鄉建設部，2020)，全國共有村莊251.3萬個，村莊戶籍人口7.76 億人，建制鎮和鄉的生活污水處理率分別為59.67%和33.30%，與實現美麗鄉村以及鄉村振興的要求還存在差距.農村生活污水治理目前存在的問題較多(李云等，2021)，包括農村生活污水收集模式、治理技術、排放標準、運維方式以及污泥的處理處置等，任何一個環節的疏漏都會導致整個工程的失敗 .在上述眾多問題中，農村生活污水治理技術的適應性是至關重要的，無論在工程的前期論證、中期評審以及后期運維中，污水處理技術的優劣在很大程度上決定污水處理的成敗.因此，農村生活污水處理工藝優選，始終成為困擾技術、設計以及運維人員的關鍵.

　　關于農村生活污水處理技術優選，研究主要集中在以下幾個方面，一方面是關于優選或評價方法的探索，應用或開發包括模糊綜合評價(夏訓峰等，2012)、灰色關聯分析(譚學瑞等，1995)、逼近理想排序法(張曉媛等，2020)、GA-BP 模型(余劍，2012)、生命周期評價(劉平養等，2014)以及不確定性處理方法(劉毅等，2002;王劍等，2017)等.另一方面集中在評價指標體系的構建，準則層集中在經濟性、技術可行性、環境條件、運行管理以及政策支持等(常越亞，2018)，每個準則層再對應3~5個指標，如經濟性通常包括建設成本、運維費用、占地面積、設備折舊等(王騰飛，2018)指標，由此構建包含不同準則和指標的評價體系.此外，還有一些研究集中在評價指標權重確定方法，如主觀權重方法，包括層次分析法(曲麗麗等，2012)、專家評分法以及德爾菲法(謝林花等，2018)等;客觀權重方法，包括熵權法(Wang et al.，2008)、數學規劃模型(Xu， 2004)、統計方差法(Rao et al.，2010)等;以及綜合權重確定方法，包括最小二乘法(Xu，2004)、距離函數組合賦權法(張鋮鋮等，2017)、以及乘法或線性綜合法(Shaokuan et al.，2014)等.

　　上述關于農村生活污水處理技術優選的研究內容，在一定程度上支撐了污水處理技術決策 .在農村生活污水處理優選過程中，大多數研究將單項技術、組合技術以及一體化設備等放在同一框架中進行評價，較少地考慮技術之間的關聯性以及差異性，導致優選結果因與處理規模或排放標準等不適而失敗(柴喜林， 2019).為了解決優選中存在的不足，本文以北京市農村生活污水治理案例為基礎，拋棄繁瑣的因理論優選而衍生的數據收集、處理與評價問題，選用情景分析法和德爾菲法相結合的方法，以技術開發、方案設計、工程施工、運行維護等領域專家組成專家庫，結合《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》(DB 11/ 1612- 2019)設置情景，針對不同處理規模以及排放標準確定污水處理工藝，為北京市農村生活污水治理工作穩步推進提供技術支撐.

　　2 材料與方法(Materials and methods) 2.1 研究區域概況

　　北京市下轄16個區，村莊戶籍人口327.72萬人、農戶211.7萬戶，自然村4649個、行政村3542個(住房和城鄉建設部，2020;北京市統計局和國家統計局北京調查總隊，2021).截止到2020年底，北京市已興建農村生活污水處理廠站約1160座，服務約全市55%的村莊，農村生活污水總處理規模約39萬m3 ·d-1 .通過近20年農村污水治理工程實踐，北京市農村污水治理已逐漸形成地域特征 .在污水治理模式方面，形成分戶處理、聯村或單村處理、城鎮帶村處理3種模式.在經費投入方面，設定農村污水處理模式及工藝確定和預算定額標準，對污水處理廠站、管線的建設成本和運維費用作了明確規定 .在運維模式方面，逐漸形成以第三方專業化運維為主、屬地政府自運營為輔的運行維護方式，保障農村污水處理設施的正常運行率.

　　2.2 研究方法

　　2.2.1 專家咨詢與評估

　　德爾菲法亦稱為專家咨詢法，是一類定性的主觀分析方法，通過對所咨詢問題在征得專家意見后，進行整理、歸納、統計，再反饋給各專家，再次征求意見并反饋，直到獲得一致意見的評價方法(呂文魁等，2013).污水處理技術優選是一類專業性較強的決策活動，尤其是在后續的“菜單式”組合工藝拼接過程中涉及的專業性更強，依賴領域內的專家經驗有助于快速做出科學決策.在本文研究過程中，專家咨詢流程包括：①北京市農村生活污水常用處理工藝類別劃分.選擇15名正高級工藝開發專家，按照處理工藝的特點將污水處理工藝劃分為預處理、生物處理、物化處理和生態處理等類別，在每種類別工藝下羅列北京市正在使用的工藝，同時也留出空白讓專家補充自己認為合適的工藝，參考李克 5 分量表法(5-Likert scale)進行賦值：很適合(5分)、適合(4分)、比較適合(3分)、不太適合(2分)以及不適合(1分)，對于平均分低于3分的工藝直接淘汰，至少進行3輪以上的咨詢——反饋——咨詢過程，直到所有工藝得分在3分以上; ②確定適宜的農村生活污水處理工藝.分別從規劃、設計、建設、運維以及監管等相關方選擇16名正高級專家組成團隊，以現有北京市正常運行的農村生活污水處理廠站所用的處理工藝為基礎，參考國家以及地方農村生活污水處理技術規程、指南、標準以及導則等規范性文件，結合設定的情景，在每種情景下羅列出適宜的污水處理工藝，專家組成員按照李克 5分量表法對羅列的工藝以及專家自己推薦的工藝進行打分，對于平均分低于3分的工藝直接淘汰，對于所有專家推薦的工藝融入工藝庫，再次進行打分和統計，直到所有工藝得分在3分以上.

　　2.2.2 北京市農村生活污水處理工藝分析的情景設置

　　在污水處理工藝優選中，僅優選出幾種最優的處理工藝滿足污水治理需求，這樣的工藝選擇不嚴謹且對實踐的指導作用有限.在實際工程應用中，設計者更希望有一種類似于設計手冊功能的結論，無論在哪種情景下都能夠找到相適宜的處理工藝.基于以上目的，本文結合北京市 2019年發布的《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》(DB 11/ 1612-2019)中相關規定，按照相應的排放標準進行情景設置，詳細情景如表1所示.按照最新發布的排放標準設定情景，一方面排放標準是未來農村生活污水處理工藝選擇的方向標，農村生活污水處理設施的達標排放是終極目標;另一方面，在污水處理工程設計階段，正是因為缺乏不同排放標準所對應的處理工藝指導，導致在設計過程中更多地傾向于經驗或者商業選擇;最后，基于排放標準設定的情景，實用性強、可操作性優，對實踐工作的指導作用和效果好 . 結合農村生活污水治理工程實際，大多數農村生活污水處理廠站規模都小于 500 m3 ·d-1 ，在本文的情景設置中暫不考慮該情景.

　　2.3 北京市農村生活污水處理案例來源

　　農村生活污水處理工藝分析案例來源于北京市13個區，2006年以后建設完成且仍在正常運行的污水處理廠站，總樣本數為1057座，總處理規模約為39萬m3 ·d- (1 圖1).其中大多數廠站分布在懷柔、密云、門頭溝、房山、通州以及平谷等區，分別擁有農村生活污水處理廠站 155、151、150、118、108和 93座 .而處理規模較大的區分別集中在通州、海淀、房山、昌平以及大興等，各區累計處理規模分別為11.44萬、5.36萬、 5.11萬、3.04萬和2.99萬m3 ·d-1 .

　　3 結果與討論(Results and discussion) 3.1 北京市農村生活污水處理工藝演變

　　北京市農村生活污水處理工藝類型如圖 2 所示，由圖2可知，北京市農村生活污水治理共涉及28 種單元或組合工藝 . 單元工藝中 MBR(膜生物反應器)、人工濕地、一體化設備、rCAA(好氧-厭氧反復耦合污泥減量化技術)、VFL(垂直流迷宮技術)以及生物接觸氧化等工藝使用的頻率較高，分別占總量的35.57%、8.14%、2.93%、2.37%、2.08%和2.08%;在組合工藝中，AO(好氧+缺氧)+MBR、A2 O(好氧+缺氧+厭氧)+MBR、多級 AO+砂濾以及 MBR+臭氧+活性 炭 等 工 藝 應 用 較 多 ，分 別 占 總 量 的 11.45%、4.54%、4.54%和4.45%.MBR無論在單元工藝還是組合工藝中都占有絕對優勢，且從MBR服務的區域可知， MBR主要應用在懷柔、密云和門頭溝等區縣，與水源保護區范圍執行較嚴排放標準相關.

　　從污水處理廠站的發展過程來看，北京市農村生活污水處理廠站的建設高峰期集中在2006—2010年和 2016—2020 年兩個階段，分別建設了 393 座和 565 座廠站 . 在第一個建設高峰期，使用的處理工藝集中在 MBR、MBR+臭氧+活性炭以及人工濕地，分別服務建設了215座、41座和37座廠站;在第二個建設高峰期，使用較多的處理工藝包括MBR、AO+MBR、多級AO+砂濾、人工濕地以及A2 O+MBR，分別建設了138、89、48、38 和32座.由上述兩個建設高峰期中污水處理工藝的變化可知，相對于第一個建設高峰期，第二個建設高峰期明顯對出水水質提出了更高的要求，這與《水污染物綜合排放標準》(DB11/ 307-2013)頒布實施關聯性較大，該標準的實施直接使北京市農村生活污水處理執行全國最嚴排放標準(胡明等，2019).盡管在2019年北京市針對農村生活污水重新制定、頒布并實施了《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》(DB 11/ 1612- 2019)，但是最嚴地標對污水處理技術優選的影響至今仍未完全消散.

　　為了便于詳細分析污水處理工藝的演變過程，將污水處理工藝劃分為生物工藝、生態工藝、組合工藝以及一體化設備 . 生物工藝包括 MBR、rCAA、VFL、生物接觸氧化、A2 O、生物濾池、AO、SBR(序批式活性污泥法)、速分生化、FMBR(兼氧膜生物反應器)、生物強化膜、生物轉盤、改良UCT(一種類似于A2 O的工藝)以及 MBBR(移動床生物膜工藝)等工藝，生態工藝包括人工濕地、PASG(基于厭氧的原位園藝化技術)以及土壤滲濾等，組合工藝包括圖2中除生物工藝、生態工藝以及一體化設備之外的所有工藝.污水處理工藝決策中，排放標準和處理規模的影響通常較大，二者對北京市農村生活污水處理工藝演變的影響如圖3所示.由圖3 可知，在2006—2010年的第一個建設高峰期，生物工藝、組合工藝、生態工藝以及一體化設備分別占總量的 24.12%、8.80%、3.69% 以及 0.95%;在 2016—2020 年的第二個建設高峰期，相應的比例分別為 23.18%、 23.84%、4.45% 以及 2.08%.由此可知，農村生活污水處理技術經歷了由生物工藝為主向組合工藝轉變的趨勢，同時生態工藝也逐漸開始嶄露頭角.對于不同規模的污水處理設施，相應的處理工藝優選存在一定的差異 .從污水處理設施的規模分布來看，北京市農村生活污水處理設施規模主要集中在 5(含)~50 m3 ·d-1 以及 50(含)~500 m3 ·d-1 ，分別占總數的38.60%和43.14%，由此可知北京市農村生活污水治理模式集中在小規模聯村、單村以及聯戶等治理模式，絕大多數規模在500 m3 ·d-1 以下.隨著污水處理規模的增大，生物工藝使用頻率有所降低，從規模5(含)~50 m3 ·d-1 時的24.22%減少到規模為50(含)~500 m3 ·d-1 的19.49%;而組合工藝的使用頻率有大幅增高，從規模5(含)~50 m3 ·d-1 時的9.84%增加到規模為50(含)~500 m3 ·d-1 的17.03%.關于生態工藝，在整個建設期內，生態工藝在規模為50(含)~500 m3 ·d-1 案例中比例相對較高，平均約高出三個百分點(相對于總污水處理設施量)，由此可知生態工藝更適合于較大規模的污水處理工程.關于一體化設備，在不同規模中均有所涉及，一方面一體化設備便于安裝和施工，通過組裝或拼接能夠適應不同規模的需求;另一方面，考慮不同治理任務需求，在實際污水處理過程中存在相當數量的臨時工程，這些臨時工程更傾向于撬裝式一體化設備，并依據處理規模的大小進行拼接.綜合上述分析可知，北京市農村生活污水處理工藝由生物工藝向組合工藝轉變，生態工藝逐漸受到相應重視;生物工藝更適宜于規模5(含)~50 m3 ·d-1 的工程，組合工藝和生態工藝更適合于規模為 50(含)~500 m3 ·d-1 的工程，一體化設備具有相當大的靈活性，能夠適合不同處理規模的需求.

　　3.2 北京市農村生活污水處理組合工藝應用現狀剖析

　　為滿足不同規模和排放標準的需求，污水處理工藝逐漸由單元工藝向組合工藝轉變，實現工藝優劣互補，提升工藝穩定性、強化污染物去除，降低運營管理難度(謝林花等，2018)、節約運營成本(黃錦樓等， 2013). 為了尋求性能高效、技術穩定、經濟廉價的污水處理工藝，各種組合工藝得到了廣泛研究(夏斌等， 2021).北京市農村生活污水處理組合工藝類型及其不同工藝之間的組合特征如圖4所示(圖中不同顏色線條將不同工藝連接表示工藝之間的相互組合，線條的寬度表示兩種工藝組合頻次)，組合工藝主要包括生物工藝間組合、生物+生態組合以及生物+物化組合等3種方式，占比分別為47.21%、6.70%和46.09%.生物工藝間組合主要是MBR分別與AO以及A2 O之間的組合，分別占比為71.6%和28.4%;生物+物化組合工藝主要集中在多級 AO+過濾、MBR+臭氧以及 A2 O+過濾，分別占比為 43.64%、28.48% 和 13.94%;生物+生態組合工藝是人工濕地分別與AO和生物接觸氧化之間的組合，分別占比為66.67%和33.33%.根據調查結果，AO+MBR 和 A2 O+MBR兩種組合工藝主要分布在海淀、順義和通州等區的城鄉結合部村莊.這類村莊通常人口密度較大、居住相對集中，便于通過單村或聯村的方式收集治理，同時對污水處理設施的效率、污染物去除性能、占地面積等有較高要求 .A2 O 和 AO 作為典型活性污泥法，技術成熟、脫氮除磷效果優越，但占地面積大、抗沖擊負荷能力相對弱，且出水水質不穩定(夏斌等，2021)，MBR 工藝則正好能夠彌補上述不足(張勇等，2021)，因而 AO、A2 O 與 MBR 的組合工藝在這些村莊得到廣泛應用 . 為了滿足嚴格的污水排放要求，部分村莊選擇其他復雜的組合工藝，如多級 AO+過濾、MBR+臭氧+活性炭等成本高昂的傳統生物+物化工藝得到應用，而經濟廉價的生態工藝的應用較少.結合案例調研表明，復雜多級組合工藝主要集中在密云和門頭溝的水源保護區范圍內村莊，這類村莊大多數居住相對分散，且執行最嚴格的排放標準，導致工藝疊加的現象較為普遍，污水處理工藝選擇與設計更多地考慮污染物去除性能和出水水質穩定性 .隨著北京市2019年新地標的頒布，以及新地標對生態工藝的推薦，平谷區興建了一批生物+生態的組合工藝廠站，即基于生物工藝的一體化設備出水排入人工濕地進一步處理后回用 .盡管北京市地理位置和氣候條件在很大程度上限制了生態工藝的應用，但隨著排放標準的下調、政策的支持以及生態景觀功能的提升，在未來農村生活污水處理中，生物+生態組合工藝應該能夠得到深入發展.

　　3.3 北京市農村生活污水處理工藝優選

　　結合對北京市現有污水處理技術的調研分析，并經專家質詢與論證，針對農村生活污水特征，污水處理工藝宜采用組合工藝，構成組合工藝的單元工藝包括預處理技術、生物膜技術、活性污泥技術、生態技術以及物化技術等.預處理技術包括化糞池和調節池，生物膜技術包括生物接觸氧化和曝氣生物濾池，活性污泥技術包括厭氧/好氧除磷、缺氧/好氧脫氮和厭氧/缺氧/好氧(A2 /O)，生態技術包括人工濕地、土地滲濾和穩定塘，物化技術包括混凝除磷技術 .在組合工藝優選原則上，堅持生態辦法解決生態問題，因地制宜地選擇低耗能、管理難度小、出水水質穩定的處理工藝 .同時結合區域污水治理模式、污水排放量、地理位置、排放標準、建設條件和資源回用需求，結合規劃設計、建設施工、運行維護等領域專家的咨詢與頭腦風暴，在不同情景條件下優選的“菜單式”組合工藝見表2，表2僅列出分值前3的工藝，其他工藝由于篇幅原因不再贅述.

　　由表2可知，在各情景中均添加了化糞池和調節池等構筑物，以解決農村污水的水量、水質波動問題.規模在5 m3 ·d-1 以下的廠站多見于聯戶或經營性單戶，如民俗旅游村中的餐飲或住宿經營戶、城鄉結合部村莊的加工或生產個體戶等污水產量較大的農戶.在該情景下，結合農戶房前屋后閑置土地情況，相應地選擇預處理+生物膜工藝或預處理+生態工藝，滿足三級排放標準后達標排放或就地回用.尤其是山區村，通過對房前屋后的閑置土地、坑塘或溝渠進行合理利用，在解決生活污水處理問題的同時，營造景觀格局提升鄉村人居環境 .關于小規模污水處理設施涉及的工藝，一體化污水處理設備也有所涉及，其中以凈化槽(陳穎等， 2019)和中國罐(李昀婷等，2021)為典型代表，衍生出一系列一體化污水處理設備，如無動力生物凈化槽(李秋月等，2020)、農村戶廁一體化生物處理設備(于法穩，2021)、低能耗分散式污水處理成套裝置(王磊等， 2017)等 .盡管上述一體化設備在我國不同區域得到應用，然而從市場和用戶的反饋來看，在后續的運維過程中都存在一定的問題，如一體化設備內部配件的損壞導致設備整體的停運、設備的集成度較高導致一般運維人員難以勝任等.在汲取前期工程建設的經驗，要求農戶都建設戶用化糞池，污水經化糞池排出后再接入后續的處理單元，保證達標排放、延長使用周期和便于運維.

　　規模在5 ~50 m3 ·d-1 的廠站通常服務于單村治理模式，以一個村莊污水為處理單元，依據排入水體功能區不同而執行相應標準.對于情景4執行二級B標準，推薦的組合工藝為預處理+生態工藝或活性污泥工藝(厭氧/好氧);對于情景2執行一級B標準，推薦的組合工藝為預處理+活性污泥工藝(缺氧/好氧)+生態工藝或預處理+活性污泥工藝(A2 O)+生態工藝+物化工藝(混凝除磷).由上述推薦的組合工藝可知，在相同規模下因執行更嚴格的標準，情景2的工藝相當于在情景4工藝上進一步延伸.從各組合工藝中涉及的單元工藝來看，對于規模為 5 ~50 m3 ·d-1 的廠站，在預處理環節的基礎上，再疊加生物或生態工藝滿足排放標準要求 . 確定該情景組合工藝的前提是基于現有的技術成熟度(趙海洲等，2017;夏斌等，2021)、設備制造的穩定性以及工程建設經驗的積累.馬凱(2020)采用SBR+人工濕地的組合工藝處理蘭州交通大學的生活污水，丁仁偉等(2020)采用間歇曝氣一體化懸浮填料床+人工濕地的組合工藝處理農村污水，熊仁等(2019)采用厭氧+ 跌水曝氣+人工濕地組合工藝處理農村生活污水，出水各水質指標均達一級 A 標準(GB 18918-2002).

　　規模在50 ~500 m3 ·d-1 的廠站通常服務于聯村治理模式，以多個村莊污水為處理單元，依據排入水體功能區不同而執行相應標準.對于情景3執行二級A標準，推薦的組合工藝為預處理+生態工藝、預處理+活性污泥(缺氧/好氧)+物化工藝(混凝除磷)以及預處理+生物膜工藝+物化工藝(混凝除磷);對于情景1執行一級A標準，推薦的組合工藝為預處理+活性污泥工藝(A2 O)+生態工藝或物化工藝(混凝除磷).相較于規模小于50 m3 ·d-1 的工藝，該情景下的工藝流程明顯增加、工藝類型和組合方式稍顯復雜.從工藝的構成來看，后續延伸的工藝主要目的在于深度脫氮除磷，使其出水能夠滿足排放標準.

　　4 結論(Conclusions)

　　1)北京市近10年農村生活污水處理設施建設采用28種不同工藝，其中MBR、AO+MBR、A2 O+MBR以及人工濕地等工藝使用頻率較高，占比分別為35.57%、11.45%、8.14%和4.54%.

　　2)北京市農村生活污水處理設施規模主要集中在5(含)~50 m3 ·d-1 以及50(含)~500 m3 ·d-1 ，分別占總數的38.60%和43.14%，相應的治理模式集中在小規模聯村、單村以及聯戶等治理模式.

　　3)北京市農村生活污水處理工藝由生物工藝向組合工藝轉變，生態工藝逐漸得到更多應用 .生物工藝更適宜于規模5(含)~50 m3 ·d-1 的工程，組合工藝和生態工藝更適合于規模為50(含)~500 m3 ·d-1 的工程.

　　4)滿足三級排放標準，推薦預處理+生物膜工藝或預處理+生態工藝;滿足二級排放標準，推薦預處理+ 生態工藝或活性污泥工藝(厭氧/好氧)、預處理+活性污泥(缺氧/好氧)+物化工藝(混凝除磷)以及預處理+生物膜工藝+物化工藝(混凝除磷);滿足一級排放標準，推薦預處理+活性污泥工藝(缺氧/好氧)+生態工藝、預處理+活性污泥工藝(A2 O)+生態工藝+物化工藝(混凝除磷)、預處理+活性污泥工藝(A2 O)+生態工藝或物化工藝(混凝除磷).