城市污水处理厂的规划改造问题研究

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城市污水处理厂是城市的重要基础设施，也是目前国内外用以“防治污染，保护环境”的重要措施之一。随着城市建设的发展，工业区的开发，新区住宅建设速度的加快，各地都在新建一批污水处理厂，并考虑原有污水厂如何改建和继续发挥其效益。由于早期的污水处理厂规模都比较小，而且效益低，随着城区的扩大，这些污水处理厂的去留问题如何解决，是人们普遍关注的问题。本文旨在建立一套综合评价体系，并对上海市现有的11座污水处理厂进行了评价。

1　规划评价系统

　　全国大多数污水处理厂都不同程度地存在着多年来缺乏改造资金、年久失修、工程不配套等问题，实际处理量往往与设计要求相差甚远，若针对各个厂的现状从土建、设备、电气、仪表等方面进行深入分析，适当投入一定数量的资金加以改造，其污水处理能力可能会大大提高。改造投资规划目标应满足投资少、见效快、近远期结合，提高综合效益的要求。评价体系如下： 1.1　污水处理厂与其它排水系统的相关位置u1(m) 　　随着城市的高速发展，污水处理和排水设施等越来越向集约化和大型化方向发展，原有的污水处理厂因规模小、设备落后等原因，有可能被周围一定范围内的在建或待建的大型污水处理厂或大型污水输送管道所取代(例如上海市的污水合流工程)时，此类厂应予以报废。 1.2　现有污水处理厂厂区占地面积u2(亩，1亩≈666m2) 　　厂区现有面积越大越便于该厂的扩建，厂家可节省土地征用费，利于投资改造。 1.3　厂区周围的人口密度u3(100人/ha) 　　厂区周围的建筑与人口密度过高，尤其是新建住宅因城区的扩大，实际上已包围了该污水处理厂，对居民生活环境产生不利影响，扩建变得十分困难。这种类型的厂应迁出，不予继续追加投资。 1.4　厂外设施u4(分) 　　污水处理厂服务区内的地下排水管道的设置，应与厂内污水处理能力相匹配，否则其污水处理厂的潜力得不到合理的发挥，此时应加大投资，改造完善厂外管道和泵站等。 1.5　污水日处理量与原设计日处理量的差距u5(m3/d) 　　污水处理厂的现有日处理量若与原设计量相差较大，说明该厂的设施未按照原设计配套，或某些生产环节存在问题，造成该厂不能充分发挥其潜力，应首先对其考虑追加投资。 1.6　污泥处理的难易程度u6(分) 　　污泥的处理与外运，对污水处理厂的处理量影响较大，其难易程度主要依赖于该厂是否具备脱水设施、离开郊区的远近、污泥量的大小以及运输的方便程度。污泥处理困难的厂，一般无发展前途，故不宜多投资。 1.7　改造投资率u7(100元/m3污水) 　　改造投资率是指投入的改造资金与该厂通过改造后所达到的最大污水处理量之比，比值越大，说明污水处理的代价越高，从投资的角度分析越不利。 1.8　投产年代长短u8(a) 　　污水处理厂的建造一般与城市的发展同步，建造年代久远，其设备、设施则更为陈旧，生产工艺也往往更为落后，改造的代价也就越高，追加投资的可能性不大。 1.9　污水处理厂直接排入的水体u9(分) 　　为防止污染城区的主要河流，污水处理厂的排放口一般布置在河流下游，并远离市区，因人口增加、城区扩大，当其出水转移到其他输送管道的可能性不大时，原来的排放口不得不外迁至更远的地方。此种处理厂发展前途不大，不宜考虑增加投资。 1.10　运行成本u10(元/m3污水) 　　一般说来，污水处理运行成本过高的厂，从经济上分析，扩大再投资是不合适的，应慎重考虑。 　　必须指出，上述各因素基本上已排除了相关性，在利用各因素对污水处理厂进行评价时，只须分别单独考虑。 1.11　污水处理的效果u11、u12、u13(%) 　　处理效果是指经污水处理厂处理后BOD5、NH3-N、SS的处理效果是否已达到国家规定的排放标准，效果越差的厂应重点加以投资改造。设BOD5、NH3-N、SS的去除率(%)分别为u11、u12、u13。

2　模糊综合评价

　　为便于分析，此处引用Fuzzy数学，以建立模糊综合评价模型。根据上述规划评价系统，其论域为

U={u1，u2，…，u13}

式中各符号意义见前述。 　　决择集为V={v1，v2，v3，v4}，即V={好，中，差，极差} 　　评价空间为μ=(u，v，R)，其中，R为F(U)到F(V)的一个Fuzzy变换，也就是从U到V的一个Fuzzy关系，即R是u×v上的一个Fuzzy子集。 　　本文针对上海市区现有污水处理厂的状况，在调查分析的基础上，结合国家现有规范标准，通过专家定量打分，确定Fuzzy关系R，具体程序如下： 2.1　级别的确定 　　据实际统计结果作相对的划分，如表1所示。

表1　级别的划分

U	V
	v1	v2	v3	v4
u1	4 000以上	2 500～4 000	500～2 500	500以下
u2	80以上	60～80	30～60	30以下
u3	3.0以下	3.0～3.3	3.3～3.50	3.50以上
?u4	9以上	6～9	3～6	3以下
u5	50 000以上	30 000～50 000	10 000～30 000	10 000以下
?u6	9以上	6～9	3～6	3以下
u7	2.0以下	2.0～3.0	3.0～4.0	4.0以上
u8	10以下	10～20	20～30	30以上
?u9	9以上	6～9	3～6	3以下
u10	0.46以下	0.46～0.6	0.6～0.8	0.8以上
u11	88以下	88～90	90～92	92以上
u12	85以下	85～88	88～90	90以上
u13	24以下	24～42	42～60	60以上

　　注：*由专家评估给出(10分制)，最高得10分，最低得1分。

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2.2　确定评价因素的Fuzzy集 　　根据原始数据分别确定各个因素的Fuzzy集A1，A2，…，A13。设论域X依次为u1(m)、u2(亩)，…，u13(%)，Fuzzy集A1，A2，…，A13相应的隶属函数依次被定义为

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2.3　确定U×V的Fuzzy子集R

R=(rij)13×4

　　其中，rij表示从第i个因素的角度，对被评对象作出第j种评语的可能程度。R通常由专家打分统计而定出。由于以上13个评价因素对污水处理厂去留问题的评判结果的影响程度不同，即各因素所对应的权重不同，专家组对被评对象所控制的宽松程度也就不同，例如，有的专家认为某些因素特别重要，要严格掌握等，而另外的专家则不然。 　　根据统计，得到如下Fuzzy关系矩阵R，rij各值如表2所示。

表2　rij各值

vj	v1	v2	v3	v4
rij
ui
u1	0.16	0.20	0.38	0.26
u2	0.20	0.18	0.24	0.38
u3	0.64	0.20	0.08	0.08
u4	0.52	0.28	0.07	0.13
u5	0.14	0.16	0.36	0.34
u6	0.68	0.20	0.10	0.02
u7	0.70	0.18	0.06	0.06
u8	0.28	0.25	0.27	0.20
u9	0.60	0.24	0.10	0.06
u10	0.58	0.22	0.14	0.06
u11	0.06	0.24	0.30	0.40
u12	0.03	0.17	0.20	0.60
u13	0.02	0.22	0.15	0.61

　　若某一污水处理厂各评价因素的原始数据已被测定为

A=(a1，a2，…，a13)

则根据ai(i=1，2，…，13)的值，分别在Ai(i=1，2，…，13)中求得相应的隶属度值μAi（ai），于是A被模糊化为Fuzzy集

A=μA1（a1），μA2（a2），…，μA13（a13）

按A∈F(U)→B=A．R∈F(V) 则可得该污水厂的综合评价为

B=（μB1（v1），μB2（v2），μB3（v3），μB4（v4））

对其进行归一化，然后取隶属度最大者作为综合评判的结论。

3　上海城市污水处理厂的改造问题

　　上海是我国最早建造污水处理厂的城市，目前市区正常运行的污水处理厂有11座，由于多年来缺乏改造和维修资金，实际处理能力大大萎缩，1996年处理污水能力25万m3/d～26万m3/d，与原设计能力48万m3/d相差较远。要使污水处理厂达到设计的水量，除对厂外管网作改造外，还必须投入一定数量的资金，解决污水厂生产流程和设备上积累起来的问题。改造的目标是：处理能力达到48万m3/d，水质参数：BOD5进水180mg/L～220mg/L，出水20mg/L～30mg/L；SS进水180mg/L～270mg/L，出水20mg/L～30mg/L。采用的工艺主要是活性污泥法，部分厂还采用A/O脱氮工艺等。

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3.1　各污水处理厂的现状 　　对11座污水处理厂进行了调查，结果见表3。

表3　11座污水处理厂情况调查结果

厂名	东厂	曹杨	北郊	闵行	曲阳	天山	龙华	泗塘	程桥	吴淞	长桥
因素
相关位置u1/m	3 900	300	2 500	1 000	500	1 200	900	2 100	2 400	1 500	1 300
占地面积u2/亩	40	40	24	45	58	68	83.5	31.9	10	104	63.8
人口密度u3/100人/ha	3.68	4.05	3.80	0.73	3.45	3.32	3.00	3.22	3.6	1.60	2.00
厂外设施评分u4/分	6	3	1	9	2	3	4	8	4	10	5
处理量差距u5/103m3/d	5	13	5	8	40	42	75	4	2	20	12
污泥处理难易评分u6/分	3	5	5.5	10	6	2	6	4	1	9	10
投资率u7/100元/m3	3.49	3.29	5.67	2.0	3.01	2.91	3	3.87	3.27	0.87	1.65
投产年代长短u8/a	73	44	30	20	14	12	13	8	10	8	7
出水排入水体评分u9/分	6	2	4	10	3	5	7	9	1	10	8
运行成本u10/100元/m3	0.79	0.89	1.09	0.46	0.50	0.46	0.47	0.47	0.93	0.64	0.40
BOD5去除率u11/%	90.9	95.6	87.8	98.0	92.6	91.3	87.9	86.4	92.7	92	87.8
SS去除率u12/%	83.5	94.6	81.8	98.1	86.9	91.1	88.7	90	93.0	91	89
NH3-N去除率u13/%	10.3	3.75	9.6	60	31.1	40.8	65.7	45	27.2	68.4	54

3.2　Fuzzy化处理及模糊运算 　　将表3中的第一列数据进行模糊处理后得

μA1（a1）=0.998，　　　μA2（a2）=0.08， μA3（a3）=0，　　　　　μA4（a4）=0.50， 　μA5（a5）=0，　　　　　μA6（a6）=0，　　　 μA7（a7）=0.125，　　　μA8（a8）=0，　　 　　　μA9（a9）=0.5，　　　　μA10（a10）=0.002，　　 　　μA11（a11）=0.125，　　μA12（a12）=1，　　　 μA13（a13）=1　　　　　　　　　　　　　　

　　A(东厂)=(0.1,0.08,0,0.5,0,0,0.125,0,0.5,0.002,0.125,1,1) 根据B=A．R，可得 　　B(东厂)=A(东厂)．R=(0.5,0.28,0.2,0.61) 归一化处理后得： 　　B(东厂)=(0.31,0.18,0.125,0.38) 同理得： 　　B(吴淞)=(0.43,0.17,0.17,0.23) 　　B(长桥)=(0.43,0.15,0.16,0.25) 　　B(闵行)=(0.49,0.20,0.19,0.12) 　　B(程桥)=(0.18,0.16,0.25,0.40) 　　B(龙华)=(0.39,0.15,0.22,0.24) 　　B(泗塘)=(0.37,0.17,0.23,0.25) 　　B(天山)=(0.35,0.14,0.20,0.31) 　　B(曲阳)=(0.32,0.14,0.20,0.34) 　　B(北郊)=(0.22,0.15,0.24,0.39) 　　B(曹杨)=(0.20,0.18,0.12,0.50)

3.3　评价结果 　　根据前述的评价系统，利用模糊评判的方法，将11座污水处理厂的评判结果，按照决择集V={好，中，差，极差}所得的相应隶属度值，从好到差排列后，得到表4。

表4　评价结果及改造费用

厂名		闵行	吴淞	长桥	龙华	泗塘	天山	曲阳	东厂	北郊	曹杨	程桥
排序		1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
隶属 度值	好	0.49	0.43	0.43	0.39	0.37	0.35	0.32	0.31	0.22	0.20	0.18
	差	0.12	0.23	0.25	0.24	0.25	0.31	0.34	0.38	0.39	0.50	0.40
规划服务 年限/a		>15	15		10					5
改造费 /万元		4 617	217	365	1 074	774	1 743	1 656	1 187	1 021	789	163

　　按评价结果11座污水处理厂被划分为4类：一类为长期保留，规划服务年限为15a以上，此类排水系统污水处理功能比较完善，厂区扩展余地大，地理位置优越；二类规划服务年限为15a(从现在开始)，条件比较好，有一定发展前途，但长期存在的可能性不大；三类为条件较差，但在相当长一段时期内又无法由其他污水处理系统代替者，服务年限定为10a：四类无发展前途，与城市建设的矛盾大，周围居民反映强烈，其管辖的服务范围无条件并入其它处理系统，服务年限定为5a。 　　改造投资费用的估算(见表4)是在对上述各厂进行详细调查后提出的，主要包括土建、设备、电气、仪表以及设计、管理、银行贷款、工程预备等费用，且按近期一次性集中到位。尽管四类厂处在报废的边缘，但因近期还无法被其他污水处理系统所代替，在不至于造成城区水质环境继续恶化的前提下，对其追加改造投资还是符合实际的。而对于其他各类厂还要考虑对其实施中、长期的改造投资，仅靠近期的一次性投资是不够的。

4　结论与建议

　　本文所建立的城市污水处理厂改造规划评价系统与模糊评判方法，通过对上海城区11座污水处理厂的评价结果，与专家们的意见比较一致，评价系统得到了验证。分析还表明：因污水处理厂的投资与运转成本较高，根据我国国情决定了各大城市的污水处理必须采用分散与集中相结合的方法，加强对现有污水处理厂的分期改造，在保证污水排放水质达标的前提下，可以实现资金的优化投入。随着我国城市化速度的加快，对污水处理厂实施科学评价、动态管理，不断地加强投资改造，逐步提高污水处理能力是符合实际的。