通讯单位：北京师范大学环境学院

研究背景

近年来，水污染、废水超标排放等城市水安全问题并未得到充分解决。由于日常污水排放量较高，以及对先进污水处理技术的大量需求，污水处理设施能源使用强度不断增加。IEA世界能源展望特别报告指出，在未来25年内，水领域的能源使用量将翻一番以上，部分原因是污水处理需求的增加和处理水平的提高；到2040年，水行业在全球电力消费中的份额将保持在4 %左右，但中东地区的水行业电力消费份额将从2015年的9 %增加到16 %。

衡量污水处理行业的能源消耗，能源效率是在控制能源使用强度的同时，创造满足人类需求和提高生活质量的经济价值能力的重要指标。作为运行维护过程中最大的可控成本，污水处理能耗与实际运行模式、处理规模、进水水质等有关，且多归属于污水泵、曝气和污泥处理单元。

本文旨在利用DEA方法对我国城市污水处理厂的能源效率进行评价。在全国范围内收集4100个样本的基础上，本文将单位耗电量去除的6种典型污染物与设计规模、负荷率、污泥产生量、单位耗电量和实际处理量的输入量进行建模，重塑输入量与输出量之间的因果关系，评价污水处理厂的实际运行绩效，进一步分析考虑了地区间的差异。

图文解析

图1 技术框架

图2 2018年污水处理厂效率测算结果(注: TE-技术效率、PTE-纯技术效率、SE-规模效率，TE=PTE×SE)

将全国WWTPs的运行数据整理为输入( X )和输出( Y )指标，并准备为两个( 4100 × 6)矩阵。运行投入导向的CCR和BCC径向模型，整体效率指标分布如图2所示。只有14个DMU达到了DEA有效(三个效率值均为1)。所有样品的平均TE为0.0163，其中76.6 %的样品位于( 0，0.01 )，21.4 %的样品位于( 0.01，0.1 )之间，只有2 %的样品达到0.1及以上，表明大多数样品的能量效率有足够的提升空间。

表1 污水处理厂能效得分最高组

表2 污水处理厂能效得分最低组

分别选取评估结果中效率水平最高的30个污水处理厂和效率水平最低的30个污水处理厂进行单独比较，结果如表1和表2所示。得分最高的一组有14个DEA有效的DMU，其平均耗电量为0.091 kW·h / m3，7个DMU为纯技术有效( BCC有效)，单位电力消费量的大部分值都在0.3 kW·h / m3以下，说明后7个DMU的主要优化路径不是最有效率的样本，而是基于调整电力消费量、流量等投入规模。其余污水处理厂的TE值在0.3 ~ 0.8范围内，SE值在0.4 ~ 0.8范围内。这些污水处理厂经常超过0.5 kW·h / m3的用电量，其方差也大于表现最好的污水处理厂，说明节能方向与用电调控有关。

在最低得分组中，平均TE低至0.001，SE值降至0.01及以下。平均单位耗电量为0.8446 kW·h / m3，是最高得分组( 0.3259 )的2倍多。该分组需要在污染物去除性能、综合能源管理计划和技术创新等方面进行改进，以减少过度的电力和原材料投入。

图3 代表污水处理厂效率变化的指标的平均结果(注：TFP -全要素生产率, TEC -技术效率变化率, TC -技术变化率)

为保证2014 ~ 2018年数据的有效性和连续性，我们筛选了2147家污水处理厂的投入( X )和产出( Y )指标，并计算了指数，指数反应的是全要素生产率( TFP )在时间序列上的变化，结果如图3所示。在图3的四个时期中，TFP的变化相对平稳，前三个时期的值略高于1，最后的值为0.96，实现了轻微的生产率效率增长。然而，第三个时期的平均TC为15.35，第四个时期的TEC为13.86，显著增加了所有时期( 5.24和4.06)的平均变化。出现不同寻常的具体原因在接下来的章节中，结合区域差异和逐年投入分析进一步探究其变化情况。

表3 各时期各效率指数≥1的占比情况

表3显示了四个时期各效率指数达到1及以上的比例，表明大约40.54 %的样本经历了生产率的改善，71.24 %的样本相对于前沿面技术效率提高，27.21 %的点在生产前沿面上表现出进步。2017 ~ 2018年技术生产前沿面停滞不前。总体而言，技术效率的改善比生产前沿面更加明显，这可以解释生产前沿面对能源效率的作用。

图4 中国各省份平均每吨污水处理耗电量

根据实际污水处理量和累计年用电量数据计算省级层面的平均用电量，如图4所示。据相关研究( 0.290kW·h / m3、0.254 kW·h / m3、0.240 kW·h / m3)，2018年我国污水处理厂平均运行电耗达到0.380 kW·h / m3，高于2006年、2009年和2012年，推测是由于生活污水管网建设的快速增长和地方排放标准趋严的影响。江西、湖南、云南、湖北、广东、广西和上海的用电水平均在0.3 kW·h / m3以下，节能水平较高。另一方面，北京、内蒙古、宁夏、青海、河北、山西和甘肃仍超过0.4 kW·h / m3，增加了全国整体能源投入。因此，流量和污水处理设施分布密度对北方地区的能源利用效率产生了压力。因此，应重点关注缺水地区主要用电处理设备的日负荷率，促进分散式污水处理设施的节能降耗。

图5 中国各省份的综合技术效率、纯技术效率和规模效率

当考察2018年各省的能源效率计算时，如图5所示，发现了不同的区域差异。新疆地区电耗三联市单位量COD去除量为4.658 kg / kW·h，BOD去除量为1.928 kg / kW·h，SS去除量为2.553 kg / kW·h。西藏TN去除率为0.158 kg / kW·h。这些省份对相应污染物指标的去除率最高，并从以污染物去除为输出指标的结果中获得了显著较高的TE值。其余省份依次为贵州、青海、黑龙江、甘肃、辽宁、广东、安徽、江苏。作为传统的经济强省，浙江的TE竟然跌至0.133，全国倒数第二。效率的下降可能受到污染物排放负担过重和成分复杂的影响。

图6 中国各省份采用的处理工艺比例

2018年中国城镇污水处理厂的主要工艺类型如图6所示。采用最多的工艺有厌氧-缺氧-好氧( A2 / O )除磷( 27.26 % )、生物法( 27.14 % )、氧化沟( 19.45 % )和序批式活性污泥法( SBR ) ( 10.17 % )。宁夏、山东和西藏地区采用A2 / O除磷方法的平均占比为52.90 %，而河南省主要采用氧化沟法( 50.45 % )。北京市、广西壮族自治区、江西省和重庆市采用的工艺中，生物处理占55.72 %。而在前期分析中技术效率和规模效率均较高的新疆地区，A2 / O除磷、氧化沟、氧化塘、生物工艺和物理工艺的占比均超过10 %。云南、浙江、甘肃、黑龙江等地采用的工艺中SBR法占20 %。传统活性污泥法在海南和甘肃地区应用较多，占20 %。证据表明，各地区选择不同工艺处理本地污水后，能源效率水平的响应存在差异。

图7 每个处理工艺类型的污水处理厂的平均现状效率

综合技术效率、规模效率和纯技术效率的平均值分别为0.057、0.112和0.216。比较各工艺的处理效果(图7 )，各工艺的处理效果从高到低依次为：氧化塘>物理法>生物滤池>土地处理>化学法>传统活性污泥法> SBR法> A2 / O除磷>氧化沟。从规模效率来看，A/O法、SBR和A2 / O除磷工艺比传统活性污泥法和生物法具有更高的除磷效率；但就纯技术效率而言，A2 / O除磷效率最低。因此，4种传统且应用广泛的工艺表现均不如氧化塘，综合技术效率、规模效率和纯技术效率分别达到0.446、0.506和0.586；此外，物理过程法的这些值分别为0.222，0.289和0.378，其TE接近4倍于平均值。除了去除主要污染物的常见工艺外，还通过结合氧化塘等方法来提高整体生产效率，同时控制成本，从而获得收益。

主要结论

本研究采用数据包络分析和指数，评估了2014 ~ 2018年中国污水处理厂实际污染物去除效果及其变化率相关的能源利用效率。结果表明，14家污水处理厂实施了最佳实践，帮助低效率工厂设定了节能目标作为基准。同时，需要考虑不同的当地条件、技术工艺和排放标准，确定与节约能源有关的潜在操作影响因素。对比发现，我国东部地区普遍采用SBR、A2 / O除磷、传统活性污泥和氧化沟等高耗能技术。广东、辽宁、浙江、北京、上海等东部地区污水处理厂处理规模较大，处理效率较低，其能源效率年均变化率为0.87，呈现出效率下降的趋势，节能潜力较大。另一方面，中国西部具有较高的能源效率，通过运行更少的电力驱动设施，这些设施更依赖于生物降解方法，如氧化塘，承受较小的污染物负荷，执行较不严格的污水排放标准(例如,西藏和新疆执行 - 2002二级和三级的较低排放标准)。因此，建议污水处理厂根据区域特点，提高其相对能源效率，增强其消除污染物的能力。

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陈斌，北京师范大学环境学院

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文字：甘玉金

排版：李明远

审核：齐飞