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、進出水水質、藥耗與電耗、污泥處置量以及實際投資等數(shù)據(jù)來自“全國城鎮(zhèn)污水處理管理信息平臺”。運行成本主要考慮電費，藥劑費用和員工工資等，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，并結合當?shù)仉妰r，市場藥價費用和當?shù)氐穆毠て骄�工資等進行估算。核算過程中對原始數(shù)據(jù)進行整理，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)使用加權平均值等進行補充。

1.2 評估指標體系

污水處理不僅要減污達標，也要協(xié)同推進碳減排和提升運行效能。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，確定綜合運行效能評估指標體系如表1所示。

表1 城市污水處理廠綜合運行效能評估指標體系

1.3 評估方法

1.3.1 污水處理廠綜合運行效能評估

采用基于SBM模型的數(shù)據(jù)包絡分析法進行評估。本研究統(tǒng)計有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，對其綜合運行效能進行評估。選取m種投入指標xi，q1種期望產出指標yi和q2種非期望產出指標bi，具體見表1，則第k個污水處理廠的綜合運行效能值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個投入指標變量、第r個產出指標變量和第w個非期望產出指標變量；s-、s+、sb-分別為投入、期望產出和非期望產出的松弛變量（松弛變量值即投入冗余量、期望產出不足量和非期望產出超標量）；λ為權重向量。本文ρ值由DEARUN軟件計算。

1.3.2 污水處理廠運行效能影響因素分析

為進一步解析影響污水處理廠綜合運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，采用Kruskal-Wallis檢驗法分析各因素對污水處理廠運行效能的影響。Kruskal-Wallis檢驗步驟如下：

（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）計算 K-W 統(tǒng)計量如式（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。可以看出，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準》（GB 18918-2002）一級A標準，35.1%的污水處理廠出水執(zhí)行地方標準（嚴于一級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，但藥劑投加強度略有不同，其中碳源和除磷藥劑投加強度整體呈上升趨勢，而污泥脫水藥劑投加強度呈緩慢下降趨勢。

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《污水處理廠低碳運行評價技術規(guī)范》，計算出研究區(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，計算方法參考《污水處理廠低碳運行評價技術規(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重，在雙碳戰(zhàn)略背景下，污水處理廠不但要關注污染物的削減，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行效能現(xiàn)狀分析

本文通過數(shù)據(jù)包絡分析對各城市污水處理廠運行現(xiàn)狀進一步分析，基于已構建的指標體系和基礎數(shù)據(jù)采用DEA方法進行分析。

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

考慮到每個污水處理廠的建設運行時間、工藝路線、運行管理水平以及進水水質等均有所差別，從而影響污水處理廠綜合運行效能水平，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部的問題，需要以獨立的污水處理廠為主體進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行數(shù)據(jù)包絡分析，結果如圖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行效能整體改進空間還很大。將綜合運行效能進一步分解為純技術效能和規(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，它主要衡量技術水平、管理水平和制度等因素對技術效能的影響程度；規(guī)模效能是由于企業(yè)規(guī)模因素影響的生產效能，或者說指產業(yè)結構通過優(yōu)化配置對產出單元所發(fā)生作用的大小，用于衡量投入和產出在數(shù)量上能否達到最優(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，純技術效能平均值為0.6392。

圖6污水處理廠綜合運行效能分解

由圖6亦可看出，規(guī)模效能整體高于純技術效能，即研究區(qū)域污水處理廠在管理與技術水平上仍有較大的提升空間。純技術效能小于1的污水處理廠，可以通過技術進步、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。規(guī)模效能小于1表示該污水處理廠投入和產出未達到最優(yōu)的匹配狀態(tài)，企業(yè)需要調整現(xiàn)有運行規(guī)模以達到更優(yōu)水平。

數(shù)據(jù)包絡分析綜合運行效能值為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）的污水處理廠各項投入產出指標如圖7所示�？芍�高效廠噸水實際投資（固定資本存量）和運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。在碳排放強度方面，高效廠總的碳排放強度低于低效廠。通過進一步分析，可以識別和量化各廠可改善的指標以提高效能。

圖7污水處理廠指標對比

DEA 模型能根據(jù)前沿面的投影為每個決策單元提供目標改進量，包括投入產出指標的量化。污水處理廠可通過減少投入冗余量和非期望產出超標量，以及彌補期望產出不足量來提高運行效能。表2是研究區(qū)域污水處理廠各項指標冗余值，也可稱為改進潛力值。在理想狀態(tài)下，如果區(qū)域各個污水處理廠都能夠達到群體最佳運行效能水平，即綜合運行效能值都能達到標桿廠的水平，則區(qū)域污水處理廠將減少8.13億元的年運行成本，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 污水處理綜合運行效能影響因素解析

采用Kruskal-Wallis檢驗法對污水處理廠綜合運行效能的影響因素進行研究，找出主要影響因素并判斷其影響程度，在此基礎上進行進一步解析。通過查閱相關文獻并結合本研究實際情況，選取處理規(guī)模、污水處理負荷率、工藝類型、藥劑投加強度、

表2 研究區(qū)域污水處理廠指標冗余松弛值

指標類型冗余松弛值運行成本/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進水COD濃度、污泥處置方式等6個指標，研究對城市污水處理廠綜合運行效能的影響情況，各指標統(tǒng)計情況見表3。

表3 污水處理廠運行效能影響因素

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

表4 污水處理廠運行效能影響因素 Kruskal-Wallis 檢驗結果

由表4可知，工藝類型、污水處理負荷率、處理規(guī)模、藥劑投加強度和進水COD濃度的p值均小于0.05，表明對污水處理廠的綜合運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行進行改善。

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，處理規(guī)模的漸進顯著性為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果相近。由此，可以認為研究區(qū)域污水處理廠應為有一定規(guī)模效應后能提高其運行效能。

大型污水處理廠在資源配置，工藝設計，運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)運行難度和管理費用。因此，對于污水處理規(guī)模，需要統(tǒng)籌規(guī)劃，規(guī)模達不到處理需要的廠及時擴建。

3.2.2 污水處理負荷率的影響

污水處理負荷率可以反映污水處理廠運行狀況，在實際運行過程中，污水處理廠的運行條件和設計條件不完全一樣，實際處理水量與設計量不一致，從而會影響污水處理廠的運行效能。

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

3.2.3 工藝類型的影響

表3給出研究區(qū)域各污水處理廠運行工藝與綜合運行效能值的分布情況。本研究通過數(shù)據(jù)包絡分析，計算出采用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檢驗結果，處理工藝的漸近顯著性為0.026<0.05，可以判斷為運行工藝對污水處理廠的綜合運行效能存在顯著性影響。這與楊莉等的研究結論一致。

因此，城市污水處理廠需要結合進水水質與設計規(guī)模等，選擇適合的處理工藝，充分發(fā)揮其工藝運行優(yōu)勢，并通過實際運行調整提高運行效能。同時現(xiàn)行工藝運行效能較低的污水處理廠可以通過工藝改造來提高效能。就具體技術而言，主要針對節(jié)能減排，可以通過設備與控制系統(tǒng)的升級改造實現(xiàn)精細化曝氣，精確計算和合理設計來降低水泵揚程與輸送距離等，同時加強運行控制，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致構筑物內存在污泥淤積，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行穩(wěn)定和提高處理質量。然而，在實際操作過程中，經常會出現(xiàn)過量投加藥劑等現(xiàn)象，不僅會造成運行效能下降，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行了分析，并對不同分組污水處理廠的綜合運行效能進行了群組顯著性差異檢驗。從表3中可以看到，藥劑投加較大的污水處理廠綜合運行效能整體平均值較低。依據(jù)表4相關內容，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度的漸進顯著性分別為0.000、0.001和0.026，都小于0.05，即這3種化學藥劑的投加強度均對效能值具有顯著性影響。不合理的化學藥劑投加會使污水處理運行效能下降，城市污水處理廠可以通過回流比優(yōu)化、控制內回流液溶解氧、多點進水、間歇曝氣、加藥點優(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，則應根據(jù)處理情況和污泥性質合理投加，同時依據(jù)實際情況及時調整，將投加強度控制在一個合適的范圍內，從而提高運行效能。

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。調研的污水處理廠污泥處置方式的K-W檢驗，其漸進接近顯著性為0.976>0.05，不同處置方式的綜合運行效能分布沒有顯著性差異。

3.2.6進水COD濃度的影響

污水處理廠的進水水質會影響其處理效能。由表3可以發(fā)現(xiàn)，隨著進水COD濃度的提升，污水處理廠綜合運行效能平均值也呈遞增趨勢。通過K-W檢驗，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）。進水COD濃度較低時，進廠污水在后續(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，也會影響整體的運行效果。因此，需要提升污水處理廠的進水COD濃度，尤其要重視污水管網(wǎng)的建設，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)包絡分析方法評估了區(qū)域174座污水處理廠的2022年綜合運行效能情況；通過Kruskal-Wallis檢驗法分析了影響綜合運行效能的因素，并提出相應的污水處理廠運行效能改進對策，研究得到以下結論：

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

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

（3）綜合運行效能相對低的污水處理廠，在運行成本和碳排放方面表現(xiàn)較差，今后的改進方向應重點關注增效和減碳方面。可從顯著性影響因素入手，通過調整運行規(guī)模、工藝改造、精細化運行調控減少藥劑投加與污水管網(wǎng)修復改造等提高綜合運行效能。