基于德尔菲法和情景分析的北京市农村生活污水处理工艺优选
摘要：针对农村生活污水处理工艺多样、适应性差、决策难等问题，在系统分析北京市农村生活污水处理工艺的基础上，结合情景分析法和德尔菲法等方法，优选农村生活污水处理工艺.研究结果表明，北京市农村生活污水采用单村或联村的治理模式，处理规模集中在50(含)~500 m3 ·d-1 ，处理工艺以MBR、AO+MBR、A2 O+MBR以及人工湿地等为主，逐渐由单元生物工艺向组合工艺转变、且生态工艺得到更多应用.依据处理规模和排放标准，推荐预处理+生物/生态处理、预处理+生物/生态处理+物化处理、预处理+生物处理+生态处理+物化处理等组合工艺分别适用北京市农村生活污水处理三级排放标准、二级排放标准和一级排放标准，为农村生活污水治理工作的稳步推进提供技术支撑.
关键词：农村污水;单元工艺;组合工艺;技术优选
王培京; 孟庆义; 肖金玉; 胡明; 赵媛; 严玉林; 杨兰琴 环境科学学报2021-12-12
1 引言(Introduction)
农村生活污水治理是农村人居环境整治的重要内容，是实施乡村振兴战略的重要举措，是全面建成小康社会的内在要求.截止到2019年(住房和城乡建设部，2020)，全国共有村庄251.3万个，村庄户籍人口7.76 亿人，建制镇和乡的生活污水处理率分别为59.67%和33.30%，与实现美丽乡村以及乡村振兴的要求还存在差距.农村生活污水治理目前存在的问题较多(李云等，2021)，包括农村生活污水收集模式、治理技术、排放标准、运维方式以及污泥的处理处置等，任何一个环节的疏漏都会导致整个工程的失败 .在上述众多问题中，农村生活污水治理技术的适应性是至关重要的，无论在工程的前期论证、中期评审以及后期运维中，污水处理技术的优劣在很大程度上决定污水处理的成败.因此，农村生活污水处理工艺优选，始终成为困扰技术、设计以及运维人员的关键.
关于农村生活污水处理技术优选，研究主要集中在以下几个方面，一方面是关于优选或评价方法的探索，应用或开发包括模糊综合评价(夏训峰等，2012)、灰色关联分析(谭学瑞等，1995)、逼近理想排序法(张晓媛等，2020)、GA-BP 模型(余剑，2012)、生命周期评价(刘平养等，2014)以及不确定性处理方法(刘毅等，2002;王剑等，2017)等.另一方面集中在评价指标体系的构建，准则层集中在经济性、技术可行性、环境条件、运行管理以及政策支持等(常越亚，2018)，每个准则层再对应3~5个指标，如经济性通常包括建设成本、运维费用、占地面积、设备折旧等(王腾飞，2018)指标，由此构建包含不同准则和指标的评价体系.此外，还有一些研究集中在评价指标权重确定方法，如主观权重方法，包括层次分析法(曲丽丽等，2012)、专家评分法以及德尔菲法(谢林花等，2018)等;客观权重方法，包括熵权法(Wang et al.，2008)、数学规划模型(Xu， 2004)、统计方差法(Rao et al.，2010)等;以及综合权重确定方法，包括最小二乘法(Xu，2004)、距离函数组合赋权法(张铖铖等，2017)、以及乘法或线性综合法(Shaokuan et al.，2014)等.
上述关于农村生活污水处理技术优选的研究内容，在一定程度上支撑了污水处理技术决策 .在农村生活污水处理优选过程中，大多数研究将单项技术、组合技术以及一体化设备等放在同一框架中进行评价，较少地考虑技术之间的关联性以及差异性，导致优选结果因与处理规模或排放标准等不适而失败(柴喜林， 2019).为了解决优选中存在的不足，本文以北京市农村生活污水治理案例为基础，抛弃繁琐的因理论优选而衍生的数据收集、处理与评价问题，选用情景分析法和德尔菲法相结合的方法，以技术开发、方案设计、工程施工、运行维护等领域专家组成专家库，结合《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 11/ 1612- 2019)设置情景，针对不同处理规模以及排放标准确定污水处理工艺，为北京市农村生活污水治理工作稳步推进提供技术支撑.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究区域概况
北京市下辖16个区，村庄户籍人口327.72万人、农户211.7万户，自然村4649个、行政村3542个(住房和城乡建设部，2020;北京市统计局和国家统计局北京调查总队，2021).截止到2020年底，北京市已兴建农村生活污水处理厂站约1160座，服务约全市55%的村庄，农村生活污水总处理规模约39万m3 ·d-1 .通过近20年农村污水治理工程实践，北京市农村污水治理已逐渐形成地域特征 .在污水治理模式方面，形成分户处理、联村或单村处理、城镇带村处理3种模式.在经费投入方面，设定农村污水处理模式及工艺确定和预算定额标准，对污水处理厂站、管线的建设成本和运维费用作了明确规定 .在运维模式方面，逐渐形成以第三方专业化运维为主、属地政府自运营为辅的运行维护方式，保障农村污水处理设施的正常运行率.
2.2 研究方法
2.2.1 专家咨询与评估
德尔菲法亦称为专家咨询法，是一类定性的主观分析方法，通过对所咨询问题在征得专家意见后，进行整理、归纳、统计，再反馈给各专家，再次征求意见并反馈，直到获得一致意见的评价方法(吕文魁等，2013).污水处理技术优选是一类专业性较强的决策活动，尤其是在后续的“菜单式”组合工艺拼接过程中涉及的专业性更强，依赖领域内的专家经验有助于快速做出科学决策.在本文研究过程中，专家咨询流程包括：①北京市农村生活污水常用处理工艺类别划分.选择15名正高级工艺开发专家，按照处理工艺的特点将污水处理工艺划分为预处理、生物处理、物化处理和生态处理等类别，在每种类别工艺下罗列北京市正在使用的工艺，同时也留出空白让专家补充自己认为合适的工艺，参考李克 5 分量表法(5-Likert scale)进行赋值：很适合(5分)、适合(4分)、比较适合(3分)、不太适合(2分)以及不适合(1分)，对于平均分低于3分的工艺直接淘汰，至少进行3轮以上的咨询——反馈——咨询过程，直到所有工艺得分在3分以上; ②确定适宜的农村生活污水处理工艺.分别从规划、设计、建设、运维以及监管等相关方选择16名正高级专家组成团队，以现有北京市正常运行的农村生活污水处理厂站所用的处理工艺为基础，参考国家以及地方农村生活污水处理技术规程、指南、标准以及导则等规范性文件，结合设定的情景，在每种情景下罗列出适宜的污水处理工艺，专家组成员按照李克 5分量表法对罗列的工艺以及专家自己推荐的工艺进行打分，对于平均分低于3分的工艺直接淘汰，对于所有专家推荐的工艺融入工艺库，再次进行打分和统计，直到所有工艺得分在3分以上.
2.2.2 北京市农村生活污水处理工艺分析的情景设置
在污水处理工艺优选中，仅优选出几种最优的处理工艺满足污水治理需求，这样的工艺选择不严谨且对实践的指导作用有限.在实际工程应用中，设计者更希望有一种类似于设计手册功能的结论，无论在哪种情景下都能够找到相适宜的处理工艺.基于以上目的，本文结合北京市 2019年发布的《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 11/ 1612-2019)中相关规定，按照相应的排放标准进行情景设置，详细情景如表1所示.按照最新发布的排放标准设定情景，一方面排放标准是未来农村生活污水处理工艺选择的方向标，农村生活污水处理设施的达标排放是终极目标;另一方面，在污水处理工程设计阶段，正是因为缺乏不同排放标准所对应的处理工艺指导，导致在设计过程中更多地倾向于经验或者商业选择;最后，基于排放标准设定的情景，实用性强、可操作性优，对实践工作的指导作用和效果好 . 结合农村生活污水治理工程实际，大多数农村生活污水处理厂站规模都小于 500 m3 ·d-1 ，在本文的情景设置中暂不考虑该情景.
2.3 北京市农村生活污水处理案例来源
农村生活污水处理工艺分析案例来源于北京市13个区，2006年以后建设完成且仍在正常运行的污水处理厂站，总样本数为1057座，总处理规模约为39万m3 ·d- (1 图1).其中大多数厂站分布在怀柔、密云、门头沟、房山、通州以及平谷等区，分别拥有农村生活污水处理厂站 155、151、150、118、108和 93座 .而处理规模较大的区分别集中在通州、海淀、房山、昌平以及大兴等，各区累计处理规模分别为11.44万、5.36万、 5.11万、3.04万和2.99万m3 ·d-1 .
3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 北京市农村生活污水处理工艺演变
北京市农村生活污水处理工艺类型如图 2 所示，由图2可知，北京市农村生活污水治理共涉及28 种单元或组合工艺 . 单元工艺中 MBR(膜生物反应器)、人工湿地、一体化设备、rCAA(好氧-厌氧反复耦合污泥减量化技术)、VFL(垂直流迷宫技术)以及生物接触氧化等工艺使用的频率较高，分别占总量的35.57%、8.14%、2.93%、2.37%、2.08%和2.08%;在组合工艺中，AO(好氧+缺氧)+MBR、A2 O(好氧+缺氧+厌氧)+MBR、多级 AO+砂滤以及 MBR+臭氧+活性 炭 等 工 艺 应 用 较 多 ，分 别 占 总 量 的 11.45%、4.54%、4.54%和4.45%.MBR无论在单元工艺还是组合工艺中都占有绝对优势，且从MBR服务的区域可知， MBR主要应用在怀柔、密云和门头沟等区县，与水源保护区范围执行较严排放标准相关.
从污水处理厂站的发展过程来看，北京市农村生活污水处理厂站的建设高峰期集中在2006—2010年和 2016—2020 年两个阶段，分别建设了 393 座和 565 座厂站 . 在第一个建设高峰期，使用的处理工艺集中在 MBR、MBR+臭氧+活性炭以及人工湿地，分别服务建设了215座、41座和37座厂站;在第二个建设高峰期，使用较多的处理工艺包括MBR、AO+MBR、多级AO+砂滤、人工湿地以及A2 O+MBR，分别建设了138、89、48、38 和32座.由上述两个建设高峰期中污水处理工艺的变化可知，相对于第一个建设高峰期，第二个建设高峰期明显对出水水质提出了更高的要求，这与《水污染物综合排放标准》(DB11/ 307-2013)颁布实施关联性较大，该标准的实施直接使北京市农村生活污水处理执行全国最严排放标准(胡明等，2019).尽管在2019年北京市针对农村生活污水重新制定、颁布并实施了《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 11/ 1612- 2019)，但是最严地标对污水处理技术优选的影响至今仍未完全消散.
为了便于详细分析污水处理工艺的演变过程，将污水处理工艺划分为生物工艺、生态工艺、组合工艺以及一体化设备 . 生物工艺包括 MBR、rCAA、VFL、生物接触氧化、A2 O、生物滤池、AO、SBR(序批式活性污泥法)、速分生化、FMBR(兼氧膜生物反应器)、生物强化膜、生物转盘、改良UCT(一种类似于A2 O的工艺)以及 MBBR(移动床生物膜工艺)等工艺，生态工艺包括人工湿地、PASG(基于厌氧的原位园艺化技术)以及土壤渗滤等，组合工艺包括图2中除生物工艺、生态工艺以及一体化设备之外的所有工艺.污水处理工艺决策中，排放标准和处理规模的影响通常较大，二者对北京市农村生活污水处理工艺演变的影响如图3所示.由图3 可知，在2006—2010年的第一个建设高峰期，生物工艺、组合工艺、生态工艺以及一体化设备分别占总量的 24.12%、8.80%、3.69% 以及 0.95%;在 2016—2020 年的第二个建设高峰期，相应的比例分别为 23.18%、 23.84%、4.45% 以及 2.08%.由此可知，农村生活污水处理技术经历了由生物工艺为主向组合工艺转变的趋势，同时生态工艺也逐渐开始崭露头角.对于不同规模的污水处理设施，相应的处理工艺优选存在一定的差异 .从污水处理设施的规模分布来看，北京市农村生活污水处理设施规模主要集中在 5(含)~50 m3 ·d-1 以及 50(含)~500 m3 ·d-1 ，分别占总数的38.60%和43.14%，由此可知北京市农村生活污水治理模式集中在小规模联村、单村以及联户等治理模式，绝大多数规模在500 m3 ·d-1 以下.随着污水处理规模的增大，生物工艺使用频率有所降低，从规模5(含)~50 m3 ·d-1 时的24.22%减少到规模为50(含)~500 m3 ·d-1 的19.49%;而组合工艺的使用频率有大幅增高，从规模5(含)~50 m3 ·d-1 时的9.84%增加到规模为50(含)~500 m3 ·d-1 的17.03%.关于生态工艺，在整个建设期内，生态工艺在规模为50(含)~500 m3 ·d-1 案例中比例相对较高，平均约高出三个百分点(相对于总污水处理设施量)，由此可知生态工艺更适合于较大规模的污水处理工程.关于一体化设备，在不同规模中均有所涉及，一方面一体化设备便于安装和施工，通过组装或拼接能够适应不同规模的需求;另一方面，考虑不同治理任务需求，在实际污水处理过程中存在相当数量的临时工程，这些临时工程更倾向于撬装式一体化设备，并依据处理规模的大小进行拼接.综合上述分析可知，北京市农村生活污水处理工艺由生物工艺向组合工艺转变，生态工艺逐渐受到相应重视;生物工艺更适宜于规模5(含)~50 m3 ·d-1 的工程，组合工艺和生态工艺更适合于规模为 50(含)~500 m3 ·d-1 的工程，一体化设备具有相当大的灵活性，能够适合不同处理规模的需求.
3.2 北京市农村生活污水处理组合工艺应用现状剖析
为满足不同规模和排放标准的需求，污水处理工艺逐渐由单元工艺向组合工艺转变，实现工艺优劣互补，提升工艺稳定性、强化污染物去除，降低运营管理难度(谢林花等，2018)、节约运营成本(黄锦楼等， 2013). 为了寻求性能高效、技术稳定、经济廉价的污水处理工艺，各种组合工艺得到了广泛研究(夏斌等， 2021).北京市农村生活污水处理组合工艺类型及其不同工艺之间的组合特征如图4所示(图中不同颜色线条将不同工艺连接表示工艺之间的相互组合，线条的宽度表示两种工艺组合频次)，组合工艺主要包括生物工艺间组合、生物+生态组合以及生物+物化组合等3种方式，占比分别为47.21%、6.70%和46.09%.生物工艺间组合主要是MBR分别与AO以及A2 O之间的组合，分别占比为71.6%和28.4%;生物+物化组合工艺主要集中在多级 AO+过滤、MBR+臭氧以及 A2 O+过滤，分别占比为 43.64%、28.48% 和 13.94%;生物+生态组合工艺是人工湿地分别与AO和生物接触氧化之间的组合，分别占比为66.67%和33.33%.根据调查结果，AO+MBR 和 A2 O+MBR两种组合工艺主要分布在海淀、顺义和通州等区的城乡结合部村庄.这类村庄通常人口密度较大、居住相对集中，便于通过单村或联村的方式收集治理，同时对污水处理设施的效率、污染物去除性能、占地面积等有较高要求 .A2 O 和 AO 作为典型活性污泥法，技术成熟、脱氮除磷效果优越，但占地面积大、抗冲击负荷能力相对弱，且出水水质不稳定(夏斌等，2021)，MBR 工艺则正好能够弥补上述不足(张勇等，2021)，因而 AO、A2 O 与 MBR 的组合工艺在这些村庄得到广泛应用 . 为了满足严格的污水排放要求，部分村庄选择其他复杂的组合工艺，如多级 AO+过滤、MBR+臭氧+活性炭等成本高昂的传统生物+物化工艺得到应用，而经济廉价的生态工艺的应用较少.结合案例调研表明，复杂多级组合工艺主要集中在密云和门头沟的水源保护区范围内村庄，这类村庄大多数居住相对分散，且执行最严格的排放标准，导致工艺叠加的现象较为普遍，污水处理工艺选择与设计更多地考虑污染物去除性能和出水水质稳定性 .随着北京市2019年新地标的颁布，以及新地标对生态工艺的推荐，平谷区兴建了一批生物+生态的组合工艺厂站，即基于生物工艺的一体化设备出水排入人工湿地进一步处理后回用 .尽管北京市地理位置和气候条件在很大程度上限制了生态工艺的应用，但随着排放标准的下调、政策的支持以及生态景观功能的提升，在未来农村生活污水处理中，生物+生态组合工艺应该能够得到深入发展.
3.3 北京市农村生活污水处理工艺优选
结合对北京市现有污水处理技术的调研分析，并经专家质询与论证，针对农村生活污水特征，污水处理工艺宜采用组合工艺，构成组合工艺的单元工艺包括预处理技术、生物膜技术、活性污泥技术、生态技术以及物化技术等.预处理技术包括化粪池和调节池，生物膜技术包括生物接触氧化和曝气生物滤池，活性污泥技术包括厌氧/好氧除磷、缺氧/好氧脱氮和厌氧/缺氧/好氧(A2 /O)，生态技术包括人工湿地、土地渗滤和稳定塘，物化技术包括混凝除磷技术 .在组合工艺优选原则上，坚持生态办法解决生态问题，因地制宜地选择低耗能、管理难度小、出水水质稳定的处理工艺 .同时结合区域污水治理模式、污水排放量、地理位置、排放标准、建设条件和资源回用需求，结合规划设计、建设施工、运行维护等领域专家的咨询与头脑风暴，在不同情景条件下优选的“菜单式”组合工艺见表2，表2仅列出分值前3的工艺，其他工艺由于篇幅原因不再赘述.
由表2可知，在各情景中均添加了化粪池和调节池等构筑物，以解决农村污水的水量、水质波动问题.规模在5 m3 ·d-1 以下的厂站多见于联户或经营性单户，如民俗旅游村中的餐饮或住宿经营户、城乡结合部村庄的加工或生产个体户等污水产量较大的农户.在该情景下，结合农户房前屋后闲置土地情况，相应地选择预处理+生物膜工艺或预处理+生态工艺，满足三级排放标准后达标排放或就地回用.尤其是山区村，通过对房前屋后的闲置土地、坑塘或沟渠进行合理利用，在解决生活污水处理问题的同时，营造景观格局提升乡村人居环境 .关于小规模污水处理设施涉及的工艺，一体化污水处理设备也有所涉及，其中以净化槽(陈颖等， 2019)和中国罐(李昀婷等，2021)为典型代表，衍生出一系列一体化污水处理设备，如无动力生物净化槽(李秋月等，2020)、农村户厕一体化生物处理设备(于法稳，2021)、低能耗分散式污水处理成套装置(王磊等， 2017)等 .尽管上述一体化设备在我国不同区域得到应用，然而从市场和用户的反馈来看，在后续的运维过程中都存在一定的问题，如一体化设备内部配件的损坏导致设备整体的停运、设备的集成度较高导致一般运维人员难以胜任等.在汲取前期工程建设的经验，要求农户都建设户用化粪池，污水经化粪池排出后再接入后续的处理单元，保证达标排放、延长使用周期和便于运维.
规模在5 ~50 m3 ·d-1 的厂站通常服务于单村治理模式，以一个村庄污水为处理单元，依据排入水体功能区不同而执行相应标准.对于情景4执行二级B标准，推荐的组合工艺为预处理+生态工艺或活性污泥工艺(厌氧/好氧);对于情景2执行一级B标准，推荐的组合工艺为预处理+活性污泥工艺(缺氧/好氧)+生态工艺或预处理+活性污泥工艺(A2 O)+生态工艺+物化工艺(混凝除磷).由上述推荐的组合工艺可知，在相同规模下因执行更严格的标准，情景2的工艺相当于在情景4工艺上进一步延伸.从各组合工艺中涉及的单元工艺来看，对于规模为 5 ~50 m3 ·d-1 的厂站，在预处理环节的基础上，再叠加生物或生态工艺满足排放标准要求 . 确定该情景组合工艺的前提是基于现有的技术成熟度(赵海洲等，2017;夏斌等，2021)、设备制造的稳定性以及工程建设经验的积累.马凯(2020)采用SBR+人工湿地的组合工艺处理兰州交通大学的生活污水，丁仁伟等(2020)采用间歇曝气一体化悬浮填料床+人工湿地的组合工艺处理农村污水，熊仁等(2019)采用厌氧+ 跌水曝气+人工湿地组合工艺处理农村生活污水，出水各水质指标均达一级 A 标准(GB 18918-2002).
规模在50 ~500 m3 ·d-1 的厂站通常服务于联村治理模式，以多个村庄污水为处理单元，依据排入水体功能区不同而执行相应标准.对于情景3执行二级A标准，推荐的组合工艺为预处理+生态工艺、预处理+活性污泥(缺氧/好氧)+物化工艺(混凝除磷)以及预处理+生物膜工艺+物化工艺(混凝除磷);对于情景1执行一级A标准，推荐的组合工艺为预处理+活性污泥工艺(A2 O)+生态工艺或物化工艺(混凝除磷).相较于规模小于50 m3 ·d-1 的工艺，该情景下的工艺流程明显增加、工艺类型和组合方式稍显复杂.从工艺的构成来看，后续延伸的工艺主要目的在于深度脱氮除磷，使其出水能够满足排放标准.
4 结论(Conclusions)
1)北京市近10年农村生活污水处理设施建设采用28种不同工艺，其中MBR、AO+MBR、A2 O+MBR以及人工湿地等工艺使用频率较高，占比分别为35.57%、11.45%、8.14%和4.54%.
2)北京市农村生活污水处理设施规模主要集中在5(含)~50 m3 ·d-1 以及50(含)~500 m3 ·d-1 ，分别占总数的38.60%和43.14%，相应的治理模式集中在小规模联村、单村以及联户等治理模式.
3)北京市农村生活污水处理工艺由生物工艺向组合工艺转变，生态工艺逐渐得到更多应用 .生物工艺更适宜于规模5(含)~50 m3 ·d-1 的工程，组合工艺和生态工艺更适合于规模为50(含)~500 m3 ·d-1 的工程.
4)满足三级排放标准，推荐预处理+生物膜工艺或预处理+生态工艺;满足二级排放标准，推荐预处理+ 生态工艺或活性污泥工艺(厌氧/好氧)、预处理+活性污泥(缺氧/好氧)+物化工艺(混凝除磷)以及预处理+生物膜工艺+物化工艺(混凝除磷);满足一级排放标准，推荐预处理+活性污泥工艺(缺氧/好氧)+生态工艺、预处理+活性污泥工艺(A2 O)+生态工艺+物化工艺(混凝除磷)、预处理+活性污泥工艺(A2 O)+生态工艺或物化工艺(混凝除磷).