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1、222?给水排水?Vol.35?增刊?2009?基于节能降耗的污水处理厂绩效评估体系研究杨凌波1?葛勇涛2?谢继荣2?应启锋2?曾思育1?何?苗1(1 清华大学环境科学与工程系,北京?100084;2 北京城市排水集团有限责任公司,北京?100044)?摘要?针对污水处理厂的节能减排要求,建立了能够突出节能降耗目标的污水处理厂绩效评估体系。该体系由稳定达标、节能降耗和优化运行 3 个维度,污水处理、污泥处理、单位能耗、单元能耗、单元物耗、资源回收利用、单位成本、自动化控制水平、设备运行等 9 个一级指标和 16 个二级指标构成。研究提出了定量指标的计算方法和定性指标的打分方法,并采用全国污水处
2、理厂数据统计分析、文献调研、专家咨询等方法给出了计算所需的标准值、修正系数、打分等级。将该体系应用于 3座污水处理厂,结果表明该体系能够用于实际污水处理厂的评价,引入绩效评估体系有助于污水处理厂了解自身节能降耗的潜力和途径。关键词?污水处理厂?节能降耗?绩效评估?指标体系0?引言绩效评估是指运用数理统计和运筹学原理,采用特定的指标体系,对照统一的标准,按照一定的程序,通过定量定性对比分析,对经营者在一定经营期间的经营效益和业绩做出客观、公正、准确的综合评判 1。绩效评估在所有企业管理中都有所应用,有助于企业了解自身情况,发现改善绩效的关键环节。我国城镇污水处理厂与国外相比,在环境条件、处理工艺
3、设计、设备选择等方面并不落后,而在运行管理和优化控制方面尚存在较大的差距,需要改进。在节能减排的大形势下,到?十一五?期末,污水处理行业肩负着污水处理率不低于 70%的?减排?任务,而同时还要充分挖掘污水处理的?节能?空间。因此有必要将绩效评估引入污水处理行业,这样既有助于各污水处理厂实现战略目标和长远发展,又有利于政府实现监管。过去十年来,为促进给排水服务的高效和优质化,国外学者开展了大量研究,在绩效评估领域也形成了一些成果。欧盟大部分国家都定期或不定期地、强制或自愿地对污水处理企业、污水处理厂进行绩效评估 2 3。IWA 出版的?污水处理行业绩效指标?一书中提供了大量可供选择的评价指标 4
4、。2007 年,涅德提等人提出了?城市污水系统环境和?十一五?科技支撑计划课题(2006BAC19B06)。经济综合绩效评估体系?,主要指标有污染负荷、处理率、成本、能耗、面积利用率等 5。国内采用标杆管理、平衡计分卡等方法对污水处理行业绩效评估也开展了相应研究 6,但距离实际应用还存在较大差距,主要是由于评价体系中的许多指标在针对我国污水处理厂进行评价计算时遇到数据不全、难以取得或未进行记录的问题。另外,现有指标体系更多地集中于水质状况,对节能降耗的体现往往是间接的。本研究在对我国不同地域不同工艺不同规模的多座污水处理厂实地调研的基础上,充分考虑其实际运行中数据记录情况和绩效管理需求,建立以
5、节能降耗为目标的绩效评估体系,具有较强的实用性。在此基础上最终可以形成相应的数据输入、管理、计算系统,方便污水处理厂进行绩效管理。1?绩效评估体系的建立1?1?评价目标的确定与体系维度的设计针对污水处理厂?节能减排?的双重任务,确定本绩效评估体系的评价目标为:在稳定达标的基础上,通过提高运行管理水平,降低污水处理过程的能耗物耗。与此相应的评价内容则应该包括污水处理厂的处理达标、能耗物耗以及相关的运行管理水平。在确定评价目标的基础上,本研究借鉴已有广泛应用的?平衡计分卡?思想来设计体系的维度。平衡计分卡方法是 1992 年由哈佛商学院教授罗伯给水排水?Vol.35?增刊?2009223?特?S?
6、卡普兰和大卫?P?诺顿开发的 7,从顾客、财务、内部业务和内部创新与学习四个角度来管理组织的绩效。由于污水处理厂的规模及服务区域在设计时便基本确定,使得污水处理厂的客户相对固定,因此在客户维度主要考察客户所关心的排放达标率及稳定性。对于污水处理厂节能降耗绩效评估体系来说,财务维度主要考察能耗、物耗、成本和资源回收利用。对于内部业务流程维度,由于污水处理厂运行管理中的自动化程度和主要耗能设备的运行方式对能耗存在较大影响,所以主要从这两方面入手评价该维度。而由于学习与创新并不直接影响能耗物耗,因此在体系中对此维度不予考虑。1?2?指标体系设计及单指标计算方法在维度设计的基础上,结合一般企业绩效评估
7、 8的需求和污水处理企业的特点,分析得到本研究体系指标设计原则如下:?客观性:能够反映不同工艺、不同规模污水处理厂的能耗物耗普遍特征,体现真正的绩效差异。?可操作性:不同的污水处理厂都能通过该体系进行评估。?激励性:使污水处理厂在现有基础上实现持续改进。?信息沟通:评估结果易于反馈于管理。?平衡性:短期经营目标与长期战略目标相一致,即节能降耗和稳定达标并重。根据以上原则,参考国内外相关研究成果,得到基于节能降耗的污水处理厂绩效评估指标,如表 1所示。其中定量指标的计算方法也一并列出,定性指标的量化则采用打分法。表 1?基于节能降耗的污水处理厂绩效评估指标绩效指标维度一级指标二级指标指标计算方法
8、标准值标准值来源稳定达标污水处理S1 出水水质达标指数水质达标日数/运行日数?100?排放标准污泥处理S2 污泥含水率达标指数含水率达标日数/运行日数?100?排放标准节能降耗单位能耗E11污水处理能耗指数?min 100,修正系数?标准值/(污水处理电耗/实际处理量)?1000?210kW?h/m3?2006 年全国数据第 20 百分点?E12 总污染物去除能耗指数?min 100,修正系数?标准值/(污水处理电耗/总污染物1)?1000?120kW?h/kg?2006 年全国数据第 20 百分点单元能耗E21提升单元能耗指数?min 100,标准值/(提升单元电耗/实际处理量/污水提升高度
9、)?1000?0022 kW?h/(m3?m)?调研最优(盐田污水处理厂)?E22 生化处理单元能耗指数?min 100,标准值/(生化处理单元电耗/实际处理量)?1000?120 kWh/m3?调研最优(盐田污水处理厂)?E23 污泥处理单元能耗指数?min 100,标准值/(污泥处理单元电耗/污泥处理量)?1000?0219 kWh/kg?调 研最优(小红门污水处理厂)单元物耗E31化学除磷药耗指数?min 100,标准值/(除磷药剂使用量?有效成分比/总磷(以P 计)削减量)?1002(1)*;4(0?5)文献调研 10E32污泥处理药耗指数?絮 凝 剂使 用 量/污 泥 处 理 量/标
10、 准值?1000?556?调研最优(盐田污水处理厂)资源回收利用E41污水再生利用指数中水产量/实际处理量/标准值?1001?26%2006年全国平均E42能量回收指数联合发电量/污水处理电耗/标准值?10027%文献调研 11单位成本?E5 总污染 物去除成本指数?min 100,修正系数?标准值/(运行成本/总污染物)?1000?202 元/kg?2006 年全国数据第 20 百分点优化运行自动化控制?O11 在线监测仪器使用维护打分法确定取值,具体见表 3O12 自动控制策略应用打分法确定取值,具体见表 4设备运行O21 提升泵效率指数实际提升泵运行效率/标准值?通过泵性能曲线计算得到实
11、际运行条件下的理想效率O22 鼓风机效率指数实际风机运行效率/标准值?通过风机性能曲线计算得到实际运行条件下的理想效率?注?本研究采用总污染物代表污水中各种污染物对环境的综合影响,其计算公式为:总污染物=COD+2BOD+2SS+20T N+100T P,系数参考 IWA 的 Benchmark 标准9。?*括号内数值表示所执行的总磷(以 P 计)出水排放标准。224?给水排水?Vol.35?增刊?2009?指标计算中涉及到的标准值可以来自 5 个方面:同企业早期结果、同企业战略或规划目标、法律或部门监管目标、其他企业结果和文献参考值。因此本研究给出的标准值主要来自排放标准、2006 年全国污
12、水处理厂数据的第 20 个百分点或平均值、实地调研全国不同地区不同规模和工艺的 10 座污水处理厂最优值、文献调研或专家咨询结果等,充分考虑了标准的客观性和激励性。在指标计算时考虑到污水处理和污染物去除过程受到工艺、规模的影响而对能耗有较大影响,因此为了公平客观比较污水处理厂绩效,需要对指标E11、E12 和 E5 的标准值进行修正。本研究通过引入修正系数来解决此问题。根据 2006 年全国污水处理厂实际运行情况,经统计分析并结合专家咨询获得修正系数的取值,如表 2 所示。首先确定所属的处理规模范围和处理工艺,然后计算指标 E11 的修正系数=a11?b11,E12 的修正系数=a12?b12
13、,E5的修正系数=a5?b5。表 2?E 11、E12、E5 标准值修正系数设计规模/万m3/da11a12a5工艺b11b12b50?01 0?51?6 1?71?9SBR1?31?61?30?5 11?5 1?61?8氧化沟1?21?31?3?1 1?51?4 1?51?7A/O1?11?01?01?5 21?3 1?41?6AB 法0?91?01?22 41?2 1?31?5一级处理0?15 1?11?64 71?1 1?21?3生物膜1?31?61?4?7 151?0 1?11?2普通活性污泥法1?10?91?315 200?9 1?11?1A2/O1?10?80?820 500?8
14、1?01?0?土地处理及人工湿地1?41?81?2?50 1000?7 0?90?8其他1?21?01?0?表 3 列出了指标?在线监测仪器使用维护情况?O11 的评分方法。如果厂内不具备某类仪器,则相应项目不得分。得分在 60 75 范围的污水处理厂意味着拥有常用仪表,得分 75 85 的污水处理厂能够监控重要指标,得分 85 100 的污水处理厂能够进行较全面监控、适用较复杂的自动控制策略。表 3?在线监测仪器使用维护情况 O11 的评分方法仪表类型维护情况及其得分定期维护,且测量准确进行维护,且测量较准能够读数,且显示趋势?常规仪表:流量计、温度计、pH 测量计、浊度计、液位/液位 差计
15、、污泥 流量计、悬浮物浓度测量仪,等543?监测仪表:污泥浓度测量仪、COD 在线分析仪、氨氮在线分析仪、硝酸盐在线分析仪、总磷在线分析仪,等1086?曝气、提升自动控制仪表:气体流量计、溶解氧测量仪、氧化还原电位测量仪,等15129?考虑到提升泵、鼓风机对能耗影响显著,因此O12 指标主要评价泵房、曝气的自动控制策略。根据文献调研和专家咨询的结果,获得控制策略的分级和评分见表 4。曝气、提升控制策略得分相加得到 O12 控制策略指标得分。如果采用变频设备,在提升控制策略得分基础上加 5 分。控制策略应用后的节能潜力越大,得分就越高。需要说明的是,复杂的控制策略除了在降低能耗方面有优势外,能够
16、更合理地控制生化反应环境,有利于降解,在现阶段虽然应用较少,但发展前景广阔。表 4?自动控制策略应用情况 O12 的评分方法控制等级曝气控制策略得分提升控制策略得分无控制00经验控制?包括人工控制、远程控制等。42?包括 人工控制、远程控制等。18简单自动控制?包括定时控制,液位、DO、供气量等单参数反馈控制。60?包括 定时控制,液位、液位差等单 参数反馈控制。20复杂自动控制?包括DO-ORP-供气量、DO-NH3-N等多参数联合反馈控制,以 及 DO、DO-NH3-N 等 前 反 馈控制。70?根据长期水量规律或实时水量等进行编组优化运行。25附加控制变频控制?额外增加 5 分给水排水?
17、Vol.35?增刊?2009225?1?3?综合评价方法根据各指标的计算方法可知,所有指标取值均为 0 100 的无量纲数,且分值越高说明绩效越好。采用最简单的等权重加和,即通过计算二级指标的平均得分可以得到一级指标的得分,计算一级指标的平均得分可以得到各维度的得分,类似地可获得污水处理厂总分。根据得分高低,可以比较不同厂之间的总体绩效差异、不同维度差异和单项指标差异。2?案例研究对三座不同工艺、不同水质水量的污水处理厂2006 年的运行情况进行综合评价,所得结果如下。由于各厂均未进行化学除磷、沼气发电等,不需要计算的指标有 E32 污泥单元单位污泥药耗和 E42 能量回收率。表 5 中空白处
18、是指受研究条件限制该厂数据收集不完整。总体来看,各厂现有数据资料能够支持指标进行计算、评价,该评估体系具有可行性。表 5?案例污水处理厂得分情况指标X 厂Y 厂Z 厂S1 出水水质达标指数25?289?994?2S2 污泥含水率达标指数40?497?6E11污水处理能耗指数56?0100?0100?0E12总污染物去除能耗指数77?968?2100?0E21提升单元能耗指数48?8100?0E22生化处理单元能耗指数83?2100?0E23污泥处理单元能耗指数100?092?9E32污泥处理药耗指数48?3100?065?6E41污水再生利用指数23?1E5 总污染物去除成本指数68?0O11
19、 在线仪表使用维护100?088?075?0O12 控制策略93?062?062?0O21 提升泵效率98?3O22 鼓风机效率92?1有效指标个数13116?稳定达标维度32?893?794?2节能降耗维度68?983?588?5优化运行维度95?875?068?5全厂得分71?683?882?8?分析来看,X 厂由于刚刚投入运行,出水不达标现象较为严重;提升和生化单元具有较大的节能潜力,污泥处理药耗具有较大的降耗潜力;仪表配置和自控策略应用较好;通过提高提升泵、鼓风机运行效率有望降低能耗。Y 厂总体表现最优,其污泥单元仍存在一定节能潜力;需要提高中水产量,加大资源回收利用力度;采用符合自身
20、需求的自控策略,有望进一步降低能耗。Z 处理厂受研究条件限制,数据稀缺;从现有指标来看,能耗最低,污泥处理的药耗需加强控制,控制策略、自控水平有待提高。分维度进行横向比较。首先看稳定达标维度,普遍存在不达标现象,需要针对不达标的项目加强控制,以符合排放标准的要求,特别是 X 厂。其次看节能降耗维度,Y、Z 两厂能耗物耗指标较优,但所有污水处理厂都存在一定的节能降耗空间,需要进一步加强管理和优化运行。最后看优化运行维度,X 厂最优,Y、Z 两厂需要针对自身需求提高现有监测水平和运行控制能力。3?结论与建议(1)本研究构建了基于节能降耗的污水处理厂绩效评估体系。引入该体系有助于污水处理厂了解自身节
21、能降耗的潜力和途径进而实现持续改进,有助于比较不同厂之间的运行绩效进而促进政府的有效监管。(2)指标体系从稳定达标、节能降耗和优化运行三个维度考察污水处理厂的绩效,在每一维度下设计了具有代表性的综合指标。综合文献调研、统计分析、实地调研的结果,给出了一套完整的指标计算和评价方法。(3)将绩效评估体系应用于三座污水处理厂的评价,各指标具备可操作性,能够体现各厂的绩效差异。案例污水处理厂仍然存在不达标的现象,同时具备较大的节能降耗空间,通过优化运行、加强管理,有望改善绩效。参考文献1?财政部统计评价司.企业绩效评价工作指南.北京:经济科学出版社,20022?Merkel W?Internation
22、al Report:Performance assessment in thewater industry?Water Science and T echnology:Water Supply,2002,2(4):151 162226?给水排水?Vol.35?增刊?2009黄 河 班 多 水 电 站 渗 渠 的 设 计 与 计 算吕?康?王丹丹?高妙英?王彩云?李振宇(中国水电顾问集团西北勘测设计研究院,西安?710065)?摘要?黄河班多水电站施工供水系统采用渗渠取水,渗渠设计产水量为 1 620 m3/h。介绍了这种取水方式的设计思路和具体计算方法,以及进水孔、检查井和渗渠接口的设计特色。
23、关键词?渗渠?进水孔?人工滤层?检查井?接口1?工程概况黄河班多水电站位于青海省海南州兴海县与同德县交界处的班多峡谷出口处,是黄河干流龙羊峡向上游的第二个梯级电站,上接茨哈峡水电站,下接羊曲水电站。工程以发电为主,总装机容量为 360 MW,年发电量为 14?12亿kW?h,工程规模为二等大(2)型工程。黄河班多水电站施工供水工程位于电站施工区内,海拔高度在2 720 2 824 m,水源采用黄河岸边地下水和河床潜流水,渗渠设计出水量为1 620 m3/h。施工供水主要供混凝土拌合系统用水、主体工程用水、综合加工厂(混凝土构件预制用水、冲洗用水、冷却用水等)、营地生活用水等。施工供水系统由渗渠
24、、取水泵站、清水池等建(构)筑物组成。渗渠集取的地下水经取水泵站内取水泵提升至左岸2 824 m 高程处清水池(两座,总容积 6 000 m3),由该水池供给施工期生产和生活用水。本文主要介绍该工程渗渠的设计与计算。2?水文及泥沙资料班多水电站坝址处 95%保证率日平均流量为69?7 m3/s,对应日平均水位为 2 718?18 m;坝址处50 年一遇洪峰流量为 4 230 m3/s,对应洪水位为2 724?85 m。班多水电站坝址处黄河多年平均含沙量为 0?56 kg/m3;汛期(6 9 月)平均含沙量为0?80 kg/m3;多年月平均含沙量为 1?01 kg/m3;多年最大日平均含沙量为
25、5?88 kg/m3。3?气象资料本工程气象资料采用青海省同德气象站的观测资料,其主要气象要素见表 1。表 1?同德气象站主要观测资料项目数量多年平均气温/?0?5极端最高月平均/?29?8极端最低月平均/?-37?2多年平均降水量/mm425?2最大风速/m/s25多年月平均风速/m/s3?1最大积雪厚度/mm200最大冻土厚度/mm1 6203?OECD 编.环境绩效评估:德国.於方等译.北京:中国环境科学出版社,20064?Rafaela Matos,et al?Adriana Cardoso?Performance Indicatorsfor Wastewater Services?I
26、WA,20035?Benedetti L,et al?Environmental and economic performanceassessment of the integrated urban wastewater system?Journalof Environmental Management,In Press,Corrected Proof,2007:1 116?王希希.城市污水处理行业发展及其标杆管理体系研究:学位论文.北京:清华大学环境系,20047?罗伯特?卡普兰,大卫?诺顿.平衡计分卡:化战略为行动.刘俊勇,孙薇译.广州:广东经济出版社,20048?王志伟.企业现代绩效评估
27、的理论分析:学位论文.西安:西安建筑科技大学,20049?Vanrolleghem P A,Jeppsson U,Carstensen J,et al.Integrationof WWTplant design and operation?A systematic approachusing cost functions?Wat Sci Tech,1996,34(3-4):159 17210?念东,王佳伟,刘力超,等.城市污水处理厂化学除磷效果及运行成本研究.给水排水,2008,34(5):7 1011?潘伯寿,卢志,孙传志.海口市污水处理厂污泥消化的运行分析.中国给水排水,2006,22(24):91 94?&E?mail:szeng tsinghua?收稿日期:2008-09-10