降低污水处理厂成本的可能性与措施

袁国文 博士 Dr.-Ing. Guowen Yuan
皮纳坎普 博士 教授 Prof. Dr-Ing. Johanes Pinnekamp

斯图加特大学 水污染控制和垃圾处理研究所
University of Stuttgart, Institute for Sanitary, Water Quality and Solid Waste Management
D-70569 Stuttgart, Bandt?le 2, Germany

1、引言

　　中国正在大力加强环境保护方面的建设，在政府各项环保投资方面，城市污水处理方面占首位。污水处理厂的投资巨大，一座日处理能力十万立方米的污水处理厂（约合50万人口当量）仅污水处理部分其投资就约达一亿五千万人民币，不仅如此，其建成后的年运行费用也将是数以千万计。因此，如何能节约污水处理厂的建设投资，如何能节约污水处理厂的运行成本，最终使得市民在保障水体质量不受危害的前提下支付的费用最少，这涉及的不仅仅是技术层面，而且涉及立法，决策等多种层面，很显然不是一两篇文章就能将其阐明。 本文从德国污水处理厂的立项、设计、招标、工艺技术以及污水处理厂的优化运行等方面的实践经验出发，阐述降低污水处理厂成本的因素与措施。

2、规划和设计的影响

2.1 概述
　　污水处理厂的建设可划分为以下八个阶段：立项、基础数据收集、初步设计、详细设计、施工图设计、招标、施工建设、工程决算。随着项目的进展，对项目成本影响的可能性也就逐渐减少。 图1给出了各阶段对项目成本的影响可能性及其总的发展趋势。项目的初期阶段的决策对污水处理厂成本的影响最大。在立项阶段需要决策的问题有：新建污水处理厂的必要性；有否旧污水处理厂可供扩建；是否可在原处进行新污水处理厂的建设，还是要寻找新的厂址；是集中处理还是分散处理；等等。基础数据收集阶段对污水处理厂成本的影响也很大，它直接影响到污水处理厂的规模，如，确定采用的设计废水温度就对污水处理厂的规模有直接影响。随着项目的深入，越到后期对建设成本的影响便越来越小。
　　在图1中明显地表示出在招标和发标过程中对项目成本的影响可能性有很大的增加。在该阶段为项目引入了新的公司－建设公司，该新公司的进入将带入新的意见和经验，并通过竞争能降低成本。

　　　　

2.2 显著影响费用的因素
　　根据对德国约30座处理规模为6,000人口当量（约1,200立方米/天）至1,600,000人口当量（约32万立方米/天）污水处理厂建造成本分析发现下列因素对成本的影响最为显著：
　　- 厂址的选择
　　- 服务规模
　　- 措施的范围
　　- 对出水水质的要求（监测值、设计温度）
　　- 废水成分
　　- 现有装置可利用的程度
　　- 设计指标
　　- 施工标准
　　- 经济发展快慢/市场行情
　　- 招标和合同形式

3、节约成本的可能性

3.1 基础数据的确定
　　在设计阶段，影响投资的最重要因素是设计基础数据的确定。在开始设计时必须非常认真地确定废水处理厂负荷数据。在德国的行标A－131中建议要尽量对较长时间的实测进水量和负荷量数据进行分析整理，而避免较多地使用文献中的数据。
　　有关含氮物质的波动系数，应当从至少两周的连续测定的变化曲线中获取。并通过与文献值进行比较后调整。
　　在已测数据的基础上对今后污水处理厂的发展进行预测。在进行预测时应与有关管理部门取得联系，以便使预测的值不会落后于经济发展的需要，但要考虑实施的可行性。
　　例如：废水水温就是一个对污水处理厂规模影响很大的因素，也是基础数据收集时的一个重要方面。微生物对污染物的降解速度，特别是对硝化作用的影响很大，因此设计水温对生物处理段的建设投资影响明显。
　　图2给出了一大型废水处理厂（规模为80万人口当量）一年废水温度的发生天数。即使在相对寒冷的冬季，也只有为数不多的几天废水温度低于12oC，因此德国行标A131中推荐采用的设计水温为12 oC。另外，较低的水温也并不是连续出现。

　　　　

　　为了保证设计基础数据的可靠、避免产生偏差，可通过同时考虑两个不利因素产生的影响。图3清楚地给出了达到设计负荷48000公斤/天时，但没有温度低于12oC的情况。在低温情况下只有低负荷情况。相反，高负荷与高水温相匹配，即在此时，生物段具有更强的降解能力。

3.2 工艺技术及其设计
　　在初步设计和详细设计过程中可以通过选择适合的工艺流程和采取合理的设计技术来降低投资。在此必须对整个污水处理流程进行考虑，而不只是单独地考虑其中的各个阶段。比如人们应对初沉池、活性污泥池和二沉池的容积进行通盘考虑，因为它们的总容积决定了总的构筑费用。
　　在很多情况下采用调节池、工艺水的调配或（当管网具有足够的调蓄容量时）堵水回流至管网以缓冲进水负荷波动是较为经济的方法。采用工艺水的调配则几乎始终都是经济的。
　　对于一些较复杂的工艺方法，虽然可以减小容积，但不一定就能够降低费用。例如：
　　－单独的工艺水的处理：特别是氨气吹脱法会导致较高的后继运行费用。
　　－高温厌氧二级污泥处理工艺的设备费用或运行费用较高。
　　－固定床和流动床技术所需的水池容积非常小，然而它们的单位容积费用却非常高。活性污泥池（包括机械装备在内）的净单位容积费用约为600~1200马克/m³；而固定床技术的单位费用高达25000~40000马克/m²左右，即约为 10000 DM/m³。
　　在脱氮工艺的各个设计步骤中所包含的（非）安全性必须已知和具透明性，以免各种不同的安全性相互重叠。因此，在使用诸如安全系数、波动系数、剩余污泥量、污染物负荷量和温度等来确定所需好氧泥龄的标准设计参数时，不必都同时加以考虑。有时为了获得更合适的池容积，也可以不用完全遵造常用的设计方法及其设计数据，但在这种情况下必须根据（大、中型技术装置的）试验结果或根据对设施的动力学过程的模拟计算结果阐述改动设计过程的理由。 在二沉池的设计过程中已考虑到安全性，所以在选择污泥指数时毋需再考虑安全系数的问题。这一点非常重要，因为根据德国行业标准A－131，在选择污泥指数的同时也就确定了活性污泥池中的最大固体含量（见图3）。活性污泥池中的固体含量与水池容积成反比，因此对费用会产生很大影响。
　　对于化学除磷工艺，必须采用最大值（磷负荷量、b值）进行设计。而计算污泥增长量时采用平均值就足够了。
　　在污泥处理工艺的设计过程中也要检验：在不设置前置缓冲容积（如初级浓缩池）的情况下后继处理设施的负荷是否也能保持均衡。 对于生物除磷工艺来说一般情况下不设置附加的除磷容积。可以采用空余出来的容积（比如在部分负荷或污水温度较高的情况下）进行生物除磷。当然在设计时就必须考虑到这一点。
　　在设计各构筑物的布置时需注意：平行廊道越多则分配、测量及调控费用越高，因此应尽量避免。阶梯式布置（按流程设置各个水池）的额外投资费用也较高，但动力学有利。在此可设置一些能进行调节变化的区域，以能降低运行费用。
3.3 招标过程
　　 为了在招标过程中获得较大的竞争结果，必须尽可能地公开招标情况。投标单位数量较少时，如竞争价格结构已知则会导致费用升高。 同时，工程目录的详细度必须保证不会对市场产生限制作用。这一点对于机械技术装备尤其重要（如格栅装置、清泥系统等）。
　　对污水处理厂总包招标，在很多情况下是采用初步设计招标方法（含处理效果图）。
　　招标方法及合同形式的影响见图4，该图中以新建的、已投入运行的污水过滤装置为例。从图中可知，在其它边界条件（材料标准、施工标准、自由选择工艺等）相同的情况下，最重要的费用因素是过滤面积。过滤方法、招标形式（初步设计招标或详细设计招标）或总包形式（总承包公司）对单位费用都没有明显影响。
　　与此相反，在萨克森州有两个新建污水处理厂都以初步设计招标的方式分别发给了总承包公司，其建造费用明显低于平均水平。其原因首先是：总承包公司能根据以前项目的"投标价格"确定最低的价位；其次，总承包公司对内容广泛的技术性合同的各个环节都很熟悉，可制定出合理而经济的解决办法。

4、成本优化的限制

4.1 法律规定
　　根据德国相关法律（WHG、LWG、AbwAG）对污水处理厂出水排放至公共水体及其监测方法（质量随机样）的规定，污水处理厂必须保持高度的运行可靠性，其出水质量必须持续性地达到标准。 然而污水处理厂的运行中始终存在有超过标准值的危险。这些危险会导致污染物排放量的增加，或者根本就违反了有关的法律规定，且会受到处罚：
　　1） 未经准许而造成水体污染或因其它行为负面性地改变了水体性质的人，将受到 最长可达5年的剥夺自由处罚或金钱处罚。
　　2） 这种尝试也将受到处罚。
　　3） 如果行为人因过失造成水体污染或负面性地改变了水体性质，则将受到最长可 达2年的剥夺自由处罚或金钱处罚。
　　如果根据监测值确定已发生了超标现象，则表明已构成了要受到处罚的行为事实，对此要追究责任人的个人责任。此责任人可以是企业领导、政府行政领导、部门领导或市长。同时市政部门也应对相关人员提供法律保护。很多情况下，在案件中受到处罚的人正是那些在污水处理厂的新建或扩建工作中作出决策，对污水厂的费用产生巨大影响的人。要避免这种情况应尝试通过加大公共资金的投入而降低个人的风险。
4.2 风险评估及费用
　　污水处理厂进水的污水量、负荷量以及污染物浓度始终都在剧烈地波动之中。污水厂本身的结构非常复杂，要解决上述问题存在有各种各样的可能性。对于污水厂中的工作人员来说，通过培训或者解释往往很难让他们完全胜任工作。因此始终都存在有出水水质监测值超标的危险。人们可以采取构造措施或工艺技术措施降低这种风险，然而费用也将随之升高（见图5）。所以很有必要由企业管理者作为业主与设计工程师共同寻找一个平衡点，使风险程度和要投入的费用达到一个可接受的比例。当然前提是管理者和设计者必须相互信任。

　　在此举一个风险评估的典型例子。人们一直在讨论一个问题：要满足服务人口超过十万人的城市污水处理厂的最低要求（在此主要是磷的出水标准值为1mg/l），是否必须后置一个过滤装置？可以肯定的是，当污水成份有利、二沉池效果良好及沉淀剂投放过程可调控的情况下即使没有后置过滤装置也能达到出水值要求。这样可以大大地节省费用，但另一方面，超标风险也毫无疑问地将随之大大增加。如果将这种风险以（可能受到追究的）法律责任的形式由地区负责人或负责设计的工程师承担，那么，大部分情况下会促使人们选择高投入而低风险的工艺。
4.3 运行方面
　　从污水处理厂的运行可靠性和运行人员的安全角度考虑，存在有一系列限制因素，限制过度节省费用：
　　－ 污水处理厂的运行可靠性要求高度的可运行性和必须设置备用装置（尤其是对一些重要设施，如污水流动干线中的泵站）。
　　－ 防腐蚀措施是费用因素中的一个重要组成部分，但由于污水中污染物的多样 性必须采取。
　　－ 事故保护及工作场所规定中的安全注意事项中要求必须配备有一定的安全装置 ，这笔费用不得减免。
　　－ 对一些易维护且运行费用较低的设施经常要支付一定的额外费用，这些费用的 支出被证明是经济的。
　　－ 人们讨论得最多的是那些能方便运行的附加费用，如地板砖、交通便利、安装 /拆卸、清洁工作、库存备用机组和建造房屋以保障冬季运行等的费用。为此有一定的最低要求，具体费用应单独进行确定。
4.4 设计费支付办法的影响
　　负责设计的工程师的酬金根据设计费计算办法付给。对于重要的设计工程来说，项目的建造费用是确定酬金的最重要的参比参数。这是完全正确和合理的，因为污水处理厂越大、越复杂则建造费用越高，同时所要求的设计工作量及费用也越大。至今还没有发现有比建造费用更好的参比参数。
　　个别情况下根据以上设计费计算办法会陷入困境，也就是：当工程师深入寻找更经济的工艺方法时要相应地支出一部分附加费用，这同时也导致了他本人的酬金的减少。针对这种情况人们德国在1996年对设计费计算办法进行了补充修改，增加了鼓励设计人员深入研究新的、更经济的处理工艺的条款，使酬金问题更加合理化。
4.5 结论及总结
　　- 在污水处理厂的设计和建造的各个阶段中存在有许多节省费用的可能。特别是在早期的设计阶段，能更多地降低费用。
　　- 为了充分利用价格竞争效果，应将竞争引入到设计阶段中。
　　- 应努力达到内容广泛的基础数据。
　　- 在设计中应重点评价可靠性与最大值的叠加情况。
　　- 方法公开的初步设计招标并不一定能降低费用。在此必须始终对价格:效率比例加以考虑。
　　- 采用监测值确定超标情况，并确定是否追究法律责任的做法降低了所有相关人员承担风险的愿望。在此可采用如欧共体法律所规定的年平均值。

---

作者通信地址:

　　Prof. Dr.-Ing. Johannes Pinnekamp
　　Dr.-Ing. Guowan Yuan
　　Institute for Sanitary Engineering, Water Quality and Solid Waste Management
　　University of Stuttgart
　　Bandt?le 2
　　D-70569 Stuttgart

　　Tel.: (0711) 6 85 - 5415
　　Fax: (0711) 6 85 - 3729
　　E-mail: pinnekamp@iswa.uni-stuttgart.de