袁國文 博士 Dr.-Ing. Guowen Yuan
皮納坎普 博士 教授 Prof. Dr-Ing. Johanes Pinnekamp

斯圖加特大學 水污染控制和垃圾處理研究所
University of Stuttgart, Institute for Sanitary, Water Quality and Solid Waste Management
D-70569 Stuttgart, Bandt?le 2, Germany

1、引言

　　中國正在大力加強環境保護方面的建設，在政府各項環保投資方面，城市污水處理方面占首位。污水處理廠的投資巨大，一座日處理能力十萬立方米的污水處理廠（約合50萬人口當量）僅污水處理部分其投資就約達一億五千萬人民幣，不僅如此，其建成后的年運行費用也將是數以千萬計。因此，如何能節約污水處理廠的建設投資，如何能節約污水處理廠的運行成本，最終使得市民在保障水體質量不受危害的前提下支付的費用最少，這涉及的不僅僅是技術層面，而且涉及立法，決策等多種層面，很顯然不是一兩篇文章就能將其闡明。 本文從德國污水處理廠的立項、設計、招標、工藝技術以及污水處理廠的優化運行等方面的實踐經驗出發，闡述降低污水處理廠成本的因素與措施。

2、規劃和設計的影響

2.1 概述
　　污水處理廠的建設可劃分為以下八個階段：立項、基礎數據收集、初步設計、詳細設計、施工圖設計、招標、施工建設、工程決算。隨著項目的進展，對項目成本影響的可能性也就逐漸減少。 圖1給出了各階段對項目成本的影響可能性及其總的發展趨勢。項目的初期階段的決策對污水處理廠成本的影響最大。在立項階段需要決策的問題有：新建污水處理廠的必要性；有否舊污水處理廠可供擴建；是否可在原處進行新污水處理廠的建設，還是要尋找新的廠址；是集中處理還是分散處理；等等。基礎數據收集階段對污水處理廠成本的影響也很大，它直接影響到污水處理廠的規模，如，確定采用的設計廢水溫度就對污水處理廠的規模有直接影響。隨著項目的深入，越到后期對建設成本的影響便越來越小。
　　在圖1中明顯地表示出在招標和發標過程中對項目成本的影響可能性有很大的增加。在該階段為項目引入了新的公司－建設公司，該新公司的進入將帶入新的意見和經驗，并通過競爭能降低成本。

　　　　

2.2 顯著影響費用的因素
　　根據對德國約30座處理規模為6,000人口當量（約1,200立方米/天）至1,600,000人口當量（約32萬立方米/天）污水處理廠建造成本分析發現下列因素對成本的影響最為顯著：
　　- 廠址的選擇
　　- 服務規模
　　- 措施的范圍
　　- 對出水水質的要求（監測值、設計溫度）
　　- 廢水成分
　　- 現有裝置可利用的程度
　　- 設計指標
　　- 施工標準
　　- 經濟發展快慢/市場行情
　　- 招標和合同形式

3、節約成本的可能性

3.1 基礎數據的確定
　　在設計階段，影響投資的最重要因素是設計基礎數據的確定。在開始設計時必須非常認真地確定廢水處理廠負荷數據。在德國的行標A－131中建議要盡量對較長時間的實測進水量和負荷量數據進行分析整理，而避免較多地使用文獻中的數據。
　　有關含氮物質的波動系數，應當從至少兩周的連續測定的變化曲線中獲取。并通過與文獻值進行比較后調整。
　　在已測數據的基礎上對今后污水處理廠的發展進行預測。在進行預測時應與有關管理部門取得聯系，以便使預測的值不會落后于經濟發展的需要，但要考慮實施的可行性。
　　例如：廢水水溫就是一個對污水處理廠規模影響很大的因素，也是基礎數據收集時的一個重要方面。微生物對污染物的降解速度，特別是對硝化作用的影響很大，因此設計水溫對生物處理段的建設投資影響明顯。
　　圖2給出了一大型廢水處理廠（規模為80萬人口當量）一年廢水溫度的發生天數。即使在相對寒冷的冬季，也只有為數不多的幾天廢水溫度低于12oC，因此德國行標A131中推薦采用的設計水溫為12 oC。另外，較低的水溫也并不是連續出現。

　　　　

　　為了保證設計基礎數據的可靠、避免產生偏差，可通過同時考慮兩個不利因素產生的影響。圖3清楚地給出了達到設計負荷48000公斤/天時，但沒有溫度低于12oC的情況。在低溫情況下只有低負荷情況。相反，高負荷與高水溫相匹配，即在此時，生物段具有更強的降解能力。

3.2 工藝技術及其設計
　　在初步設計和詳細設計過程中可以通過選擇適合的工藝流程和采取合理的設計技術來降低投資。在此必須對整個污水處理流程進行考慮，而不只是單獨地考慮其中的各個階段。比如人們應對初沉池、活性污泥池和二沉池的容積進行通盤考慮，因為它們的總容積決定了總的構筑費用。
　　在很多情況下采用調節池、工藝水的調配或（當管網具有足夠的調蓄容量時）堵水回流至管網以緩沖進水負荷波動是較為經濟的方法。采用工藝水的調配則幾乎始終都是經濟的。
　　對于一些較復雜的工藝方法，雖然可以減小容積，但不一定就能夠降低費用。例如：
　　－單獨的工藝水的處理：特別是氨氣吹脫法會導致較高的后繼運行費用。
　　－高溫厭氧二級污泥處理工藝的設備費用或運行費用較高。
　　－固定床和流動床技術所需的水池容積非常小，然而它們的單位容積費用卻非常高。活性污泥池（包括機械裝備在內）的凈單位容積費用約為600~1200馬克/m³；而固定床技術的單位費用高達25000~40000馬克/m²左右，即約為 10000 DM/m³。
　　在脫氮工藝的各個設計步驟中所包含的（非）安全性必須已知和具透明性，以免各種不同的安全性相互重疊。因此，在使用諸如安全系數、波動系數、剩余污泥量、污染物負荷量和溫度等來確定所需好氧泥齡的標準設計參數時，不必都同時加以考慮。有時為了獲得更合適的池容積，也可以不用完全遵造常用的設計方法及其設計數據，但在這種情況下必須根據（大、中型技術裝置的）試驗結果或根據對設施的動力學過程的模擬計算結果闡述改動設計過程的理由。 在二沉池的設計過程中已考慮到安全性，所以在選擇污泥指數時毋需再考慮安全系數的問題。這一點非常重要，因為根據德國行業標準A－131，在選擇污泥指數的同時也就確定了活性污泥池中的最大固體含量（見圖3）。活性污泥池中的固體含量與水池容積成反比，因此對費用會產生很大影響。
　　對于化學除磷工藝，必須采用最大值（磷負荷量、b值）進行設計。而計算污泥增長量時采用平均值就足夠了。
　　在污泥處理工藝的設計過程中也要檢驗：在不設置前置緩沖容積（如初級濃縮池）的情況下后繼處理設施的負荷是否也能保持均衡。 對于生物除磷工藝來說一般情況下不設置附加的除磷容積。可以采用空余出來的容積（比如在部分負荷或污水溫度較高的情況下）進行生物除磷。當然在設計時就必須考慮到這一點。
　　在設計各構筑物的布置時需注意：平行廊道越多則分配、測量及調控費用越高，因此應盡量避免。階梯式布置（按流程設置各個水池）的額外投資費用也較高，但動力學有利。在此可設置一些能進行調節變化的區域，以能降低運行費用。
3.3 招標過程
　　 為了在招標過程中獲得較大的競爭結果，必須盡可能地公開招標情況。投標單位數量較少時，如競爭價格結構已知則會導致費用升高。 同時，工程目錄的詳細度必須保證不會對市場產生限制作用。這一點對于機械技術裝備尤其重要（如格柵裝置、清泥系統等）。
　　對污水處理廠總包招標，在很多情況下是采用初步設計招標方法（含處理效果圖）。
　　招標方法及合同形式的影響見圖4，該圖中以新建的、已投入運行的污水過濾裝置為例。從圖中可知，在其它邊界條件（材料標準、施工標準、自由選擇工藝等）相同的情況下，最重要的費用因素是過濾面積。過濾方法、招標形式（初步設計招標或詳細設計招標）或總包形式（總承包公司）對單位費用都沒有明顯影響。
　　與此相反，在薩克森州有兩個新建污水處理廠都以初步設計招標的方式分別發給了總承包公司，其建造費用明顯低于平均水平。其原因首先是：總承包公司能根據以前項目的"投標價格"確定最低的價位；其次，總承包公司對內容廣泛的技術性合同的各個環節都很熟悉，可制定出合理而經濟的解決辦法。

4、成本優化的限制

4.1 法律規定
　　根據德國相關法律（WHG、LWG、AbwAG）對污水處理廠出水排放至公共水體及其監測方法（質量隨機樣）的規定，污水處理廠必須保持高度的運行可靠性，其出水質量必須持續性地達到標準。 然而污水處理廠的運行中始終存在有超過標準值的危險。這些危險會導致污染物排放量的增加，或者根本就違反了有關的法律規定，且會受到處罰：
　　1） 未經準許而造成水體污染或因其它行為負面性地改變了水體性質的人，將受到 最長可達5年的剝奪自由處罰或金錢處罰。
　　2） 這種嘗試也將受到處罰。
　　3） 如果行為人因過失造成水體污染或負面性地改變了水體性質，則將受到最長可 達2年的剝奪自由處罰或金錢處罰。
　　如果根據監測值確定已發生了超標現象，則表明已構成了要受到處罰的行為事實，對此要追究責任人的個人責任。此責任人可以是企業領導、政府行政領導、部門領導或市長。同時市政部門也應對相關人員提供法律保護。很多情況下，在案件中受到處罰的人正是那些在污水處理廠的新建或擴建工作中作出決策，對污水廠的費用產生巨大影響的人。要避免這種情況應嘗試通過加大公共資金的投入而降低個人的風險。
4.2 風險評估及費用
　　污水處理廠進水的污水量、負荷量以及污染物濃度始終都在劇烈地波動之中。污水廠本身的結構非常復雜，要解決上述問題存在有各種各樣的可能性。對于污水廠中的工作人員來說，通過培訓或者解釋往往很難讓他們完全勝任工作。因此始終都存在有出水水質監測值超標的危險。人們可以采取構造措施或工藝技術措施降低這種風險，然而費用也將隨之升高（見圖5）。所以很有必要由企業管理者作為業主與設計工程師共同尋找一個平衡點，使風險程度和要投入的費用達到一個可接受的比例。當然前提是管理者和設計者必須相互信任。

　　在此舉一個風險評估的典型例子。人們一直在討論一個問題：要滿足服務人口超過十萬人的城市污水處理廠的最低要求（在此主要是磷的出水標準值為1mg/l），是否必須后置一個過濾裝置？可以肯定的是，當污水成份有利、二沉池效果良好及沉淀劑投放過程可調控的情況下即使沒有后置過濾裝置也能達到出水值要求。這樣可以大大地節省費用，但另一方面，超標風險也毫無疑問地將隨之大大增加。如果將這種風險以（可能受到追究的）法律責任的形式由地區負責人或負責設計的工程師承擔，那么，大部分情況下會促使人們選擇高投入而低風險的工藝。
4.3 運行方面
　　從污水處理廠的運行可靠性和運行人員的安全角度考慮，存在有一系列限制因素，限制過度節省費用：
　　－ 污水處理廠的運行可靠性要求高度的可運行性和必須設置備用裝置（尤其是對一些重要設施，如污水流動干線中的泵站）。
　　－ 防腐蝕措施是費用因素中的一個重要組成部分，但由于污水中污染物的多樣 性必須采取。
　　－ 事故保護及工作場所規定中的安全注意事項中要求必須配備有一定的安全裝置 ，這筆費用不得減免。
　　－ 對一些易維護且運行費用較低的設施經常要支付一定的額外費用，這些費用的 支出被證明是經濟的。
　　－ 人們討論得最多的是那些能方便運行的附加費用，如地板磚、交通便利、安裝 /拆卸、清潔工作、庫存備用機組和建造房屋以保障冬季運行等的費用。為此有一定的最低要求，具體費用應單獨進行確定。
4.4 設計費支付辦法的影響
　　負責設計的工程師的酬金根據設計費計算辦法付給。對于重要的設計工程來說，項目的建造費用是確定酬金的最重要的參比參數。這是完全正確和合理的，因為污水處理廠越大、越復雜則建造費用越高，同時所要求的設計工作量及費用也越大。至今還沒有發現有比建造費用更好的參比參數。
　　個別情況下根據以上設計費計算辦法會陷入困境，也就是：當工程師深入尋找更經濟的工藝方法時要相應地支出一部分附加費用，這同時也導致了他本人的酬金的減少。針對這種情況人們德國在1996年對設計費計算辦法進行了補充修改，增加了鼓勵設計人員深入研究新的、更經濟的處理工藝的條款，使酬金問題更加合理化。
4.5 結論及總結
　　- 在污水處理廠的設計和建造的各個階段中存在有許多節省費用的可能。特別是在早期的設計階段，能更多地降低費用。
　　- 為了充分利用價格競爭效果，應將競爭引入到設計階段中。
　　- 應努力達到內容廣泛的基礎數據。
　　- 在設計中應重點評價可靠性與最大值的疊加情況。
　　- 方法公開的初步設計招標并不一定能降低費用。在此必須始終對價格:效率比例加以考慮。
　　- 采用監測值確定超標情況，并確定是否追究法律責任的做法降低了所有相關人員承擔風險的愿望。在此可采用如歐共體法律所規定的年平均值。

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