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耕作层下土地自然净化系统成本分析 * 刘杨 1 张延青 1 郭一令 1 王森 2 1． 青岛理工大学环境与市政工程学院，山东 青岛 266033;2． 青岛理工新环境技术开发有限公司，山东 青岛 266071 摘要 对土地处理法中适合于小城镇的耕作层下土地自然净化系统的成本进行了分析研究。通过对已经运行的几个 实际工程的建设投资与运行费用的数据监测与收集， 利用 SPSS17. 0 数据处理软件进行拟合， 得到处理规模 Q， m3/ 天 与建设投资 C， 万元 之间的关系 C 258. 130 6Q0. 433 7。预测了不同处理规模该系统建设投资与运行成本， 并与 相同规模其他处理工艺比较。结果表明， 耕作层下土地处理系统投资少， 运行费用低， 在资金短缺的小城镇的污水处 理中具有广阔的应用前景。 关键词 小城镇; 耕作层下土地处理; 数学模型; 成本分析 COST ANALYSIS OF NATURAL LAND PURIFICATION TECHNOLOGY UNDER CULTIVATION LAYER Liu Yang1Zhang Yanqing1Guo Yiling1Wang Sen2 1. Institute of Environment and Municipal Engineering， Qingdao Technological University，Qingdao 266033，China; 2. Qingdao Ligong New Environment Technology Development Co． ， Ltd， Qingdao 266071， China AbstractBased on the actual construction and operating costs of some real projects，this paper analyzed treating cost of natural land purification technology under cultivation layer，which is adaptable to be applied in small towns．By using SPSS17. 0 software to fit the data collected，it has been found the basic mathematical relationships between treatment scale m3/dand construction investment． Then it has been predicted construction investment of different treatment scales and compared with other treatment systems． Results showed that natural land purification technology under cultivation layer has the lowest construction investment and operating cost，so it is suitable to be promoted in small towns lacking of wastewater treatment funds． Keywordssmall town;natural land purification technology under cultivation layer;mathematical model;cost analysis * 国家水环境研究专项基金 2009ZX07317- 008- 02 。 0引言 发展小城镇、 推进城镇化是我国进入 21 世纪的 重大战略任务 ［1］。近年来我国小城镇快速发展， 据 统计 2007 年全国共有19 249个建制镇， 占乡镇总数 的 56 ，城 镇 人 口 7. 8 亿 人，占 全 国 人 口 的 32. 2 ［2］。随着经济的飞速发展， 小城镇引进企业种 类和数量大幅增加， 人口增多， 居民生活水平不断提 高， 导致工业废水和生活污水量迅速增加。目前， 小 城镇的污水排放量约占全国污水排放总量的 50 以 上 ［3］。但由于我国绝大多数小城镇排水体制不合 理， 缺乏必要的污水收集和处理系统， 造成其污水处 理率不到 10 ［4］， 90 以上的小城镇水体受到污染， 78 的城镇河段不宜作为饮用水水源 ［5］， 50 的城镇 地下水受到污染， 工业较发达的城镇附近的水域污染 则更加突出 ［6］， 严重威胁水源安全和居民身体健康， 制约小城镇经济发展。解决小城镇水污染及污水处 理问题对于我国实现“十二五” 规划目标， 全面建设 小康社会具有重大意义 ［7］。 我国小城镇自身特点及其污水处理中的资金短 缺现状决定了小城镇污水处理不能照搬大中城市采 用的传统污水处理工艺 如普通活性污泥法等 ［8］， 在选择适合的污水处理工艺时， 需遵循工艺成熟简 便、 处理效果好、 处理费用低等原则 ［9］。耕作层下土 地自然净化技术是传统土地处理法的改良工艺， 有着 良好的应用前景。 24 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 1耕作层下土地自然净化系统 耕作层下污水土地自然净化在上层土壤进行耕 种， 耕种层下进行污水处理， 利用土壤、 微生物、 植物 等的过滤、 吸附和生物氧化作用去除有机污染物质。 1. 1污水土地自然净化系统工艺流程 污水土地自然净化系统由格栅、 调节池、 预处理、 土地处理单元组成， 工艺流程见图 1。污水经过格栅 截留较大悬浮物和漂浮物， 进入调节池调节水质、 水 量均匀。然后进入预处理设施， 包括沉砂池、 隔油池、 厌氧生物滤池及生物接触氧化池， 利用微生物的降解 作用去除污水中的部分有机物， 降低了污染物负荷， 节省能耗， 减少污泥量， 并去除部分对土地处理不利 的重金属、 色度等， 有利用于进一步净化和利用。预 处理后的污水经过管道输送至耕作层下土地自然净 化单元进行净化。 图 1污水土地自然净化系统工艺流程 1. 2耕作层下土地自然净化技术 1. 2. 1原理 耕作层下土地自然净化技术对污水的净化作用 是一个十分复杂的过程， 其中包括 物理过滤、 吸附、 沉积作用， 化学反应与化学沉淀、 金属螯合作用以及 微生物代谢作用下的有机物分解等 ［10］。该技术是利 用土壤 － 微生物 － 植物组成的生态系统， 对污水中的 污染物进行物理、 化学和生物净化过程使之去除， 并 通过污水中营养物质和水分的循环利用， 促进绿色植 物生长繁殖， 从而实现污水的资源化、 无害化。 1. 2. 2构造 耕作层下土地自然净化系统采用逆向毛细管浸 润装置， 主要材料常为填料、 卵石、 土壤等， 另外还有 隔网、 橡胶膜、 两根聚乙烯管 进出水管 ， 装置结构 见图 2。 逆向毛细管浸润装置主要分为三个部分， 从地面 向下依次为土壤部分、 填料部分、 卵石部分。设计端 面为梯形， 进出水管直径为 75 mm， 其中， 进水管在地 面以下靠近系统底部， 管道底部距系统底部 25 cm。 出水管在进水管之上， 管道顶部距地面 65 cm。进水 管与出水管间距 40 cm， 处于同一竖直面， 且在设计 端面梯形的对称轴上。进水管上用卵石覆盖， 其上再 1植被; 2覆土层; 3进水管; 4防渗层; 5卵石层; 6填料层; 7出水管; 8、 9隔网 a自然净化系统;b自然净化系统断面 图 2耕作层下土地自然净化系统示意 依次 覆 盖 填 料 及 土 壤。端 面 底 部 及 斜 边 上 利 用 HDPE 防渗膜防止污水外渗污染土壤及地下水。 1. 2. 3特点 耕作层下土地自然净化工艺具有如下特点 1 利用微生物分解污水中的污染物， 无需投加 化学药剂; 2 动力消耗少， 处理费用低; 3 利用防渗膜避免地下水及土壤的污染， 处理 过程中无臭无味， 无噪声; 4 系统处理效果好， 出水水质稳定; 5 污水净化构筑物建在地下， 地表部分可以用 来绿化、 种植蔬菜、 农作物等。 1. 3耕作层下土地自然净化系统处理效果 青岛理工新环境技术开发有限公司在 2006 年对 青岛莱西市河头店镇东大寨村利用耕作层下土地自 然净化技术进行了工程应用。污水经过厌氧、 好氧、 沉淀处理后， 进入耕作层下土地自然净化系统， 2010 年通过对系统进出水水质的取样监测， 得到结果见 34 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 表 1。 表 1耕作层下土地自然净化系统处理效果 ρ COD / mg L － 1 ρ TN / mg L － 1 ρ NH3-N / mg L － 1 ρ TP / mg L － 1 进水31. 66 ～ 63. 610. 0 ～ 12. 02. 32 ～ 2. 781. 0 ～ 1. 2 出水8. 22 ～ 28. 15. 49 ～ 6. 411. 51 ～ 2. 320. 36 ～ 0. 41 去除率 /45 ～ 8245. 3 ～ 53. 1 18. 0 ～ 45. 661. 7 ～ 67. 6 由表 1 可得 耕作层下土地自然净化系统处理效 果稳定， 对于进水水质有较好的适应能力， 出水水质 满足 GB 189182002城镇污水处理厂污染物排放 标准 的一级 B 标准。 2耕作层下土地自然净化系统成本分析 根据我国小城镇发展现状分析， 资金问题是制约 小城镇污水处理实施的瓶颈 ［11］， 在选择小城镇的污 水处理工艺过程中必需充分考虑成本问题。因此， 对 耕作层下土地自然净化系统进行成本分析是十分有 必要的。 污水处理系统费用包括一次性建设投资和建成 后的运行成本两部分。建设投资包括土建费用、 设备 费用、 直接建设和安装费用、 管理费用等， 运行费用包 括人工费、 电费、 药剂与维护费等。项目建设的一次 性投资大小并不直接决定运行成本， 但可以对运行费 用起很大的影响和作用 ［12］。 2. 1基础数据选取 对已经运行的耕作层下污水土地处理系统的实 际运行费用进行了现场收集与统计。 2. 2建立单位投资与处理规模函数 根据投资估算及示范工程实际投资， 计算出耕作 层下土地自然净化系统在不同处理规模下对应的建 设费用， 见表 2。 表 2耕作层下土地自然净化系统建设投资估算 处理规模 / 万 m3d － 1 0. 0150. 020. 030. 040. 050. 10. 150. 2 吨水费用 / 元m － 3 2 9182 3231 8581 5751 373948761654 选择对数函数、 幂函数、 指数函数及逆函数四种 不同形式的回归函数， 利用软件 SPSS17. 0 对数据进 行拟合。得到耕作层下土地自然净化系统吨水费用 与处理规模的函数拟合结果， 见表 3。 表 3吨水费用与处理规模函数拟合结果 函数类型关系式调整 R2F回归效果 对数函数 y － 854. 954 8 － 814. 212 3lnx 0. 92789. 319较显著 幂函数y 258. 130 6x － 0. 566 3 0. 9983054. 978非常显著 指数函数y 2403. 8131 e － 7. 377 1x 0. 86646. 162较显著 逆函数y 380. 888 1 35. 828 7 /x0. 989618. 722显著 对四种函数形式的回归效果进行检验分析 1 相关系数检验 相关系数 r 是描述两个变量之 间的线性相关程度的数量指标。在显著性水平 α 0. 05， 自由度为 6 时查相关系数 r 的临界值表得 ra 0. 706 7， 则 R2 0. 499 4。由表 2 知 对数函数、 幂函 数、 指 数 函 数、 逆函数的 调整 R2值 分 别 为 0. 927、 0. 998、 0. 866、 0. 989， 都大于0. 499 4， 表明 y 与 x 之间 的线性关系成立， 其中幂函数关系式线性相关程度 最好。 2 F 检验， 又叫方差齐性检验， 即利用方差分析， 检验预测模型总体线性关系的显著性。自由度 df1 1， df2 8 － 2 6， 取显著性水平 α 0. 05， 由 F 分布表 得F0. 05 1， 6 5. 99。由表 3 知 对数函数、 幂函 数、 指 数 函 数、逆 函 数 的 F 值 分 别 为 89. 319、 3054. 978、 46. 162、 618. 722， 都大于 5. 99， 表明四种函 数形式都通过 F 检验， 其中幂函数关系式回归效果 最好。 由上述检验分析可得， 耕作层下污水土地自然净 化系统吨水费用 元 /m3 与处理规模 104m3/d 之 间 的 最 优 函 数 关 系 为 幂 函 数 形 式y 258. 130 6x － 0. 566 3。经计算， 系统建设投资 万元 与 处理规模 104m3/d 之间的最优函数关系为 C 258. 130 6Q0. 433 7。这也与其它研究中得出的费用与 规模之间的函数 C αQβ一致［13］。 2. 3运行费用的确定 污水处理厂运行费用包括人工费、 药剂费、 电费 及维护费等。根据示范工程实际运行情况确定耕作 层下污水土地处理的运行费用。 1 人工费 耕作层下污水土地处理工艺设备数 量少， 维护更换简易， 运行管理简单， 人工投入很少。 而且该工艺中土地自然净化部分位于地下 60 ～ 70 cm 处， 上层用于绿化、 种植农作物等， 可获得一定的 收益抵消人工费。 2 处理系统不需使用化学药剂， 药剂费用为零。 3 处理系统中主要设备为 2 台提升泵， 1 台污泥 44 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 回流泵及 1 台水下曝气机。间歇曝气， 系统设备数量 少， 电费及维护费用较少。 由上述分析知， 耕作层下污水土地处理系统运行 费用约为 0. 2 元 /m3废水。 3耕作层下土地自然净化系统与其他处理方法成本 比较 目前， 我国小城镇已建污水处理厂中应用较多的 工艺主要有氧化沟工艺、 A2/O 工艺、 SBR 工艺和生物 接触氧化工艺 ［14］。这些工艺与耕作层下土地自然净 化系统一样， 都适合小城镇污水特点， 运行管理较方 便， 出水水质稳定， 但存在的问题是基建与运行成本 较高。 3. 1建设投资比较 根据文献， 氧化沟、 A2/O 工艺、 SBR 工艺及生物 接触氧化工艺基建投资与处理规模之间的函数关系 式 ［15］见表 4。 表 4不同工艺污水处理系统建设投资与处理规模函数关系 工艺名称函数关系 氧化沟工艺C 2 130. 2Q0. 472 8 A2/O 工艺C 1 864. 5Q0. 456 5 SBR 工艺C 1 759. 4Q 0. 432 6 生物接触氧化工艺C 1 975. 1Q0. 563 3 注 C 为建设投资， 万元;Q 为处理规模， 万 m3/d。 由 2. 2 分析知 耕作层下污水土地自然净化系统 建设投资 万元 与处理规模 104m3/d 之间的关系 为 C 258. 130 6Q0. 433 7， 通过计算可得不同处理规模 的总投资， 再与其它工艺投资进行比较， 结果见图 3。 图 3不同工艺污水处理系统建设投资比较 由图 3 可知， 耕作层下土地自然净化系统建设投 资远远低于其他处理工艺的投资。 3. 2运行成本比较 污水处理系统处理量小于 5 万 m3/d 的为小型 处理系统。我国 小城镇 污水处 理规模 多 为 100 ～ 3 000m3/d， 可视为小型处理系统。根据文献， 不同工 艺的小型污水处理系统平均运行成本 ［16］见表 5。 由 2. 3 分析知 耕作层下土地自然净化系统运行 成本约为 0. 2 元 /m3， 明显低于其他工艺运行成本。 表 5不同工艺污水处理系统运行成本比较 工艺名称传统活性污泥法氧化沟A2/O 运行成本 / 元m － 3 1. 011. 080. 77 3. 3比较结果分析 比较耕作层下土地自然净化系统与其他工艺的 建设投资及运行成本， 结果表明， 前者的建设投资及 运行成本都远远低于后者， 其原因分析如下 1 系统流程较短， 施工简单， 直接建设费用低， 设备数量少， 设备及安装费用低， 系统运行稳定， 管理 费用低。 2 系统厌氧处理停留时间长， 降低好氧单元的 处理负荷， 降低能耗。 3 水下曝气机可通过控制系统自动实现间歇运 行， 减少运行时间及运行成本。 4 系统运行灵活， 可根据实际水质水量改变运 行方式， 优化调整供氧量， 不仅提高处理效果， 而且可 降低能耗及处理费用。 5 地表部分用于绿化、 种植蔬菜、 农作物等， 可 获得一定的经济效益。 4结论 1 耕作层下土地自然净化技术作为污水土地处 理技术的新发展， 利用土壤微生物植物的联合作 用， 对污水进行净化， 具有处理效果好， 运行管理简 便， 处理费用低， 土地利用率高等特点。 2 通过对基础数进行拟合， 得到耕作层下土地 自 然 净 化 系 统 建 设 投 资 万 元 与 处 理 规 模 104m3/d 函数关系为 C 258. 130 6Q0. 433 7， 通过对 实际运行过程中的费用进行分析统计， 得到系统运行 平均运行费用约为 0. 2 元 /m3， 系统建设与运行费用 都较少。 3 通过科学比较得知， 耕作层下土地自然净化 系统处理费用比其他处理工艺低很多， 值得在资金有 限的多产业型小城镇污水处理中大力推广。 参考文献 ［1］邹德慈． 中国城镇化发展要求与挑战［J］． 城市规划学刊， 2010 4 1- 4． ［2］夏荣静． 当前我国小城镇发展的研究综述［J］． 经济研究参考， 2010 48 30- 36． 下转第 52 页 54 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 包括 减量污泥中的磷释放到水中; 沉积的无机磷长 时间积累也溶解到水中; 聚磷菌是通过储能来富集磷 的， TCP 可能影响这一富集过程， 导致生物除磷能力 下降。 图 6两组系统出水 TP 浓度变化 3经济效益简析 近年来， 我国城市污水处理厂污泥的产量急剧上 升， 污泥的处理处置费用高 ［8］。以下对化学解偶联 污泥减量技术在经济上是否可行进行分析。 大型污水处理厂水处理成本为 0. 5 ～ 0. 7 元/t， 污 泥处置费用占其中的 35 ～ 50 ， 每吨污水的污泥处 理成本 Cs取低值为 0. 2 元。2， 4， 5-三氯苯酚 TCP 纯 度 ＞98 售价约为20 000 元/t， 与同类产品相比价格 偏高， 但有下降空间。按照投加量 2mg/L 计算， 每吨水 的处理成本要多增加 Ci 0. 04 元。投加 TCP 后可以 使每吨污水产生的污泥减少 62 。投加该药剂后每吨 污水将节省 C 62 Cs－ Ci0. 084 元。 一个污水处理量为 10 万 t/d 的城市污水处理厂 采用 TCP 进行污泥减量后， 每年的运行费用可以节 省约 300 万元， 由此污水厂采用 TCP 进行污泥减量 具有较高的经济效益。 4结论 1 投加 TCP 对污泥减量效果好， 污泥减量率达 到 62. 5 ， 大大降低污水处理成本。 2 长时间投加 TCP 对 COD 去除效果没有影响， 对总氮去除影响小， 但对总磷去除影响较大， 时间越 长出水 TP 越高， 建议投加除磷药剂进行辅助除磷。 参考文献 ［1］Low E W，Chase H A．Reducing production of excess biomass during wastewater treatment［J］． Water Res，1999，33 5 1119- 1132． ［2］Sakai Y，Fukase T，Yasui H，et al． An activated sludge process without excess sludge production［J］． Water Sci Technol，1997， 36 11 163- 170． ［3］王敏，王里奥，包亮， 等． 多功能微生物制剂用于污泥减量的 研究［J］． 中国给水排水，2007，23 7 16- 19． ［4］蒋小龙，叶芬霞． 化学解偶联剂对污泥产率的比较研究［J］． 环境科学研究，2006，19 4 115- 118． ［5］李冰，李玉瑛． 解偶联剂对缺氧污泥产率系数的影响［J］． 给 水排水，2007，33 9 40- 43． ［6］国家环境保护总局． 水和废水分析监测方法［M］． 4 版． 北京 中国环境科学出版社，2002． ［7］王旭明，王建龙． 利用固相反硝化同时去除水中硝酸盐和 4- 氯酚［J］． 环境科学，2009，30 5 1420- 1424． ［8］姚金玲，王海燕，于云江， 等． 城市污水厂污泥处理处置技术 评估及工艺选择［J］． 环境工程，2010，28 1 81- 84． 作者通信处许明210019南京市通江路 16 号中北大厦 4 楼 电话 025 86413302 E- mailyexuminbai 126． com 2011 － 06 － 10 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 45 页 ［3］张晓明． 论中小城镇污水处理［J］． 北方环境， 2010， 22 1 10- 12． ［4］张帆． 小城镇污水处理工艺选择与展望［J］． 中华建设， 2006 12 11- 12． ［5］齐崎， 吴赳赳． 浅论我国小城镇污水处理工艺选择［J］． 广西城 镇建设， 2007 7 38- 41． ［6］于峰， 林建光． 我国小城镇水污染治理措施探析［J］． 中国资源 综合利用， 2009， 27 9 37- 39． ［7］住房和城乡建设部政策研究中心课题组．“十二五” 小城镇发 展应重视从量到质的转变［J］． 广西城镇建设， 2010 4 47- 50． ［8］王守中， 张统． 我国农村的水污染特征及防治对策［J］． 中国给 水排水， 2008， 24 18 1- 4． ［9］薛晓棠． 小城镇污水处理技术及应用研究［J］． 科技资讯， 2010 6 149． ［ 10］冀瑞锋， 孙西欢， 马娟娟， 等． 污水土地处理方法研究进展［J］． 山西水利， 2010 1 51- 52． ［ 11］李桂星， 朱岩， 张伟． 小城镇污水处理工艺的选择分析［J］． 科 技与生活， 2010 6 213． ［ 12］刘育． 城市污水处理系统评价的绿色指标体系研究［J］． 环境 保护， 2003 7 35- 38． ［ 13］陈鸣剑， 叶禄， 阮晓红， 等． 城市污水处理厂费用函数的探讨 ［J］． 河海大学学报， 1992， 20 2 120- 124． ［ 14］袁敏． 浅议我国中小城镇污水处理［J］． 中国科技博览， 2009 30 9． ［ 15］鄢恒珍． 小城镇污水处理方案技术经济分析［D］． 武汉理工大 学， 2003 5 20- 31． ［ 16］周斌． 华东地区城市污水处理厂运行成本分析［J］． 中国给水 排水， 2001 17 29- 30． 作者通信处张延青266033山东省青岛市青岛理工大学环境 与市政工程学院 E- mailzyq_luck 163． com 2011 － 03 － 28 收稿 25 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期