摘要

隨著水資源短缺的持續加劇，廢水回用成為世界各地半幹旱地區國家的一項重要的潛在水資源。本研究以中東地區為例，評估處理後廢水的可能回用方案。基於最近對巴勒斯坦西岸汙水處理廠(wwtp)的水質研究，本研究進行了成本-效果分析(CEA)，以評估不同汙水處理水平的相對優勢。該研究比較了西岸的二級處理設施和以色列的三級處理設施的每立方米處理成本，重點是去除內分泌幹擾化合物(EDCs)和其他水質參數，包括總懸浮物(TSS)、生物需氧量(BOD)、總氮(TN)和總磷(TP)。在計算成本效益(CE)比之後，結果表明，對於EDCs，巴勒斯坦權力機構的最佳廢水解決方案是二級處理，三級基礎設施的發展以相當大的費用提供極其有限的水質效益。該CEA對於為當地以及世界上其他半幹旱地區建設新的汙水處理設施的最佳戰略提供決策信息是有價值的。

關鍵字

成本效益分析(CEA);內分泌幹擾化合物;廢水處理;水的重用;水回收利用

簡介

水越來越被認為是全球可持續發展議程上的下一個主要挑戰[1,2]。由於自然過程和人類活動，可用淡水供應的壓力越來越大，特別是在中東等半幹旱地區[3,4]。約旦河西岸是一個半幹旱地區，2016年估計約有290萬巴勒斯坦人。隨著人口的增長和淡水資源的減少，廢水回用成為一種重要的潛在水資源[6-8]。今天，西岸的廢水往往未經處理，由於跨界水道[9]，這對巴勒斯坦人和以色列人的生態和公共健康造成有害影響。然而，在處理和重複利用城市汙水的努力日益普遍的同時，人們也越來越擔心與受汙染的水相互作用的風險。

最近的研究表明，某些被稱為內分泌幹擾化合物(EDCs)的化學物質已在原汙水和處理汙水中被發現[10-12]。EDCs是一大類化學物質，包括激素，可對包括男性和女性生殖係統在內的各種生物係統以及生態係統健康產生有害影響[12-14]。EDCs的來源很多，但越來越多的人認為水資源是主要的暴露來源[13,14]。

研究人員第一次意識到與暴露於EDCs相關的問題是通過對位於汙水處理廠下遊的魚類種群進行的研究。對野生魚類種群的研究表明，暴露於特定激素會導致雌性化[16]、陰陽人狀態和/或精子數量降低[15]。這些條件與繁殖成功呈負相關，並將魚類種群的未來置於危險之中[15]。從那時起，在野生動物和實驗室動物上進行了大量的研究，其結果也將EDCs與發育、生殖和其他健康問題聯係起來[16-18]。

同樣，EDC暴露也會給人類帶來健康問題的風險。研究表明，暴露於EDCs和不規則甲狀腺功能之間存在相關性，而不規則甲狀腺功能可導致閱讀障礙、智力遲鈍和多動症[13]。此外，EDC暴露與絕經早發、乳腺癌、子宮內膜異位症和出生缺陷有關[19-21]。男性也容易受到生殖健康影響，因為試驗表明睾丸癌與EDC接觸[20]以及精子質量和數量[16]的改變有關。

研究證實，適當的廢水處理技術可以顯著降低並有效消除EDC濃度[22,23]。這對巴勒斯坦權力機構(PA)尤其重要，因為那裏的廢水處理有限，排放到環境中很常見[24,25]。目前，PA有三個集中式wwtp，其中隻有兩個是完全運行的[26]。因此，預計在不久的將來，整個西岸將對新的汙水處理設施進行投資。

標準的汙水處理廠利用物理、化學和生物過程。通常，治療分為三個一般級別:一級、二級和三級(或高級)治療。Solak等人[14]發現，更先進的治療方法可以去除更高的EDC。然而，先進的wwtp是昂貴的，資金是PA的一個限製因素。因此，在決定哪些wwtp最適合未來的項目時，成本應該發揮作用。在評估適當的汙水處理方案時，有兩個主要因素:處理效果和成本。因此，為了對即將進行的項目做出投資決策，需要了解與處理級別相關的成本，以及不同處理級別去除EDC的有效性。本研究采用成本-效果分析(CEA)方法，確定在EDC和營養物去除方麵最具成本效益的廢水處理水平。

方法

案例研究選擇

五個汙水處理廠(wwtp)被納入本研究的分析:Tulkarem、Al Bireh、West Nablus、HodHasharon和Raanana。TulKarem汙水處理廠被選為一級汙水處理的一個例子，因為它是西岸唯一一個沒有在一級處理(曝氣池)之後取得進展的汙水設施。目前，西岸有兩個全麵運作的二級基地，分別是比勒赫和西納布盧斯。巴勒斯坦權力機構沒有運營三級處理廠，因此選擇以色列的HodHasharon和Raanana汙水處理廠，以提供巴勒斯坦權力機構現有的二級處理與可能的三級處理之間的比較。Raanana處理設施的日流入與巴勒斯坦西納布盧斯設施相似，因此，從規模經濟來看，費用是相當的。

成本參數和計算

本分析選擇納入兩種不同類型的成本:(1)操作和維護成本;(2)每個汙水處理廠的啟動成本。運營成本包括電力、維護和保養，以及當前員工的工資。建設成本包括土地、建築材料、市政管道、建築用電、員工工資(工程師、承包商、施工人員)、許可證和整個項目的融資(支付的任何利息)。財務數據是從每個處理廠的主要經營者那裏收集來的。每個設施的每日流入不同，啟動和運營成本也不同。因此，為了將不同wwtp的成本相互關聯起來，采用了跨技術和工廠規模的可比單價。這個單位是每立方米水的處理費用。

在分析中，計算單位成本時考察了兩種不同的財務情況。在場景1中，計算忽略了初始啟動成本，隻關注每年的運營成本。現實情況是，在過去，以及在可預見的未來，國際捐助者一直願意為巴勒斯坦權力機構建立wwtp的費用支付。因此，情景一從巴勒斯坦政府的角度計算了單價，其中運營成本是唯一顯著的費用，初始成本被排除在外。場景二提供了全貌，更適用於全球範圍內對評估項目整個成本感興趣的涉眾。情景二中的估計數適用於汙水處理廠由地方政府和/或納稅人資助的情況。在情景二中，初始成本使用計算特定wwtp的現值啟動成本的基本方程進行攤銷。

\[因為{t_ {{\ rm{}}現值}}= {\ rm {}} {\ rm{}}我[1 - 1 \ rm{}{}{\離開({1 + i} \右)^ T} \]

式中:A為每一時期的付款金額(新以色列謝克爾)，i為利率(百分比)，T為付款總數(年)[27]。

成本單位以新以色列謝克爾(NIS)每立方米計算，然後按照2016年3月3.9 NIS兌換1美元的彙率轉換為美元。取啟動成本，利率為4%[27]，處理廠預期壽命為25年，對上式計算A值。

有效性參數及計算

本研究中使用的有效性測量是EDC和營養去除。其中EDCs為天然雌激素、雌酮和雌三醇，其他參數為總懸浮物(TSS)、生物需氧量(BOD)、總氮(TN)和總磷(TP)。

本研究中的所有二級和三級汙水處理廠都是一個更大的以色列-巴勒斯坦研究項目的一部分，該項目監測廢水處理過程中EDCs的存在和命運[28]。使用Dotan等人[28]的雌三醇和雌酮數據計算wwtp中的去除百分比。TSS、BOD、TN和TP的去除率數據取自汙水處理廠監測係統的月度報告。Odeh W[29]為主要處理設施Tulkarem汙水處理廠提供了雌三醇數據，但沒有提供雌酮數據，而且汙水處理廠也沒有監測其營養水平。因此，我們從文獻[30]中提取數據用於去除雌酮，而本研究不包括去除營養物質用於初步治療。

采用以下計算方法量化去除效果:

\[刪除rm {}} {\ % {\ rm {}} = {\ rm{[}}{為C_i} {\ rm {-}} {C_f} {\ rm{] /}}{為C_i} * 100 \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,( 2) \]

地點:C_我汙染物和C的初始濃度是多少_f是汙染物的最終濃度。用這個數字乘以100%表示去除百分比。

成本效益分析

為了評價西岸巴勒斯坦人的廢水處理備選辦法，進行了一次方案評估。CEA是一種將一個項目的成本與它的主要收益[31]聯係起來的技術。本研究著眼於廢水處理成本與汙染物去除效果的關係。將成本和有效性值結合在一起，形成CE比率。處理成本(每立方米美元)是分子，效果(去除量，範圍從0到1)是分母。

\ [C / E {\ rm {}} = {\ rm {}} {\ rm{/}}有效性成本 \,\,\,\,\,\,\,\,\,( 3) \]

式中:C為成本，E為選擇的有效性度量。

最優方案是低成本、高效率的方案。最佳的CE比率是最小的數字，因為它意味著最高的去除代價最低。

在計算CE比率之後，進行了敏感性分析，以便將預測影響和貨幣化的不確定性考慮到整體建議中。本研究使用極端個案敏感性分析來計算最壞和最好的情形[32]。在每個工廠，每立方米水的處理成本保持不變;因此，我們將極端情況作為最佳和最差的去除水平。因此，為每種植物選擇最高和最低的去除率，然後在每種條件下重新計算CE比值。結果顯示了最佳和最壞情況下的CE比率。

結果

成本

表1強調了兩種融資方案之間的差異。在方案一中，啟動成本被排除在外，這反映了巴勒斯坦權力機構的當前現實，即wwtp的初始成本由外國援助提供。在第二種情況下，啟動成本被包括在內，使研究適用於其他當地的基礎設施資金沒有得到外國援助的支持，除了代表巴勒斯坦wwtp的可能未來。在情景1中，二級和三級處理的平均價格為0.21美元/米^3.和0.43美元/米^3.,分別。在方案2中，二次處理的平均價格為0.49美元/米^3.一個三級處理廠的計算為0.62美元/米^3.．

WWTP	治療	場景一($/m3.）	場景二($/ m3.）
Tulkarem	主要的	0.0179	0.0385
艾爾Bireh	二次	0.2205	0.4795
西方納布盧斯	二次	0.1897	0.5026
HodHasharon	三級	0.3795	0.6205
Raanana	三級	0.4718	nd

表1:在方案一和方案二中，每立方米廢水處理的成本結果
無數據

有效性

表2顯示了不同wwtp的去除效果結果。正如預期的那樣，數據顯示隨著治療水平的提高，EDC的去除有所增加。對於雌酮，一級和二級之間的去除差異非常顯著，從7%到97%。二級和三級之間的差異要小得多，從97%增加到99%。更高級的EDCs治療也對TSS、BOD、TN和TP有同樣的好處。

治療水平	WWTP	雌激素酮(%)	雌三醇(%)	TSS (%)	BOD (%)	TN (%)	TP (%)
主要的	Tulkarem	7	29	nd	nd	nd	nd
二次	艾爾Bireh	97	98	96	92	90	72
二次	西方納布盧斯	97	One hundred.	98	98	81	63
三級	HodHasharon	98	94	99	99	90	84
三級	Raanana	One hundred.	One hundred.	98	One hundred.	60	nd

表2:使用去除雌酮、雌三醇、TSS、BOD、TN和TP的百分率的效果結果
無數據

成本效益比

表3顯示的是根據(a)方案一和(b)方案二計算的兩個發展指標以及TSS、BOD、TN和TP的CE比率。CE比率值越低，該選擇越有吸引力，因為它意味著以較低的成本獲得較高的效果。在情形一中，二級處理設施在所有類別的CE值均顯著低於三級處理設施。在情景2中，二級處理和三級處理的CE比值差異較小，但二級處理的CE比值仍較低。

表3:情景一(SC1)和情景二(SC2)中edc和營養參數的成本效益比值

基於費用的治療水平比較

圖1直觀地描述了雌酮的CE比值比較。指定的顏色表示當治療水平提高到更高水平時增加的成本和增加的效果。在兩種情況(a) 1和(b) 2中，與單位治療成本相比，一級和二級水平之間明顯有更大的有效性提高。相比之下，當從二級技術轉移到三級技術時，效率幾乎沒有提高，而成本卻大幅增加。為了創建這個比較數字，第三成本和有效性值分別被視為100%，並相應地調整了主要和次要值

圖1:在(a)場景1和(b)場景2中，隨著雌激素治療水平的提高，成本和效果的累積增加

敏感性分析

在場景1中，極端情況場景敏感性分析表明，最佳和最壞情況二次處理的CE平均值分別為0.19和0.23。對於第三次處理，最佳情況下的CE比值為0.38，而最壞情況下的CE比值為0.47。敏感性分析表明，即使在去除二級水平的最壞情況下，即使用采樣活動中最不利的比率(0.23 CE比率)和插入三級水平去除的最佳情況下(0.38 CE比率)，二次處理的CE比率仍然較低，因此仍然更有吸引力。情景二遵循同樣的模式:第二次處理的最壞情況產生0.52的比率，而第三次處理的最佳情況產生0.62的比率。

討論

建議

CEA的最後一步是建議要采取的行動。較低的CE比值指向最佳處理水平，但不能確定實際投資是否值得。本研究的CEA表明，在PA廢水處理過程中，二級處理是去除EDCs的最經濟有效的選擇。盡管三級處理使EDCs的去除水平提高了約2%，但增加200%的成本並不能使其成為PA的有效投資。在這種情況下，選擇二次處理之前要考慮的一個重要因素是汙水處理廠流出物中汙染物濃度的實際數值水平。

目前，以色列和巴勒斯坦權力機構都製定了廢水中營養物濃度的法律參數，如表4所示。Godinger T[33]數據顯示，三級處理將營養濃度降低到滿足以色列重複使用標準的水平。

	TSS (毫克/升)	生化需氧量 (毫克/升)	TN (毫克/升)	TP (毫克/升)
Al Bireh二級治療	79	39.6	8	2.1
西納布盧斯二級治療	12	14.0	32	1．8
巴勒斯坦的標準	30.	20.	30.	8
HodHasharon三級處理	3.	1.9	6	1.3
以色列標準*灌溉/溪流	10/10	10/10	25/10	5/1

T可以4:與以色列標準[36]和PA標準[35]相比，每個處理廠出水營養物質的濃度。

對於巴勒斯坦汙水處理廠，西納布盧斯工廠生產的廢水非常接近巴勒斯坦權力機構所有營養濃度標準。唯一沒有達到的標準是西納布盧斯的TN為32 mg/L，而標準設定為30mg/L。表4中列出的TSS、BOD和TN標準提供了來自最近一份報告的第二層和第三層的平均值，TP報告於美國國際開發署最近批準的名為Compete的項目[34,35]。僅依靠二次處理，西納布盧斯汙水處理廠產生的廢水非常接近於滿足所有PA營養濃度標準。

對edc也應進行同樣的出水濃度與標準的比較。目前，世界上沒有一個國家對處理後流出的EDCs製定法律標準。然而，加利福尼亞州已投入大量精力研究與暴露於EDC相關的風險，並提出了一套1-10 ng/L的通用指南，這取決於EDC和特定類型的重用[37]。同樣，歐盟根據在歐洲進行的研究[38]公布了推薦限量，也在1ng/L範圍內。使用這些推薦的標準，三級治療將是首選的治療方案。采樣活動[33]的結果表明，三級處理中EDCs的最終出水值濃度比二級處理中的更接近1納克/升。從嚴格、預防和公共衛生的角度來看，三級治療將是最好的解決辦法。盡管如此，巴勒斯坦權力機構和其他財政資源極其有限的國家可能需要考慮經濟和可行性。

西岸的經濟情況與以色列有很大的不同。2014年，約旦河西岸的人均年收入為3000美元，而以色列為3.7萬美元。通常情況下，當地居民向市政當局納稅，以支付建造和運營汙水處理廠的費用。在人均收入比以色列低十倍的情況下，巴勒斯坦人選擇繼續接受二級待遇可能是更明智的選擇。

經濟可行性

經濟可行性研究可以評估處理水平在經濟上是否可行的具體場地背景。以色列的經驗是相關的:2007年，以色列產生的大約70%的廢水被回收用於農業。2009年，這一數字上升到75%[22]，而今天水務管理局估計這一數字將高達85%。由於對不同利益相關者的經濟激勵，這一數字隻會繼續增長:農民花更少的錢購買灌溉用水，汙水處理廠增加了收入。同樣的動態應該存在於鄰國約旦河西岸。

對經濟數據的基本回顧是有指導意義的:西納布盧斯汙水處理廠處理廢水的成本是每米0.19美元^3.．如果納布盧斯市政府收取0.15美元/米的少量汙水處理費^3.對服務人口而言，汙水處理廠的成本將降至每米0.04美元^3.．為了支付這筆費用，工廠可以將處理過的廢水賣給農民，就像在以色列[22,36]和世界其他地方[6,39]所做的那樣。在以色列，再利用廢水目前的市場價值在0.25- 0.32美元/米之間^3.[40]。即使使用最低的轉售率，汙水處理廠仍然可以獲得可觀的利潤:

0.25美元/米^3.- 0.04美元/米^3.每銷售一立方米利潤21美分。

西納布盧斯每天流入約9000立方米，達到每年處理3.3 MCM汙水的年水平。出售廢水每年可獲得689 850美元的利潤，超過了該設施每年的業務費用(615 000美元/年)。此外，西納布盧斯汙水處理廠的流入預計將增加到每天15,000立方米的最大容量，每年將產生大約550億立方米的處理廢水，每年利潤115萬美元。每年產生的5mcm汙水可用於當地農業。僅在西岸，農業用水每年就消耗55至60千兆瓦特的水，這甚至不能完全滿足當地農民的需要。

結論

CEA的研究結果與該領域的國際研究結果一致。例如，西班牙的研究表明，世界汙水處理廠的運營成本與本研究中發現的相當[42]。許多CBA研究評估了處理後廢水的再利用，報告了正的淨現值(npv)，確認了汙水回收策略[39,43,42]。這些研究還表明，PA可以通過為處理過的廢水創造一個市場來獲得經濟效益。到目前為止，CEA特別是EDC去除的研究還沒有在其他地方進行。這項研究的獨特之處在於它將CEA和edc放在了一起。由於這兩個因素在製定最優基礎設施投資策略的管理決策時都至關重要，研究結果為一個致力於環境和公共衛生，但稅基較發展中經濟體狹窄的政府提供了明確的方向。

最終，從二級治療到三級治療必須是一個綜合的、社會的決定，其中要考慮到許多因素。提高到第三級治療級別的選擇在未來需要保持開放，並最終應該得到實施。但在此期間，在整個西岸實現二級治療將是巴勒斯坦公共健康和衛生方麵的有意義的進展。同樣的情況也適用於具有類似財政能力的半幹旱地區的其他國家。二級處理是一種最優的解決方案，因為它在一個財政資源極其有限的社會中，既能取得合理的環境效果，又能保持經濟效益。

確認

這項工作是在內蓋夫本-古裏安大學和水與環境發展組織(WEDO)的聯合研究計劃下進行的，並得到了美國國際開發署中東區域合作(MERC)項目(Grant TA-MOU- 11-M31-015)和羅森茨威格-庫珀史密斯基金會(RCF)的支持。我們感謝世界水處理計劃的工作人員一直願意協助這項研究。這項研究的進一步資金由2012-2013年向以色列提供的富布賴特國際經濟研究所基金提供。

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條信息

文章類型:研究文章

引用:Gordon-Kirsch N, Tal A, Arnon S, Odeh W, Godinger T，等(2017)廢水處理設施去除內分泌幹擾化合物的成本效益分析模型:以巴勒斯坦西岸為例。Int J水廢水處理3(3):doi http://dx.doi.org/10.16966/2381-5299.145

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出版的曆史:

收到日期:07 june 2017

接受日期:2017年7月19日

發表日期:2017年7月25日