膜生物反应器的技术经济分析

膜生物反应器的技术经济分析提要:膜生物反应器(MBR)是通过膜分离技术强化污水生物处理的新技术。综述了该技术在我国的应用现状；并对MBR进行初步的技术经济分析。研究结果表明：影响膜生物反应器运行费用的关键因素为膜通量和使用寿命。关键词:膜生物反应器污水处理膜技术膜通量膜寿命膜生物反应器(MBR)是一种由膜分离单元与生物处理单元相结合的新型水处理技术，与传统的生化处理技术相比，MBR具有以下主要特点：处理效率高、出水水质好；设备紧凑、占地面积小；易实现自动控制、运行管理简单。80年代以来，该技术愈来愈受到重视，成为水处理技术研究的一个热点。目前，膜生物反应器已应用于美国、德国、法国、日本和埃及等十多个国家，处理规模在6～13000m3/d。1.MBR在我国的应用现状近两年来，膜生物反应器在国内已进入了实用化阶段。MBR系统的处理对象从生活污水扩展到高浓度有机废水和难降解工业废水，如制药废水、化工废水、食品废水、屠宰废水、烟草废水、豆制品废水、粪便污水、黄泔污水等。从目前的趋势看，中水回用将是MBR在我国推广应用的主要方向。表1列举了MBR在我国的应用实例及处理效果。这些应用实例表明：MBR对生活污水、高浓度有机废水与难降解工业废水的处理效果良好。2.MBR在中水回用中的经济分析根据污水水量、水质及处理难易程度的不同，MBR处理工业废水的一次性投资通常在4000～10000元/m3，应用于中水回用系统的MBR(规模为10～500m3/d)的一次性投资为2500～5000元/m3，处理规模越大，单位处理污水量的一次性投资越低。本文以处理规模为240m3/d的回用系统做一初步的技术经济分析。2.1不同MBR系统的费用分析采取费用比较法进行3类MBR系统的经济分析，它包括两部分：MBR系统的工程建设费用及运行费用。工程建设费用=基建费用(建筑工程费+设备购置及安装费+不可预见工程费)+膜的购置费用。运行费用=设备折旧费用(以10年计)+膜更换费用+动力费用+其他费用(人员工资+维修清洗费)。表1MBR在我国的应用实例［2～4］污废水种类处理能力(m3/d)COD(mg/L)BOD(mg/L)NH3-N(mg/L)SS(mg/L)进水出水进水出水进水出水进水出水洗浴污水10130～322＜4099～212＜50.59～10.2～0.415～500印染废水11100～150018050040黄泔废水17900～12000＜1006805＜10130～180＜54750～5470＜10医院污水2548～278＜25200.410～241制药废水501500～4900＜180500～1633＜10297～354＜15430～1033＜10大楼污水20092～1082327～32＜839～473.5食品废水500754＜803类MBR系统的建筑工程费和运行费用分别见表2，表3(技术设计费用均未考虑)。从表2，表3可以看出：(1)3类MBR系统的一次性投资费用大小依次为：无机膜MBR＞一体式MBR＞分离式MBR；(2)运行费用大小依次为：无机膜MBR＞分离式MBR＞一体式MBR；表2不同MBR系统的建筑工程费用项目无机膜MBR一体式MBR分离式MBR进口国产进口国产国产基建费用(万元)3535323235膜通量(L/(m2·h))15015010.48.333.3膜面积(m2)67679601200300膜价格(元/m2)100004000450150300膜投资(万元)672743189总投资(万元)10262755044膜费用所占比例(%)65.743.557.33620.5表3不同MBR系统的运行费用项目无机膜MBR一体式MBR分离式MBR进口国产进口国产国产设备折旧成本(元/m3)0.40.40.360.360.4膜的使用寿命(a)1010422膜的更换费用(元/m3)0.760.31.251.00.5电耗(kW·h/m3)550.80.83动力费用(元/m3)2.52.50.40.41.5其他费用(元/m3)0.150.150.150.150.15总费用(元/m3)3.83.352.161.912.55膜的更换费用比(%)209585220动力费用比(%)39.544.8211959注：处理规模240m3/d。电费按0.5元/(kW·h)计。3)影响MBR系统运行费用的主要因素是动力费用与膜的更换费用。膜的更换费用是影响一体式MBR系统运行费用的关键因素；而动力费用是影响分离式MBR系统运行费用的关键因素。在3种MBR系统的建筑工程费用中，一体式MBR与分离式MBR的一次性投资基本相当，而一体式MBR的运行费用为分离式MBR的75%。我国是缺水国家，北方地区缺水更为严重，许多城市不得不采取限量供水和超量用水加倍收费等措施。因此，中水回用对于合理用水和节约水资源势在必行。以北京市2000年供水价格为例，居民生活用水价格为1.8元/m3；宾馆、洗车、洗浴等行业供水价格为3.0～5.0元/m3。一体式膜生物反应器总运行成本为1.9元/m3，用于中水回用具有明显的竞争优势。同时可节省水资源，具有环境效益和经济效益。2.2影响MBR技术经济评价的相关因素分析目前，对MBR系统的技术经济分析的结论存在较大的差别。主要是由于在MBR系统设计中，对膜的处理能力(膜通量)与膜使用寿命的估计存在很大的差别，直接影响对膜生物反应器的经济评价。在表2中，一体式MBR(国产膜)膜通量设定为8.33L/(m2·h)，膜的使用寿命为2a，膜价格为150元/m2。下文仅讨论膜通量、膜的使用寿命及膜价格的单因素变化对一体式膜生物反应器运行费用的影响，统计结果见图1，图2和图3。图1膜通量对运行费用的影响图2膜使用寿命对运行费用的影响图3膜价格对运行费用的影响从图1～图3可以得出：膜通量的提高、膜寿命的延长、膜价格的降低中任何单一因素的研究进展均会大幅度降低MBR的运行费用。随着膜制造技术的进步，膜质量的提高和膜制造成本的降低，MBR的投资与运行费用也会随之大幅度降低。如聚乙烯中空纤维膜等新型膜材料的开发已使其成本有很大降低。据估算，膜还有相当大的降价空间，在未来的3～5a内，随着膜材料的改进和生产规模的扩大，膜价格有望降为目前的40%～60%。随着膜性能的提高、使用寿命的延长与膜价格的降低，MBR的运行费用有望降低到1.0元/m3左右。3影响MBR应用的关键课题研究由于膜通量的提高、膜寿命的延长会大幅度降低MBR的运行费用，因此，在保证出水水质的前提下，膜通量应尽可能大，这样可减少膜的使用面积，降低基建费用与运行费用。因此控制膜污染，保持较高的膜通量，是MBR研究的重要内容。而膜通量与膜材料、操作方式、水力条件等因素密切相关。3.1膜的选择现有膜可分为有机膜和无机膜两种。由于较高的投资成本限制了无机膜生物反应器在我国的广泛应用，国内MBR系统普遍采用有机膜。常用的膜材料为聚乙烯、聚丙烯等。分离式MBR通常采用超滤膜组件，截留分子量一般在2～30万。截留分子量越大，初始膜通量越大，但长期运行膜通量未必越大。张洪宇进行无机膜的通量衰减试验表明：孔径0.2μm的膜比0.8μm的膜更适合于MBR［5］。何义亮用PES平板膜组件进行膜通量衰减规律的研究发现［6］：在该试验条件下，膜初始通量衰减主要是由于浓差极化引起，膜截留分子量愈小，通量衰减率愈大；膜长期运行的通量衰减主要是由于膜污染引起，膜截留分子量愈大，通量衰减幅度愈大，化学清洗恢复率愈低。对于淹没式MBR，既可用超滤膜，也可使用微滤膜。由于膜表面的凝胶层也起到了过滤作用，在处理生活污水时，微滤膜与超滤膜的出水水质没有明显差别，因此淹没式MBR多采用0.1～0.4μm微滤膜。3.2操作方式的优化当膜材料选定后，其物化性质也就基本确定了，操作方式就成为影响膜污染的主要因素。为了减缓膜污染，反冲洗是维持分离式MBR稳定运行的重要操作，樊耀波通过确定最佳反冲洗周期［7］，使分离式MBR的膜通量达到60L/(m2·h)。针对抽吸淹没式MBR，山本提出间歇式抽吸方式可有效减缓膜污染。桂萍通过研究进一步指出：缩短抽吸时间或延长停吸时间和增加曝气量均有利于减缓膜污染，抽吸时间对膜阻力的上升影响最大，曝气量其次［8］。不仅污泥浓度、混合液粘度等影响膜通量，混合液本身的过滤性能，如活性污泥性状，生物相也影响膜通量的衰减［9］。有研究表明：粉末活性炭与絮凝剂的加入有助于改善泥水分离性能，形成体积更大、粘性更小的污泥絮体，减少了膜堵塞的机会。但絮凝剂的过量加入会使污泥活性受到抑制，影响反应器的处理能力和处理效果［5］。3.3水力学特性的改善改善膜面附近料液的流体力学条件，如提高流体的膜面流速，减少浓差极化，使被截留的溶质及时被带走，能有效降低膜的污染，保持较高的膜通量。黄霞、何义亮分别采用PAN平板式超滤膜、PAN/PS管式膜组件考察不同膜面循环流速下污泥浓度对膜通量的影响，发现MLSS对膜通量的影响程度与膜面循环流速有关［10～11］。大量试验表明：污泥过膜流态为层流，远比紊流时易于堵塞，因此从理论上确定不同污泥浓度下紊流发生的最小膜面流速(Vmin)有重要意义。邢传宏、彭跃莲研究均发现：最小膜面流速与污泥浓度之间呈良好的线性关系［12～13］。但他们对临界膜面流速的计算值可能偏高，因为污泥沿流道流动的过程中，水同时透过膜流出，增加了流体在垂直方向的紊动，从而在一定程度上降低了下临界雷诺数(Rek)。何义亮的发现证实了这一推论，平板膜组件由紊流到层流的k为1083，外压管式膜组件的Rek为966，均小于一般牛顿流体的下临界雷诺数2000［11］。分离式MBR中，一般采用错流过滤的方式，这有助于防止膜面沉积污染。对于一体式MBR，设计合理的流道结构，提高膜间液体上升流速，使较大的曝气量起到冲刷膜表面的错流过滤效果显得尤为重要。刘锐通过均匀设计试验，得到适合活性污泥流体的膜间液体上升模型，提出反应器结构对液体上升流速的影响：在同样的曝气强度下，反应器越高，上升流通道越窄，下降流通道与底部通道越宽，则越能获得较大的膜间错流流速［15］。3.4能耗能耗是污水处理工艺的一个重要的评价指标，直接关系到处理方法的可行性。目前，常规分离式MBR运行能耗为3～4kW·h/m3，淹没式MBR运行能耗为0.6～2kW·h/m3，高于活性污泥法的0.3～0.4kW·h/m3。较高的动力费用是MBR推广应用中遇到的主要问题之一。许多研究结果也表明：能耗是造成MBR运行费用高的主要原因。张绍园分析了分离式MBR的能耗组成：泵的热能损失、曝气能耗、管道阻力能耗、膜组件能耗和回流污泥水头损失能耗，其耗能大小依次为：膜组件＞泵＞曝气＞管道＞回流污泥，膜组件能耗占总能耗的40%～50%，其中80%用于膜过滤的能量以热能的方式散发［14］。顾平对抽吸淹没式MBR的能耗分析表明：曝气的能耗占总能耗的96%以上［17］。通常研究者都认为能耗的降低与膜污染的控制是MBR研究领域两个独立的课题，而张绍园、郑祥采用穿流式、错流式膜组件进行分离式MBR研究发现：能耗随运行时间的延长、膜污染的增加呈上升趋势，从运行初期的不足0.5kW·h/m3增加到3kW·h/m3［14，16］。这说明：分离式膜生物反应器的能耗问题实质是膜污染问题。在实际工程中，由于系统各部件的不匹配(如风机、水泵的实际处理能力高于MBR系统所需)也造成实际运行能耗高于理论能耗值。为了进一步降低能耗，顾平应用位差驱动出水和低水头间断工作的重力淹没式MBR，较好地克服了膜的污染与阻塞，使膜长时间保持较大的膜通量，并且省去复杂的气水反冲洗设备和降低曝气量，使MBR处理生活污水的能耗可下降到1.0kW·h/m3［17］，该型MBR在实际工程中能耗已降到0.6～0.8kW·h/m3。4结论尽管MBR的运行费用略高于常规生物处理方法，但MBR的处理出水能达到中水回用的目的，且随着膜制造技术的进步，膜质量的提高和膜制造成本的降低，MBR的投资也会随之大幅度降低。另外，各种新型膜生物反应器的开发，如在低压下运行的重力淹没式M