低压膜技术在水资源再生利用中的应用

第1页共4页水资源再生利用中的低压膜技术应用——高大林2006.3.15水资源再生利用主要指海水淡化和中水回用，涉及的膜技术根据膜系统过滤所需压力主要有两大类：低压膜技术和中高压膜技术。低压膜技术指以微滤膜和超滤膜作为核心分离设备的系统集成技术，其分离截留的主要物质为水中微生物、颗粒胶体和部分有机物。中高压膜技术指以纳滤膜和反渗透膜（目前反渗透比纳滤具有更广泛的应用）为核心分离设备的系统集成技术，其分离截留的主要物质除水中非溶解性物质外，还包括小分子有机物，盐类等溶解性物质。由于技术安全与经济成本等因素，中高压膜技术越来越多地采用低压膜技术作为其预处理，从而形成“双膜法”工艺。典型的“双膜法”工艺，即微滤/超滤+反渗透，已是全球最为流行的水资源再生利用（尤其是中水回用）的工艺。越来越多的中水回用案例表明反渗透系统的成功运行更多地取决于其预处理的水平，即微/超滤的保护功能和水平。并且由于反渗透膜元件及系统运行的标准化，而低压膜技术的多样性和复杂性，因而从工程应用角度，低压膜技术更为重要。鉴于海水淡化成本一般为中水回用成本的2到3倍以上，从成本节约的角度，国家更应该从政策和资金上大力推动中水回用而不是海水淡化。一、低压膜技术的应用低压膜技术（微滤/超滤）可以被广泛应用于地表水/地下水过滤、中水回用、海水淡化及反渗透预处理等领域。在欧美、日本等发达国家，由于健康安全等运因，低压膜技术更多用于市政饮用水（直饮水）；在亚洲（如新加坡和中国）和中东地区，由于水资源的缺乏，低压膜技术更多用于海水淡化与中水回用。全球主要商业应用的用于大规模水处理的微/超滤膜分离孔径范围为0.2微米到10万道尔顿。大量的数据和工程经验显示上述分离孔径范围的微滤/超滤对悬浮物、浊度、有机物、微生物及SDI具有相似的去除结果，对下游膜系统（如反渗透）的保护区别较小，不同微/超滤出水水质或保护功能主要由于低压膜的完整性失败（即破损或断丝）造成的。作为过滤分离孔径分布的一部分，微滤和超滤都是一个范围，超滤的总体过滤精度比微滤高，但两者之间没有准确的截然区分点，一般理解两者有交叉区域。微滤分离孔径精度以孔径为数值，微米为单位；超滤分离孔径精度以截留分子量为数值，道尔顿为单位。但由于各家膜供应商的过滤精度概念不完全一致，并且迄今为止，测定截留分子量的国际标准还未被建立，因此，微滤和超滤的界定是由各膜供应商自行确定，没有统一机构检测确认。不同于反渗透，低压膜技术的大规模应用起步较晚且发展迅猛，主要从10年前开始在欧美发达国家大规模应用并以几何倍数增加，并且没有统一的标准，因此全球众多微超滤膜厂家生产的膜各不相同，主要体现在：1．原材料各不相同：PVDF、PE,PP,PS,PES,PVC,PAN等；2．精度各不相同：0.4,0.2,0.1,0.04,0.03,0.02,0.01微米或10万、15万、20万等截留分子量；3．各种膜元件在大小、尺寸、形状、面积和使用寿命上各不相同：有的膜可以使用10年，有的只能使用2到3年。4．膜系统操作形式各不相同：主要有浸没式、压力式两种，压力式还分内压和外压两种；PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion．各家膜的集成技术参数和所配辅助设备差异很大。正由于以上原因，在全球应用低压膜技术最多的国家——美国，目前并不限定采用微滤还是超滤、浸没式还是压力式，而是通过经济指标来确定采用何种系统。北美和欧洲已逐步发展了生命周期总成本概念来评价和采购各种低压膜系统。生命周期总成本指在满足相同功能要求基础上20年系统的总成本，包括一次性投资中的设备、土建和安装成本，20年系统运行的能耗、化学药剂消耗、排污处理和膜的更换成本。二、中国低压膜技术应用的几个误区由于体制、产品繁多、缺乏标准、市场不健全等多种原因，中国目前在低压膜技术应用上存在以下几个主要误区：1.片面认为超滤比微滤好：由于市场总体对低压膜技术缺乏认识了解，在一些超滤膜厂家的宣传下，市场定性而非定量地认为超滤膜比微滤好。但在美国，总成本普遍更低的微滤膜的应用占整个低压膜系统市场的主要部分，微滤膜系统的主要供货商主要有Pall（膜由旭化成生产）,Usfilter,Zenon，此三家占了北美市场的90%的份额。2.招评标强调一次性投资，不考虑生命周期总成本（20年或25年总成本）。鉴于膜寿命和膜系统操作形式及配置各不相同，为了建立节约型社会，国家有关部门更应该大力推广生命周期成本概念，减少各种招投标项目由于技术限定而造成国家资源、能源的浪费。3.只强调膜，忽略膜系统功能：膜技术的成功应用，是基于优良膜基础上的系统集成技术。不同于反渗透膜系统，低压膜系统配置要求更高，清洗条件更为复杂，需要更好的系统功能和配置才会有可靠成功的应用。如低压膜系统的完整性检测是低压膜系统安全应用的一个重要功能。4.盲目追捧MBR技术：正是由于缺乏生命周期总成本概念和体制缺陷，市场盲目夸大MBR技术的部分优点，而忽视其高额的经济成本代价（在下节详细阐述）。三、MBR技术经济分析：结论：由于高能耗和高膜更换成本，MBR技术不适合大规模污水处理项目，但适合某些小型特殊高浓度或难降解有机废水处理。MBR工艺的运行成本是同等目标替代工艺的2到3倍甚至更高，在欧美的应用并不占主流，更不适合中国倡导建设节约型社会的宗旨。MBR，是MembraneBioreactor或MembraneBiotreatmentReactor的英文首字母缩写词，中文翻译成膜生物反应器。MBR实质上是生物处理与低压膜技术应用相结合，实现污水处理和回用的一种工艺。尽管没有明确定义MBR的膜技术和生物处理如何结合，国际上也一直存在由于生物处理和膜技术如何结合而存在的不同MBR工艺的争论，但国内大多数研究者和专业技术人员认为真正MBR的工艺是浸没式MBR,即：浸没式膜系统+高浓度活性污泥（一般在10,000mg/L左右），即将真空抽吸微超滤膜系统浸泡在高污泥浓度的污水生化处理池内，实现水的过滤回用。浸没式MBR的主要优点是取消了传统污水处理厂的二沉池，并通过提高污泥浓度，减少污水的好氧停留时间，从而进一步减少污水处理厂好氧曝气池的容积，PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion页从而可以降低部分占地面积和土建投资。此外，MBR采用膜截留微生物，从而提高污泥浓度，适合高浓度工业废水处理和特殊难降解有机废水处理。由于MBR的优点，在全球发展时间也较短和实际应用案例较少，因此首先得到了国内著名大学如清华大学、天津大学和一些研究机构的重视。并由于少数MBR膜系统供应商如加拿大Zenon公司，日本三菱、日本久保田公司的商业推动，以及国内没有对MBR项目进行全面的技术经济分析比较，MBR在中国得到了较快的发展，从几年前开始建设的较多小规模MBR项目逐步发展为近期几个大型污水处理厂采用MBR工艺，如刚建成的北京密云每天4万吨的污水深度处理工艺采用了MBR工艺,正建的北京北小河每天6万吨污水处理扩建厂也采用MBR工艺，辽宁鞍山每天新建的20万吨污水处理厂计划中有10万吨采用MBR工艺，在电力石化行业也存在大规模项目采用MBR的趋势等。但MBR工艺存在无法克服的几个固有局限，从经济成本上体现为膜系统投资、系统运行成本（能耗和膜更换成本）过高。现先以每天3800吨的规模进行两种污水处理及回用的对比，第一种是MBR工艺实现污水回用，第二种是SBR（一种污水二级生化处理工艺）后增加压力式膜系统实现中水回用。1．工艺不灵活：(1)MBR产水可以回用，但不管是否需要高品质回用水，膜都要过滤所有的进水量，从而增加膜的投资和更换成本。如每天6万吨MBR项目，实际只需要每天1万吨中水回用，这就造成额外的5万吨膜过滤设备浪费和将来的无效膜更换成本。(2)MBR池内生物处理与膜过滤之间无缓冲，一旦生物处理有波动，将直接影响膜系统正常操作；(3)MBR不能解决要求去除总氮和总磷时所需的大量污泥回流，同样需要在好氧反应池前增加厌氧反应池和占地。2．MBR高污泥浓度造成的固有局限：污泥浓度一般在10,000mg/L左右，虽然可以节省污水处理好氧池占地，但也会带来一系列局限：(1)传质动力学受限，不仅造成微生物活性降低，还会造成氧利用率降低，能耗升高。如污泥浓度在10,000mg/L时的Alpha系数(氧从清水向污水转移的系数)会降至0.4，而SBR工艺及常规活性污泥工艺的污泥浓度通常在3500—4000mg/L左右，Alpha系数一般为0.65以上。仅由于Alpha系数不一样造成的吨水能耗差别至少为0.18kWh；(2)MBR池内，膜直接接触高污泥浓度，从而造成膜表面积极易有机物和微生物结垢，需要大量的空气擦洗膜表面，空气擦洗能耗比第二种膜系统能耗（很低，可以忽略）多出0.3—0.5kWh/吨水。根据国内的研究和国外的实例报道，(1)和(2)综合显示MBR工艺的吨水能耗为第二种工艺的3倍左右，国内某些知名大学教授研究的MBR气水比约为18:1；而第二种工艺及其它活性污泥工艺的典型气水比约为6：1。(3)由于过滤负荷的不同，第二种工艺中膜系统的膜通量可以是MBR膜系统膜通量的5倍，从而大大节省膜系统的投资和将来膜的更换成本。3．MBR池内膜直接接触原污水会造成膜表面的结垢迅速、膜清洗频率和强度增大，从而会造成膜寿命的减短。国内已有部分MBR项目运行显示MBR池中膜很容易损坏。PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion．两种工艺20年生命周期总成本的比较（以美国项目为基础）：MBRSBR+压力式膜系统备注投资：设备与土建约110万美元约100万美元基于规模每天3800吨20年生命周期总成本约380万美元约180万美元每年电耗成本$34,200/KM3$13,500/KM3每度电0.07美元每年膜更换成本$25,500/KM3膜寿命按6年计$2,880/KM3膜寿命按10年计膜更换成本：按每平米50美元计每年化学药剂消耗$1,900/KM3$640/KM3此外，为了更多比较，现以国内每天6万吨大型MBR项目与替代工艺：即常规生化处理工艺（MSBR或曝气生物滤池）+压力式膜系统的经济比较：每天60,000吨MBRMSBR+压力式膜系统备注投资：设备与土建2500万美元2000万美元后者占地略大，不超过10%设备2000万美元1600万美元吨水电耗(整个污水处理厂的电耗)0.8-1kWh约0.5元/吨水0.4kWh约0.2元/吨水后者MSBR工艺吨水电耗约0.3度,其中膜系统0.1度电；电费按每度0.5元计算膜更换成本按膜寿命6年、膜通量25LMH计算按膜寿命10年、膜通量100LMH计算同等品质的膜用于MBR项目会减短寿命吨水膜成本0.25元RMB0.05元膜更换成本按40美元/平米考虑20年总运行成本28,080万元11,232万元只计算能耗与膜更换根据美国Georgia州CauleyCreek每天1万吨MBR项目的用户报告（请参考附件），整个项目的吨水耗电为1.7度，远高于能达到相同处理效果的常规工艺+膜系统的电耗（约3倍）。虽然，个别MBR膜系统厂商最近宣称由于技术优化，其吨水能耗可以降低至0.8度电，但没有实例。而且新加坡最近建设的MBR项目的吨水电耗仍大于0.8度电。国内有观点认为：MBR没有大范围推广的原因是目前膜太贵，随着膜的降价应该大有前途。但值得一提的是，在美国，目前电价为每度电6美分，膜的价格是每平方米50美元，此价格相对于美国的经济水平也就相当于国内电费0.06元，膜价格每平米50元，而美国的土建(人工)成本远高于国内。即使如此，MBR项目并没有在美国遍地开花，相反很少，主要因为美国对项目工艺的考核主要基于项目长期成本。因此，针对国内的经济水平，MBR更不应该大范围推广，而是应该限制，因为几乎所有大型MBR项目的直接或间接埋单者都是国家。