IWA國際水協(xié)會的學術期刊Water Research經常邀請水處理領域的著名專家，編寫各自細分領域的綜述文章。上個星期我們跟大家分享了Willi Gujer教授在2010年發(fā)表的《Nitrification and me》。本期將介紹來自膜領域的Simon Judd教授撰寫的關于膜技術成本的綜述文章，題為《Membrane technology costs and me》。Simon Judd教授在英國克蘭菲爾德大學(Cranfield University)水科學學院和卡塔爾大學環(huán)境工程系任教。他同時也領導和參與了很多有關膜、MBR、污水生物處理方面的全球項目，將科研和應用緊密結合在了一起。通過這篇綜述文章，Simon Judd教授探討了膜技術應用領域的發(fā)展，分享了他對膜技術成本問題的深刻見解。
簡介
用于水處理的膜技術可追溯到十九世紀中葉，其中最早期的開拓性工作很大程度上歸功于德國。德國人Wilibald Scht在1861年用牛心包膜截取阿拉伯膠，堪稱世界上第一次超濾(UF)分離研究。到了20世紀初，Heinrich Bechhold(1907)開始較為系統(tǒng)地測試合成超濾膜，并首次提出了“ultrafilter”的概念。跟隨Rid Zsigmondy和Willhelm Bachman等人的早期研究，德國Sartorius Werke Gmbh公司在上世紀20年代中期開始微濾(MF)膜的商業(yè)開發(fā)。用于淡化海水的反滲透(RO)膜雖然最初由美國研究人員在20世紀50年代開發(fā)，專利的申請卻讓在加拿大渥太華的Sydney Loeb和Srinivasa Sourirajan搶先一步，他們在1960年代初申請了不對稱醋酸纖維素RO膜的專利。如今，制造方法和生產方面的大量商業(yè)進步和改進已經大大降低了各類膜的生產成本，而且大大提高了產品質量。
可以說，膜技術至少發(fā)展了半個世紀了;即使是關鍵的膜生物反應器(MBR)技術的發(fā)展也有一定歷史了(其最原始工藝由Dorr Oliver在20世紀60年代后期開發(fā))。盡管如此，膜技術在市政水務部門某些領域的發(fā)展仍遇到區(qū)域性、文化性或其他方面的阻力。BCC、Marketsand Markets、Frost and Sullivan等市場研究機構的數據顯示，盡管跟傳統(tǒng)水與廢水處理設備行業(yè)的個位數百分比增長率相比，RO海水淡化和MBR技術的復合年均增長率(CAGR)為10-23%，膜技術的發(fā)展阻力依然存在。
在某些方面，人們不愿意選擇膜技術是可以理解的。一些膜工藝和/或具體應用還存在運行問題，這些問題還沒得到全面的解決。任何膜工藝的操作和維護(O&M)往往比其他經典工藝更復雜，因為要保持膜表面和膜通道的清潔。最終歸根結底，與其他東西一樣，經典方法和膜技術之間的選擇，都歸結為錢。
成本趨勢對比
成本，無論怎么計算，都可以被歸類為資金成本、投資成本，或運營/運營成本。對于工程應用級別的膜處理廠，運營支出(OPEX)主要包括能耗和化學品、關鍵部件更換(例如膜)、供水和排污費以及諸如人工和維修等其他項。資本支出(CAPEX)通常包括所有設備、安裝服務、如土木工程、機電(M&E)和咨詢，以及土地成本。通過CAPEX和OPEX可以計算凈現(xiàn)值(NPV)，以此估算融資成本。
顯而易見的是，大家也關心科技和商業(yè)模式的發(fā)展如何對水處理和污水處理中實施和運行膜工藝裝置的成本產生影響。Simon Judd教授的這篇綜述將對兩種已經實現(xiàn)商業(yè)應用的重要膜分離技術進行分析，包括了海水淡化的反滲透技術以及用于污水處理的MBR膜生物反應器技術。
除了自身市場增長顯著之外，這兩項技術在各自應用領域也扮演著重要角色。超過一半通過海水和咸水淡化產生的飲用水都是通過RO膜，全球市場價值相當于100億英鎊。MBR技術則是在生物化學效率和出水水質(澄清度和微生物含量)方面提供生物處理工藝可以達到的最高性能表現(xiàn)。
在海水淡化和污水處理兩個領域，作者分別選取了熱法處理和經典活性污泥工藝作為替代方案作對比分析。總的來說，關于資本支出的專門報道很少，而且往往缺少一致性、完整性，也不會具體列舉細節(jié)。另外不同報告之間的人力和材料成本也有差別。對于RO和MBR技術而言，OPEX的下降主要得益于能效的改善。這也是大家用于不同技術之間的對比基礎。
RO反滲透vs 熱法海水淡化
自20世紀70年后期RO被應用于海水淡化以來，相關的成本分析就層出不窮。RO反滲透和熱法海水淡化兩種技術自面世以來，技術成本都得到顯著下降。Zhou和Tol在2004年的數據顯示多級閃蒸海水淡化技術(MSF)在上世紀50年代末期的成本約$9/m3，到2000年已降到其1/10，而RO的單位處理成本則從1977年的$4.5/m3降到2000年的$1.5/m3。
能耗
MSF和RO的能耗對比一般用以下公式進行計算，其中公式(1)計算MSF熱法淡化的單位能耗，公式(2)則對應RO的單位能耗。
上邊的關系式顯示對不同技術而言，能耗受不同參數影響。但如下圖所示，總的而言，MSF的單位能耗或能量需求(SED)主要受閃蒸區(qū)間溫度和階數影響，而RO則受進水鹽的濃度影響。
在SED的分析中我們可以得到一些很基礎的重要信息：通過對四個重要參數各自改善10%對能耗變化的計算可以看出，鹽濃度是最顯著的影響因素，而它又主要受濃差極化現(xiàn)象影響。從這個角度來看，與研發(fā)諸如碳納米管等自身具有高滲透性的膜相比，優(yōu)化系統(tǒng)的流體力學獲得好處更多。
其他OPEX因素
盡管在RO海水淡化廠中，能耗代表了最主要的OPEX成分(超過50%)，化學品消耗和膜更換加起來的貢獻率在15-25%之間，具體比例取決于進水水質、運行情況和膜壽命。膜壽命一般在5-7年，但也有人說通過更頻繁和激進的化學品清洗可以使膜壽命延長至10年。
CAPEX
正如之前提到的，CAPEX跟地理位置有關，尤其是涉及到大量的土木工程和管網的情況。有些情況下，通過BOT等合同和相關資本運作，開支可以相對減輕。下表中幾座知名海水淡化廠的CAPEX數據顯示，單位流量的水費差異較大，但這跟場地情況相關，例如是否和其他廠共用設施、水輸送規(guī)模和土木工程作業(yè)量等。
前景
盡管在一些能源價格低的國家(主要是中東地區(qū))，熱法蒸餾組合廠依然可行。熱法工藝的總成本從2000年至今幾乎沒有變化，大型組合廠的價格目前在$0.8-1.1/m3之間。
而經過過去15年能效20-30%的改進率，對應的RO技術單位價格約$0.5/m3。尤其是高壓濃水能量回收技術使單位能耗從1990年的8.1 kWh/m3減少到今天的4 kWh/m3左右。熱法和膜法海水淡化廠的比率已經從2005年的60:40變成35:65(2016年的數據)。
未來能效的進一步提高將集中在可再生能源的使用上。對于熱法而言，太陽能和地熱能是主要獲取途徑，對RO膜法而言則主要是光伏發(fā)電和風力發(fā)電。
MBR vs. 傳統(tǒng)活性污泥技術
近幾年關于MBR的成本分析研究(例如Young等人關于浸入式中空纖維膜的綜述)已經顯示一些MBR的總成本要優(yōu)于經典的活性污泥技術，盡管MBR的OPEX更高。這些報告的作者一般認為MBR在CAPEX方面優(yōu)勢明顯，因為土地成本高以及脫氮除磷的要求。而膜造價也從1992年的$400/㎡降至2005年的低于$50/㎡(參考浸入式平板膜)，而市場主導產品浸入式中空纖維膜的運行情況則顯示自20世紀90年代中期以來，能耗已經減少了一個數量級。
能耗
對于經典活性污泥法和MBR工藝來說，SED主要貢獻因子是曝氣，除了用于給生物質提供氧氣之外，對于MBR，還用于膜的沖洗。
根據曝氣器在反應器的深度，EA,m和EA,bio兩個曝氣能量參數略有不同，但都在0.016-0.025 kWh/Nm3(工藝曝氣的略高，因為池深一點)。過去15年的時間里，商用膜的研發(fā)主要集中在提高膜沖洗的混合效果和曝氣量的減少上。盡管如此，MBR的單位能耗依然較高，大型且已優(yōu)化的MBR仍需0.5 kWh/m3。
其他OPEX因素
跟RO膜類似，不考慮“因地而異”的人工和其他勞務費用，MBR的OPEX成分主要也是由化學品的使用和膜更換構成的。如下圖所示，膜更換的成本與膜的凈通量和膜壽命相關?？偟膩碚f，如果不考慮清洗頻率和其他維修需求，OPEX隨通量和壽命的增加而減少。但是MBRs的運行費用永遠都高于同等規(guī)模的活性污泥系統(tǒng)，盡管部分成本能夠通過減少的占地面積、污泥量的減少和水質的提高有所抵消。
盡管膜組件更換依舊被認為是僅次于能耗的第二大OPEX成分，浸入式中空纖維膜的成本已經降至與RO膜相仿的水平，約$15-25/㎡。這是很顯著的進步，要知道MBR市場不像RO膜，非標化情況很普遍，MBR的膜組件一般不是完全隨便互換的。另一方面，平板膜的價格降幅則不太確定，盡管已經從90年代初的$400-500/㎡下降了一個數量級。
通過對主要參數的計算對比可以發(fā)現(xiàn)，膜通量是OPEX中影響力最高的因子，因為它同時影響了單位能耗和膜更換的成本。
CAPEX
Lo等人在2015對大型MBR污水廠的成本分析結果顯示，一個規(guī)模為20MLD的MBR廠的CAPEX約為每千立方35萬-68萬美元($0.35-0.68 M/MLD);并且類似RO海水淡化廠的情況，如果包含下游的UV消毒和初沉池預處理的話，CAPEX可以增加至$2.6M/MLD。雖然MBR的膜通量與RO相仿，但是單位面積的成本卻要更高。另外MBR廠與RO廠相比因為多出生物反應器，HRT至少要在6小時以上，所以上述研究顯示的低CAPEX有些跟預期相反，不過可能也跟設備要求和建材有關。
前景
跟RO膜一樣，MBR工藝要想從經典的膜分離工藝中進一步提升成本效率的空間很有限，因為曝氣減少始終會增加膜污染和堵塞的風險。后者造成的損失往往大于曝氣節(jié)省的開支。
但是新興的平板陶瓷膜，預計會比傳統(tǒng)的高分子膜壽命延長一倍，而且運行通量更高，可能會改變MBR膜選擇的格局。正如上邊膜的OPEX成本曲線圖所示，如果陶瓷材料的成本是高分子膜的4倍，但是其壽命若能延長一倍，通量又大一倍的話，那么前者的OPEX上將顯出優(yōu)勢。盡管目前陶瓷膜的價格依然較高，但我們有理由相信這終將會改變。日本公司Metawater十年前就有不少基于陶瓷膜材料的飲用水處理的工程應用，目前的材料價格在$80-160/㎡，10年前這價格還超過$1000/㎡。所以我們有足夠理由假設它的價格會繼續(xù)下降，就像高分子平板膜在過去15-25年的價格趨勢一樣。
膜技術研究的趨勢
在分析膜技術的研究趨勢方面，Simon Judd教授使用下表的文獻計量分析方法對RO海水淡化和MBR污水處理的關鍵詞進行了搜索統(tǒng)計。
文獻計量分析結果顯示了以下一些研究趨勢：
RO和MBR兩個領域的膜污染特征都非常強烈，尤其是MBR;
對RO而言，約45%的結垢問題屬于生物結垢;
預處理，尤其是超濾(UF)，一直都是RO海水淡化研究的重點;
成本，尤其是能耗，在RO海水淡化領域關注度比MBR高
RO方面的報告和論文關于節(jié)能的話題部分體現(xiàn)為太陽能和風能等可再生能源;
盡管能耗不是MBR研究的最主要焦點，通量卻成為其關于單位能耗的研究重點，而厭氧MBR的研究也穩(wěn)定增長;
關于正滲透的研究的增長也很明顯，從2007-08年間的0到2015-16期間的11%。
總的來說，文獻統(tǒng)計分析顯示兩個領域的研究在成本方面的差異，RO海水淡化關于成本的研究是MBR污水處理的16倍。盡管實際運行人員認為很多工藝參數對MBR的OPEX和可運行性相當重要，MBR研究貌似以膜結垢和結垢物的鑒定為主(占所有研究的25%)。Simon Judd教授在綜述報告最后指出，研究和工程應用之間的錯位并不是什么新發(fā)現(xiàn)，似乎暗示MBR領域的科學研究沒有很好地跟實際生產接軌，畢竟說到底錢的問題才是根本問題。
參考資料
Membrane technology costs and me, Simon Judd, Water Research, Volume 122, 1 October 2017, Pages 1-9, http://dx.doi.org/10.1016/j.watres.2017.05.027
來源:IWA國際水協(xié)會
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