IWA國際水協(xié)會(huì)的學(xué)術(shù)期刊Water Research經(jīng)常邀請(qǐng)水處理領(lǐng)域的著名專家，編寫各自細(xì)分領(lǐng)域的綜述文章。上個(gè)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(lǐng)域的Simon Judd教授撰寫的關(guān)于膜技術(shù)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(xué)(Cranfield University)水科學(xué)學(xué)院和卡塔爾大學(xué)環(huán)境工程系任教。他同時(shí)也領(lǐng)導(dǎo)和參與了很多有關(guān)膜、MBR、污水生物處理方面的全球項(xiàng)目，將科研和應(yīng)用緊密結(jié)合在了一起。通過這篇綜述文章，Simon Judd教授探討了膜技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，分享了他對(duì)膜技術(shù)成本問題的深刻見解。
簡介
用于水處理的膜技術(shù)可追溯到十九世紀(jì)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(jì)初，Heinrich Bechhold(1907)開始較為系統(tǒng)地測(cè)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(jì)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(jì)50年代開發(fā)，專利的申請(qǐng)卻讓在加拿大渥太華的Sydney Loeb和Srinivasa Sourirajan搶先一步，他們?cè)?960年代初申請(qǐng)了不對(duì)稱醋酸纖維素RO膜的專利。如今，制造方法和生產(chǎn)方面的大量商業(yè)進(jìn)步和改進(jìn)已經(jīng)大大降低了各類膜的生產(chǎn)成本，而且大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量。
可以說，膜技術(shù)至少發(fā)展了半個(gè)世紀(jì)了;即使是關(guān)鍵的膜生物反應(yīng)器(MBR)技術(shù)的發(fā)展也有一定歷史了(其最原始工藝由Dorr Oliver在20世紀(jì)60年代后期開發(fā))。盡管如此，膜技術(shù)在市政水務(wù)部門某些領(lǐng)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(chǎng)研究機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)顯示，盡管跟傳統(tǒng)水與廢水處理設(shè)備行業(yè)的個(gè)位數(shù)百分比增長率相比，RO海水淡化和MBR技術(shù)的復(fù)合年均增長率(CAGR)為10-23%，膜技術(shù)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(shù)是可以理解的。一些膜工藝和/或具體應(yīng)用還存在運(yùn)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(hù)(O&M)往往比其他經(jīng)典工藝更復(fù)雜，因?yàn)橐３帜け砻婧湍ねǖ赖那鍧崱Ｗ罱K歸根結(jié)底，與其他東西一樣，經(jīng)典方法和膜技術(shù)之間的選擇，都?xì)w結(jié)為錢。
成本趨勢(shì)對(duì)比
成本，無論怎么計(jì)算，都可以被歸類為資金成本、投資成本，或運(yùn)營/運(yùn)營成本。對(duì)于工程應(yīng)用級(jí)別的膜處理廠，運(yùn)營支出(OPEX)主要包括能耗和化學(xué)品、關(guān)鍵部件更換(例如膜)、供水和排污費(fèi)以及諸如人工和維修等其他項(xiàng)。資本支出(CAPEX)通常包括所有設(shè)備、安裝服務(wù)、如土木工程、機(jī)電(M&E)和咨詢，以及土地成本。通過CAPEX和OPEX可以計(jì)算凈現(xiàn)值(NPV)，以此估算融資成本。
顯而易見的是，大家也關(guān)心科技和商業(yè)模式的發(fā)展如何對(duì)水處理和污水處理中實(shí)施和運(yùn)行膜工藝裝置的成本產(chǎn)生影響。Simon Judd教授的這篇綜述將對(duì)兩種已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用的重要膜分離技術(shù)進(jìn)行分析，包括了海水淡化的反滲透技術(shù)以及用于污水處理的MBR膜生物反應(yīng)器技術(shù)。
除了自身市場(chǎng)增長顯著之外，這兩項(xiàng)技術(shù)在各自應(yīng)用領(lǐng)域也扮演著重要角色。超過一半通過海水和咸水淡化產(chǎn)生的飲用水都是通過RO膜，全球市場(chǎng)價(jià)值相當(dāng)于100億英鎊。MBR技術(shù)則是在生物化學(xué)效率和出水水質(zhì)(澄清度和微生物含量)方面提供生物處理工藝可以達(dá)到的最高性能表現(xiàn)。
在海水淡化和污水處理兩個(gè)領(lǐng)域，作者分別選取了熱法處理和經(jīng)典活性污泥工藝作為替代方案作對(duì)比分析?？偟膩碚f，關(guān)于資本支出的專門報(bào)道很少，而且往往缺少一致性、完整性，也不會(huì)具體列舉細(xì)節(jié)。另外不同報(bào)告之間的人力和材料成本也有差別。對(duì)于RO和MBR技術(shù)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(shù)之間的對(duì)比基礎(chǔ)。
RO反滲透vs 熱法海水淡化
自20世紀(jì)70年后期RO被應(yīng)用于海水淡化以來，相關(guān)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(shù)自面世以來，技術(shù)成本都得到顯著下降。Zhou和Tol在2004年的數(shù)據(jù)顯示多級(jí)閃蒸海水淡化技術(shù)(MSF)在上世紀(jì)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(duì)比一般用以下公式進(jìn)行計(jì)算，其中公式(1)計(jì)算MSF熱法淡化的單位能耗，公式(2)則對(duì)應(yīng)RO的單位能耗。
上邊的關(guān)系式顯示對(duì)不同技術(shù)而言，能耗受不同參數(shù)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(shù)影響，而RO則受進(jìn)水鹽的濃度影響。
在SED的分析中我們可以得到一些很基礎(chǔ)的重要信息：通過對(duì)四個(gè)重要參數(shù)各自改善10%對(duì)能耗變化的計(jì)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(gè)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(xué)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(xué)品消耗和膜更換加起來的貢獻(xiàn)率在15-25%之間，具體比例取決于進(jìn)水水質(zhì)、運(yùn)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(jìn)的化學(xué)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(guān)，尤其是涉及到大量的土木工程和管網(wǎng)的情況。有些情況下，通過BOT等合同和相關(guān)資本運(yùn)作，開支可以相對(duì)減輕。下表中幾座知名海水淡化廠的CAPEX數(shù)據(jù)顯示，單位流量的水費(fèi)差異較大，但這跟場(chǎng)地情況相關(guān)，例如是否和其他廠共用設(shè)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(jià)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(jià)格目前在$0.8-1.1/m3之間。
而經(jīng)過過去15年能效20-30%的改進(jìn)率，對(duì)應(yīng)的RO技術(shù)單位價(jià)格約$0.5/m3。尤其是高壓濃水能量回收技術(shù)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(jīng)從2005年的60:40變成35:65(2016年的數(shù)據(jù))。
未來能效的進(jìn)一步提高將集中在可再生能源的使用上。對(duì)于熱法而言，太陽能和地?zé)崮苁侵饕@取途徑，對(duì)RO膜法而言則主要是光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電。
MBR vs. 傳統(tǒng)活性污泥技術(shù)
近幾年關(guān)于MBR的成本分析研究(例如Young等人關(guān)于浸入式中空纖維膜的綜述)已經(jīng)顯示一些MBR的總成本要優(yōu)于經(jīng)典的活性污泥技術(shù)，盡管MBR的OPEX更高。這些報(bào)告的作者一般認(rèn)為MBR在CAPEX方面優(yōu)勢(shì)明顯，因?yàn)橥恋爻杀靖咭约懊摰椎囊蟆６ぴ靸r(jià)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(chǎng)主導(dǎo)產(chǎn)品浸入式中空纖維膜的運(yùn)行情況則顯示自20世紀(jì)90年代中期以來，能耗已經(jīng)減少了一個(gè)數(shù)量級(jí)。
能耗
對(duì)于經(jīng)典活性污泥法和MBR工藝來說，SED主要貢獻(xiàn)因子是曝氣，除了用于給生物質(zhì)提供氧氣之外，對(duì)于MBR，還用于膜的沖洗。
根據(jù)曝氣器在反應(yīng)器的深度，EA,m和EA,bio兩個(gè)曝氣能量參數(shù)略有不同，但都在0.016-0.025 kWh/Nm3(工藝曝氣的略高，因?yàn)槌厣钜稽c(diǎn))。過去15年的時(shí)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(wù)費(fèi)用，MBR的OPEX成分主要也是由化學(xué)品的使用和膜更換構(gòu)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(guān)?？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(yùn)行費(fèi)用永遠(yuǎn)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(zhì)的提高有所抵消。
盡管膜組件更換依舊被認(rèn)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(jīng)降至與RO膜相仿的水平，約$15-25/㎡。這是很顯著的進(jìn)步，要知道MBR市場(chǎng)不像RO膜，非標(biāo)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(jià)格降幅則不太確定，盡管已經(jīng)從90年代初的$400-500/㎡下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)。
通過對(duì)主要參數(shù)的計(jì)算對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，膜通量是OPEX中影響力最高的因子，因?yàn)樗瑫r(shí)影響了單位能耗和膜更換的成本。
CAPEX
Lo等人在2015對(duì)大型MBR污水廠的成本分析結(jié)果顯示，一個(gè)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(yù)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?yàn)槎喑錾锓磻?yīng)器，HRT至少要在6小時(shí)以上，所以上述研究顯示的低CAPEX有些跟預(yù)期相反，不過可能也跟設(shè)備要求和建材有關(guān)。
前景
跟RO膜一樣，MBR工藝要想從經(jīng)典的膜分離工藝中進(jìn)一步提升成本效率的空間很有限，因?yàn)槠貧鉁p少始終會(huì)增加膜污染和堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。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(yù)計(jì)會(huì)比傳統(tǒng)的高分子膜壽命延長一倍，而且運(yùn)行通量更高，可能會(huì)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(shì)。盡管目前陶瓷膜的價(jià)格依然較高，但我們有理由相信這終將會(huì)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(yīng)用，目前的材料價(jià)格在$80-160/㎡，10年前這價(jià)格還超過$1000/㎡。所以我們有足夠理由假設(shè)它的價(jià)格會(huì)繼續(xù)下降，就像高分子平板膜在過去15-25年的價(jià)格趨勢(shì)一樣。
膜技術(shù)研究的趨勢(shì)
在分析膜技術(shù)的研究趨勢(shì)方面，Simon Judd教授使用下表的文獻(xiàn)計(jì)量分析方法對(duì)RO海水淡化和MBR污水處理的關(guān)鍵詞進(jìn)行了搜索統(tǒng)計(jì)。
文獻(xiàn)計(jì)量分析結(jié)果顯示了以下一些研究趨勢(shì)：
RO和MBR兩個(gè)領(lǐng)域的膜污染特征都非常強(qiáng)烈，尤其是MBR;
對(duì)RO而言，約45%的結(jié)垢問題屬于生物結(jié)垢;
預(yù)處理，尤其是超濾(UF)，一直都是RO海水淡化研究的重點(diǎn);
成本，尤其是能耗，在RO海水淡化領(lǐng)域關(guān)注度比MBR高
RO方面的報(bào)告和論文關(guān)于節(jié)能的話題部分體現(xiàn)為太陽能和風(fēng)能等可再生能源;
盡管能耗不是MBR研究的最主要焦點(diǎn)，通量卻成為其關(guān)于單位能耗的研究重點(diǎn)，而厭氧MBR的研究也穩(wěn)定增長;
關(guān)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(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析顯示兩個(gè)領(lǐng)域的研究在成本方面的差異，RO海水淡化關(guān)于成本的研究是MBR污水處理的16倍。盡管實(shí)際運(yùn)行人員認(rèn)為很多工藝參數(shù)對(duì)MBR的OPEX和可運(yùn)行性相當(dāng)重要，MBR研究貌似以膜結(jié)垢和結(jié)垢物的鑒定為主(占所有研究的25%)。Simon Judd教授在綜述報(bào)告最后指出，研究和工程應(yīng)用之間的錯(cuò)位并不是什么新發(fā)現(xiàn)，似乎暗示MBR領(lǐng)域的科學(xué)研究沒有很好地跟實(shí)際生產(chǎn)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(huì)
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