膜生物反應(yīng)器在中水回用中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
膜生物反應(yīng)器作為中水回用技術(shù)將會(huì)愈來愈具有經(jīng)濟(jì)、技術(shù)上的競爭優(yōu)勢。預(yù)計(jì)中水回用將是MBR在我國推廣應(yīng)用的主要方向。目前我國膜生物反應(yīng)器在中水回用中的應(yīng)用實(shí)例尚少，需結(jié)合我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和MBR工藝的特點(diǎn)，進(jìn)一步加強(qiáng)研究以推動(dòng)其工程化應(yīng)用的進(jìn)程。
膜生物反應(yīng)器(MBR)是一種由膜分離單元與生物處理單元相結(jié)合的新型水處理技術(shù)，與傳統(tǒng)的生化處理技術(shù)相比，MBR具有以下主要特點(diǎn)：處理效率高、出水水質(zhì)好；設(shè)備緊湊、占地面積。灰讓(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、運(yùn)行管理簡單。80年代以來，該技術(shù)愈來愈受到重視，成為水處理技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。目前，膜生物反應(yīng)器已應(yīng)用于美國、德國、法國、日本和埃及等十多個(gè)國家，處理規(guī)模在6～13000 m3/d。
1MBR在我國的應(yīng)用現(xiàn)狀
近兩年來，膜生物反應(yīng)器在國內(nèi)已進(jìn)入了實(shí)用化階段。 MBR系統(tǒng)的處理對象從生活污水?dāng)U展到高濃度有機(jī)廢水和難降解工業(yè)廢水，如制藥廢水、化工廢水、食品廢水、屠宰廢水、煙草廢水、豆制品廢水、糞便污水、黃泔污水等。從目前的趨勢看，中水回用將是MBR在我國推廣應(yīng)用的主要方向。表1列舉了MBR在我國的應(yīng)用實(shí)例及處理效果。這些應(yīng)用實(shí)例表明：MBR對生活污水、高濃度有機(jī)廢水與難降解工業(yè)廢水的處理效果良好。
2MBR在中水回用中的經(jīng)濟(jì)分析
根據(jù)污水水量、水質(zhì)及處理難易程度的不同，MBR處理工業(yè)廢水的一次性投資通常在4000 ～10000 元/m3，應(yīng)用于中水回用系統(tǒng)的MBR(規(guī)模為10～500 m3/d)的一次性投資為2500～5000 元/m3，處理規(guī)模越大，單位處理污水量的一次性投資越低。本文以處理規(guī)模為240 m3/d的回用系統(tǒng)做一初步的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。
2.1不同MBR系統(tǒng)的費(fèi)用分析
采取費(fèi)用比較法進(jìn)行3類MBR系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)分析，它包括兩部分：MBR系統(tǒng)的工程建設(shè)費(fèi)用及運(yùn)行費(fèi)用。
表1MBR在我國的應(yīng)用實(shí)例
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工程建設(shè)費(fèi)用=基建費(fèi)用(建筑工程費(fèi)+設(shè)備購置及安裝費(fèi)+不可預(yù)見工程費(fèi))+膜的購置費(fèi)用。 運(yùn)行費(fèi)用=設(shè)備折舊費(fèi)用(以10 a計(jì))+膜更換費(fèi)用+動(dòng)力費(fèi)用+其他費(fèi)用(人員工資+維修清洗費(fèi) )。3類MBR系統(tǒng)的建筑工程費(fèi)和運(yùn)行費(fèi)用分別見表2，表3(技術(shù)設(shè)計(jì)費(fèi)用均未考慮)。 從表2，表3可以看出：(1)3類MBR系統(tǒng)的一次性投資費(fèi)用大小依次為：無機(jī)膜MBR＞一體式MBR＞分離式MBR；(2)運(yùn)行費(fèi)用大小依次為：無機(jī)膜MBR＞分離式MBR＞一體式MBR；
表2不同MBR系統(tǒng)的建筑工程費(fèi)用
表 3 不同MBR系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用
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(3)影響MBR系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的主要因素是動(dòng)力費(fèi)用與膜的更換費(fèi)用。膜的更換費(fèi)用是影響一體式MBR系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的關(guān)鍵因素；而動(dòng)力費(fèi)用是影響分離式MBR系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的關(guān)鍵因素。在3種MBR系統(tǒng)的建筑工程費(fèi)用中，一體式MBR與分離式MBR的一次性投資基本相當(dāng)，而一體式 MBR的運(yùn)行費(fèi)用為分離式MBR的75%。我國是缺水國家，北方地區(qū)缺水更為嚴(yán)重，許多城市不得不采取限量供水和超量用水加倍收費(fèi)等措施。因此，中水回用對于合理用水和節(jié)約水資源勢在必行。以北京市2000年供水價(jià)格為例，居民生活用水價(jià)格為1.8元/m3；賓館、洗車、洗浴等行業(yè)供水價(jià)格為3.0～5.0元/m3。一體式膜生物反應(yīng)器總運(yùn)行成本為1.9元/m3 ，用于中水回用具有明顯的競爭優(yōu)勢。同時(shí)可節(jié)省水資源，具有環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。
2.2影響MBR技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的相關(guān)因素分析目前，對MBR系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的結(jié)論存在較大的差別。主要是由于在MBR系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對膜的處理能力(膜通量)與膜使用壽命的估計(jì)存在很大的差別，直接影響對膜生物反應(yīng)器的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。在表2中，一體式MBR(國產(chǎn)膜)膜通量設(shè)定為8.33 L/(m2·h)，膜的使用壽命為2a，膜價(jià)格為150元/m2。下文僅討論膜通量、膜的使用壽命及膜價(jià)格的單因素變化對一體式膜生物反應(yīng)器運(yùn)行費(fèi)用的影響，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖1，圖2和圖3。
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從圖1～圖3可以得出：膜通量的提高、膜壽命的延長、膜價(jià)格的降低中任何單一因素的研究進(jìn)展均會(huì)大幅度降低MBR的運(yùn)行費(fèi)用。隨著膜制造技術(shù)的進(jìn)步，膜質(zhì)量的提高和膜制造成本的降低，MBR的投資與運(yùn)行費(fèi)用也會(huì)隨之大幅度降低。如聚乙烯中空纖維膜等新型膜材料的開發(fā)已使其成本有很大降低。據(jù)估算，膜還有相當(dāng)大的降價(jià)空間，在未來的3～5 a內(nèi)，隨著膜材料的改進(jìn)和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，膜價(jià)格有望降為目前的40%～60%。隨著膜性能的提高、使用壽命的延長與膜價(jià)格的降低，MBR的運(yùn)行費(fèi)用有望降低到1.0元/m3左右。
3影響MBR應(yīng)用的關(guān)鍵課題研究
由于膜通量的提高、膜壽命的延長會(huì)大幅度降低MBR的運(yùn)行費(fèi)用，因此，在保證出水水質(zhì)的前提下，膜通量應(yīng)盡可能大，這樣可減少膜的使用面積，降低基建費(fèi)用與運(yùn)行費(fèi)用。因此控制膜污染，保持較高的膜通量，是MBR研究的重要內(nèi)容。而膜通量與膜材料、操作方式、水力條件等因素密切相關(guān)。
3.1膜的選擇
現(xiàn)有膜可分為有機(jī)膜和無機(jī)膜兩種。由于較高的投資成本限制了無機(jī)膜生物反應(yīng)器在我國的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)MBR系統(tǒng)普遍采用有機(jī)膜。常用的膜材料為聚乙烯、聚丙烯等。分離式MBR通常采用超濾膜組件，截留分子量一般在2～30萬。截留分子量越大，初始膜通量越大，但長期運(yùn)行膜通量未必越大。張洪宇進(jìn)行無機(jī)膜的通量衰減試驗(yàn)表明：孔徑0.2μm的膜比0.8 μm的膜更適合于MBR。何義亮用PES平板膜組件進(jìn)行膜通量衰減規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)：在該試驗(yàn)條件下，膜初始通量衰減主要是由于濃差極化引起，膜截留分子量愈小，通量衰減率愈大；膜長期運(yùn)行的通量衰減主要是由于膜污染引起，膜截留分子量愈大，通量衰減幅度愈大，化學(xué)清洗恢復(fù)率愈低。對于淹沒式MBR，既可用超濾膜，也可使用微濾膜。由于膜表面的凝膠層也起到了過濾作用，在處理生活污水時(shí)，微濾膜與超濾膜的出水水質(zhì)沒有明顯差別，因此淹沒式MBR多采用0.1～0.4 μm微濾膜。
3.2操作方式的優(yōu)化
當(dāng)膜材料選定后，其物化性質(zhì)也就基本確定了，操作方式就成為影響膜污染的主要因素。為了減緩膜污染，反沖洗是維持分離式MBR穩(wěn)定運(yùn)行的重要操作，樊耀波通過確定最佳反沖洗周期，使分離式MBR的膜通量達(dá)到60 L/(m2·h)。針對抽吸淹沒式MBR，山本提出間歇式抽吸方式可有效減緩膜污染。桂萍通過研究進(jìn)一步指出：縮短抽吸時(shí)間或延長停吸時(shí)間和增加曝氣量均有利于減緩膜污染，抽吸時(shí)間對膜阻力的上升影響最大，曝氣量其次。
不僅污泥濃度、混合液粘度等影響膜通量，混合液本身的過濾性能，如活性污泥性狀，生物相也影響膜通量的衰減。有研究表明：粉末活性炭與絮凝劑的加入有助于改善泥水分離性能，形成體積更大、粘性更小的污泥絮體，減少了膜堵塞的機(jī)會(huì)。但絮凝劑的過量加入會(huì)使污泥活性受到抑制，影響反應(yīng)器的處理能力和處理效果。
3.3水力學(xué)特性的改善
改善膜面附近料液的流體力學(xué)條件，如提高流體的膜面流速，減少濃差極化，使被截留的溶質(zhì)及時(shí)被帶走，能有效降低膜的污染，保持較高的膜通量。黃霞、何義亮分別采用PAN平板式超濾膜、PAN/PS管式膜組件考察不同膜面循環(huán)流速下污泥濃度對膜通量的影響，發(fā)現(xiàn)MLSS 對膜通量的影響程度與膜面循環(huán)流速有關(guān)。大量試驗(yàn)表明：污泥過膜流態(tài)為層流，遠(yuǎn)比紊流時(shí)易于堵塞，因此從理論上確定不同污泥濃度下紊流發(fā)生的最小膜面流速(Vmin)有重要意義。邢傳宏、彭躍蓮研究均發(fā)現(xiàn)：最小膜面流速與污泥濃度之間呈良好的線性關(guān)系。但他們對臨界膜面流速的計(jì)算值可能偏高，因?yàn)槲勰嘌亓鞯懒鲃?dòng)的過程中，水同時(shí)透過膜流出，增加了流體在垂直方向的紊動(dòng)，從而在一定程度上降低了下臨界雷諾數(shù)(Rek)。何義亮的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了這一推論，平板膜組件由紊流到層流的Rek為1083，外壓管式膜組件的 Rek為966，均小于一般牛頓流體的下臨界雷諾數(shù)2000。
分離式MBR中，一般采用錯(cuò)流過濾的方式，這有助于防止膜面沉積污染。對于一體式MBR，設(shè)計(jì)合理的流道結(jié)構(gòu)，提高膜間液體上升流速，使較大的曝氣量起到?jīng)_刷膜表面的錯(cuò)流過濾效果顯得尤為重要。劉銳通過均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)，得到適合活性污泥流體的膜間液體上升模型，提出反應(yīng)器結(jié)構(gòu)對液體上升流速的影響：在同樣的曝氣強(qiáng)度下，反應(yīng)器越高，上升流通道越窄，下降流通道與底部通道越寬，則越能獲得較大的膜間錯(cuò)流流速。
3.4能耗
能耗是污水處理工藝的一個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，直接關(guān)系到處理方法的可行性。目前，常規(guī)分離式MBR運(yùn)行能耗為3～4 kW·h/m3，淹沒式MBR運(yùn)行能耗為0.6～2 kW·h/m3，高于活性污泥法的0.3～0.4 kW·h/m3。較高的動(dòng)力費(fèi)用是MBR推廣應(yīng)用中遇到的主要問題之一。許多研究結(jié)果也表明：能耗是造成MBR運(yùn)行費(fèi)用高的主要原因。張紹園分析了分離式MBR的能耗組成：泵的熱能損失、曝氣能耗、管道阻力能耗、膜組件能耗和回流污泥水頭損失能耗，其耗能大小依次為：膜組件＞泵＞曝氣＞管道＞回流污泥，膜組件能耗占總能耗的40%～50%，其中 80%用于膜過濾的能量以熱能的方式散發(fā)。顧平對抽吸淹沒式MBR的能耗分析表明：曝氣的能耗占總能耗的96%以上。通常研究者都認(rèn)為能耗的降低與膜污染的控制是MBR研究領(lǐng)域兩個(gè)獨(dú)立的課題，而張紹園、鄭祥采用穿流式、錯(cuò)流式膜組件進(jìn)行分離式MBR研究發(fā)現(xiàn)：能耗隨運(yùn)行時(shí)間的延長、膜污染的增加呈上升趨勢，從運(yùn)行初期的不足0. 5 kW·h/m3增加到3 kW·h/m3。這說明：分離式膜生物反應(yīng)器的能耗問題實(shí)質(zhì)是膜污染問題。在實(shí)際工程中，由于系統(tǒng)各部件的不匹配(如風(fēng)機(jī)、水泵的實(shí)際處理能力高于MBR系統(tǒng)所需)也造成實(shí)際運(yùn)行能耗高于理論能耗值。
為了進(jìn)一步降低能耗，顧平應(yīng)用位差驅(qū)動(dòng)出水和低水頭間斷工作的重力淹沒式MBR，較好地克服了膜的污染與阻塞，使膜長時(shí)間保持較大的膜通量，并且省去復(fù)雜的氣水反沖洗設(shè)備和降低曝氣量，使MBR處理生活污水的能耗可下降到1.0 kW·h/m3，該型MBR在實(shí)際工程中能耗已降到0.6～0.8 kW·h/m3。
4結(jié)論
盡管MBR的運(yùn)行費(fèi)用略高于常規(guī)生物處理方法，但MBR的處理出水能達(dá)到中水回用的目的，且隨著膜制造技術(shù)的進(jìn)步，膜質(zhì)量的提高和膜制造成本的降低，MBR的投資也會(huì)隨之大幅度降低。另外，各種新型膜生物反應(yīng)器的開發(fā)，如在低壓下運(yùn)行的重力淹沒式MBR、厭氧MBR等與傳統(tǒng)的好氧加壓膜生物反應(yīng)器相比，其運(yùn)行費(fèi)用大幅度下降。因此可以預(yù)見，膜生物反應(yīng)器作為中水回用技術(shù)將會(huì)愈來愈具有經(jīng)濟(jì)、技術(shù)上的競爭優(yōu)勢。預(yù)計(jì)中水回用將是MBR在我國推廣應(yīng)用的主要方向。目前我國膜生物反應(yīng)器在中水回用中的應(yīng)用實(shí)例尚少，需結(jié)合我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和MBR工藝的特點(diǎn)，進(jìn)一步加強(qiáng)研究以推動(dòng)其工程化應(yīng)用的進(jìn)程。
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