王凱軍：高品質(zhì)再生水的成本沒(méi)你想象的那么高
污水再生回用已經(jīng)非常廣泛，主要是處理后的城市生活污水為城市綠化、河道景觀補(bǔ)水等水質(zhì)要求不高的功能提供水源。在這些增加水資源供給的措施中，污水回用在產(chǎn)水成本上具有顯著優(yōu)勢(shì)，且已經(jīng)在世界上得到廣泛應(yīng)用。高品質(zhì)回用主要是指飲用水，包括間接飲用水和直接飲用水回用及在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中利用，如電子產(chǎn)業(yè)工藝過(guò)程、鍋爐補(bǔ)水應(yīng)用等等。其中，大家更多集中在對(duì)于直接飲用和非直接飲用技術(shù)的探討。然而，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，以目前幾乎是最嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的飲用水回用為目標(biāo)的新生水處理為例，其價(jià)格可能并沒(méi)有人們想象中的那么高。本文向大家分享新技術(shù)的發(fā)展，尤其是膜技術(shù)的應(yīng)用，希望可以推動(dòng)大規(guī)模、低成本的高品質(zhì)再生水回用。
1傳統(tǒng)處理工藝與傳統(tǒng)再生水利用
從針對(duì)一級(jí)A的提標(biāo)改造、到準(zhǔn)IV類(lèi)水達(dá)標(biāo)，再到飲水級(jí)別的高品質(zhì)回用，隨著污水處理及回用標(biāo)準(zhǔn)的提高，水處理工藝的性能要求不斷上升。令人望而卻步的是，同步上漲的處理費(fèi)用和系統(tǒng)的復(fù)雜性。傳統(tǒng)再生水處理(如IV類(lèi)水提標(biāo)改造)的目標(biāo)往往是通過(guò)水質(zhì)提升進(jìn)一步削減污染物排放，從而提升區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量。近年來(lái)有研究認(rèn)為，在當(dāng)前我國(guó)水環(huán)境治理階段，在污染物削減層面考慮到污水工藝不斷升級(jí)的邊際削弱效應(yīng)，加強(qiáng)管網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)維護(hù)、實(shí)現(xiàn)雨污分流及更高水平的污水收集，比進(jìn)一步提升污水再生水標(biāo)準(zhǔn)具有更高的投資回報(bào)率和更顯著的環(huán)境效應(yīng)。
再生水回用的標(biāo)準(zhǔn)非常寬泛，本處的“高品質(zhì)”指的是從水質(zhì)上超越常規(guī)IV/III類(lèi)地表水標(biāo)準(zhǔn)，其范疇主要是針對(duì)飲用(間接或直接)以及工業(yè)生產(chǎn)特殊需求(如電子元件加工、鍋爐補(bǔ)水等)等方面。非直接飲用過(guò)程是指在處理完成后混合到水庫(kù)里，再經(jīng)由水庫(kù)運(yùn)送到飲用水廠處理后飲用;直接飲用過(guò)程是通過(guò)直接與飲用水池相混合而實(shí)現(xiàn)的直接飲用的工藝過(guò)程。相比之下，高品質(zhì)再生水在資源屬性上與傳統(tǒng)污水處理和再生水存在顯著差異，其在目標(biāo)上同時(shí)滿足拓寬飲用水水源來(lái)源、實(shí)現(xiàn)工業(yè)用水高附加值利用等用途，即在環(huán)境效益上削減污染物，并具有環(huán)境功能實(shí)現(xiàn)手段上的唯一性。
2高品質(zhì)再生水利用與雙膜處理工藝的進(jìn)步
在如何利用高品質(zhì)再生水解決水資源問(wèn)題上，新加坡給了我國(guó)非常正面的啟示。由于新加坡水資源長(zhǎng)期受制于馬來(lái)西亞，新加坡決定通過(guò)增加非傳統(tǒng)水資源如海水淡化及污水回用、雨水利用等措施徹底解決水資源問(wèn)題。他們的目標(biāo)是到2060年水資源完全不依賴外部供給，其中新生水用量可以達(dá)到55%，從而徹底解決新加坡水資源的危機(jī)問(wèn)題。新加坡的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，人類(lèi)在水資源利用上是可以有所作為的，關(guān)鍵是怎么來(lái)做。
在傳統(tǒng)二級(jí)處理的基礎(chǔ)上，”臭氧+活性炭過(guò)濾“工藝和”超濾+反滲透“雙膜工藝是最常用的兩條高品質(zhì)再生水處理技術(shù)路線。反滲透工藝的概念最早起源于美國(guó)21世紀(jì)水廠，之后在新加坡發(fā)揚(yáng)光大，成為解決區(qū)域水資源問(wèn)題的“利器”。新加坡第一座NEWater(新生水)處理廠在2002年建成，樟宜二期水廠被認(rèn)為是第二代NEWater主力工藝，二級(jí)處理未來(lái)計(jì)劃采用MBR工藝，這也是解決系統(tǒng)復(fù)雜性的一次嘗試。
雙膜法——大規(guī)模、低成本的高品質(zhì)再生水回用的技術(shù)解決方案
基于規(guī)模效應(yīng)，低成本往往是與大規(guī)模聯(lián)系在一起的。從海水中大規(guī)模制取可飲用淡水一直是人類(lèi)的夢(mèng)想！禡IT科技評(píng)論》2015年度選出的年度十大黑科技之一即為基于世界最大海水淡化廠Sorek的大規(guī)模雙膜技術(shù)。相對(duì)于海水，污水回用是更方便、也更容易的非常規(guī)水資源再生利用途徑。近二十年以來(lái)，無(wú)論是海水淡化還是高品質(zhì)再生水，基于RO膜法工藝的規(guī)模大型化既是市場(chǎng)的需求，也是技術(shù)的趨勢(shì)。目前，十萬(wàn)噸規(guī)模以上的大型工程層出不窮，甚至在近期有望得到百萬(wàn)噸級(jí)別。清華北控研究院在2012年在市科委支持下開(kāi)展了重大科技項(xiàng)目，為北京市膜法百萬(wàn)噸海水淡化項(xiàng)目進(jìn)行前期技術(shù)準(zhǔn)備。雙膜法的發(fā)展不但和海淡的發(fā)展有關(guān)系，同時(shí)與高品質(zhì)再生水的發(fā)展也是密切相關(guān)的。
3北控的新加坡樟宜二期項(xiàng)目的技術(shù)亮點(diǎn)
為應(yīng)對(duì)大規(guī)模海水淡化的需求，以色列IDE公司曾在工程設(shè)計(jì)中提出“三個(gè)中心”的理念，即膜中心、泵中心、能量回收中心。北控水務(wù)在樟宜二期項(xiàng)目中自覺(jué)和不自覺(jué)地踐行了“三個(gè)中心”的設(shè)計(jì)理念。樟宜二期NEWater部分的電耗在產(chǎn)能為70%時(shí)僅僅只有0.75度電/m3，反映到RO部分的電耗只有0.3度電/m3？紤]到新加坡獨(dú)特的氣候和水質(zhì)條件，這也意味著一旦中國(guó)應(yīng)用這個(gè)工藝，新生水的價(jià)格可以大幅度的降低到一個(gè)非常有競(jìng)爭(zhēng)力的水平。因此，雙膜工藝的能耗能降到這個(gè)水平，非常值得我們關(guān)注。
1、膜中心的核心在于反滲透膜堆(train)和膜元件兩個(gè)層面實(shí)現(xiàn)大型化
北控水務(wù)最初在曹妃甸建了一個(gè)5萬(wàn)噸的海水淡化廠，當(dāng)時(shí)我去參觀后一個(gè)非常深的感觸。我想，5萬(wàn)噸就需要上長(zhǎng)達(dá)百多米的廠房，百萬(wàn)噸不得20個(gè)這樣的廠子，占地面積太大。所以在做北京市科委的課題時(shí)，我們就在想怎么減少占地降低一個(gè)Train能否做到5萬(wàn)噸。前幾年我到韓國(guó)的普漢參觀，10萬(wàn)噸新生水規(guī)模，膜堆是5000噸。我非常高興地看到在新加坡樟宜二期里，膜堆達(dá)到了的兩萬(wàn)噸的規(guī)模，新加坡一期工程的時(shí)候嘗試過(guò)16英寸，16英寸大型膜元件已經(jīng)取代傳統(tǒng)8英寸組件在全球最大海水淡化廠(sorek)得到應(yīng)用。這是我介紹的膜中心理念的應(yīng)用。膜中心不光是占地，而且是節(jié)省投資，同時(shí)管線大量減少、控制元件大量減少，這是膜中心的概念。
2、泵中心的核心在于大型泵的高效和優(yōu)化運(yùn)行，從而控制泵耗，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本
大泵效率可達(dá)到88%以上到90%，而小泵只有80%左右，這個(gè)差異在長(zhǎng)期運(yùn)行中電費(fèi)是非常顯著的。提出泵中心的概念以后，設(shè)計(jì)上利用大型泵實(shí)現(xiàn)更高的能耗利用效率(88%以上)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的流量和壓力供給，同時(shí)再通過(guò)小型泵以及能量回收裝置來(lái)應(yīng)對(duì)不同工況下的流量與壓力的變化。新加坡樟宜二期實(shí)際處理原水30萬(wàn)噸/d，采用了4臺(tái)大的泵(其中一臺(tái)備用)供水，一臺(tái)泵的功率是2兆瓦，供給10萬(wàn)噸的水，充分在設(shè)計(jì)上體現(xiàn)了泵中心的理念。處理水以后能夠0.3度電/m3，我們國(guó)內(nèi)還是在1度到1.5度電/m3的范疇。
3、能量回收中心：能量回收裝置
能量回收中心依據(jù)聯(lián)機(jī)渦輪、水力渦輪、壓力交換等不同原理存在不同產(chǎn)家提供的專業(yè)化產(chǎn)品，其在海水淡化高壓反滲透領(lǐng)域起到了革命性影響，在污水低壓反滲透領(lǐng)域效果較弱。然而，樟宜二期首次在大型工程中采用渦輪增壓機(jī)模式的能量回收裝置，優(yōu)化設(shè)計(jì)以后也能實(shí)現(xiàn)約10%的節(jié)能效果。
雙膜法提供了大規(guī)模、低成本的高品質(zhì)再生水回用技術(shù)解決方案。北控水務(wù)新生水AQENT™工藝在新加坡樟宜二期處理Newater量為30萬(wàn)噸。基于優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)與運(yùn)維，在RO段的噸水電耗可以控制在約0.3度，遠(yuǎn)低于我國(guó)同等條件下在每噸1-1.5度的能耗水平。目前國(guó)內(nèi)MBR工藝直接運(yùn)行費(fèi)用約0.45-0.6元/噸，考慮到在優(yōu)化MBR基礎(chǔ)上可以直接耦合RO形成緊湊型雙膜工藝，計(jì)算增加的RO電耗，噸水直接運(yùn)行成本有望低于1塊錢(qián)。相比目前國(guó)內(nèi)的水處理費(fèi)用水平，當(dāng)然，實(shí)際的價(jià)格畢竟還需要綜合考慮具體工程的設(shè)備折舊及膜材料更換等綜合成本。與我國(guó)(尤其低于我國(guó)北方地區(qū))比，新加坡污水水溫常年30°C左右，高于我國(guó)(10°C~30°C)，且水質(zhì)硬度低，這些條件都利用維持反滲透系統(tǒng)處于更高的性能水平。即便如此，新技術(shù)的發(fā)展尤其是膜技術(shù)的應(yīng)用，有望推動(dòng)大規(guī)模、低成本的高品質(zhì)再生水回用在我國(guó)實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用，緩解我國(guó)水資源緊張、水環(huán)境惡化的困局。
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