膜生物反應器的技術經濟思考
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1MBR在我國的應用現狀
近兩年來,膜生物反應器在國內已進入了實用化階段。MBR系統的處理對象從生活污水擴展到高濃度有機廢水和難降解工業廢水,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在我國推廣應用的主要方向。列舉了MBR在我國的應用實例及處理效果。這些應用實例表明:MBR對生活污水、高濃度有機廢水與難降解工業廢水的處理效果良好。
2MBR在中水回用中的經濟分析
根據污水水量、水質及處理難易程度的不同,MBR處理工業廢水的一次性投資通常在4000~10000元/m3,應用于中水回用系統的MBR(規模為10~500m3/d)的一次性投資為2500~5000元/m3,處理規模越大,單位處理污水量的一次性投資越低。本文以處理規模為240m3/d的回用系統做一初步的技術經濟分析。
2•1不同MBR系統的費用分析
采取費用比較法進行3類MBR系統的經濟分析,它包括兩部分:MBR系統的工程建設費用及運行費用。工程建設費用=基建費用(建筑工程費+設備購置及安裝費+不可預見工程費)+膜的購置費用。運行費用=設備折舊費用(以10a計)+膜更換費用+動力費用+其他費用(人員工資+維修清洗費)。3類MBR系統的建筑工程費和運行費用分別見表2,表3(技術設計費用均未考慮)。從表2,表3可以看出:(1)3類MBR系統的一次性投資費用大小依次為:無機膜MBR>一體式MBR>分離式MBR;(2)運行費用大小依次為:無機膜MBR>分離式MBR>一體式MBR;(3)影響MBR系統運行費用的主要因素是動力費用與膜的更換費用。膜的更換費用是影響一體式MBR系統運行費用的關鍵因素;而動力費用是影響分離式MBR系統運行費用的關鍵因素。在3種MBR系統的建筑工程費用中,一體式MBR與分離式MBR的一次性投資基本相當,而一體式MBR的運行費用為分離式MBR的75%。我國是缺水國家,北方地區缺水更為嚴重,許多城市不得不采取限量供水和超量用水加倍收費等措施。因此,中水回用對于合理用水和節約水資源勢在必行。以北京市2000年供水價格為例,居民生活用水價格為1•8元/m3;賓館、洗車、洗浴等行業供水價格為3•0~5•0元/m3。一體式膜生物反應器總運行成本為1•9元/m3,用于中水回用具有明顯的競爭優勢。同時可節省水資源,具有環境效益和經濟效益。
2•2影響MBR技術經濟評價的相關因素分析
目前,對MBR系統的技術經濟分析的結論存在較大的差別。主要是由于在MBR系統設計中，對膜的處理能力(膜通量)與膜使用壽命的估計存在很大的差別,直接影響對膜生物反應器的經濟評價。在表2中,一體式MBR(國產膜)膜通量設定為8•33L/(m2•h),膜的使用壽命為2a,膜價格為150元/m2。下文僅討論膜通量、膜的使用壽命及膜價格的單因素變化對一體式膜生物反應器運行費用的影響。膜通量的提高、膜壽命的延長、膜價格的降低中任何單一因素的研究進展均會大幅度降低MBR的運行費用。隨著膜制造技術的進步,膜質量的提高和膜制造成本的降低,MBR的投資與運行費用也會隨之大幅度降低。如聚乙烯中空纖維膜等新型膜材料的開發已使其成本有很大降低。據估算,膜還有相當大的降價空間,在未來的3~5a內,隨著膜材料的改進和生產規模的擴大,膜價格有望降為目前的40%~60%。隨著膜性能的提高、使用壽命的延長與膜價格的降低,MBR的運行費用有望降低到1•0元/m3左右。
3影響MBR應用的關鍵課題研究
由于膜通量的提高、膜壽命的延長會大幅度降低MBR的運行費用,因此,在保證出水水質的前提下,膜通量應盡可能大,這樣可減少膜的使用面積,降低基建費用與運行費用。因此控制膜污染,保持較高的膜通量,是MBR研究的重要內容。而膜通量與膜材料、操作方式、水力條件等因素密切相關。
3•1膜的選擇
現有膜可分為有機膜和無機膜兩種。由于較高的投資成本限制了無機膜生物反應器在我國的廣泛應用,國內MBR系統普遍采用有機膜。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,但長期運行膜通量未必越大。張洪宇進行無機膜的通量衰減試驗表明:孔徑0•2μm的膜比0•8μm的膜更適合于MBR[5]。何義亮用PES平板膜組件進行膜通量衰減規律的研究發現[6]:在該試驗條件下,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,化學清洗恢復率愈低。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,微濾膜與超濾膜的出水水質沒有明顯差別,因此淹沒式MBR多采用0•1~0•4μm微濾膜。
3•2操作方式的優化
當膜材料選定后,其物化性質也就基本確定了,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穩定運行的重要操作,樊耀波通過確定最佳反沖洗周期[7],使分離式MBR的膜通量達到60L/(m2•h)。針對抽吸淹沒式MBR,Yamamoto提出間歇式抽吸方式可有效減緩膜污染。桂萍通過研究進一步指出:縮短抽吸時間或延長停吸時間和增加曝氣量均有利于減緩膜污染,抽吸時間對膜阻力的上升影響最大,曝氣量其次[8]。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[9]。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,減少了膜堵塞的機會。但絮凝劑的過量加入會使污泥活性受到抑制,影響反應器的處理能力和處理效果[5]。
3•3水力學特性的改善
改善膜面附近料液的流體力學條件,如提高流體的膜面流速,減少濃差極化,使被截留的溶質及時被帶走,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流速下污泥濃度對膜通量的影響,發現MLSS對膜通量的影響程度與膜面循環流速有關[10~11]。大量試驗表明:污泥過膜流態為層流,遠比紊流時易于堵塞,因此從理論上確定不同污泥濃度下紊流發生的最小膜面流速(Vmin)有重要意義。邢傳宏、彭躍蓮研究均發現:最小膜面流速與污泥濃度之間呈良好的線性關系[12~13]。但他們對臨界膜面流速的計算值可能偏高,因為污泥沿流道流動的過程中,水同時透過膜流出,增加了流體在垂直方向的紊動,從而在一定程度上降低了下臨界雷諾數(Rek)。何義亮的發現證實了這一推論,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2000[11]。分離式MBR中,一般采用錯流過濾的方式,這有助于防止膜面沉積污染。對于一體式MBR,設計合理的流道結構,提高膜間液體上升流速,使較大的曝氣量起到沖刷膜表面的錯流過濾效果顯得尤為重要。劉銳通過均勻設計試驗,得到適合活性污泥流體的膜間液體上升模型,提出反應器結構對液體上升流速的影響:在同樣的曝氣強度下,反應器越高,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流流速[15]。
3•4能耗
能耗是污水處理工藝的一個重要的評價指標,直接關系到處理方法的可行性。目前,常規分離式MBR運行能耗為3~4kW•h/m3,淹沒式MBR運行能耗為0•6~2kW•h/m3,高于活性污泥法的0•3~0•4kW•h/m3。較高的動力費用是MBR推廣應用中遇到的主要問題之一。許多研究結果也表明:能耗是造成MBR運行費用高的主要原因。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[14]。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[17]。通常研究者都認為能耗的降低與膜污染的控制是MBR研究領域兩個獨立的課題,而張紹園、鄭祥采用穿流式、錯流式膜組件進行分離式MBR研究發現:能耗隨運行時間的延長、膜污染的增加呈上升趨勢,從運行初期的不足0•5kW•h/m3增加到3kW•h/m3[14,16]。這說明:分離式膜生物反應器的能耗問題實質是膜污染問題。在實際工程中,由于系統各部件的不匹配(如風機、水泵的實際處理能力高于MBR系統所需)也造成實際運行能耗高于理論能耗值。為了進一步降低能耗,顧平應用位差驅動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,使膜長時間保持較大的膜通量,并且省去復雜的氣水反沖洗設備和降低曝氣量,使MBR處理生活污水的能耗可下降到1•0kW•h/m3[17],該型MBR在實際工程中能耗已降到0•6~0•8kW•h/m3。
4結論
盡管MBR的運行費用略高于常規生物處理方法,但MBR的處理出水能達到中水回用的目的,且隨著膜制造技術的進步,膜質量的提高和膜制造成本的降低,MBR的投資也會隨之大幅度降低。另外,各種新型膜生物反應器的開發,如在低壓下運行的重力淹沒式MBR、厭氧MBR等與傳統的好氧加壓膜生物反應器相比,其運行費用大幅度下降。因此可以預見,膜生物反應器作為中水回用技術將會愈來愈具有經濟、技術上的競爭優勢。預計中水回用將是MBR在我國推廣應用的主要方向。目前我國膜生物反應器在中水回用中的應用實例尚少,需結合我國的經濟發展水平和MBR工藝的特點,進一步加強研究以推動其工程化應用的進程。
