膜生物反應器在中水回用中的技術(shù)經(jīng)濟分析

膜生物反應器作為中水回用技術(shù)將會(huì )愈來(lái)愈具有經(jīng)濟、技術(shù)上的競爭優(yōu)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(shí)例尚少，需結合我國的經(jīng)濟發(fā)展水平和MBR工藝的特點(diǎn)，進(jìn)一步加強研究以推動(dòng)其工程化應用的進(jìn)程。

膜生物反應器(MBR)是一種由膜分離單元與生物處理單元相結合的新型水處理技術(shù)，與傳統的生化處理技術(shù)相比，MBR具有以下主要特點(diǎn)：處理效率高、出水水質(zhì)好；設備緊湊、占地面積��；易實(shí)現自動(dòng)控制、運行管理簡(jiǎn)單。80年代以來(lái)，該技術(shù)愈來(lái)愈受到重視，成為水處理技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。目前，膜生物反應器已應用于美國、德國、法國、日本和埃及等十多個(gè)國家，處理規模在6～13000 m3/d。

1MBR在我國的應用現狀

近兩年來(lái)，膜生物反應器在國內已進(jìn)入了實(shí)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(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在我國推廣應用的主要方向。表1列舉了MBR在我國的應用實(shí)例及處理效果。這些應用實(shí)例表明：MBR對生活污水、高濃度有機廢水與難降解工業(yè)廢水的處理效果良好。
2MBR在中水回用中的經(jīng)濟分析

根據污水水量、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，應用于中水回用系統的MBR(規模為10～500 m3/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240 m3/d的回用系統做一初步的技術(shù)經(jīng)濟分析。

2.1不同MBR系統的費用分析

采取費用比較法進(jìn)行3類(lèi)MBR系統的經(jīng)濟分析，它包括兩部分：MBR系統的工程建設費用及運行費用。

表1MBR在我國的應用實(shí)例

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(jiàn)工程費)+膜的購置費用。 運行費用=設備折舊費用(以10 a計)+膜更換費用+動(dòng)力費用+其他費用(人員工資+維修清洗費 )。3類(lèi)MBR系統的建筑工程費和運行費用分別見(jiàn)表2，表3(技術(shù)設計費用均未考慮)。 從表2，表3可以看出：(1)3類(lèi)MBR系統的一次性投資費用大小依次為：無(wú)機膜MBR＞一體式MBR＞分離式MBR；(2)運行費用大小依次為：無(wú)機膜MBR＞分離式MBR＞一體式MBR；

表2不同MBR系統的建筑工程費用

(3)影響MBR系統運行費用的主要因素是動(dòng)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(guān)鍵因素；而動(dòng)力費用是影響分離式MBR系統運行費用的關(guān)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(jià)格為例，居民生活用水價(jià)格為1.8元/m3；賓館、洗車(chē)、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(yōu)勢。同時(shí)可節省水資源，具有環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。同時(shí)可以查看中國污水處理工程網(wǎng)更多技術(shù)文檔。

2.2影響MBR技術(shù)經(jīng)濟評價(jià)的相關(guān)因素分析目前，對MBR系統的技術(shù)經(jīng)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(jīng)濟評價(jià)。在表2中，一體式MBR(國產(chǎn)膜)膜通量設定為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器運行費用的影響，統計結果見(jiàn)圖1，圖2和圖3。

從圖1～圖3可以得出：膜通量的提高、膜壽命的延長(cháng)、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的運行費用。隨著(zhù)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的投資與運行費用也會(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(kāi)發(fā)已使其成本有很大降低。據估算，膜還有相當大的降價(jià)空間，在未來(lái)的3～5 a內，隨著(zhù)膜材料的改進(jìn)和生產(chǎn)規模的擴大，膜價(jià)格有望降為目前的40%～60%。隨著(zhù)膜性能的提高、使用壽命的延長(cháng)與膜價(jià)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(guān)鍵課題研究

由于膜通量的提高、膜壽命的延長(cháng)會(huì )大幅度降低MBR的運行費用，因此，在保證出水水質(zhì)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(guān)。

3.1膜的選擇

現有膜可分為有機膜和無(wú)機膜兩種。由于較高的投資成本限制了無(wú)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(wàn)。截留分子量越大，初始膜通量越大，但長(cháng)期運行膜通量未必越大。張洪宇進(jìn)行無(wú)機膜的通量衰減試驗表明：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)行膜通量衰減規律的研究發(fā)現：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(cháng)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(xué)清洗恢復率愈低。對于淹沒(méi)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(guò)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(méi)有明顯差別，因此淹沒(méi)式MBR多采用0.1～0.4 μm微濾膜。

3.2操作方式的優(yōu)化

當膜材料選定后，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穩定運行的重要操作，樊耀波通過(guò)確定最佳反沖洗周期，使分離式MBR的膜通量達到60 L/(m2·h)。針對抽吸淹沒(méi)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(guò)研究進(jìn)一步指出：縮短抽吸時(shí)間或延長(cháng)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(guò)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，減少了膜堵塞的機會(huì )。但絮凝劑的過(guò)量加入會(huì )使污泥活性受到抑制，影響反應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)。大量試驗表明：污泥過(guò)膜流態(tài)為層流，遠比紊流時(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：最小膜面流速與污泥濃度之間呈良好的線(xiàn)性關(guān)系。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(dòng)的過(guò)程中，水同時(shí)透過(guò)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(Rek)。何義亮的發(fā)現證實(shí)了這一推論，平板膜組件由紊流到層流的�玆ek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。

分離式MBR中，一般采用錯流過(guò)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?jīng)_刷膜表面的錯流過(guò)濾效果顯得尤為重要。劉銳通過(guò)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。

3.4能耗

能耗是污水處理工藝的一個(gè)重要的評價(jià)指標，直接關(guān)系到處理方法的可行性。目前，常規分離式MBR運行能耗為3～4 kW·h/m3，淹沒(méi)式MBR運行能耗為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)力費用是MBR推廣應用中遇到的主要問(wèn)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(guò)濾的能量以熱能的方式散發(fā)。顧平對抽吸淹沒(méi)式MBR的能耗分析表明：曝氣的能耗占總能耗的96%以上。通常研究者都認為能耗的降低與膜污染的控制是MBR研究領(lǐng)域兩個(gè)獨立的課題，而張紹園、鄭祥采用穿流式、錯流式膜組件進(jìn)行分離式MBR研究發(fā)現：能耗隨運行時(shí)間的延長(cháng)、膜污染的增加呈上升趨勢，從運行初期的不足0. 5 kW·h/m3增加到3 kW·h/m3。這說(shuō)明：分離式膜生物反應器的能耗問(wèn)題實(shí)質(zhì)是膜污染問(wèn)題。在實(shí)際工程中，由于系統各部件的不匹配(如風(fēng)機、水泵的實(shí)際處理能力高于MBR系統所需)也造成實(shí)際運行能耗高于理論能耗值。

為了進(jìn)一步降低能耗，顧平應用位差驅動(dòng)出水和低水頭間斷工作的重力淹沒(méi)式MBR，較好地克服了膜的污染與阻塞，使膜長(cháng)時(shí)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1.0 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(zhù)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器的開(kāi)發(fā)，如在低壓下運行的重力淹沒(méi)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(jiàn)，膜生物反應器作為中水回用技術(shù)將會(huì )愈來(lái)愈具有經(jīng)濟、技術(shù)上的競爭優(yōu)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(shí)例尚少，需結合我國的經(jīng)濟發(fā)展水平和MBR工藝的特點(diǎn)，進(jìn)一步加強研究以推動(dòng)其工程化應用的進(jìn)程。 來(lái)源：中國環(huán)保頻道