據(jù)IWA國(guó)際水協(xié)會(huì)微信公眾平臺(tái)2018年3月20日訊 IWA國(guó)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(zhuān)家，編寫(xiě)各自細(xì)分領(lǐng)域的綜述文章。本期IWA微信公眾號(hào)將介紹來(lái)自膜領(lǐng)域的西蒙·賈德（Simon Judd）教授撰寫(xiě)的關(guān)于膜技術(shù)成本的綜述文章，題為《Membrane technology costs and me》。西蒙·賈德教授在英國(guó)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(guò)這篇綜述文章，西蒙·賈德教授探討了膜技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，分享了他對(duì)膜技術(shù)成本問(wèn)題的深刻見(jiàn)解。

　　英國(guó)克蘭菲爾德大學(xué)（Cranfield University）西蒙·賈德（Simon Judd）教授

　　簡(jiǎn)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(kāi)拓性工作很大程度上歸功于德國(guó)。德國(guó)人威利鮑爾德·施密特（Wilibald Schmidt）在1861年用牛心包膜截取阿拉伯膠，堪稱(chēng)世界上第一次超濾（UF）分離研究。到了20世紀(jì)初，海因里希·貝�；舻拢℉einrich Bechhold）1907年開(kāi)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。跟隨理查德·席格蒙迪（Richard Zsigmondy）和威廉·巴赫曼（Willhelm Bachman）等人的早期研究，德國(guó)Sartorius Werke Gmbh公司在上世紀(jì)20年代中期開(kāi)始微濾（MF）膜的商業(yè)開(kāi)發(fā)。用于淡化海水的反滲透（RO）膜雖然最初由美國(guó)研究人員在20世紀(jì)50年代開(kāi)發(fā)，專(zhuān)利的申請(qǐng)卻讓在加拿大渥太華的悉尼·羅卜（Sydney Loeb）和斯里尼瓦薩·索里拉（Srinivasa Sourirajan）搶先一步，他們?cè)?960年代初申請(qǐng)了不對(duì)稱(chēng)醋酸纖維素RO膜的專(zhuān)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(lèi)膜的生產(chǎn)成本，而且大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

　　可以說(shuō)，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(kāi)發(fā)）。盡管如此，膜技術(shù)在市政水務(wù)部門(mén)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(zhǎng)率相比，RO海水淡化和MBR技術(shù)的復(fù)合年均增長(zhǎng)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(wèn)題，這些問(wèn)題還沒(méi)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�保持膜表面和膜通道的清潔。最終歸根結(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(qián)。

　　成本趨勢(shì)對(duì)比

　　成本，無(wú)論怎么計(jì)算，都可以被歸類(lèi)為資金成本、投資成本，或運(yùn)營(yíng)/運(yùn)營(yíng)成本。對(duì)于工程應(yīng)用級(jí)別的膜處理廠，運(yùn)營(yíng)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它項(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(xún)，以及土地成本。通過(guò)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(jiàn)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。西蒙·賈德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(zhǎng)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(guò)一半通過(guò)海水和咸水淡化產(chǎn)生的飲用水都是通過(guò)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�(lái)說(shuō)，關(guān)于資本支出的專(zhuān)門(mén)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，運(yùn)營(yíng)支出（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(lái)，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(lái)，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美元/立方米，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美元/立方米降到2000年的1.5美元/立方米。 

　　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。

　　▲ 影響RO單位能耗SED的關(guān)鍵參數(shù)的影響分析

　　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(guò)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(lái)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。

　　其他運(yùn)營(yíng)支出（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(guò)50%），化學(xué)品消耗和膜更換加起來(lái)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(shuō)通過(guò)更頻繁和激進(jìn)的化學(xué)品清洗可以使膜壽命延長(zhǎng)至10年。

　　資本支出（CAPEX）

　　正如之前提到的，資本支出（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(guò)BOT等合同和相關(guān)資本運(yùn)作，開(kāi)支可以相對(duì)減輕。下表中幾座知名海水淡化廠的資本支出（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。

　　▲ 不同RO海水淡化廠的對(duì)比

　　前景

　　盡管在一些能源價(jià)格低的國(guó)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(méi)有變化，大型組合廠的價(jià)格目前在0.8～1.1美元/立方米之間。

　　而經(jīng)過(guò)過(guò)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美元/立方米。尤其是高壓濃水能量回收技術(shù)使單位能耗從1990年的8.1千瓦小時(shí)/立方米減少到今天的4千瓦小時(shí)/立方米左右。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(lái)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(yáng)能和地?zé)崮苁侵饕�獲取途徑，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的運(yùn)營(yíng)支出（OPEX）更高。這些報(bào)告的作者一般認(rèn)為MBR在資本支出（CAPEX）方面優(yōu)勢(shì)明顯，因?yàn)橥恋爻杀靖咭约懊摰�除磷的要求。而膜造價(jià)也從1992年的400美元/平方米降至2005年的低于50美元/平方米（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(lái)，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(lái)說(shuō)，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0.016～0.025千瓦小時(shí)/立方米（工藝曝氣的略高，因?yàn)槌厣钜稽c(diǎn)）。過(guò)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 千瓦小時(shí)/立方米。

　　其他運(yùn)營(yíng)支出（OPEX）因素

　　跟RO膜類(lèi)似，不考慮“因地而異”的人工和其他勞務(wù)費(fèi)用，MBR的運(yùn)營(yíng)支出（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)。總的來(lái)說(shuō)，如果不考慮清洗頻率和其他維修需求，運(yùn)營(yíng)支出（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(guò)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運(yùn)營(yíng)支出（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美元/平方米。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美元/平方米下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)。 

　　通過(guò)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�同時(shí)影響了單位能耗和膜更換的成本。

　　▲ MBR單位能耗關(guān)鍵參數(shù)的影響

　　資本支出（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廠的資本支出（CAPEX）約為每千立方35萬(wàn)～68萬(wàn)美元（$0.35～0.68 M/MLD）；并且類(lèi)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，資本支出（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�物反�?yīng)器，HRT至少要在6小時(shí)以上，所以上述研究顯示的低資本支出（CAPEX）有些跟預(yù)期相反，不過(guò)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(kāi)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(zhǎng)一倍，而且運(yùn)行通量更高，可能會(huì)改變MBR膜選擇的格局。正如上邊膜的運(yùn)營(yíng)支出（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(zhǎng)一倍，通量又大一倍的話，那么前者的運(yùn)營(yíng)支出（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美元/平方米，10年前這價(jià)格還超過(guò)1000美元/平方米。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(guò)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，西蒙·賈德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)量分析使用的詞條

　　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(wèn)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(yáng)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(zhǎng)；

　　●關(guān)于正滲透的研究的增長(zhǎng)也很明顯，從2007～2008年間的0到2015～2016期間的11%。

　　▲ 膜法海水滲透和MBR污水處理的研究趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)

　　總的來(lái)說(shuō)，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%）。西蒙·賈德教授在綜述報(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(méi)有很好地跟實(shí)際生產(chǎn)接軌，畢竟說(shuō)到底錢(qián)的問(wèn)題才是根本問(wèn)題。