膜生物反應(yīng)器的技術(shù)經(jīng)濟分析報告

1、提要：膜生物反應(yīng)器（MBR尾通過膜分離技術(shù)強化污水生物處理的新技術(shù)。綜述了該技術(shù)在我國的應(yīng)用現(xiàn)狀；并對MBRffi行初步的技術(shù)經(jīng)濟分析。研究結(jié)果表明：影響膜生物反應(yīng)器運行費用的關(guān)鍵因素為膜通量和使用壽命。關(guān)鍵詞:膜生物反應(yīng)器污水處理膜技術(shù)膜通量膜壽命膜生物反應(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，MBRI有以下主要特點：處理效率高、出水水質(zhì)好；設(shè)備緊湊、占地面積??；易實現(xiàn)自動控制、運行管理簡單。80年代以來，該技術(shù)愈來愈受到重視，成為水處理技術(shù)研究的一個熱點。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國家，處理規(guī)模在61

2、3000m/d。MB也我國的應(yīng)用現(xiàn)狀近兩年來，膜生物反應(yīng)器在國內(nèi)已進入了實用化階段。MB除統(tǒng)的處理對象從生活污水?dāng)U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、黃泊污水等。從目前的趨勢看，中水回用將是MBRE我國推廣應(yīng)用的主要方向。表1列舉了MBRS我國的應(yīng)用實例及處理效果。這些應(yīng)用實例表明：MBR寸生活污水、高濃度有機廢水與難降解工業(yè)廢水的處理效果良好。MB也中水回用中的經(jīng)濟分析根據(jù)污水水量、水質(zhì)及處理難易程度的不同，MBRt理工業(yè)廢水的一次性投資通常在400010000元/m3,應(yīng)用于中水回用系統(tǒng)的MBR（規(guī)模為10500m3

3、/d）的一次性投資為25005000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240m3/d的回用系統(tǒng)做一初步的技術(shù)經(jīng)濟分析。不同MB朦統(tǒng)的費用分析采取費用比較法進行3類MB隘統(tǒng)的經(jīng)濟分析，它包括兩部分：MB朦統(tǒng)的工程建設(shè)費用及運行費用。工程建設(shè)費用=基建費用（建筑工程費+設(shè)備購置及安裝費+不可預(yù)見工程費）+膜的購置費用。運行費用=設(shè)備折舊費用（以10年計）+膜更換費用+動力費用+其他費用（人員工資+維修清洗費）。污廢水種類處理能力(m3/d)COD(mg/L)BOD(mg/L)NH-N(mg/L)SS(mg/L)進水出水進水出水進水出水進水出水洗浴污水10130

4、322409921250.5910.20.45500印染廢水11100150018050040黃泊廢水179001200010068051013018054750547010醫(yī)院污水254827825200.410241制藥廢水501500490018050016331029735415430103310大樓污水20092108232732839473.5食品廢水500754803類MB朦統(tǒng)的建筑工程費和運行費用分別見表2,表3(技術(shù)設(shè)計費用均未考慮)。從表2,表3可以看出：(1)3類MB蓋統(tǒng)的一次性投資費用大小依次為：無機膜MBR一體式乂8改分離式MBR(2)運行費用大小依次為：無機膜MB艮

5、分離式MBR一體式MBR表2不同MB朦統(tǒng)的建筑工程費用項目無機膜MBR一體式MBR分離式MBF進口國產(chǎn)進口國產(chǎn)國產(chǎn)基建費用（萬元）3535323235膜通量(L/(m2h)15015010.48.333.3膜面積（m2）67679601200300膜價格（元/m2）100004000450150300膜投資（萬元）672743189總投資（萬元）10262755044膜費用所占比例（）65.743.557.33620.5表3不同MB朦統(tǒng)的運行費用項目無機膜MBR一體式MBR分離式MBR進口國產(chǎn)進口國產(chǎn)國產(chǎn)設(shè)備折舊成本（兀/m3）0.40.40.360).360.4膜的使用壽命（a）101042

6、2膜的更換費用（元/m3）0.760.31.2511.00.5電耗(kWh/m3)550.80.83動力費用（元/m3）2.52.50.40.41.5其他費用（元/m3）0.150-150).150.150.15總費用（元/m3）3.83.352!.161.912.55膜的更換費用比（）209585220動力費用比（）39.544.82!11959注：處理規(guī)模240m3/d。電費按0.5元/（kWh）計。3）影響MB朦統(tǒng)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MB朦統(tǒng)運行費用的關(guān)鍵因素；而動力費用是影響分離式MB除統(tǒng)運行費用的關(guān)鍵因素。在3種MB朦統(tǒng)的建筑工程費用中

7、，一體式MBRf分離式MBR勺一次性投資基本相當(dāng)，而一體式MBR勺運行費用為分離式MBR勺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(yè)供水價格為3.05.0元/m3。一體式膜生物反應(yīng)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。同時可節(jié)省水資源，具有環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。2.2影響MB敢術(shù)經(jīng)濟評價的相關(guān)因素分析目前，對MB朦統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟分析的結(jié)論存在較大的差別。主要是由于在MB海統(tǒng)設(shè)計中，對膜的

8、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(yīng)器的經(jīng)濟評價。在表2中，一體式MBR國產(chǎn)膜）膜通量設(shè)定為8.33L/（m2h）,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(yīng)器運行費用的影響，統(tǒng)計結(jié)果見圖1，圖2和圖3。、限、無8.中用腆通振/L/（靖坨圖1膜通量對運行費用的影響膜的便用涔命圖2膜使用壽命對運行費用的影響從圖1圖3可以得出：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勺運行費用。隨著膜制造技術(shù)的進步，膜質(zhì)量的提高和膜制造成本的降低，MBR勺投資與運行

9、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(fā)已使其成本有很大降低。據(jù)估算，膜還有相當(dāng)大的降價空間，在未來的35a內(nèi)，隨著膜材料的改進和生產(chǎn)規(guī)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勺運行費用有望降低到1.0元/m3左右。3影響MBM用的關(guān)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勺運行費用，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，降低基建費用與運行費用。因此控制膜污染，保持較高的膜通量，是MBRF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)。膜的選擇現(xiàn)有

10、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(yīng)器在我國的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)MB隘統(tǒng)普遍采用有機膜。常用的膜材料為聚乙烯、聚丙烯等。分離式MBRI常采用超濾膜組件，截留分子量一般在230萬。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0.2的膜比0.8的膜更適合于MBR5。何義亮用PES平板膜組件進行膜通量衰減規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)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(xué)清洗恢復(fù)率愈低。對于淹沒式MBR

11、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(zhì)沒有明顯差別，因此淹沒式MB期采用0.10.4小山微濾膜。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勺膜通量達到60L/(m2h)。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

12、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(yīng)器的處理能力和處理效果5。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)1011。大量試驗表明

13、：污泥過膜流態(tài)為層流，遠(yuǎn)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(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1213。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(shù)(Re。何義亮的發(fā)現(xiàn)證實了這一推論，平板膜組件由紊流到層流的Ra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)200011。分離式MBW,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(shè)計合理的流道結(jié)構(gòu)，提高

14、膜間液體上升流速，使較大的曝氣量起到?jīng)_刷膜表面的錯流過濾效果顯得尤為重要。劉銳通過均勻設(shè)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(yīng)器結(jié)構(gòu)對液體上升流速的影響：在同樣的曝氣強度下，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流流速15。能耗能耗是污水處理工藝的一個重要的評價指標(biāo)，直接關(guān)系到處理方、-3.法的可行性。目前，常規(guī)分離式MBFte行能耗為34kW-h/m,淹沒式MBR行能耗為0.62kWh/m3,高于活性污泥法的0.30.4kWh/m3。較高的動力費用是MBR隹廣應(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MB世行費用高的主要原

15、因。張紹園分析了分離式MBR勺能耗組成：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)14。顧平對抽吸淹沒式MBR勺能耗分析表明：曝氣的能耗占總能耗的96犯上17。通常研究者都認(rèn)為能耗的降低與膜污染的控制是MBRF究領(lǐng)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MBRFF究發(fā)現(xiàn)：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0.5kWh/m3增加到3kWh/m314,16。這說明：分離式膜生物反應(yīng)器的能耗問題實質(zhì)是膜污染問題。在實際工程中，由于系統(tǒng)各部件的不匹配（如風(fēng)機、水泵的實際處理能力高于MBR（統(tǒng)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(yīng)用位差驅(qū)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(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1.0kWh/m317,i型MBRE實際工程中能耗已降到0.60.8kWh/m3。4結(jié)論盡管MBR勺運行費用略高于常規(guī)生物處理方法，但MBR勺處理出水能達