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视野 | "膜技术成本与我":膜技术应用领域的发展探讨

关注:日期:2018-03-25

IWA国际水协会的学术期刊Water Research经常邀请水处理领域的著名专家,编写各自细分领域的综述文章。上个星期我们跟大家分享了Willi Gujer教授在2010年发表的《Nitrification and me》。本期将介绍来自膜领域的Simon Judd教授撰写的关于膜技术成本的综述文章,题为《Membrane technology costs and me》。Simon Judd教授在英国克兰菲尔德大学(Cranfield University)水科学学院和卡塔尔大学环境工程系任教。他同时也领导和参与了很多有关膜、MBR、污水生物处理方面的全球项目,将科研和应用紧密结合在了一起。通过这篇综述文章,Simon Judd教授探讨了膜技术应用领域的发展,分享了他对膜技术成本问题的深刻见解。

简介

用于水处理的膜技术可追溯到十九世纪中叶,其中最早期的开拓性工作很大程度上归功于德国。德国人Wilibald Scht在1861年用牛心包膜截取阿拉伯胶,堪称世界上第一次超滤(UF)分离研究。到了20世纪初,Heinrich Bechhold(1907)开始较为系统地测试合成超滤膜,并首次提出了“ultrafilter”的概念。跟随Rid Zsigmondy和Willhelm Bachman等人的早期研究,德国Sartorius Werke Gmbh公司在上世纪20年代中期开始微滤(MF)膜的商业开发。用于淡化海水的反渗透(RO)膜虽然最初由美国研究人员在20世纪50年代开发,专利的申请却让在加拿大渥太华的Sydney Loeb和Srinivasa Sourirajan抢先一步,他们在1960年代初申请了不对称醋酸纤维素RO膜的专利。如今,制造方法和生产方面的大量商业进步和改进已经大大降低了各类膜的生产成本,而且大大提高了产品质量。


可以说,膜技术至少发展了半个世纪了;即使是关键的膜生物反应器(MBR)技术的发展也有一定历史了(其最原始工艺由Dorr Oliver在20世纪60年代后期开发)。尽管如此,膜技术在市政水务部门某些领域的发展仍遇到区域性、文化性或其他方面的阻力。BCC、Marketsand Markets、Frost and Sullivan等市场研究机构的数据显示,尽管跟传统水与废水处理设备行业的个位数百分比增长率相比,RO海水淡化和MBR技术的复合年均增长率(CAGR)为10-23%,膜技术的发展阻力依然存在。

在某些方面,人们不愿意选择膜技术是可以理解的。一些膜工艺和/或具体应用还存在运行问题,这些问题还没得到全面的解决。任何膜工艺的操作和维护(O&M)往往比其他经典工艺更复杂,因为要保持膜表面和膜通道的清洁。最终归根结底,与其他东西一样,经典方法和膜技术之间的选择,都归结为钱。

成本趋势对比

成本,无论怎么计算,都可以被归类为资金成本、投资成本,或运营/运营成本。对于工程应用级别的膜处理厂,运营支出(OPEX)主要包括能耗和化学品、关键部件更换(例如膜)、供水和排污费以及诸如人工和维修等其他项。资本支出(CAPEX)通常包括所有设备、安装服务、如土木工程、机电(M&E)和咨询,以及土地成本。通过CAPEX和OPEX可以计算净现值(NPV),以此估算融资成本。

显而易见的是,大家也关心科技和商业模式的发展如何对水处理和污水处理中实施和运行膜工艺装置的成本产生影响。Simon Judd教授的这篇综述将对两种已经实现商业应用的重要膜分离技术进行分析,包括了海水淡化的反渗透技术以及用于污水处理的MBR膜生物反应器技术。

除了自身市场增长显著之外,这两项技术在各自应用领域也扮演着重要角色。超过一半通过海水和咸水淡化产生的饮用水都是通过RO膜,全球市场价值相当于100亿英镑。MBR技术则是在生物化学效率和出水水质(澄清度和微生物含量)方面提供生物处理工艺可以达到的最高性能表现。

在海水淡化和污水处理两个领域,作者分别选取了热法处理和经典活性污泥工艺作为替代方案作对比分析。总的来说,关于资本支出的专门报道很少,而且往往缺少一致性、完整性,也不会具体列举细节。另外不同报告之间的人力和材料成本也有差别。对于RO和MBR技术而言,OPEX的下降主要得益于能效的改善。这也是大家用于不同技术之间的对比基础。

RO反渗透vs 热法海水淡化

自20世纪70年后期RO被应用于海水淡化以来,相关的成本分析就层出不穷。RO反渗透和热法海水淡化两种技术自面世以来,技术成本都得到显著下降。Zhou和Tol在2004年的数据显示多级闪蒸海水淡化技术(MSF)在上世纪50年代末期的成本约$9/m³,到2000年已降到其1/10,而RO的单位处理成本则从1977年的$4.5/m³降到2000年的$1.5/m³。

能耗

MSF和RO的能耗对比一般用以下公式进行计算,其中公式(1)计算MSF热法淡化的单位能耗,公式(2)则对应RO的单位能耗。



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