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本文摘要:摘要:膜生物反应器(MBR)是成熟期,代表未来污水处理技术,在21世纪初的10年间实现了前所未有的应用,一度有取代传统活性污泥工艺(CAS)的趋势。膜分离技术蓬勃发展的日本,2005年建成了第一个大型MBR市污水处理工程,处理规模约为4200平方米3/D。

通量

摘要:膜生物反应器(MBR)是成熟期,代表未来污水处理技术,在21世纪初的10年间实现了前所未有的应用,一度有取代传统活性污泥工艺(CAS)的趋势。但是MBR工程与近年来全球市场急剧下滑、在中国市场大幅深化的“冷床”形成鲜明对比。最终,高能源消费和膜污染等高疾病在技术、经济、管理等方面综合比较高的CAS,与可持续发展的全球理念背道而驰。以MBR发展过程为基础,分析衰退的原因,展望未来的应用。

MBR工程适用于全球理性回归,短路的中国市场不应成为救援。尤其是对中国目前蓬勃发展的地下式MBR。作者简介:胡晓智(1960-),男,陕西柳林人,博士,教授,专攻市政和环境工程专业学科教授,主要是污水生物干氮去除技术,污水处理数学模拟技术,可持续环境生物技术,现为国际水协杂志《Water Research》地区主编。

1开发过程MBR过程概念最早始于美国。20世纪60年代,美国Dorr-Oliver首先将膜分离和生物处理工艺的融合用作废水处理领域。当初的处置规模仅为14平方米3/d,但这是MBR工艺的初期形式。

MBR工艺开发初期都是侧流工艺,也就是说,膜过滤系统独立于国家,在生物反应地外,泥浆需要通过循环泵转移到生物反应罐。循环泵不仅不进行特殊MBR工程运行的能源消耗,而且当时膜分离技术缓慢,膜组件价格昂贵,当时MBR处于实验室试验或试验水平,没有进行大规模的实际应用。20世纪70年代和80年代,MBR大体上处于研发阶段。

在此期间,国土面积狭小、水资源不足的日本政府启动了“水兴90年计划”研究项目,在高层建筑中将MBR工艺用作污水回收系统,1983年至1987年,13家公司利用MBR工艺处理建筑污水,有必要推进MBR技术发展。1989年,水龙头式MBR工艺首次引入生物处理系统,将膜过滤系统置于生物反应池内,停止外部流动循环泵,使报废装置更加灵活,平均耗电量也从初期的5KW H/M3降至2KW H/M3。嵌入式膜组件经常出现,关闭了MBR工程适用的大门,逐渐沦为主流,工艺正在向全世界延伸。

(威廉莎士比亚,坦普林,科学技术)(Walliam Sameters,temply)(20世纪90年代以后,新的膜材料经常出现,MBR工艺运行更加顺畅,能源消耗也进一步减少。加拿大Zenon公司接连销售油管和浸水型中空纤维膜组件,日本Kubota公司开发平板型水龙头膜组件,北美、欧洲和日本争相制造小型MBR项目,作为市政污水和工业废水处置。

20世纪90年代中期,日本有39个使用MBR工艺的污水处理厂,处理规模仅次于平均500平方米3/d,同时100多座高楼使用MBR工艺进行污水处理后再利用。1997年,英国在Porlock设立了仅次于当时世界规模(2000m3/d)的MBR污水处理厂,1999年在Dorset建成了规模为13000m3/d的MBR污水处理厂。进入21世纪后,随着膜分离技术、组装结构和设备生产的变化、各国污水处理废弃标准的放宽,MBR工艺很快受到了世界各国的关注。特别是在中国,得到了非常普遍的应用,可以说是突如其来的突起。

2应用趋势2.1单体处置规模减少MBR工艺在首次应用于污水处理时,由于外膜过滤系统能耗过低,呼吸困难被用作大型市政污水处理项目,仅适用于小型产业或家庭污水处理(500m3/d)。随着低功耗内置水龙头式MBR工艺的频繁出现,MBR运营能耗减少,处置规模减少,从1995年到2000年,最高1000平方米3/d的工程开始频繁出现。膜分离技术蓬勃发展的日本,2005年建成了第一个大型MBR市污水处理工程,处理规模约为4200平方米3/D。

2008年西班牙建成时,欧洲规模下一个MBR工程(San Pedro del Pinatar)污水处理厂规模为4.8 104M3/D。美国弗吉尼亚州Broad Run污水处理厂规模约为7.3 104M3/D,仅次于北美,仅次于MBR工程。北京温榆河污水处理厂规模约为10104m3/d。从2008年开始,MBR工程经过多年的运营优化、膜技术水平的提高、膜组件成本的减少,规模不再像以前一样,超强20104m3/d的工程在全球范围内开始猛增(表1)。

其中,位于瑞典斯德哥尔摩的Henriksdal污水处理厂将于2018年完成MBR升级改造并开始运营,处置规模将超过86.4104m3/d,沦为世界MBR工程应用的“巨无霸”。已经运营的北京绘画房污水再造处理厂和处置规模约为60104m3/d,是当今世界MBR实际应用的“大哥”。

这一切都是由于期终价格的大幅减少,目前期终市场均价从20世纪90年代最低的400美元/m2降至目前的50美元/m2以下。表1全球大型MBR适用于项目国际权威MBR,在全球约20年的时间里,将700多个大型MBR污水处理厂应用于情况,展开了较大的统计。图1右侧的MBR工程已应用于趋势图。应用2.2增长率锐减1 1996年-2017年全球MBR工程应用于数量趋势FIG . 1 Application Trends of MBR installations in the world between 1999 and 2017进入21世纪,北美和欧洲率先获得MBR技术,随后又进入亚洲和其他地区MBR工程应用于2009年至2012年跨越鼎盛时期。

之后开始反弹,未来两年适用仅占鼎盛时期的10%。MBR的快速增长衰退在全球范围内进行,欧洲和北美在21世纪头10年经历“恋爱”后突然经历“爱情”,追加项目数量骤减,2009年后亚洲沦为MBR技术应用主力,2012年后全球大型MBR项目主要集中在中国。

MBR市场的快速增长上升也可以通过市场的全球年充电增长率(CAGR)和市场总额得知,CAGR可以反映特定产业的快速增长潜力和预期。随着2008年MBR工艺进入鼎盛时期,全球水务市场分析人士悲观地预测,国际MBR市场到2018年将达到22.4%,到2018年全球MBR市场价值总额将超过34.4亿美元。但是,根据英国BBC Research的最新报告,2014年全球MBR市场总额为4.25亿美元,预计到2019年为7.77亿美元,年CAGR仅为12.8%,与2008年的预测相去甚远。BBC研究还推出了全球各大洲MBR市场CAGR预测,如图2的右图所示。

图2显示2014年以来亚太地区MBR市场的年增长率低于欧洲和北美。融合度1数据显示,自2014年以来,世界MBR市场的快速增长主要由亚太地区主导,其中中国地区增加量对亚太地区的总快速增长呈现出有意义的份额贡献。图2 2014-2019年世界MBR预计年填充增长率(CAGR)FIG . 2 Compound annual Growth rate(CAGR)of MBR Installations Predicted by BBC research低运营成本投资胶卷组件比CAS磁针钉还便宜,自动化操作水平越高,使用越广泛。

据调查,我国市政污水处理适用于MBR(规模1104m3/d)技术经济数据,MBR投资费用为2500~5000元/m3(不包括土建、膜系统和其他设备投资),平均为3800元/m3,远远高于全国城市污水处理场。CAS工艺超过与MBR完全相同的水质时,应减少三级过滤系统(如沙屏)。

尽管如此,MBR投资仍然比CAS低10%到30%。MBR的高能耗主要有两个原因。

(1)由于膜污染或堵塞,通量增加,维持设计通量需要冷却。(2)曝光池生物量低(MLSS8000mg/L),要保持较高的溶解氧浓度(DO=3~4mg/L),要减少曝光量以减缓膜污染。冷却维持膜通量和曝气是MBR高能耗的主要原因,占总能耗的40% ~ 50%,其中膜池内曝气能耗约占总能耗的30% ~ 40%。

经过半个世纪的发展,发现通过改变曝气方式,曝气能源消耗明显减少,MBR工艺的能源消耗也大幅减少,已经从最初的5kW减少。(威廉莎士比亚,Northern Exposure(美国电视剧),)H/m3现在平均下降到2kW了吗?H/m3级别。

表2总结了一些国家适用于MBR流程能源消耗的情况。CAS过程的平均能耗是0.30kW吗?与H/m3相比,MBR工艺能耗达到60%至900%。因此,因能源消费问题而成为最后生产大国的日本停止了对大型市政府MBR项目的审查。

因此,日本自2013年以来开始开发新的MBR技术,将能源消费控制在0.4KW。H/m3。

表2世界各国MBR项目平均能源消费表2 Average Energy consumption of MBR installations in the world 3.2膜污染和通量上升膜污染和控制及去除在技术层面已经做了很多有益的工作,但没有完全解决这个问题最终不会再次发生。为了长时间保持过滤器流动,通过在线(维护)去除和离线(恢复性)化学去除,膜污染问题不会减少,但膜去除不会延长膜的寿命,经常更换薄膜部件也不会减少运营成本。

减少

另外,膜通量问题也越来越受到关注。在处置量波动小的情况下,膜组件通量的可靠性经不起时间的考验。污水处理厂进水流量是一个动态变化过程,它随着气候、季节等因素而变化,流量变化对MBR工艺的长期运行没有小的影响。MBR膜组件没有无限通量。

如果最大无限通量流入或膜污染导致膜通量上升,则某些远远超过通量的污水无法通过膜过滤处理。一般的处置方法是减少一个流量调节池或进行可用的膜或溢出处理,但不减少投资成本和运营成本。

实际操作中,一般MBR刚启动前几年可能会有膜通量,但随着时间的推移,即使经常发生膜污染现象,通量也不会增加。为此,在水波动较小的地区,自由选择MBR工艺时要特别慎重。3.3标准化缺陷现在刚生产企业很多,刚产品种类也多种多样。

每个供应商都有自己的数据库和设计规范,但没有形成统一的行业标准和规范,生产厂规格型号、外形规格不同,相互兼容。设备缺乏标准化首先会给设计和订购带来困难,应用时经常需要更换胶卷部件,标准化缺陷的缺点更加突出。

更换品牌意味着新的设计膜系统,减少运营成本。同一品牌的膜部件接连两种型号也经常不兼容。2008年德国R?这经常发生在dingen项目刚刚更换组件时,并强迫新的设计膜系统。

此外,一站式标准化工作服务的不足经常导致膜供应商和建设当事人僵化,安装过程中膜组件经常受损。膜市场标准化已经引起人们的追捧,日本自2012年以来已经正式成立专家委员会,就MBR标准化问题展开争论。

欧盟资助的“城市污水净化膜发展加速(AMEDEUS)”项目也包括MBR标准化建设。市场标准化最终将影响各大膜生产企业的经济利益,因此,膜标准化过程至今仍面临困难,严重影响MBR工程推广。(威廉莎士比亚、Northern Exposure(美国电视剧)、市场名言)4展望未来的MBR工艺在水质和占地面积方面有两大优势,但综合技术、经济、管理等综合因素使MBR被确认为不可持续的工艺。

MBR只有在土地、空间被苛刻允许的情况下,才能表现出独特的优势。否则,CAS尸体将具备综合竞争力。

荷兰Varsseveld污水处理厂MBR示范项目运营8年后,自由选择拆除,用CAS砂纸代替。荷兰唯一的几名MBR也相继全部被拆除。但是位于瑞典斯德哥尔摩的MBR“巨无霸”Henriksdal项目将沦为世界第二大MBR污水处理厂,备受关注。这一相当大的工程即将运营并不意味着MBR将再次掀起应用热潮。

该项目的自由选择集中在北欧寒冷冬天经常发生的低温、雪、结冰等严重问题上,希望考虑将该工程放在斯德哥尔摩市中心的地下岩洞。岩石结构空间狭小,需要根据欧盟的波罗的海计划(BSAP)输入水质,持续扩大处置规模,不得不自由选择MBR工艺进行升级改造。

(阿尔伯特爱因斯坦,Northern Exposure(美国电视连续剧),)国土面积狭小的新加坡近年来大力发展了“新生水”项目。MBR能够持续获得顺畅的优质流入水,适合反渗透,节省传统反渗透前所需的微滤/边界(MF/UF),因此,与CAS工程相比,综合能耗能否节省0.13 kW?H/m3,可以减少土地使用费用。因此,在非常缺水、俗气的新加坡,MBR可能比CAS具有应用优势。类似新加坡的情况也经常出现在缺水的海湾国家的再创造项目中。

此外,这些国家的油比水更有“淑女”、“用油换水”在这些国家具有明显的优势。与上述国家相似的应用情况相比,我国大规模应用MBR技术的理由可能不够充分。特别是近年来经常出现的地下仪式MBR。

毫无疑问,土地、空间不足、一些便宜的大、中城市不得不适用于MBR。但是,将MBR作为未来污水处理技术的发展方向,全面升级现有的、新的未来污水处理设施(甚至扩展到农村污水处理设施)是显而易见的。对我国发展中的地下式MBR应该更轻,但它不是可持续的工艺。

5结论除中国外,MBR工艺在全球范围内暴跌不是有意的现象。高能消费和膜污染背负着不可持续的名字。

如果MBR这两个引人注目的弊端不能在未来得到根本的解决方案,那工程就很难维持。只有在特定情况下(土地非常不足,空间非常有限,相当严重的缺水,水比油贵),才能应用于MBR,从而获得被动自由选择的好处。

在这些特定情况下,MBR也不是唯一的自由选择。例如,好氧颗粒污泥技术比它更有优势。


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