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终于有人把膜污染成本算清楚了

发布日期:2021-07-18 来源: IWA
  从事水研究的朋友估计或多或少都知道膜污染对纳滤和反渗透的负面影响,这方面的文献也有很多。我们也常说膜污染会产生巨大的运行成本,但是鲜有科学文献对其进行核算。最近,荷兰和比利时的水科学家决定一起来算一算这一笔账,并将计算结果发表在2021年的期刊《Desalination》上。
  
  图. 膜污染成本解构 | 图源:Elsevier
  膜污染的影响
  膜污染对纳滤/反渗透系统的影响包括:透水性的损失、压力损失的增加、膜更换频率的增加、自动清洗的化学品定期投加。然后这些运行问题会导致更高的能耗、更高的药耗以及处理能力的降低,此外还包括自动清洗设备的废物管理、故障和维修工人的费用,总之,这些最终会增加工厂的运行成本(OPEX)。
  在荷兰,卷式膜常用于去矿物质水和饮用水的过滤。荷兰代尔夫特理工(TU Delft)、比利时根特大学、荷兰KWR水应用研究所的学者开展合作,对这种膜系统的膜污染成本进行综合性的经济分析。
  膜污染是膜处理工艺中无法避免,因为不可能有一个没有膜污染的空白样本,他们的处理方法是对膜污染的成本进行标准化转化,以便对不同工厂的情况进行比较。本次研究的目的包括:
  1.得出RO/NF膜占总运行成本的比例
  2.列出成本的组成细节以及其对清洗和膜污染的贡献情况
  3.对比自动和手动清洗的成本
  考察对象
  研究团队一共考察了荷兰7座使用膜系统的水厂,其中4座使用纳滤,3座使用反渗透。四座纳滤水厂的进水都是缺氧的地下井水,并采用相同的前处理工艺(10μm滤芯+膦酸酯阻垢剂)。反渗透水厂处理的则是地表水或者市政污水处理厂的出水。纳滤水厂生产的饮用水,而反渗透厂生产的则是去矿物质水,用于工业。
  纳滤厂本身的膜污染情况不太严重,这是因为由于在缺氧环境下,金属离子多处于还原态,因此不像经曝气的水那么容易产生沉淀结垢,而且因为缺氧,也减慢了生物膜的形成。四座纳滤厂都包含原位清洗,方法也相当接近,都有酸洗和碱洗两步,并循环三次,最后会用滤后水冲洗。但一般只需两年做一次清洗。
  三座反渗透水厂都采用两段式工艺,都采用超滤作为预处理手段,并配有自动清洗系统。清洗步骤包括碱洗、去矿物质水冲洗、酸洗,最后再用去矿物质水冲洗。
  
  图. 各水厂概况
  研究参数
  研究团队对影响膜污染的参数进行标准化转化,考察参数如下表所示:
  
  这次研究的经济分析只考虑了运行成本(OPEX),因为每个项目的投资成本(CAPEX)差别太大,且较为主观。预处理也没有考虑在内,因为纳滤厂都有相同的预处理工艺,而反渗透厂都有前置超滤。他们认为膜污染成本主要有增加的泵费用、膜更换和清洗产生的费用组成。第一部分主要因为膜污染导致进水通道压力损失的增加、透水性的降低,这些都增加了泵的能耗。第二部分是指当盐透过率超过5%的时候,一般就要进行膜的更换。原位清洗(Cleaning In Place - CIP)主要包括了化学品的使用、故障损失、清洗溶剂的加热成本和废物的处理。以为这些厂都使用了全自动的清洗设备,所以无需考虑清洗的人工费用,另外因为清洁用水小于产水量的0.5%,所以也忽略不计。
  
  他们列出的主要成本因子如下:
  
  分析结果
  首先,我们能够看到,使用反渗透工艺的水厂的膜污染成本占了运行成本的24%左右,而纳滤水厂的膜污染成本只约11%。如上所述,主要是由进水水质的差别造成的。
  
  其中膜更换是最主要的费用组成,占了膜污染总成本的40-65%,在泵费用上,纳滤的新增能耗费用占了30%,而反渗透只有约9%。清洗的费用则是最少的。
  
  图. 膜污染成本各组分解析 – 橙色为压力损失,绿色为渗透率降低,紫色为膜更换,黄色是清洗
  他们还对清洗费用作了进一步的解析,由下图所示,纳滤和反渗透的清洗成本构成有较大区别。纳滤清洗的成本主要来自化学品的使用,而反渗透的清洗成本则是因为需要更频繁的清洗,所以要停机而产生。
  
  图. 在线清洗成本解析 – 绿色为药剂成本、黄色为加热成本、粉红色为停机成本、天蓝色为废弃物成本
  讨论
  虽然之前有文献指出膜污染的成本占运行成本的20-30%,但因为缺少具体的计算,所以无法考证确切性。这次研究得到的11%(纳滤)和24%(反渗透)两个数值反过来说明了此前估算的合理性,同时也反映了进水水质对膜污染的影响——处理进水为污水厂出水的膜污染情况较为严重。
  研究团队还对一个运行人员非常感兴趣的问题进行了计算:一个膜组件在清洗过多少次之后就应该更换呢?他们把结果总结成下图。
  
  从上图能看出,当反渗透膜的清洗频率达到每周1-3次时,更换新膜应该更为经济;而纳滤膜经济清洗频率为每月1次,大于该数值时,往往需要更换新的膜以降低运行成本。
  另外,研究团队也指出本次研究的数值仅做参考,毕竟用百分比来计算膜污染成本有一定的主观性,因为这视乎分子和分母都考虑或者忽略了哪些因素。
  小结
  这次研究的新颖之处在于对膜污染的经济影响进行了量化分析。通过使用水厂的历史运行参数和可靠的非经验数据,研究团队建立了纳滤和反渗透水厂膜污染成本的计算模型。这些分析方法和结果能为水厂的技术-经济分析提供更可靠的数据支持,而不是仅仅参考经验模型或者干脆忽略膜污染产生的成本。
  其次,通过这种成本解析,运行人员可以更清晰地了解水厂膜污染的成因,从而制定更适合的预防/清洗策略。
  他们在这次研究中引入的新指标——膜污染成本/OPEX的比例,可能会成为以后相关膜污染表征研究的量化参数,增加不同膜工艺的膜污染严重程度的可比性。