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    終于有人把膜污染成本算清楚了

    發布日期:2021-07-18 來源: IWA
      從事水研究的朋友估計或多或少都知道膜污染對納濾和反滲透的負面影響,這方面的文獻也有很多。我們也常說膜污染會產生巨大的運行成本,但是鮮有科學文獻對其進行核算。最近,荷蘭和比利時的水科學家決定一起來算一算這一筆賬,并將計算結果發表在2021年的期刊《Desalination》上。
      
      圖. 膜污染成本解構 | 圖源:Elsevier
      膜污染的影響
      膜污染對納濾/反滲透系統的影響包括:透水性的損失、壓力損失的增加、膜更換頻率的增加、自動清洗的化學品定期投加。然后這些運行問題會導致更高的能耗、更高的藥耗以及處理能力的降低,此外還包括自動清洗設備的廢物管理、故障和維修工人的費用,總之,這些最終會增加工廠的運行成本(OPEX)。
      在荷蘭,卷式膜常用于去礦物質水和飲用水的過濾。荷蘭代爾夫特理工(TU Delft)、比利時根特大學、荷蘭KWR水應用研究所的學者開展合作,對這種膜系統的膜污染成本進行綜合性的經濟分析。
      膜污染是膜處理工藝中無法避免,因為不可能有一個沒有膜污染的空白樣本,他們的處理方法是對膜污染的成本進行標準化轉化,以便對不同工廠的情況進行比較。本次研究的目的包括:
      1.得出RO/NF膜占總運行成本的比例
      2.列出成本的組成細節以及其對清洗和膜污染的貢獻情況
      3.對比自動和手動清洗的成本
      考察對象
      研究團隊一共考察了荷蘭7座使用膜系統的水廠,其中4座使用納濾,3座使用反滲透。四座納濾水廠的進水都是缺氧的地下井水,并采用相同的前處理工藝(10μm濾芯+膦酸酯阻垢劑)。反滲透水廠處理的則是地表水或者市政污水處理廠的出水。納濾水廠生產的飲用水,而反滲透廠生產的則是去礦物質水,用于工業。
      納濾廠本身的膜污染情況不太嚴重,這是因為由于在缺氧環境下,金屬離子多處于還原態,因此不像經曝氣的水那么容易產生沉淀結垢,而且因為缺氧,也減慢了生物膜的形成。四座納濾廠都包含原位清洗,方法也相當接近,都有酸洗和堿洗兩步,并循環三次,最后會用濾后水沖洗。但一般只需兩年做一次清洗。
      三座反滲透水廠都采用兩段式工藝,都采用超濾作為預處理手段,并配有自動清洗系統。清洗步驟包括堿洗、去礦物質水沖洗、酸洗,最后再用去礦物質水沖洗。
      
      圖. 各水廠概況
      研究參數
      研究團隊對影響膜污染的參數進行標準化轉化,考察參數如下表所示:
      
      這次研究的經濟分析只考慮了運行成本(OPEX),因為每個項目的投資成本(CAPEX)差別太大,且較為主觀。預處理也沒有考慮在內,因為納濾廠都有相同的預處理工藝,而反滲透廠都有前置超濾。他們認為膜污染成本主要有增加的泵費用、膜更換和清洗產生的費用組成。第一部分主要因為膜污染導致進水通道壓力損失的增加、透水性的降低,這些都增加了泵的能耗。第二部分是指當鹽透過率超過5%的時候,一般就要進行膜的更換。原位清洗(Cleaning In Place - CIP)主要包括了化學品的使用、故障損失、清洗溶劑的加熱成本和廢物的處理。以為這些廠都使用了全自動的清洗設備,所以無需考慮清洗的人工費用,另外因為清潔用水小于產水量的0.5%,所以也忽略不計。
      
      他們列出的主要成本因子如下:
      
      分析結果
      首先,我們能夠看到,使用反滲透工藝的水廠的膜污染成本占了運行成本的24%左右,而納濾水廠的膜污染成本只約11%。如上所述,主要是由進水水質的差別造成的。
      
      其中膜更換是最主要的費用組成,占了膜污染總成本的40-65%,在泵費用上,納濾的新增能耗費用占了30%,而反滲透只有約9%。清洗的費用則是最少的。
      
      圖. 膜污染成本各組分解析 – 橙色為壓力損失,綠色為滲透率降低,紫色為膜更換,黃色是清洗
      他們還對清洗費用作了進一步的解析,由下圖所示,納濾和反滲透的清洗成本構成有較大區別。納濾清洗的成本主要來自化學品的使用,而反滲透的清洗成本則是因為需要更頻繁的清洗,所以要停機而產生。
      
      圖. 在線清洗成本解析 – 綠色為藥劑成本、黃色為加熱成本、粉紅色為停機成本、天藍色為廢棄物成本
      討論
      雖然之前有文獻指出膜污染的成本占運行成本的20-30%,但因為缺少具體的計算,所以無法考證確切性。這次研究得到的11%(納濾)和24%(反滲透)兩個數值反過來說明了此前估算的合理性,同時也反映了進水水質對膜污染的影響——處理進水為污水廠出水的膜污染情況較為嚴重。
      研究團隊還對一個運行人員非常感興趣的問題進行了計算:一個膜組件在清洗過多少次之后就應該更換呢?他們把結果總結成下圖。
      
      從上圖能看出,當反滲透膜的清洗頻率達到每周1-3次時,更換新膜應該更為經濟;而納濾膜經濟清洗頻率為每月1次,大于該數值時,往往需要更換新的膜以降低運行成本。
      另外,研究團隊也指出本次研究的數值僅做參考,畢竟用百分比來計算膜污染成本有一定的主觀性,因為這視乎分子和分母都考慮或者忽略了哪些因素。
      小結
      這次研究的新穎之處在于對膜污染的經濟影響進行了量化分析。通過使用水廠的歷史運行參數和可靠的非經驗數據,研究團隊建立了納濾和反滲透水廠膜污染成本的計算模型。這些分析方法和結果能為水廠的技術-經濟分析提供更可靠的數據支持,而不是僅僅參考經驗模型或者干脆忽略膜污染產生的成本。
      其次,通過這種成本解析,運行人員可以更清晰地了解水廠膜污染的成因,從而制定更適合的預防/清洗策略。
      他們在這次研究中引入的新指標——膜污染成本/OPEX的比例,可能會成為以后相關膜污染表征研究的量化參數,增加不同膜工藝的膜污染嚴重程度的可比性。
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