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2.2应用增长速度骤减
国际权威MBR应用网对世界范围内近20年来700余座大型 MBR污水处理厂应用情况进行了逐年统计,并绘制了如图1所示的MBR工程应用趋势图。
图1 1996年—2017年世界范围MBR工程应用数量趋势
进入21世纪,MBR技术首先在北美和欧洲获得青睐,新增项目也都集中在这两个区域。随后,亚洲和其它地区(主要为澳洲、北非)迅速跟进。MBR工程应用在2009年—2012年间达到鼎盛时期;随后便开始回落,直至近两年应用数量只有鼎盛时期的10%。MBR应用增长衰落是全球范围内的,欧洲和北美经历了21世纪最初十年“热恋”后突然“失恋”,新增项目数量锐减,以至于2009年后亚洲成为MBR技术应用的主力,2012年后全球大型MBR项目主要集中在中国境内。
MBR市场增长放缓亦可以从市场全球年复合增长率(CAGR)和市场总额看出,CAGR可以体现某一产业增长的潜力和预期。2008年MBR工艺处于鼎盛时期,全球水务市场分析师曾乐观地预测国际MBR市场到2018年CAGR为22.4%,到2018年全球MBR市场价值总额预计达到34.4亿美元。但是,英国BBC Research最新报告显示,2014年全球MBR市场总额为4.257亿美元,到2019年预计仅达到7.777亿美元,年CAGR仅为12.8%,这与2008年预测相差甚远。BBC Research同时也给出了全球各大洲MBR市场CAGR预测,如图2所示。图2显示,2014年后亚太地区MBR市场年复合增长率高于欧洲和北美。结合图1数据可知,2014年后世界MBR市场增长主要由亚太地区引导,这其中,中国地区增长量对亚太地区总增长有着绝对的份额贡献。
图2 2014年—2019年世界MBR预计年复合增长率(CAGR)
3衰落原因
3.1运行成本高
MBR工艺高运行成本主要限制了其广泛应用。高运行成本从投资伊始便开始体现;除膜组件依然昂贵(与CAS二沉池相比)外,较高的自动化运行水平也限制其广泛应用。我国市政污水处理应用MBR(规模>1×104m3/d)技术经济数据显示,MBR投资成本为2500~5000元/m3(含土建、膜系统和其他设备投资),均值为3800元/m3,远高于全国城镇污水处理厂平均2200元/m3投资水平。达到与MBR相同出水水质情况下,CAS工艺需要增加三级过滤系统(如砂滤);即使如此,MBR投资依然比CAS高10%~30%。
MBR的高能耗主要有两方面原因:(1)膜污染或堵塞导致通量下降,维持设计通量就必须加压;(2)曝气池因生物量高(MLSS>8000mg/L)而需要维持较高溶解氧浓度(DO=3~4mg/L),也需要为减缓膜污染而增大曝气量。加压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%。
经半个世纪发展,通过改变曝气方式使曝气能耗已显著降低,致使MBR工艺能耗亦大为降低,已从最初>5kW∙h/m3降到目前平均2kW∙h/m3水平。表2总结了一些国家应用MBR工艺能耗情况。与CAS工艺平均能耗0.30kW∙h/m3相比,MBR工艺能耗要高出60%~900%。正因能耗问题让膜生产大国的日本停止了对大型市政MBR项目审批。于是,日本2013年后着手开始研发新的MBR技术,旨在将其能耗控制在≤0.4 kW∙h/m3。
表2 世界各国MBR项目平均能耗
3.2膜污染与通量下降
尽管膜污染及其控制和清洗已经从技术层面做了大量有益工作,但并没有从根本上解决这一问题,膜污染现象终归是会发生的。为维持正常过滤通量,通过在线(维护性)清洗和离线(恢复性)化学清洗虽然会减轻膜污染问题,但是,膜清洗会缩短膜的使用寿命,而时常更换膜组件又会增加运行成本。
此外,膜通量问题也日益引起人们关注。在处理水量波动较大情况下,膜组件通量可靠性经不起时间考验。污水处理厂进水流量是一个动态变化过程,随气候、季节等因素变化而变化,流量变化对MBR工艺正常运行会产生较大影响。MBR膜组件存在一个极限通量,如果进水流量超过极限通量或者因为膜污染导致膜通量下降,超出通量部分污水就无法通过膜过滤处理。常规处理办法是增加一个流量调节池或者使用备用膜,或做溢流处理,但这会增加投资成本和运行费用。在实际运行中,通常是MBR刚运行前几年膜通量不会超限,但随时间推移膜污染现象出现会导致通量下降。为此,在水量波动较大地区,选择MBR工艺时需要特别谨慎。
3.3标准化的缺失
目前,膜生产厂商众多,膜产品种类亦繁多。各厂商均有自己数据库和设计规范,但并没有形成一个统一的行业标准和规范,导致不同生产厂规格型号、外形尺寸各不相同,互不兼容。设备缺乏标准化给设计和采购首先带来麻烦,应用时一旦出现需要更换膜组件时,标准化缺失带来的劣势更为突出;换品牌意味重新设计膜系统,增加运行成本。即使同一品牌膜组件先后两种型号也常常不兼容;2008年德国Rödingen项更换膜组件时就出现了这种情况,不得不重新设计膜系统。此外,缺乏一条龙标准化作业服务常常导致膜供应商与施工方脱节,在安装过程膜组件损坏现象比比皆是。
膜市场标准化已引起人们重视,日本早在2012年便成立专家委员会,就MBR标准化问题进行讨论;欧盟资助的“加速城市污水净化膜发展(AMEDEUS)”项目中也包括了MBR标准化建设。市场标准化必将影响各大膜生产企业的经济利益,所以,膜标准化过程至今举步维艰,严重影响MBR工艺推广应用。
4展望未来
虽然MBR工艺具有出水水质和占地方面两大优势,但是,综合技术、经济、管理等综合因素,MBR已被确认为不可持续工艺。只有在土地、空间受到严格限制的情况下,MBR方能显示其独特优势。否则,CAS+砂滤将比其具有综合竞争力。荷兰Varsseveld污水处理厂MBR示范性项目运行八年后已选择拆除,代之以CAS+砂滤;荷兰仅有的几座MBR也陆续被全部拆除。
然而,位于瑞典斯德哥尔摩的MBR“巨无霸”Henriksdal项目却吸引着人们的眼球,它将成为世界上规模最大的MBR污水处理厂。这一庞大工程即将运行并不意味着MBR将再次带动其应用的热潮。这一工程的选择重点放在应对北欧严寒冬季常常出现的低温、积雪、结冰等严重问题,遂考虑将此工程放在斯德哥尔摩市中心一地下岩洞内实施。限于岩石结构空间狭小,同时为满足欧盟“波罗的海计划(BSAP)”出水水质和扩大处理规模之需要,项目只是无奈选择了MBR工艺进行升级改造。
国土面积狭小的新加坡近年来大力发展“新生水(NEWater)”项目。因MBR可以提供持续稳定的优质出水,适合用作反渗透原水,且可以省去常规反渗透之前所需的微滤/超滤(MF/UF),综合能耗相比于CAS工艺再加三级处理还节省0.13 kW∙h/m3,且可以降低土地使用成本。因此,在极度缺水和寸土寸金的新加坡,MBR似乎比CAS具有应用优势。类似新加坡情况也出现在一些缺水的海湾国家再生水项目上,况且这些国家油比水“贱”,“以油换水”在这些国家具有明显优势。
与上述国家特殊应用情况相比,我国大规模应用MBR技术的理由似乎并不充分,特别是近年出现的地下式MBR。无疑,土地、空间极度短缺、昂贵的一些大、中城市,迫不得已应用MBR无可厚非。但是,将MBR作为未来污水处理技术发展方向,并用它来全面升级既有、新建未来污水处理设施(甚至扩展到农村污水处理设备)确实值得商榷。对于我国发展中的地下式MBR更要甚重,毕竟它不是一个可持续的工艺。
5结语
除中国外,MBR工艺在全球应用骤降并非偶然现象,高能耗与膜污染让其背负不可持续之名。如果MBR这两个突出弊端不能在未来得到根本性解决,其工程应用很难维系。只有在一些特定情况(土地极度匮乏、空间十分有限、严重缺水、水比油贵)下,应用MBR才可能具有被动选择优势。即使在这样一些特定情况下,MBR也不是唯一选择,比如,好氧颗粒污泥技术就比它具有明显优势。
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