膜生物反应器的技术经济分析

膜生物反应器的技术经济分析

郑祥刘俊新

提要: 膜生物反应器(MBR)是通过膜分离技术强化污水生物处理的新技术。综述了该技术在我国的应用现状；并对MBR进行初步的技术经济分析。研究结果表明：影响膜生物反应器运行费用的关键因素为膜通量和使用寿命。

关键词: 膜生物反应器污水处理膜技术膜通量膜寿命

膜生物反应器(MBR)是一种由膜分离单元与生物处理单元相结合的新型水处理技术，与传统的生化处理技术相比，MBR具有以下主要特点：处理效率高、出水水质好；设备紧凑、占地面积小；易实现自动控制、运行管理简单。80年代以来，该技术愈来愈受到重视，成为水处理技术研究的一个热点。目前，膜生物反应器已应用于美国、德国、法国、日本和埃及等十多个国家，处理规模在6～13000 m3/d［1］。

1 MBR在我国的应用现状

近两年来，膜生物反应器在国内已进入了实用化阶段。 MBR系统的处理对象从生活污水扩展到高浓度有机废水和难降解工业废水，如制药废水、化工废水、食品废水、屠宰废水、烟草废水、豆制品废水、粪便污水、黄泔污水等。从目前的趋势看，中水回用将是MBR在我国推广应用的主要方向。表1列举了MBR在我国的应用实例及处理效果。这些应用实例表明：MBR对生活污水、高浓度有机废水与难降解工业废水的处理效果良好。

2 MBR在中水回用中的经济分析

根据污水水量、水质及处理难易程度的不同，MBR处理工业废水的一次性投资通常在4000 ～10000 元/m3，应用于中水回用系统的MBR(规模为10～500 m3/d)的一次性投资为2500～5000 元/m3，处理规模越大，单位处理污水量的一次性投资越低。本文以处理规模为240 m3/d的回用系统做一初步的技术经济分析。

2.1 不同MBR系统的费用分析

采取费用比较法进行3类MBR系统的经济分析，它包括两部分：MBR系统的工程建设费用及运行费用。

表1 MBR在我国的应用实例［2～4］

工程建设费用=基建费用(建筑工程费+设备购置及安装费+不可预见工程费)+膜的

购置费用。

运行费用=设备折旧费用(以10 a计)+膜更换费用+动力费用+其他费用(人员工资+维修清洗费 )。

3类MBR系统的建筑工程费和运行费用分别见表2，表3(技术设计费用均未考虑)。

从表2，表3可以看出：

(1)3类MBR系统的一次性投资费用大小依次为：无机膜MBR＞一体式MBR＞分离式MBR；

(2)运行费用大小依次为：无机膜MBR＞分离式MBR＞一体式MBR；

表2 不同MBR系统的建筑工程费用［15～18］

表3 不同MBR系统的运行费用

注：处理规模240 m3/d。电费按0.5元/(kW·h)计。

(3)影响MBR系统运行费用的主要因素是动力费用与膜的更换费用。膜的更换费用是影响一体式MBR系统运行费用的关键因素；而动力费用是影响分离式MBR系统运行费用的关键因素。

在3种MBR系统的建筑工程费用中，一体式MBR与分离式MBR的一次性投资基本相当，而一体式 MBR的运行费用为分离式MBR的75%。我国是缺水国家，北方地区缺水更为严重，许多城市不得不采取限量供水和超量用水加倍收费等措施。因此，中水回用对于合理用水和节约水资源势在必行。以北京市2000年供水价格为例，居民生活用水价格为1.8元/m3；宾馆、洗车、洗浴等行业供水价格为3.0～5.0元/m3。一体式膜生物反应器总运行成本为1.9元/m3，用于中水回用具有明显的竞争优势。同时可节省水资源，具有环境效益和经济效益。

2.2 影响MBR技术经济评价的相关因素分析

目前，对MBR系统的技术经济分析的结论存在较大的差别。主要是由于在MBR系统设计中，对膜的处理能力(膜通量)与膜使用寿命的估计存在很大的差别，直接影响对膜生物反应器的经济评价。在表2中，一体式MBR(国产膜)膜通量设定为8.33 L/(m2·h)，

膜的使用寿命为2a，膜价格为150元/m2。下文仅讨论膜通量、膜的使用寿命及膜价格的单因素变化对一体式膜生物反应器运行费用的影响，统计结果见图1，图2和图3。

图1 膜通量对运行费用的影响

图2 膜使用寿命对运行费用的影响

图3 膜价格对运行费用的影响

从图1～图3可以得出：膜通量的提高、膜寿命的延长、膜价格的降低中任何单一因素的研究进展均会大幅度降低MBR的运行费用。随着膜制造技术的进步，膜质量的提高和膜制造成本的降低，MBR的投资与运行费用也会随之大幅度降低。如聚乙烯中空纤维膜等新型膜材料的开发已使其成本有很大降低。据估算，膜还有相当大的降价空间，在未来的3～5 a内，随着膜材料的改进和生产规模的扩大，膜价格有望降为目前的40%～60%。随着膜性能的提高、使用寿命的延长与膜价格的降低，MBR的运行费用有望降低到1.0元/m3左右。

3 影响MBR应用的关键课题研究

由于膜通量的提高、膜寿命的延长会大幅度降低MBR的运行费用，因此，在保证出水水质的前提下，膜通量应尽可能大，这样可减少膜的使用面积，降低基建费用与运行费用。因此控制膜污染，保持较高的膜通量，是MBR研究的重要内容。而膜通量与膜材料、操作方式、水力条件等因素密切相关。

3.1 膜的选择

现有膜可分为有机膜和无机膜两种。由于较高的投资成本限制了无机膜生物反应器在我国的广泛应用，国内MBR系统普遍采用有机膜。常用的膜材料为聚乙烯、聚丙烯等。分离式MBR通常采用超滤膜组件，截留分子量一般在2～30万。截留分子量越大，初始膜通量越大，但长期运行膜通量未必越大。张洪宇进行无机膜的通量衰减试验表明：孔径0.2μm的膜比0.8 μm的膜更适合于MBR［5］。何义亮用PES平板膜组件进行膜通量衰减规律的研究发现［6］：在该试验条件下，膜初始通量衰减主要是由于浓差极化引起，膜截留分子量愈小，通量衰减率愈大；膜长期运行的通量衰减主要是由于膜污染引起，膜截留分子量愈大，通量衰减幅度愈大，化学清洗恢复率愈低。