''膜技术成本与我''（Membrane Technology costs and me）
IWA国际水协会的学术期刊Water Research经常邀请水处理领域的著名专家，编写各自细分领域的综述文章。上个星期我们跟大家分享了Willi Gujer教授在2010年发表的《Nitrification and me》。本期IWA微信公众号将介绍来自膜领域的Simon Judd教授撰写的关于膜技术成本的综述文章，题为《Membrane technology costs and me》。Simon Judd教授在英国克兰菲尔德大学（Cranfield University）水科学学院和卡塔尔大学环境工程系任教。他同时也领导和参与了很多有关膜、MBR、污水生物处理方面的全球项目，将科研和应用紧密结合在了一起。通过这篇综述文章，Simon Judd教授探讨了膜技术应用领域的发展，分享了他对膜技术成本问题的深刻见解。
用于水处理的膜技术可追溯到十九世纪中叶，其中最早期的开拓性工作很大程度上归功于德国。德国人Wilibald Schmidt在1861年用牛心包膜截取阿拉伯胶，堪称世界上第一次超滤（UF）分离研究。到了20世纪初，Heinrich Bechhold（1907）开始较为系统地测试合成超滤膜，并首次提出了“ultrafilter”的概念。跟随Richard Zsigmondy和Willhelm Bachman等人的早期研究，德国Sartorius Werke Gmbh公司在上世纪20年代中期开始微滤（MF）膜的商业开发。用于淡化海水的反渗透（RO）膜虽然最初由美国研究人员在20世纪50年代开发，专利的申请却让在加拿大渥太华的Sydney Loeb和Srinivasa Sourirajan抢先一步，他们在1960年代初申请了不对称醋酸纤维素RO膜的专利。如今，制造方法和生产方面的大量商业进步和改进已经大大降低了各类膜的生产成本，而且大大提高了产品质量。
可以说，膜技术至少发展了半个世纪了；即使是关键的膜生物反应器（MBR）技术的发展也有一定历史了（其最原始工艺由Dorr Oliver在20世纪60年代后期开发）。尽管如此，膜技术在市政水务部门某些领域的发展仍遇到区域性、文化性或其他方面的阻力。BCC、Marketsand Markets、Frost and Sullivan等市场研究机构的数据显示，尽管跟传统水与废水处理设备行业的个位数百分比增长率相比，RO海水淡化和MBR技术的复合年均增长率（CAGR）为10-23％，膜技术的发展阻力依然存在。
在某些方面，人们不愿意选择膜技术是可以理解的。一些膜工艺和/或具体应用还存在运行问题，这些问题还没得到全面的解决。任何膜工艺的操作和维护（O＆M）往往比其他经典工艺更复杂，因为要保持膜表面和膜通道的清洁。最终归根结底，与其他东西一样，经典方法和膜技术之间的选择，都归结为钱。
成本，无论怎么计算，都可以被归类为资金成本、投资成本，或运营/运营成本。对于工程应用级别的膜处理厂，运营支出（OPEX）主要包括能耗和化学品、关键部件更换（例如膜）、供水和排污费以及诸如人工和维修等其他项。资本支出（CAPEX）通常包括所有设备、安装服务、如土木工程、机电（M＆E）和咨询，以及土地成本。通过CAPEX和OPEX可以计算净现值（NPV），以此估算融资成本。
显而易见的是，大家也关心科技和商业模式的发展如何对水处理和污水处理中实施和运行膜工艺装置的成本产生影响。Simon Judd教授的这篇综述将对两种已经实现商业应用的重要膜分离技术进行分析，包括了海水淡化的反渗透技术以及用于污水处理的MBR膜生物反应器技术。
除了自身市场增长显著之外，这两项技术在各自应用领域也扮演着重要角色。超过一半通过海水和咸水淡化产生的饮用水都是通过RO膜，全球市场价值相当于100亿英镑。MBR技术则是在生物化学效率和出水水质（澄清度和微生物含量）方面提供生物处理工艺可以达到的最高性能表现。
在海水淡化和污水处理两个领域，作者分别选取了热法处理和经典活性污泥工艺作为替代方案作对比分析。总的来说，关于资本支出的专门报道很少，而且往往缺少一致性、完整性，也不会具体列举细节。另外不同报告之间的人力和材料成本也有差别。对于RO和MBR技术而言，OPEX的下降主要得益于能效的改善。这也是大家用于不同技术之间的对比基础。
自20世纪70年后期RO被应用于海水淡化以来，相关的成本分析就层出不穷。RO反渗透和热法海水淡化两种技术自面世以来，技术成本都得到显著下降。Zhou和Tol在2004年的数据显示多级闪蒸海水淡化技术（MSF）在上世纪50年代末期的成本约$9/m³，到2000年已降到其1/10，而RO的单位处理成本则从1977年的$4.5/m³降到2000年的$1.5/m³。
能耗
MSF和RO的能耗对比一般用以下公式进行计算，其中公式（1）计算MSF热法淡化的单位能耗，公式（2）则对应RO的单位能耗。
上边的关系式显示对不同技术而言，能耗受不同参数影响。但如下图所示，总的而言，MSF的单位能耗或能量需求（SED）主要受闪蒸区间温度和阶数影响，而RO则受进水盐的浓度影响。
▲ 影响RO单位能耗SED的关键参数的影响分析
在SED的分析中我们可以得到一些很基础的重要信息：通过对四个重要参数各自改善10%对能耗变化的计算可以看出，盐浓度是最显著的影响因素，而它又主要受浓差极化现象影响。从这个角度来看，与研发诸如碳纳米管等自身具有高渗透性的膜相比，优化系统的流体力学获得好处更多。
其他OPEX因素
尽管在RO海水淡化厂中，能耗代表了最主要的OPEX成分（超过50%），化学品消耗和膜更换加起来的贡献率在15-25%之间，具体比例取决于进水水质、运行情况和膜寿命。膜寿命一般在5-7年，但也有人说通过更频繁和激进的化学品清洗可以使膜寿命延长至10年。
CAPEX
正如之前提到的，CAPEX跟地理位置有关，尤其是涉及到大量的土木工程和管网的情况。有些情况下，通过BOT等合同和相关资本运作，开支可以相对减轻。下表中几座知名海水淡化厂的CAPEX数据显示，单位流量的水费差异较大，但这跟场地情况相关，例如是否和其他厂共用设施、水输送规模和土木工程作业量等。
▲不同RO海水淡化厂的对比
前景
尽管在一些能源价格低的国家（主要是中东地区），热法蒸馏组合厂依然可行。热法工艺的总成本从2000年至今几乎没有变化，大型组合厂的价格目前在$0.8-1.1/m³之间。
而经过过去15年能效20-30%的改进率，对应的RO技术单位价格约$0.5/m³。尤其是高压浓水能量回收技术使单位能耗从1990年的8.1 kWh/m³减少到今天的4 kWh/m³左右。热法和膜法海水淡化厂的比率已经从2005年的60:40变成35:65（2016年的数据）。
未来能效的进一步提高将集中在可再生能源的使用上。对于热法而言，太阳能和地热能是主要获取途径，对RO膜法而言则主要是光伏发电和风力发电。
近几年关于MBR的成本分析研究（例如Young等人关于浸入式中空纤维膜的综述）已经显示一些MBR的总成本要优于经典的活性污泥技术，尽管MBR的OPEX更高。这些报告的作者一般认为MBR在CAPEX方面优势明显，因为土地成本高以及脱氮除磷的要求。而膜造价也从1992年的$400/㎡降至2005年的低于$50/㎡（参考浸入式平板膜），而市场主导产品浸入式中空纤维膜的运行情况则显示自20世纪90年代中期以来，能耗已经减少了一个数量级。
能耗
对于经典活性污泥法和MBR工艺来说，SED主要贡献因子是曝气，除了用于给生物质提供氧气之外，对于MBR，还用于膜的冲洗。
根据曝气器在反应器的深度，EA,m和EA,bio两个曝气能量参数略有不同，但都在0.016-0.025 kWh/Nm3（工艺曝气的略高，因为池深一点）。过去15年的时间里，商用膜的研发主要集中在提高膜冲洗的混合效果和曝气量的减少上。尽管如此，MBR的单位能耗依然较高，大型且已优化的MBR仍需0.5 kWh/m3。
其他OPEX因素
跟RO膜类似，不考虑“因地而异”的人工和其他劳务费用，MBR的OPEX成分主要也是由化学品的使用和膜更换构成的。如下图所示，膜更换的成本与膜的净通量和膜寿命相关。总的来说，如果不考虑清洗频率和其他维修需求，OPEX随通量和寿命的增加而减少。但是MBRs的运行费用永远都高于同等规模的活性污泥系统，尽管部分成本能够通过减少的占地面积、污泥量的减少和水质的提高有所抵消。
尽管膜组件更换依旧被认为是仅次于能耗的第二大OPEX成分，浸入式中空纤维膜的成本已经降至与RO膜相仿的水平，约$15-25/㎡。这是很显著的进步，要知道MBR市场不像RO膜，非标化情况很普遍，MBR的膜组件一般不是完全随便互换的。另一方面，平板膜的价格降幅则不太确定，尽管已经从90年代初的$400-500/㎡下降了一个数量级。
通过对主要参数的计算对比可以发现，膜通量是OPEX中影响力最高的因子，因为它同时影响了单位能耗和膜更换的成本。
▲ MBR单位能耗关键参数的影响
CAPEX
Lo等人在2015对大型MBR污水厂的成本分析结果显示，一个规模为20MLD的MBR厂的CAPEX约为每千立方35万-68万美元（$0.35-0.68 M/MLD）；并且类似RO海水淡化厂的情况，如果包含下游的UV消毒和初沉池预处理的话，CAPEX可以增加至$2.6M/MLD。虽然MBR的膜通量与RO相仿，但是单位面积的成本却要更高。另外MBR厂与RO厂相比因为多出生物反应器，HRT至少要在6小时以上，所以上述研究显示的低CAPEX有些跟预期相反，不过可能也跟设备要求和建材有关。
前景
跟RO膜一样，MBR工艺要想从经典的膜分离工艺中进一步提升成本效率的空间很有限，因为曝气减少始终会增加膜污染和堵塞的风险。后者造成的损失往往大于曝气节省的开支。
但是新兴的平板陶瓷膜，预计会比传统的高分子膜寿命延长一倍，而且运行通量更高，可能会改变MBR膜选择的格局。正如上边膜的OPEX成本曲线图所示，如果陶瓷材料的成本是高分子膜的4倍，但是其寿命若能延长一倍，通量又大一倍的话，那么前者的OPEX上将显出优势。尽管目前陶瓷膜的价格依然较高，但我们有理由相信这终将会改变。日本公司Metawater十年前就有不少基于陶瓷膜材料的饮用水处理的工程应用，目前的材料价格在$80-160/㎡，10年前这价格还超过$1000/㎡。所以我们有足够理由假设它的价格会继续下降，就像高分子平板膜在过去15-25年的价格趋势一样。
在分析膜技术的研究趋势方面，Simon Judd教授使用下表的文献计量分析方法对RO海水淡化和MBR污水处理的关键词进行了搜索统计。
▲ 文献计量分析使用的词条
文献计量分析结果显示了以下一些研究趋势：
RO和MBR两个领域的膜污染特征都非常强烈，尤其是MBR；
对RO而言，约45%的结垢问题属于生物结垢；
预处理，尤其是超滤（UF），一直都是RO海水淡化研究的重点；
成本，尤其是能耗，在RO海水淡化领域关注度比MBR高
RO方面的报告和论文关于节能的话题部分体现为太阳能和风能等可再生能源；
尽管能耗不是MBR研究的最主要焦点，通量却成为其关于单位能耗的研究重点，而厌氧MBR的研究也稳定增长；
关于正渗透的研究的增长也很明显，从2007-08年间的0到2015-16期间的11%。
▲ 膜法海水渗透和MBR污水处理的研究趋势统计
总的来说，文献统计分析显示两个领域的研究在成本方面的差异，RO海水淡化关于成本的研究是MBR污水处理的16倍。尽管实际运行人员认为很多工艺参数对MBR的OPEX和可运行性相当重要，MBR研究貌似以膜结垢和结垢物的鉴定为主（占所有研究的25%）。Simon Judd教授在综述报告最后指出，研究和工程应用之间的错位并不是什么新发现，似乎暗示MBR领域的科学研究没有很好地跟实际生产接轨，毕竟说到底钱的问题才是根本问题。
参考资料
Membrane technology costs and me, Simon Judd, Water Research, Volume 122, 1 October 2017, Pages 1-9, http://dx.doi.org/10.1016/j.watres.2017.05.027