從事水研究的朋友估計(jì)或多或少都知道膜污染對(duì)納濾和反滲透的負(fù)面影響，這方面的文獻(xiàn)也有很多。我們也常說膜污染會(huì)產(chǎn)生巨大的運(yùn)行成本，但是鮮有科學(xué)文獻(xiàn)對(duì)其進(jìn)行核算。最近，荷蘭和比利時(shí)的水科學(xué)家決定一起來算一算這一筆賬，并將計(jì)算結(jié)果發(fā)表在2021年的期刊《Desalination》上。
　　
　　圖. 膜污染成本解構(gòu) | 圖源：Elsevier
　　膜污染的影響
　　膜污染對(duì)納濾/反滲透系統(tǒng)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(dòng)清洗的化學(xué)品定期投加。然后這些運(yùn)行問題會(huì)導(dǎo)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(dòng)清洗設(shè)備的廢物管理、故障和維修工人的費(fèi)用，總之，這些最終會(huì)增加工廠的運(yùn)行成本(OPEX)。
　　在荷蘭，卷式膜常用于去礦物質(zhì)水和飲用水的過濾。荷蘭代爾夫特理工(TU Delft)、比利時(shí)根特大學(xué)、荷蘭KWR水應(yīng)用研究所的學(xué)者開展合作，對(duì)這種膜系統(tǒng)的膜污染成本進(jìn)行綜合性的經(jīng)濟(jì)分析。
　　膜污染是膜處理工藝中無法避免，因?yàn)椴豢赡苡幸粋€(gè)沒有膜污染的空白樣本，他們的處理方法是對(duì)膜污染的成本進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)化，以便對(duì)不同工廠的情況進(jìn)行比較。本次研究的目的包括：
　　1.得出RO/NF膜占總運(yùn)行成本的比例
　　2.列出成本的組成細(xì)節(jié)以及其對(duì)清洗和膜污染的貢獻(xiàn)情況
　　3.對(duì)比自動(dòng)和手動(dòng)清洗的成本
　　考察對(duì)象
　　研究團(tuán)隊(duì)一共考察了荷蘭7座使用膜系統(tǒng)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(jìn)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(chǎn)的飲用水，而反滲透廠生產(chǎn)的則是去礦物質(zhì)水，用于工業(yè)。
　　納濾廠本身的膜污染情況不太嚴(yán)重，這是因?yàn)橛捎谠谌毖醐h(huán)境下，金屬離子多處于還原態(tài)，因此不像經(jīng)曝氣的水那么容易產(chǎn)生沉淀結(jié)垢，而且因?yàn)槿毖酰矞p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(dāng)接近，都有酸洗和堿洗兩步，并循環(huán)三次，最后會(huì)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(yù)處理手段，并配有自動(dòng)清洗系統(tǒng)。清洗步驟包括堿洗、去礦物質(zhì)水沖洗、酸洗，最后再用去礦物質(zhì)水沖洗。
　　
　　圖. 各水廠概況
　　研究參數(shù)
　　研究團(tuán)隊(duì)對(duì)影響膜污染的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)化，考察參數(shù)如下表所示：
　　
　　這次研究的經(jīng)濟(jì)分析只考慮了運(yùn)行成本(OPEX)，因?yàn)槊總€(gè)項(xiàng)目的投資成本(CAPEX)差別太大，且較為主觀。預(yù)處理也沒有考慮在內(nèi)，因?yàn)榧{濾廠都有相同的預(yù)處理工藝，而反滲透廠都有前置超濾。他們認(rèn)為膜污染成本主要有增加的泵費(fèi)用、膜更換和清洗產(chǎn)生的費(fèi)用組成。第一部分主要因?yàn)槟の廴緦?dǎo)致進(jìn)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(dāng)鹽透過率超過5%的時(shí)候，一般就要進(jìn)行膜的更換。原位清洗(Cleaning In Place - CIP)主要包括了化學(xué)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(dòng)的清洗設(shè)備，所以無需考慮清洗的人工費(fèi)用，另外因?yàn)榍鍧嵱盟∮诋a(chǎn)水量的0.5%，所以也忽略不計(jì)。
　　
　　他們列出的主要成本因子如下：
　　
　　分析結(jié)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(yùn)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(jìn)水水質(zhì)的差別造成的。
　　
　　其中膜更換是最主要的費(fèi)用組成，占了膜污染總成本的40-65%，在泵費(fèi)用上，納濾的新增能耗費(fèi)用占了30%，而反滲透只有約9%。清洗的費(fèi)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(duì)清洗費(fèi)用作了進(jìn)一步的解析，由下圖所示，納濾和反滲透的清洗成本構(gòu)成有較大區(qū)別。納濾清洗的成本主要來自化學(xué)品的使用，而反滲透的清洗成本則是因?yàn)樾枰l繁的清洗，所以要停機(jī)而產(chǎn)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(jī)成本、天藍(lán)色為廢棄物成本
　　討論
　　雖然之前有文獻(xiàn)指出膜污染的成本占運(yùn)行成本的20-30%，但因?yàn)槿鄙倬唧w的計(jì)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(gè)數(shù)值反過來說明了此前估算的合理性，同時(shí)也反映了進(jìn)水水質(zhì)對(duì)膜污染的影響——處理進(jìn)水為污水廠出水的膜污染情況較為嚴(yán)重。
　　研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)一個(gè)運(yùn)行人員非常感興趣的問題進(jìn)行了計(jì)算：一個(gè)膜組件在清洗過多少次之后就應(yīng)該更換呢？他們把結(jié)果總結(jié)成下圖。
　　
　　從上圖能看出，當(dāng)反滲透膜的清洗頻率達(dá)到每周1-3次時(shí)，更換新膜應(yīng)該更為經(jīng)濟(jì)；而納濾膜經(jīng)濟(jì)清洗頻率為每月1次，大于該數(shù)值時(shí)，往往需要更換新的膜以降低運(yùn)行成本。
　　另外，研究團(tuán)隊(duì)也指出本次研究的數(shù)值僅做參考，畢竟用百分比來計(jì)算膜污染成本有一定的主觀性，因?yàn)檫@視乎分子和分母都考慮或者忽略了哪些因素。
　　小結(jié)
　　這次研究的新穎之處在于對(duì)膜污染的經(jīng)濟(jì)影響進(jìn)行了量化分析。通過使用水廠的歷史運(yùn)行參數(shù)和可靠的非經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)建立了納濾和反滲透水廠膜污染成本的計(jì)算模型。這些分析方法和結(jié)果能為水廠的技術(shù)-經(jīng)濟(jì)分析提供更可靠的數(shù)據(jù)支持，而不是僅僅參考經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突蛘吒纱嗪雎阅の廴井a(chǎn)生的成本。
　　其次，通過這種成本解析，運(yùn)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(yù)防/清洗策略。
　　他們?cè)谶@次研究中引入的新指標(biāo)——膜污染成本/OPEX的比例，可能會(huì)成為以后相關(guān)膜污染表征研究的量化參數(shù)，增加不同膜工藝的膜污染嚴(yán)重程度的可比性。