王凱軍：高品質(zhì)再生水的成本沒你想象的那么高

水處理網(wǎng)訊:污水再生回用已經(jīng)非常廣泛，主要是處理后的城市生活污水為城市綠化、河道景觀補(bǔ)水等水質(zhì)要求不高的功能提供水源。在這些增加水資源供給的措施中，污水回用在產(chǎn)水成本上具有顯著優(yōu)勢，且已經(jīng)在世界上得到廣泛應(yīng)用。高品質(zhì)回用主要是指飲用水，包括間接飲用水和直接飲用水回用及在工業(yè)生產(chǎn)過程中利用，如電子產(chǎn)業(yè)工藝過程、鍋爐補(bǔ)水應(yīng)用等等。其中，大家更多集中在對于直接飲用和非直接飲用技術(shù)的探討。然而，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，以目前幾乎是最嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的飲用水回用為目標(biāo)的新生水處理為例，其價格可能并沒有人們想象中的那么高。本文向大家分享新技術(shù)的發(fā)展，尤其是膜技術(shù)的應(yīng)用，希望可以推動大規(guī)模、低成本的高品質(zhì)再生水回用。

1 傳統(tǒng)處理工藝與傳統(tǒng)再生水利用

從針對一級A的提標(biāo)改造、到準(zhǔn)IV類水達(dá)標(biāo)，再到飲水級別的高品質(zhì)回用，隨著污水處理及回用標(biāo)準(zhǔn)的提高，水處理工藝的性能要求不斷上升。令人望而卻步的是，同步上漲的處理費用和系統(tǒng)的復(fù)雜性。傳統(tǒng)再生水處理(如IV類水提標(biāo)改造)的目標(biāo)往往是通過水質(zhì)提升進(jìn)一步削減污染物排放，從而提升區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量。近年來有研究認(rèn)為，在當(dāng)前我國水環(huán)境治理階段，在污染物削減層面考慮到污水工藝不斷升級的邊際削弱效應(yīng)，加強(qiáng)管網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)維護(hù)、實現(xiàn)雨污分流及更高水平的污水收集，比進(jìn)一步提升污水再生水標(biāo)準(zhǔn)具有更高的投資回報率和更顯著的環(huán)境效應(yīng)。

再生水回用的標(biāo)準(zhǔn)非常寬泛，本處的“高品質(zhì)”指的是從水質(zhì)上超越常規(guī)IV/III類地表水標(biāo)準(zhǔn)，其范疇主要是針對飲用(間接或直接)以及工業(yè)生產(chǎn)特殊需求(如電子元件加工、鍋爐補(bǔ)水等)等方面。非直接飲用過程是指在處理完成后混合到水庫里，再經(jīng)由水庫運送到飲用水廠處理后飲用;直接飲用過程是通過直接與飲用水池相混合而實現(xiàn)的直接飲用的工藝過程。相比之下，高品質(zhì)再生水在資源屬性上與傳統(tǒng)污水處理和再生水存在顯著差異，其在目標(biāo)上同時滿足拓寬飲用水水源來源、實現(xiàn)工業(yè)用水高附加值利用等用途，即在環(huán)境效益上削減污染物，并具有環(huán)境功能實現(xiàn)手段上的唯一性。

2 高品質(zhì)再生水利用與雙膜處理工藝的進(jìn)步

在如何利用高品質(zhì)再生水解決水資源問題上，新加坡給了我國非常正面的啟示。由于新加坡水資源長期受制于馬來西亞，新加坡決定通過增加非傳統(tǒng)水資源如海水淡化及污水回用、雨水利用等措施徹底解決水資源問題。他們的目標(biāo)是到2060年水資源完全不依賴外部供給，其中新生水用量可以達(dá)到55%，從而徹底解決新加坡水資源的危機(jī)問題。新加坡的經(jīng)驗告訴我們，人類在水資源利用上是可以有所作為的，關(guān)鍵是怎么來做。

在傳統(tǒng)二級處理的基礎(chǔ)上，”臭氧+活性炭過濾“工藝和”超濾+反滲透“雙膜工藝是最常用的兩條高品質(zhì)再生水處理技術(shù)路線。反滲透工藝的概念最早起源于美國21世紀(jì)水廠，之后在新加坡發(fā)揚光大，成為解決區(qū)域水資源問題的“利器”。新加坡第一座NEWater(新生水)處理廠在2002年建成，樟宜二期水廠被認(rèn)為是第二代NEWater主力工藝，二級處理未來計劃采用MBR工藝，這也是解決系統(tǒng)復(fù)雜性的一次嘗試。

雙膜法——大規(guī)模、低成本的高品質(zhì)再生水回用的技術(shù)解決方案

基于規(guī)模效應(yīng)，低成本往往是與大規(guī)模聯(lián)系在一起的。從海水中大規(guī)模制取可飲用淡水一直是人類的夢想?！禡IT科技評論》2015年度選出的年度十大黑科技之一即為基于世界最大海水淡化廠Sorek的大規(guī)模雙膜技術(shù)。相對于海水，污水回用是更方便、也更容易的非常規(guī)水資源再生利用途徑。近二十年以來，無論是海水淡化還是高品質(zhì)再生水，基于RO膜法工藝的規(guī)模大型化既是市場的需求，也是技術(shù)的趨勢。目前，十萬噸規(guī)模以上的大型工程層出不窮，甚至在近期有望得到百萬噸級別。清華北控研究院在2012年在市科委支持下開展了重大科技項目，為北京市膜法百萬噸海水淡化項目進(jìn)行前期技術(shù)準(zhǔn)備。雙膜法的發(fā)展不但和海淡的發(fā)展有關(guān)系，同時與高品質(zhì)再生水的發(fā)展也是密切相關(guān)的。

3 北控的新加坡樟宜二期項目的技術(shù)亮點

為應(yīng)對大規(guī)模海水淡化的需求，以色列IDE公司曾在工程設(shè)計中提出“三個中心”的理念，即膜中心、泵中心、能量回收中心。北控水務(wù)在樟宜二期項目中自覺和不自覺地踐行了“三個中心”的設(shè)計理念。樟宜二期NEWater部分的電耗在產(chǎn)能為70%時僅僅只有0.75度電/m3，反映到RO部分的電耗只有0.3度電/m3。考慮到新加坡獨特的氣候和水質(zhì)條件，這也意味著一旦中國應(yīng)用這個工藝，新生水的價格可以大幅度的降低到一個非常有競爭力的水平。因此，雙膜工藝的能耗能降到這個水平，非常值得我們關(guān)注。

1、膜中心的核心在于反滲透膜堆(train)和膜元件兩個層面實現(xiàn)大型化

北控水務(wù)最初在曹妃甸建了一個5萬噸的海水淡化廠，當(dāng)時我去參觀后一個非常深的感觸。我想，5萬噸就需要上長達(dá)百多米的廠房，百萬噸不得20個這樣的廠子，占地面積太大。所以在做北京市科委的課題時，我們就在想怎么減少占地降低一個Train能否做到5萬噸。前幾年我到韓國的普漢參觀，10萬噸新生水規(guī)模，膜堆是5000噸。我非常高興地看到在新加坡樟宜二期里，膜堆達(dá)到了的兩萬噸的規(guī)模，新加坡一期工程的時候嘗試過16英寸，16英寸大型膜元件已經(jīng)取代傳統(tǒng)8英寸組件在全球最大海水淡化廠(sorek)得到應(yīng)用。這是我介紹的膜中心理念的應(yīng)用。膜中心不光是占地，而且是節(jié)省投資，同時管線大量減少、控制元件大量減少，這是膜中心的概念。

2、泵中心的核心在于大型泵的高效和優(yōu)化運行，從而控制泵耗，降低系統(tǒng)運行成本

大泵效率可達(dá)到88%以上到90%，而小泵只有80%左右，這個差異在長期運行中電費是非常顯著的。提出泵中心的概念以后，設(shè)計上利用大型泵實現(xiàn)更高的能耗利用效率(88%以上)，實現(xiàn)穩(wěn)定的流量和壓力供給，同時再通過小型泵以及能量回收裝置來應(yīng)對不同工況下的流量與壓力的變化。新加坡樟宜二期實際處理原水30萬噸/d，采用了4臺大的泵 (其中一臺備用) 供水，一臺泵的功率是2兆瓦，供給10萬噸的水，充分在設(shè)計上體現(xiàn)了泵中心的理念。處理水以后能夠0.3度電/m3，我們國內(nèi)還是在1度到1.5度電/m3的范疇。

3、能量回收中心：能量回收裝置

能量回收中心依據(jù)聯(lián)機(jī)渦輪、水力渦輪、壓力交換等不同原理存在不同產(chǎn)家提供的專業(yè)化產(chǎn)品，其在海水淡化高壓反滲透領(lǐng)域起到了革命性影響，在污水低壓反滲透領(lǐng)域效果較弱。然而，樟宜二期首次在大型工程中采用渦輪增壓機(jī)模式的能量回收裝置，優(yōu)化設(shè)計以后也能實現(xiàn)約10%的節(jié)能效果。

雙膜法提供了大規(guī)模、低成本的高品質(zhì)再生水回用技術(shù)解決方案。北控水務(wù)新生水AQENT™工藝在新加坡樟宜二期處理Newater量為30萬噸?；趦?yōu)化工藝設(shè)計與運維，在RO段的噸水電耗可以控制在約0.3度，遠(yuǎn)低于我國同等條件下在每噸1-1.5度的能耗水平。目前國內(nèi)MBR工藝直接運行費用約0.45-0.6元/噸，考慮到在優(yōu)化MBR基礎(chǔ)上可以直接耦合RO形成緊湊型雙膜工藝，計算增加的RO電耗，噸水直接運行成本有望低于1塊錢。相比目前國內(nèi)的水處理費用水平，當(dāng)然，實際的價格畢竟還需要綜合考慮具體工程的設(shè)備折舊及膜材料更換等綜合成本。與我國(尤其低于我國北方地區(qū))比，新加坡污水水溫常年30°C左右，高于我國(10°C~30°C)，且水質(zhì)硬度低，這些條件都利用維持反滲透系統(tǒng)處于更高的性能水平。即便如此，新技術(shù)的發(fā)展尤其是膜技術(shù)的應(yīng)用，有望推動大規(guī)模、低成本的高品質(zhì)再生水回用在我國實現(xiàn)廣泛應(yīng)用，緩解我國水資源緊張、水環(huán)境惡化的困局。