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通过国际MBR技术走向看全球几大MBR厂商如何抢占市场
GWI上海办公室 / 时间:2017-03-22 07:50:58

  据GWI微信公众平台2017年3月22日讯 随着污水处理厂规模的不断扩大以及其在再生水市场的强大适用性,膜生物反应器(MBR)的市场正在逐渐壮大。 GWI将在本文中探讨MBR技术的未来发展以及全球几大MBR水厂的技术案例。
  令人惊讶的是,MBR市场还没有发展到几年前预期的效果。 比起那些相类似的处理系统(比如具有二沉池的传统活性污泥法),MBR具有许多优点,包括:较小的占地面积,较高的停留时间和较好的出水水质。近年来,该技术的市场稳步增长(预计平均每年有个位数增长率),但这些也许还没有完全反映该系统的优点,现在这个市场正开始加速发展。


通过国际MBR技术走向看全球几大MBR厂商如何抢占市场


  随着污水处理厂的规模越来越大和MBR对于快速增长的再生水市场的适用性,使得该技术被更广泛的接受。MBR通常会遇到的能耗大和膜污染的问题正在通过新的解决方案来得以解决,使得该技术的前景更加光明。此外,随着陶瓷膜越来越具有价格竞争力,它们开始被更多地应用到MBR系统中,由于它们能适应高强度的化学清洁,因此可以解决膜污染和堵塞的问题。在不久的将来,MBR在污水处理市场中的份额将不断增加。


通过国际MBR技术走向看全球几大MBR厂商如何抢占市场

(详细表格内容请参见GWI英文杂志3月刊)


  MBR市场中应用的膜分为以下三种结构:中空纤维、平板膜和管式膜,后者不太常见。通常还可以选择是否要将膜组件浸没在生物反应器中,还是将其安装在侧流上,其中管式膜组件位于反应器外部(见图)。中空纤维和平板膜具有各自的优缺点:例如,中空纤维通常需要较少的曝气能量,而平板膜通常不易受到纤维材料堵塞的困惑。平板膜技术已经从传统的板式和框架式,发展更进一步了。例如,在德国企业Microdyn Nadir的系统中,膜和衬垫材料彼此连在一起,这意味着系统有点类似中空纤维,是可以反冲洗。Fibracast (Anaergia的一部分)和QUA也都有无框设计的平板膜。


通过国际MBR技术走向看全球几大MBR厂商如何抢占市场

(详细表格内容请参见GWI英文杂志3月刊)


  传统的想法是,从成本和空间效率的角度来看,中空纤维更适用于大型项目,但是最近人们对此看法稍有改变。系统集成商Ovivo已经在美国最大的MBR污水处理厂(位于俄亥俄州坎顿,平均每日处理量为159000立方米/日),使用久保田的平板膜。这被认为是平板膜的关键性突破。“对于超过10MGD(37850立方米/日)的污水处理厂,过去人们只讨论使用哪种中空纤维,但现在人们也开始考虑到平板膜等等”,Ovivo MBR系统主管丹尼斯·利文斯顿(Dennis Livingston)告诉GWI。
  处理规模越来越大的MBR污水处理厂已经成为趋势。2018年,GE Water将在瑞典斯德哥尔摩的Henriksdal污水处理厂调试世界上最大的MBR设备(2020年中,新加坡Tuas污水处理厂上线后才会取代其世界第一的位置)。每天高峰的水处理能力为864,000立方米/日,这使正处于开始营运阶段的、目前为止全球最大污水处理厂(法国Achères,357000立方米/日)相形见绌。该技术在过去二十年中得到了成功的证明,因此近年来MBR污水处理厂的规模变得越来越大。GE于2002年推出了Zee-Weed 500D膜,至今为止,其MBR污水处理厂中使用的大多数膜仍然运行良好。 “大家的产品已经拥有了超过12年的生命,这帮助大家开启了大型MBR的市场,”GE Water产品管理实行官格伦·武切维奇(Glenn Vicevic)告诉GWI。该企业最近赢得了深圳市罗芳污水处理厂升级改造的合同,这将使其成为中国最大的MBR污水处理厂,处理能力为40万立方米/日。
  再生水的有利地位
  MBR将成为再生水的技术选择吗?经MBR处理后的污水中总悬浮固体含量非常低,并且水质适合于之后的RO处理,使得该技术非常适用于再生水处理。GE Water大力倡导将MBR用于再生水补充间接饮用水和直接饮用水。“这是一个有多重屏障保护的方法,比一个拥有传统活性污泥以及超滤膜的污水处理厂更加便宜,”武切维奇告诉GWI,“MBR系统更小也更可靠。”
  经MBR处理后的出水水质好到可以用于娱乐目的,例如高尔夫球场;然而,由于公共健康卫生的需要,总是需要采用消毒作为额外的处理。利文斯顿说:“现在有很多数据显示对于消毒的要求变少了……在某些情况下,其实不需要额外的消毒,但由于监管目的还是照做了。”
  “它具有非常大的表面积,因此大家看到它可以通过絮凝物吸附或者膜来去除病原体和细菌。”武切维奇补充说道。
  MBR面临的一个问题是,尽管它在处理过程中显示出优于传统活性污泥法和二沉池组合的优点,但该技术目前没有被广泛接受的对数去除率(LRV)的验证指南。 LRV表征处理过程中去除诸如病毒、细菌之类的微生物的能力,比如说LRV为2就意味着99%的去除率,LRV为3等效于99.9%的去除率等等。
  在加利福尼亚州,土地成本和能源成本使得人们倾向于考虑MBR;然而,它们在再生水方面的适用性目前遇到了阻碍,这是因为它缺乏其它技术所具有的LRV值(比如,对于隐孢子虫和贾第虫属,超滤的LRV为4,而高级氧化的则为6),这使得其不能满足间接饮用水和直接饮用水的相关法规要求。加利福尼亚州有一个“12 1010规则”,水中的病原体必须去除到一定水平,这样得到的水才会被认为适合人类消费或者用于其他用途。病毒的对数去除率必须达到12,而对于贾第虫和隐孢子虫的LRV值是10。
  目前正在研究MBR的LRV值,这在加利福尼亚州和澳大利亚最为显著。澳大利亚的WaterVAL计划(由澳大利亚水回收中心监管)在2017年2月公布了一份议定书,为MBR的验证提供引导。无论MBR的LRV值是多少,许多人担心这一数据也会有一定不公正性。 “LRV将低估MBR系统的表现,因为MBR可能在膜里破坏了微生物但对其质量没有影响; MBR膜孔被生物质堵塞,然后又会通过吸附来带出病原体。”武切维奇说。
  不断增长的全球再生水市场(GWI即将推出的脱盐和回用水报告将会有详细先容)将为MBR提供非常多的机会。MBR已经是中国市场的一个主要趋势。 “在过去十年中,MBR已经在中国的许多水处理厂中(尤其是北方地区)得到应用,其中的一大应用就是再生水,”碧水源副总经理刘安波说。然而,目前,MBR在间接饮用水领域有更好的前景。 “现在补充直接饮用水的做法越来越少了,反倒是间接饮用水的市场在不断上升,这其中都能应用到MBR。”Ovivo的利文斯顿说道。
  标准化与变化之间的冲突
  这个行业中正在出现标准化,这意味着将看到和超滤以及微滤市场中相类似的技术融合。最明显的例子是H2O Innovation企业在2016年推出的FlexMBR产品。提高标准化水平的主要优点是避免了固定的供应商,这意味着可以通过招标来进行膜件的更换。MBR市场的标准化会比超滤以及微滤市场更加困难,但是H2O Innovation的污水项目总监弗雷泽·肯特(Fraser Kent)向GWI说明了该企业作为开源供应商的意义在于需要熟悉每个供应商的产品,并可以在相同的条件下进行测试。
  “大家对所有产品及其不同的运营条件进行了实际分析:每平方英尺区域的空气量、循环时间、所使用的MLSS值(混合液悬浮固体浓度)、流量范围等,”肯特告诉GWI。“这使得大家能够定义一个能够适用于绝大多数产品的运营条件。这只是一个设计支撑系统的问题,也是最重要的事情。大家也有来自这些MBR企业的工作人员,如GE、Ovivo、Evoqua、newterra和Fibracast。这给大家带来了许多优势。”
  然而,一些自身拥有膜产品的系统供应商并不能从中看到很多好处。“我不知道客户是如何通过降低系统的难度以获得最不理想的操作条件而获利的,在这个条件下你可以支撑任何数量的系统,”武切维奇说。除了flexMBR,技术融合已经出现,这是因为很多企业都瞄准改造更新市场。“每个人都按照外形尺寸复制了ZeeWeed 500D,因此市场上已经有了竞争激烈的替代品。”武切维奇说。GE为设备更换市场做好了充分准备,在未来几年内这一市场将会非常繁荣,因为许多系统已经运行了10多年。该企业的ZeeBlok系统是一个“通用构件”,使用了与ZeeWeed 500D产品相同的纤维,据Vicevic说它几乎可以安装在几乎任何结构中。 “拥有了ZeeBlok的概念后,大家不再局限于单一的外形尺寸因素,现在大家几乎可以在任何应用中使用ZeeWeed 500膜。大家使用ZeeBlok产品来升级大约六个竞争对手的MBR系统,“他透露道。
  为了进一步改进技术,许多MBR供应商继续尝试寻找增加膜通量的方法:增加通量可以减少膜元件的数量和空气冲洗的能量需求;但是系统中也有最大通量的限制,这是因为膜元件会遇到负载问题。因此,寻求更高能效的解决方案给传统的MBR技术带来了几个变化。其中之一是旋转膜系统,Huber(使用Microdyn Nadir膜材料)和Grundfos(格兰富) Biobooster已经开发。Huber的旋转空气增压系统使得梯形膜片围绕中央空气分配器缓慢旋转。其想法是,当膜片旋转的时候,其空气只需要供应到静态系统所需深度的一半,从而节省能量。
  同时,格兰富Biobooster在滤池和曝气膜盘之间使用贯流叶轮来旋转膜片。格兰富Biobooster行业总监索伦·比克(Soren Bak)回忆说:“这一设计的最初原因是大家一直在努力开发一个可以在非常高的生物质水平下运行的强大系统。比克说明说,当膜旋转的时候,在其表面会产生动力粘度,这意味着进入系统的能量会直接在表面转化。比克告诉GWI,“当我和研究水力的研究员讨论时,他们告诉我不应该移动液体,而应当是移动膜。”
  有关能量效率问题的另一种解决方案是通过管状膜内的螺旋缠绕脊将湍流带到膜内壁上。Pentair X-Flow在2015年推出了Helix*(螺旋)技术,并用于其侧流Airlift MBR产品,以帮助去除会影响膜渗透性的滤饼层。这意味着需要更低的错流速度,从而降低能耗。
  三菱电机开发了一种利用臭氧水溶液来清洁膜的系统,以更好地保持膜的渗透性。比起其他化学品,臭氧可以更有效地去除膜中的有机物质,三菱电机认为这也可以减少空气冲洗的量。三菱电机高级经理Satoshi Awata告诉GWI:“通过用臭氧水溶液清洗膜,Eco-MBR可以显著增加膜过滤器表面积的水通量。到目前为止,大家实验室的测试表明,Eco-MBR能够达到超过传统MBR两倍的通量。”
  AsahiKasei正在为该过程提供耐臭氧膜,目前正由Sembcorp在其工业实验室以及在PUB的樟宜再生水厂进行测试。耐臭氧膜很重要,因为PVDF易受臭氧降解。膜方面的独立咨询师格雷姆·皮尔斯(Graeme Pearce)告诉GWI,“他们可能不得不依赖具有如此高需氧量的固体,以在破坏聚合物之前先破坏臭氧。”
  陶瓷膜的曙光?
  传统说来,陶瓷膜在MBR(以及标准的UF/MF设备;在未来的GWI市场分析中也将会研究陶瓷膜)中使用成本高昂。现在这一点开始有所改变。迄今为止对于MBR而言,陶瓷膜的应用已经减少到只处理特别具有挑战性的、高温或高浓度的工业废水。西班牙企业Likuid在化学品和食品饮料行业的高难度废水处理中的多管膜已取得重大成功。然而,近年来用于MBR的商业化陶瓷平板膜供应商的出现正在挑战聚合物膜的现状。
  陶瓷膜的主要突破出现在2016年。当时Meiden(日本明电舍)对新加坡樟宜水再生水厂进行改造,使用了15000立方米/日的陶瓷膜MBR。这使得PUB要求Tuas再生水厂日均80万立方米/日流量的MBR装置中至少安装15万立方米/日的陶瓷膜。该水厂的其余部分预计将于2025年上线,剩下的这部分将对陶瓷膜和聚合物膜开放。
  市场对他们做了什么?“从机械磨损角度和渗透性角度来看,产品的寿命将变得很重要,”肯特建议,“陶瓷膜正在叩开市场的大门,即使在某些情况下,它们的价格是其他膜片的三倍,但它们的寿命是其两倍。”
  陶瓷膜可以破解其他聚合物膜面临的膜孔堵塞问题。皮尔斯告诉GWI:“使用陶瓷MBR,你不太可能遇到相同的膜孔堵塞问题,因为你可以放心冲洗膜元件,而不必担心会损坏系统。”
  陶瓷膜可以改变市场格局的另一点在于其突破混合液悬浮固体浓度(MLSS)的传统技术限制。工程师们发现过高的MLSS浓度是令人讨厌的,过去的重点是限制MLSS(其与小气泡扩散器的效率有关),“大家一直关注于浓缩氧气和允许更高固体浓度应用的不同技术,”Ovivo的利文斯顿告诉GWI,“大家正在研究陶瓷膜与浓缩氧的结合,因为那样你就可以意识到MBR在生物处理方面的全部潜力,MBR不仅仅是一个过滤装置,你可以看到它真正的废水处理能力。”Ovivo希翼可以挑战下将90~100mg/L/h的常规摄氧量升高至300mg/L/h。
  由于意识到由金属氧化物(例如氧化铝或氧化锆)制成的陶瓷膜的成本往往仍然高得令人望而却步,欧盟资助的再生膜生物反应器项目正在探索将农业和工业废物与耐火粘土(煅烧粘土)结合使用,以降低陶瓷膜的成本。该MBR系统将于2017年开始在西班牙穆尔西亚地区的Aledo污水处理厂开始测试。
  厌氧MBR
  围绕厌氧MBR(AnMBR)的炒作(特别是围绕城市污水中的潜在应用)已经有一段时间。然而,MBR技术并不适用于这类污水条件,这主要是因为这类污水水温太低而且被大量稀释了。因此,迄今为止,AnMBR的应用仅限于诸如食品和饮料行业的高难度废水、棕榈油厂废水等,日本久保田在棕榈油厂就有安装该类设备。然而,来自新加坡的兴趣引领了对主流城市污水处理的广泛测试。“我最初对(主流城市污水)不感兴趣,”GE的武切维奇承认道。GE Water刚刚与PUB一起完成了AnMBR技术为期一年的演示,并声称取得了令人鼓舞的成果。“人们会惊讶于你可以开发一个能源平衡的、在其主流处理中拥有AnMBR技术的污水处理厂(尽管其污水浓度很低),”武切维奇说道。虽然厌氧技术不需要使用和有氧技术一样多的能量,但它们不能除去氨,因此不能满足排放要求。然而,如果是再生水的话,可能就是另外一个故事了。“在新加坡缺乏生物除氨的工艺不是一个问题,新加坡会使用RO深度处理来去除氨,因此人们可以放心地使用再生水。”武切维奇告诉GWI。尽管AnMBR有望在不久的将来应用于主流污水处理,但仍存在不确定性。陶瓷膜也已经进入厌氧MBR市场中,有着其在有氧系统中一样的强度。Likuid首席实行官哈维尔·洛佩特吉(Javier Lopetegui)表示:“厌氧陶瓷膜MBR可能成为处理高浓度废水的一个有趣选择,它同时也可以处理高浓度的油、油脂、悬浮固体和其他组分的废水,通常上流式厌氧污泥反应器(UASB)或颗粒污泥技术较难很好地处理这类污水。”
  未来发展
  MBR的前景仍然十分光明,大型的污水处理厂中存在许多商机而小型的水厂也充满潜力,尤其是在中国。作为中国环境保护计划的一部分,中国市场正在朝农村地区发展。过去十年,中国大城市的MBR污水处理厂大幅增加。这些项目主要是由北京碧水源开发,它是项目的开发商以及MBR技术的供应商。除了其在大型项目中的实力外,碧水源正在开拓农村市场,该市场中需要更小的系统。“碧水源研发了分散式MBR系统,因为大家看到市场正在向农村地区转移,”刘安波对GWI说道。
  格兰富Biobooster也在分散式MBR领域发挥着作用,它主要针对较小的社区,例如医院、食品和饮料部门。它比较关注北欧国家,Henriksdal污水处理厂的存在意味着格兰富有望可以将设备添加到其现有的四个设施中去。 “GE在斯德哥尔摩的污水处理厂使得顾问们意识到MBR在瑞典和芬兰是一个可行的选择。”他说道。
  除了再生水,对于空间受限的污水处理厂施加更严格的营养物质排放限制也将有助于推动MBR市场。肯特告诉GWI:“大家开始关注这些总氮限制,因为这些限制使得MBR极具优势。MBR的停留时间长,占地面积小,硝化也不是问题。”它们还可以应用于微量污染物去除(这一应用中传统想法正朝高级氧化技术转变)。 GE企业采用了MACmbr产品用以去除德国和瑞士某些污水处理厂中的微量污染物并取得了非常不错的成效:这是一种具有特定载体的MBR,能够去除炼油行业中的某些有机物。Microdyn Nadir也在进行相关测试。
  在将技术提高到更具竞争力的水平方面,市场上的供应商一直在考虑能耗问题,这关乎MBR的关键运营成本,皮尔斯说它曾经也是一个“非常耗能的过程”。他接着说道:“大家正在接近能源优化的渐近线,”他告诉GWI,“与传统活性污泥相比,空气冲洗的能量损失变得非常小。”
  皮尔斯认为,可以对MBR系统进行的最大改进是增加它们的抗堵塞能力,同时提高它们的可操作性,这仍然是相对复杂的。重点也可以放在降低其他关键操作的成本上:比如膜元件替换。利文斯顿说道:“使MBR系统和膜元件在寿命方面追赶上澄清器将是一个进步。”
  与此同时,电场耦合MBR强化膜因为能够有效减少膜污染而正不断引起关注。阿联酋马斯达尔研究所的研究人员正在进行的研究表明,在MBR中应用电化学过程可以代替对膜的物理和化学清洁,这是因为电化学过程后有较少的生物质会积累在其表面。关于膜的抗污涂料也正在研究中。
  (本文选自GWI英文杂志3月刊)

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