王凯军：高品质再生水的成本没你想象的那么高
污水再生回用已经非常广泛，主要是处理后的城市生活污水为城市绿化、河道景观补水等水质要求不高的功能提供水源。在这些增加水资源供给的措施中，污水回用在产水成本上具有显著优势，且已经在世界上得到广泛应用。高品质回用主要是指饮用水，包括间接饮用水和直接饮用水回用及在工业生产过程中利用，如电子产业工艺过程、锅炉补水应用等等。其中，大家更多集中在对于直接饮用和非直接饮用技术的探讨。然而，随着技术的不断发展，以目前几乎是最严格标准的饮用水回用为目标的新生水处理为例，其价格可能并没有人们想象中的那么高。本文向大家分享新技术的发展，尤其是膜技术的应用，希望可以推动大规模、低成本的高品质再生水回用。
1传统处理工艺与传统再生水利用
从针对一级A的提标改造、到准IV类水达标，再到饮水级别的高品质回用，随着污水处理及回用标准的提高，水处理工艺的性能要求不断上升。令人望而却步的是，同步上涨的处理费用和系统的复杂性。传统再生水处理(如IV类水提标改造)的目标往往是通过水质提升进一步削减污染物排放，从而提升区域水环境质量。近年来有研究认为，在当前我国水环境治理阶段，在污染物削减层面考虑到污水工艺不断升级的边际削弱效应，加强管网系统的建设维护、实现雨污分流及更高水平的污水收集，比进一步提升污水再生水标准具有更高的投资回报率和更显著的环境效应。
再生水回用的标准非常宽泛，本处的“高品质”指的是从水质上超越常规IV/III类地表水标准，其范畴主要是针对饮用(间接或直接)以及工业生产特殊需求(如电子元件加工、锅炉补水等)等方面。非直接饮用过程是指在处理完成后混合到水库里，再经由水库运送到饮用水厂处理后饮用;直接饮用过程是通过直接与饮用水池相混合而实现的直接饮用的工艺过程。相比之下，高品质再生水在资源属性上与传统污水处理和再生水存在显著差异，其在目标上同时满足拓宽饮用水水源来源、实现工业用水高附加值利用等用途，即在环境效益上削减污染物，并具有环境功能实现手段上的唯一性。
2高品质再生水利用与双膜处理工艺的进步
在如何利用高品质再生水解决水资源问题上，新加坡给了我国非常正面的启示。由于新加坡水资源长期受制于马来西亚，新加坡决定通过增加非传统水资源如海水淡化及污水回用、雨水利用等措施彻底解决水资源问题。他们的目标是到2060年水资源完全不依赖外部供给，其中新生水用量可以达到55%，从而彻底解决新加坡水资源的危机问题。新加坡的经验告诉我们，人类在水资源利用上是可以有所作为的，关键是怎么来做。
在传统二级处理的基础上，”臭氧+活性炭过滤“工艺和”超滤+反渗透“双膜工艺是最常用的两条高品质再生水处理技术路线。反渗透工艺的概念最早起源于美国21世纪水厂，之后在新加坡发扬光大，成为解决区域水资源问题的“利器”。新加坡第一座NEWater(新生水)处理厂在2002年建成，樟宜二期水厂被认为是第二代NEWater主力工艺，二级处理未来计划采用MBR工艺，这也是解决系统复杂性的一次尝试。
双膜法——大规模、低成本的高品质再生水回用的技术解决方案
基于规模效应，低成本往往是与大规模联系在一起的。从海水中大规模制取可饮用淡水一直是人类的梦想。《MIT科技评论》2015年度选出的年度十大黑科技之一即为基于世界最大海水淡化厂Sorek的大规模双膜技术。相对于海水，污水回用是更方便、也更容易的非常规水资源再生利用途径。近二十年以来，无论是海水淡化还是高品质再生水，基于RO膜法工艺的规模大型化既是市场的需求，也是技术的趋势。目前，十万吨规模以上的大型工程层出不穷，甚至在近期有望得到百万吨级别。清华北控研究院在2012年在市科委支持下开展了重大科技项目，为北京市膜法百万吨海水淡化项目进行前期技术准备。双膜法的发展不但和海淡的发展有关系，同时与高品质再生水的发展也是密切相关的。
3北控的新加坡樟宜二期项目的技术亮点
为应对大规模海水淡化的需求，以色列IDE公司曾在工程设计中提出“三个中心”的理念，即膜中心、泵中心、能量回收中心。北控水务在樟宜二期项目中自觉和不自觉地践行了“三个中心”的设计理念。樟宜二期NEWater部分的电耗在产能为70%时仅仅只有0.75度电/m3，反映到RO部分的电耗只有0.3度电/m3。考虑到新加坡独特的气候和水质条件，这也意味着一旦中国应用这个工艺，新生水的价格可以大幅度的降低到一个非常有竞争力的水平。因此，双膜工艺的能耗能降到这个水平，非常值得我们关注。
1、膜中心的核心在于反渗透膜堆(train)和膜元件两个层面实现大型化
北控水务最初在曹妃甸建了一个5万吨的海水淡化厂，当时我去参观后一个非常深的感触。我想，5万吨就需要上长达百多米的厂房，百万吨不得20个这样的厂子，占地面积太大。所以在做北京市科委的课题时，我们就在想怎么减少占地降低一个Train能否做到5万吨。前几年我到韩国的普汉参观，10万吨新生水规模，膜堆是5000吨。我非常高兴地看到在新加坡樟宜二期里，膜堆达到了的两万吨的规模，新加坡一期工程的时候尝试过16英寸，16英寸大型膜元件已经取代传统8英寸组件在全球最大海水淡化厂(sorek)得到应用。这是我介绍的膜中心理念的应用。膜中心不光是占地，而且是节省投资，同时管线大量减少、控制元件大量减少，这是膜中心的概念。
2、泵中心的核心在于大型泵的高效和优化运行，从而控制泵耗，降低系统运行成本
大泵效率可达到88%以上到90%，而小泵只有80%左右，这个差异在长期运行中电费是非常显著的。提出泵中心的概念以后，设计上利用大型泵实现更高的能耗利用效率(88%以上)，实现稳定的流量和压力供给，同时再通过小型泵以及能量回收装置来应对不同工况下的流量与压力的变化。新加坡樟宜二期实际处理原水30万吨/d，采用了4台大的泵(其中一台备用)供水，一台泵的功率是2兆瓦，供给10万吨的水，充分在设计上体现了泵中心的理念。处理水以后能够0.3度电/m3，我们国内还是在1度到1.5度电/m3的范畴。
3、能量回收中心：能量回收装置
能量回收中心依据联机涡轮、水力涡轮、压力交换等不同原理存在不同产家提供的专业化产品，其在海水淡化高压反渗透领域起到了革命性影响，在污水低压反渗透领域效果较弱。然而，樟宜二期首次在大型工程中采用涡轮增压机模式的能量回收装置，优化设计以后也能实现约10%的节能效果。
双膜法提供了大规模、低成本的高品质再生水回用技术解决方案。北控水务新生水AQENT™工艺在新加坡樟宜二期处理Newater量为30万吨。基于优化工艺设计与运维，在RO段的吨水电耗可以控制在约0.3度，远低于我国同等条件下在每吨1-1.5度的能耗水平。目前国内MBR工艺直接运行费用约0.45-0.6元/吨，考虑到在优化MBR基础上可以直接耦合RO形成紧凑型双膜工艺，计算增加的RO电耗，吨水直接运行成本有望低于1块钱。相比目前国内的水处理费用水平，当然，实际的价格毕竟还需要综合考虑具体工程的设备折旧及膜材料更换等综合成本。与我国(尤其低于我国北方地区)比，新加坡污水水温常年30°C左右，高于我国(10°C~30°C)，且水质硬度低，这些条件都利用维持反渗透系统处于更高的性能水平。即便如此，新技术的发展尤其是膜技术的应用，有望推动大规模、低成本的高品质再生水回用在我国实现广泛应用，缓解我国水资源紧张、水环境恶化的困局。
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