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來源：環(huán)境工程

 研究背景

我國長期面臨水資源短缺和水環(huán)境污染的問題，市政污水水量巨大，且隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的長期穩(wěn)健發(fā)展，2020年我國城市污水排放量達(dá)到571億m3，而污水處理率為97.53%。市政污水處理和回用對削減污染物、減少環(huán)境污染、緩解水資源短缺具有戰(zhàn)略意義，同時(shí)，相關(guān)處理和回用技術(shù)的創(chuàng)新和推廣應(yīng)用也推動(dòng)了水務(wù)行業(yè)的健康發(fā)展。

膜技術(shù)在中國水務(wù)行業(yè)中的推廣應(yīng)用已超過20年，在保障各類污廢水處理達(dá)標(biāo)排放、再生回用等方面起到重要作用。其中，膜技術(shù)在市政污水處理與再生中累計(jì)工程應(yīng)用規(guī)模最大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，至2020年，總處理規(guī)模超過2000萬m3/d。及時(shí)回顧和總結(jié)膜技術(shù)在中國市政污水處理中的推廣應(yīng)用特征，對膜技術(shù)和水務(wù)行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。

基于此，本文調(diào)研了膜技術(shù)在中國市政污水處理與再生中的大型工程應(yīng)用，回顧其發(fā)展歷程，分析其技術(shù)－經(jīng)濟(jì)特征，總結(jié)其創(chuàng)新推動(dòng)力，并對“雙碳”目標(biāo)下膜技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展提出展望。

摘  要

膜技術(shù)在中國水務(wù)行業(yè)已推廣應(yīng)用多年，在消除水污染、緩解水資源短缺等方面起到重要作用。調(diào)研和回顧了膜技術(shù)在中國市政污水處理與再生中的工程應(yīng)用，并重點(diǎn)分析了膜生物反應(yīng)器的發(fā)展歷程和特點(diǎn)。技術(shù)-經(jīng)濟(jì)特性顯示，在污染物去除和成本-效益分析方面，膜生物反應(yīng)器較傳統(tǒng)活性污泥法均具有一定優(yōu)勢。此外，總結(jié)了膜技術(shù)在水務(wù)行業(yè)推廣受到的環(huán)境、政策、市場三方面的推動(dòng)力，并對“雙碳”目標(biāo)下膜技術(shù)在高效材料、先進(jìn)技術(shù)、智能運(yùn)行和低碳系統(tǒng)等方面的后續(xù)研發(fā)進(jìn)行了展望。

01、膜技術(shù)應(yīng)用概況

膜分離是指以具有選擇透過功能的薄膜作為分離介質(zhì)，通過在膜兩側(cè)施加推動(dòng)力，使原料中某些組分選擇性地優(yōu)先透過膜，從而達(dá)到混合物分離和產(chǎn)物提取、純化、濃縮等目的。市政污水處理中主要采用以壓力驅(qū)動(dòng)的膜技術(shù)，包括微濾(microfiltration，MF)、超濾(ultrafiltration，UF)、納濾(nanofiltration，NF)和反滲透(reverse osmosis，RO)，所需驅(qū)動(dòng)壓力逐漸增加，膜的截留能力也逐漸增加。根據(jù)不同的出水水質(zhì)和應(yīng)用需求，膜技術(shù)在市政污水處理中呈現(xiàn)不同的應(yīng)用特征，同時(shí)也存在多種組合形式(見圖1)。以出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放或一般回用為目標(biāo)時(shí)，可采用膜生物反應(yīng)器(membrane bioreactor，MBR)或“二級(jí)處理+MF/UF”工藝來處理市政污水。NF和RO作為高壓膜過程，多用于市政污水深度處理以生產(chǎn)高品質(zhì)再生水，適用于水質(zhì)要求更高的回用場景。

MBR和“二級(jí)出水+MF/UF”工藝是市政污水處理中應(yīng)用最廣泛的膜工藝，在膜法市政污水總處理規(guī)模中占比分別為74%和20%(圖2)。MBR將生物處理單元與MF或UF膜過程結(jié)合，以強(qiáng)化污染物去除效率；“二級(jí)出水+MF/UF”工藝可對二級(jí)出水中殘余懸浮固體、磷等污染物(借助化學(xué)藥劑)進(jìn)一步去除。MBR和“二級(jí)出水+MF/UF”工藝的出水均可穩(wěn)定達(dá)到GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也滿足在景觀、市政雜用等方面的回用水質(zhì)需求。

RO和NF多用于具有脫鹽或去除二級(jí)出水中殘余微量有機(jī)物需求的再生水生產(chǎn)中，如地下水回灌、鍋爐給水、飲用水源補(bǔ)給等。常用工藝為“二級(jí)出水+MF/UF+NF/RO”，在膜法市政污水總處理規(guī)模中占比約為6%(圖2)。

02、MBR技術(shù)的應(yīng)用特征

作為污廢水處理中應(yīng)用最廣泛的膜技術(shù)，MBR在中國的推廣應(yīng)用已十分成熟，被廣泛應(yīng)用于市政污水、工業(yè)廢水和垃圾滲濾液等多種污廢水處理和再生工程中，工程數(shù)量和處理規(guī)模均位居世界前列，其中在市政污水處理與再生中應(yīng)用規(guī)模最大。據(jù)MBRsite(www.thembrsite.com)統(tǒng)計(jì)，目前世界范圍內(nèi)超大型市政污水MBR共有64座，其中41座位于中國，總處理規(guī)模(峰值)達(dá)到947.8萬m3/d，占比為62%。

MBR在中國的應(yīng)用經(jīng)歷了小型－中型(單體規(guī)模≥1000m3/d)－大型(單體規(guī)?！?萬m3/d)－超大型(單體規(guī)?！?0萬m3/d)工程的不斷發(fā)展，在2010年左右進(jìn)入成熟應(yīng)用期，大型和超大型市政污水MBR工程數(shù)量和累計(jì)處理規(guī)?？焖偬嵘Ｗ?006年首座大型MBR工程(北京密云縣污水處理廠，4.5萬m3/d)投運(yùn)至2020年，中國已建成大型市政污水MBR工程近300座(圖3)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，處理市政污水的大型MBR工程在2020年總規(guī)模已超過1700萬m3/d，占全國市政污水總處理量的9%；其中超大型MBR的總處理規(guī)模超過1000萬m3/d。值得指出的是，MBR的節(jié)地特征有利于實(shí)現(xiàn)半地下式和全地下式建設(shè)，目前全地下式市政污水MBR累計(jì)處理規(guī)模已超過500萬m3/d，約占市政污水MBR累計(jì)總處理規(guī)模的30%。

①.MBR的技術(shù)特征

MBR是集生化過程和膜過濾過程于一體的污水處理工藝，具有出水水質(zhì)好、穩(wěn)定可控的技術(shù)特點(diǎn)。在該工藝運(yùn)行中，大部分污染物在生化處理單元可被去除，MF或UF膜過濾過程主要從3方面保證出水水質(zhì):1)完全截留污泥混合液中的懸浮固體；2)使污泥停留時(shí)間(solid retention time，SRT)和水力停留時(shí)間(hydraulic retention time，HRT)完全分離，提升工藝各單元的污泥濃度、降低污泥負(fù)荷，進(jìn)一步增強(qiáng)微生物對污染物降解；3)富集硝化菌，增強(qiáng)氨氮去除；結(jié)合高濃度污泥內(nèi)碳源的利用，進(jìn)一步增強(qiáng)總氮去除。

廣義的MBR包括膜池和前端生化處理單元，以市政污水脫氮除磷為目標(biāo)的常見工藝流程包括“厭氧池+缺氧池+好氧池+膜池(A/A/O-MBR，包含A/A/O衍生工藝)”“厭氧池+缺氧池+好氧池+缺氧池+膜池(A/A/O/A-MBR)”等。

長期穩(wěn)定運(yùn)行(部分采用藥劑輔助除磷)的MBR出水水質(zhì)可穩(wěn)定達(dá)到GB18918—2002一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，ρ(SS)≤10mg/L、ρ(COD)≤50mg/L、ρ(NH4+－N)≤5mg/L、ρ(TN)≤15mg/L、ρ(TP)≤0.5mg/L)，污染物去除率整體優(yōu)于傳統(tǒng)活性污泥法(conventionalactivatedsludge，CAS)(圖4a)。膜分離與優(yōu)化生物單元結(jié)合，如采用強(qiáng)化內(nèi)源反硝化的A/A/O/A-MBR工藝，出水可滿足更嚴(yán)格的地方排放標(biāo)準(zhǔn)，如江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)DB32/1072—2018《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》［ρ(COD)≤40mg/L、ρ(NH4+－N)≤3mg/L、ρ(TN)≤10mg/L、ρ(TP)≤0.3mg/L］。

此外，MBR實(shí)際工程監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，其對內(nèi)分泌干擾物(endocrine disrupting chemicals，EDCs)、醫(yī)藥及個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品(pharmaceuticals and personal care products，PPCPs)、微塑料、病原菌等也具有優(yōu)于CAS法的去除效果(圖4)，如MBR對微塑料去除率在99%以上(CAS法平均去除率為87%)，對細(xì)菌和病毒的對數(shù)去除率達(dá)到3－lg以上(CAS法＜3－lg)。MBR對這些有害物質(zhì)的去除機(jī)理不甚相同，但均得益于MBR中SRT與HRT完全分離，SRT較長，膜對污泥、膠體類物質(zhì)以及大分子微生物代謝物質(zhì)等的高效截留等特性。

隨著節(jié)水理念和政策推進(jìn)，再生水回用場景呈現(xiàn)多元化趨勢，多種回用場景需要高品質(zhì)再生水。例如，再生水用于地下水回灌時(shí)需滿足GB/T19772—2005《城市污水再生利用地下水回灌水質(zhì)》對重金屬等有毒有害物質(zhì)濃度的要求，用于鍋爐補(bǔ)給水時(shí)應(yīng)滿足GB/T19923—2005《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》水質(zhì)指標(biāo)，且根據(jù)鍋爐工況進(jìn)行軟化、除鹽等處理。在此種情況下，MBR出水需進(jìn)一步深度處理，而MBR穩(wěn)定優(yōu)良的出水水質(zhì)也為后續(xù)深度處理(如NF和RO)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

②.MBR的經(jīng)濟(jì)特征

MBR工程的投資和運(yùn)行費(fèi)用隨進(jìn)水水質(zhì)特征和出水水質(zhì)需求而變化。由于不計(jì)入土地征用費(fèi)用，市政污水MBR工程總投資平均約為4000元/(m3·d)，運(yùn)行費(fèi)用(除膜耗損外)平均約為1元/m3，能耗約為0.5kW·h/m3(以工程所在地2019年銷售電價(jià)表中大工業(yè)用電1～10kV平段電價(jià)計(jì)算，成本約為0.23元/m3)，化學(xué)藥劑費(fèi)用約為0.13元/m3(圖5)。

為控制膜污染，通常需要在膜池的膜組器底部進(jìn)行曝氣吹掃以防止污泥在膜表面淤積，導(dǎo)致MBR的曝氣能耗水平高于CAS法(＜0.4kW·h/m3)，開發(fā)低能耗的膜組器曝氣吹掃策略以提升工藝經(jīng)濟(jì)性成為MBR的主要發(fā)展方向之一。近年來，隨著間歇曝氣、高低交互和脈沖曝氣等曝氣條件優(yōu)化，在線監(jiān)測－反饋智能系統(tǒng)應(yīng)用、新型抗污染膜材料和膜組件型式等高效膜污染控制策略的研發(fā)和應(yīng)用，MBR工程的運(yùn)行能耗逐步降低。此外，單體處理規(guī)模的擴(kuò)大也有利于降低運(yùn)行能耗(圖5)，超大型市政污水MBR的平均運(yùn)行能耗(0.4kW·h/m3)低于大型市政污水MBR(0.55kW·h/m3)。

盡管MBR的能耗較高，但其出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，所產(chǎn)生的環(huán)境效益也不可忽視。綜合投資運(yùn)行成本和出水所產(chǎn)生的環(huán)境效益的污水處理工藝技術(shù)－經(jīng)濟(jì)性研究表明，MBR與CAS法相比仍具有優(yōu)勢，特別是在污水處理廠提標(biāo)改造方面:工藝由CAS改造為MBR后，由去除COD所得的平均邊際環(huán)境收益從0.022元/g提高至0.025元/g，由去除氨氮所得的平均邊際環(huán)境收益從0.474元/g提高至0.655元/g，包括環(huán)境效益的平均凈利潤從19.4元/m3提高至24.4元/m3。MBR結(jié)構(gòu)簡單、易于自動(dòng)化控制、便于改造，加之MBR工藝無須設(shè)置二沉池，占地面積明顯小于CAS法；而全地下式MBR工程的成功建設(shè)，進(jìn)一步縮小了其陸上占地面積，使MBR在人口密集、用地緊張、地價(jià)偏高地區(qū)具有推廣優(yōu)勢。

③.MBR工程應(yīng)用與膜制造產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展

高性能的膜材料和膜組件是MBR技術(shù)的核心元件。MBR常用膜材料包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯乙烯(PVC)、聚醚砜(PES)、無機(jī)陶瓷等，膜組件型式包括中空纖維(hollow fiber)、管式(tubular)、板框式(flat sheet)等。目前PVDF有機(jī)膜在市政污水MBR中應(yīng)用最廣泛，而PTFE有機(jī)膜和無機(jī)陶瓷膜因其化學(xué)性能穩(wěn)定、耐酸堿等優(yōu)點(diǎn)，也在近年得到關(guān)注和應(yīng)用。

MBR技術(shù)在中國污水處理中應(yīng)用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，形成了廣闊的膜制造和供應(yīng)市場，促進(jìn)了國內(nèi)膜制造和供應(yīng)商協(xié)同發(fā)展，而后者的發(fā)展也推進(jìn)了MBR技術(shù)進(jìn)一步推廣，MBR工程應(yīng)用與膜制造產(chǎn)業(yè)得到協(xié)同發(fā)展。2010年之前，早期的中小型和大型MBR工程多采用進(jìn)口膜組件，供應(yīng)商包括美國通用電氣公司(GE)、新加坡美能膜材料科技有限公司(Memstar)、日本三菱麗陽株式會(huì)社(Mitsubishi Rayon)、日本久保田株式會(huì)社(Kubota)等。隨著MBR技術(shù)的成熟應(yīng)用，國產(chǎn)膜的制造技術(shù)也不斷改進(jìn)、產(chǎn)品質(zhì)量不斷提升、生產(chǎn)能力不斷擴(kuò)大，北京碧水源科技股份有限公司、天津膜天膜科技股份有限公司、浙江開創(chuàng)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰镜葥碛凶灾髦R(shí)產(chǎn)權(quán)的國內(nèi)膜制造和供應(yīng)商逐步發(fā)展壯大，國內(nèi)環(huán)保企業(yè)對國外成熟膜制造商的商業(yè)化并購?fù)秸归_(如中信環(huán)境技術(shù)有限公司并購新加坡Memstar等)，國產(chǎn)膜在MBR應(yīng)用市場中份額逐步擴(kuò)大。2015年之后新建的市政MBR工程中，國內(nèi)生產(chǎn)的膜組件所占市場份額已由39%(2010年之前)提升至87%(圖6)。

03、膜技術(shù)的工程應(yīng)用推動(dòng)力

環(huán)境壓力、政策支持和市場驅(qū)動(dòng)等共同推動(dòng)了膜技術(shù)在中國市政污水處理中的應(yīng)用。中國面臨水資源短缺問題，根據(jù)世界銀行數(shù)據(jù)(http://wdi.worldbank.org/table/3.5)，中國人均水資源占有量僅為世界平均水平的1/3；同時(shí)，水環(huán)境污染局勢嚴(yán)峻，2010年時(shí)全國Ⅴ類和劣Ⅴ類水河長占比為25.5%，劣Ⅴ類湖泊水面積占比為13.2%；至2020年，全國地表水水質(zhì)監(jiān)測斷面仍有3%為Ⅴ類和劣Ⅴ類。此外，逐步推進(jìn)的城市化進(jìn)程使得人口密集地區(qū)可用土地資源不斷減少。多重環(huán)境壓力使得污水排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，對水資源再生回用的需求日益提升，這些變化要求污水處理工藝具備出水水質(zhì)優(yōu)良、占地面積小、便于建設(shè)和運(yùn)營等特點(diǎn)，因此滿足以上要求的膜技術(shù)進(jìn)入中國污水處理行業(yè)并得到長足發(fā)展。

為治理水污染、緩解水資源危機(jī)，國家出臺(tái)了一系列政策和法規(guī)，有力推進(jìn)污水處理和再生，如《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(2015年)、《中華人民共和國水污染防治法》(2017年修訂)等。根據(jù)污染治理需求，地方政府逐步提高了污水處理要求，加強(qiáng)了污水處理廠的提標(biāo)改造，使得更多的污水處理廠需滿足GB18918—2002一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)，在“十一五”“十二五”和“十三五”期間，污水再生回用也是國家節(jié)水的重要途徑。在這一背景下，作為典型的高品質(zhì)污水凈化與再生技術(shù)，膜技術(shù)研發(fā)受到高度關(guān)注。在《“十二五”節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》(2012年)、《高性能膜材料科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃》(2012年)等國家級(jí)規(guī)劃中，都明確指出對膜技術(shù)的發(fā)展支持，為膜技術(shù)發(fā)展提供了良好的政策支持環(huán)境。

中國污水治理體量大，這為膜技術(shù)的應(yīng)用提供了巨大市場，可觀的市場利潤空間保證了膜技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。經(jīng)過近20年的發(fā)展，膜技術(shù)在中國應(yīng)用已十分成熟，并培育了一大批相關(guān)國內(nèi)企業(yè)，相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量不斷提升、生產(chǎn)成本逐步降低，促進(jìn)了膜技術(shù)總成本降低。健康有序的市場化發(fā)展進(jìn)一步保證了膜技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

未來，環(huán)境需求、政策支持和市場驅(qū)動(dòng)等仍將持續(xù)推動(dòng)膜技術(shù)在中國進(jìn)一步推廣。2021年頒布的《關(guān)于推進(jìn)污水資源化利用的指導(dǎo)意見》指出，到2025年，全國地級(jí)及以上缺水城市再生水利用率達(dá)到25%以上，京津冀地區(qū)達(dá)到35%以上。中共中央、國務(wù)院于近日印發(fā)的《關(guān)于深入打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見》指出，至2025年，地表水Ⅰ—Ⅲ類水體比例要達(dá)到85%。此外，2020年，國家主席習(xí)近平在第75屆聯(lián)合國大會(huì)期間提出中國二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和；國務(wù)院于近期印發(fā)了《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》，對推進(jìn)污水資源化利用進(jìn)行部署，均為成熟市場化應(yīng)用的膜法市政污水處理技術(shù)提供了更加廣闊的發(fā)展和應(yīng)用空間。

04、“雙碳”目標(biāo)下的未來發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)

“2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和”這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)依賴各行各業(yè)的共同努力。“雙碳”目標(biāo)為水務(wù)行業(yè)帶來了挑戰(zhàn)與機(jī)遇，在此背景下，膜技術(shù)在水務(wù)行業(yè)進(jìn)一步推廣有如下發(fā)展需求:

1)材料高效。膜污染控制是膜技術(shù)應(yīng)用的迫切需求，基于新型材料和制備原理，研發(fā)具備高通量、高選擇性、抗污染、長壽命以及環(huán)境功能性等優(yōu)點(diǎn)的新型膜材料，從源頭減少膜污染發(fā)生，對膜污染控制和膜技術(shù)長期穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

2)技術(shù)先進(jìn)。先進(jìn)的技術(shù)和工藝是實(shí)現(xiàn)污廢水處理與回用目標(biāo)的基礎(chǔ)。開發(fā)和優(yōu)化新型膜技術(shù)和工藝，強(qiáng)化膜過程的作用和效果；開發(fā)膜過程與生物/化學(xué)工藝的高效耦合工藝，適應(yīng)不同進(jìn)水水質(zhì)特征；開發(fā)如振動(dòng)膜組件等高效率、低能耗、低藥耗的膜污染防控策略和技術(shù)，保障膜工藝的穩(wěn)定運(yùn)行。

3)運(yùn)行智能。人工智能(artificial intelligence，AI)已成為未來科技的重要組成部分。隨著智慧城市、智慧水務(wù)等的發(fā)展，AI將在未來污廢水處理和再生工程中起到重要作用。構(gòu)建基于AI的智能監(jiān)測、數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)、自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)，對膜工藝過程進(jìn)行精細(xì)化管理與調(diào)控，將使膜技術(shù)更好地滿足未來應(yīng)用所需。

4)系統(tǒng)低碳。水務(wù)行業(yè)對“雙碳”目標(biāo)的貢獻(xiàn)應(yīng)包含污廢水處理與再生工藝的低碳化，對污水中水資源、資源和能源的同步回收是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低碳的重要方式之一?；诖耍磥碓讷@得優(yōu)良出水水質(zhì)的基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步發(fā)揮膜的截留作用，研發(fā)集水資源再生和能源資源回收于一體的低碳膜集成系統(tǒng)(如厭氧膜生物反應(yīng)器及其組合工藝)，并推進(jìn)其市場化；結(jié)合高效材料和先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，全面推進(jìn)膜集成系統(tǒng)和污廢水處理整體流程的低碳化。

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