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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)濟和社會的長期穩(wěn)健發(fā)展，2020年我國城市污水排放量達到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，相關處理和回用技術的創(chuàng)新和推廣應用也推動了水務行業(yè)的健康發(fā)展。

膜技術在中國水務行業(yè)中的推廣應用已超過20年，在保障各類污廢水處理達標排放、再生回用等方面起到重要作用。其中，膜技術在市政污水處理與再生中累計工程應用規(guī)模最大。據(jù)不完全統(tǒng)計，至2020年，總處理規(guī)模超過2000萬m3/d。及時回顧和總結膜技術在中國市政污水處理中的推廣應用特征，對膜技術和水務行業(yè)進一步發(fā)展具有重要意義。

基于此，本文調研了膜技術在中國市政污水處理與再生中的大型工程應用，回顧其發(fā)展歷程，分析其技術－經(jīng)濟特征，總結其創(chuàng)新推動力，并對“雙碳”目標下膜技術進一步發(fā)展提出展望。

摘  要

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

01、膜技術應用概況

膜分離是指以具有選擇透過功能的薄膜作為分離介質，通過在膜兩側施加推動力，使原料中某些組分選擇性地優(yōu)先透過膜，從而達到混合物分離和產(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動的膜技術，包括微濾(microfiltration，MF)、超濾(ultrafiltration，UF)、納濾(nanofiltration，NF)和反滲透(reverse osmosis，RO)，所需驅動壓力逐漸增加，膜的截留能力也逐漸增加。根據(jù)不同的出水水質和應用需求，膜技術在市政污水處理中呈現(xiàn)不同的應用特征，同時也存在多種組合形式(見圖1)。以出水穩(wěn)定達標排放或一般回用為目標時，可采用膜生物反應器(membrane bioreactor，MBR)或“二級處理+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)高品質再生水，適用于水質要求更高的回用場景。

MBR和“二級出水+MF/UF”工藝是市政污水處理中應用最廣泛的膜工藝，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膜過程結合，以強化污染物去除效率；“二級出水+MF/UF”工藝可對二級出水中殘余懸浮固體、磷等污染物(借助化學藥劑)進一步去除。MBR和“二級出水+MF/UF”工藝的出水均可穩(wěn)定達到GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A排放標準，同時也滿足在景觀、市政雜用等方面的回用水質需求。

RO和NF多用于具有脫鹽或去除二級出水中殘余微量有機物需求的再生水生產(chǎn)中，如地下水回灌、鍋爐給水、飲用水源補給等。常用工藝為“二級出水+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技術的應用特征

作為污廢水處理中應用最廣泛的膜技術，MBR在中國的推廣應用已十分成熟，被廣泛應用于市政污水、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用規(guī)模最大。據(jù)MBRsite(www.thembrsite.com)統(tǒng)計，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)達到947.8萬m3/d，占比為62%。

MBR在中國的應用經(jīng)歷了小型－中型(單體規(guī)?！?000m3/d)－大型(單體規(guī)?！?萬m3/d)－超大型(單體規(guī)模≥10萬m3/d)工程的不斷發(fā)展，在2010年左右進入成熟應用期，大型和超大型市政污水MBR工程數(shù)量和累計處理規(guī)?？焖偬嵘?。自2006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，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)地特征有利于實現(xiàn)半地下式和全地下式建設，目前全地下式市政污水MBR累計處理規(guī)模已超過500萬m3/d，約占市政污水MBR累計總處理規(guī)模的30%。

①.MBR的技術特征

MBR是集生化過程和膜過濾過程于一體的污水處理工藝，具有出水水質好、穩(wěn)定可控的技術特點。在該工藝運行中，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:1)完全截留污泥混合液中的懸浮固體；2)使污泥停留時間(solid retention time，SRT)和水力停留時間(hydraulic retention time，HRT)完全分離，提升工藝各單元的污泥濃度、降低污泥負荷，進一步增強微生物對污染物降解；3)富集硝化菌，增強氨氮去除；結合高濃度污泥內(nèi)碳源的利用，進一步增強總氮去除。

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)定運行(部分采用藥劑輔助除磷)的MBR出水水質可穩(wěn)定達到GB18918—2002一級A排放標準，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)化生物單元結合，如采用強化內(nèi)源反硝化的A/A/O/A-MBR工藝，出水可滿足更嚴格的地方排放標準，如江蘇省地方標準DB32/1072—2018《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點工業(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)藥及個人護理產(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%)，對細菌和病毒的對數(shù)去除率達到3－lg以上(CAS法＜3－lg)。MBR對這些有害物質的去除機理不甚相同，但均得益于MBR中SRT與HRT完全分離，SRT較長，膜對污泥、膠體類物質以及大分子微生物代謝物質等的高效截留等特性。

隨著節(jié)水理念和政策推進，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再生水。例如，再生水用于地下水回灌時需滿足GB/T19772—2005《城市污水再生利用地下水回灌水質》對重金屬等有毒有害物質濃度的要求，用于鍋爐補給水時應滿足GB/T19923—2005《城市污水再生利用工業(yè)用水水質》水質指標，且根據(jù)鍋爐工況進行軟化、除鹽等處理。在此種情況下，MBR出水需進一步深度處理，而MBR穩(wěn)定優(yōu)良的出水水質也為后續(xù)深度處理(如NF和RO)的穩(wěn)定運行提供保障。

②.MBR的經(jīng)濟特征

MBR工程的投資和運行費用隨進水水質特征和出水水質需求而變化。由于不計入土地征用費用，市政污水MBR工程總投資平均約為4000元/(m3·d)，運行費用(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年銷售電價表中大工業(yè)用電1～10kV平段電價計算，成本約為0.23元/m3)，化學藥劑費用約為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行曝氣吹掃以防止污泥在膜表面淤積，導致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)和應用，MBR工程的運行能耗逐步降低。此外，單體處理規(guī)模的擴大也有利于降低運行能耗(圖5)，超大型市政污水MBR的平均運行能耗(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，但其出水水質穩(wěn)定達標，所產(chǎn)生的環(huán)境效益也不可忽視。綜合投資運行成本和出水所產(chǎn)生的環(huán)境效益的污水處理工藝技術－經(jīng)濟性研究表明，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結構簡單、易于自動化控制、便于改造，加之MBR工藝無須設置二沉池，占地面積明顯小于CAS法；而全地下式MBR工程的成功建設，進一步縮小了其陸上占地面積，使MBR在人口密集、用地緊張、地價偏高地區(qū)具有推廣優(yōu)勢。

③.MBR工程應用與膜制造產(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有機膜在市政污水MBR中應用最廣泛，而PTFE有機膜和無機陶瓷膜因其化學性能穩(wěn)定、耐酸堿等優(yōu)點，也在近年得到關注和應用。

MBR技術在中國污水處理中應用規(guī)模的不斷擴大，形成了廣闊的膜制造和供應市場，促進了國內(nèi)膜制造和供應商協(xié)同發(fā)展，而后者的發(fā)展也推進了MBR技術進一步推廣，MBR工程應用與膜制造產(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工程多采用進口膜組件，供應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社(Mitsubishi Rayon)、日本久保田株式會社(Kubota)等。隨著MBR技術的成熟應用，國產(chǎn)膜的制造技術也不斷改進、產(chǎn)品質量不斷提升、生產(chǎn)能力不斷擴大，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產(chǎn)權的國內(nèi)膜制造和供應商逐步發(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)化并購同步展開(如中信環(huán)境技術有限公司并購新加坡Memstar等)，國產(chǎn)膜在MBR應用市場中份額逐步擴大。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、膜技術的工程應用推動力

環(huán)境壓力、政策支持和市場驅動等共同推動了膜技術在中國市政污水處理中的應用。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，水環(huán)境污染局勢嚴峻，2010年時全國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，全國地表水水質監(jiān)測斷面仍有3%為Ⅴ類和劣Ⅴ類。此外，逐步推進的城市化進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準日趨嚴格，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優(yōu)良、占地面積小、便于建設和運營等特點，因此滿足以上要求的膜技術進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，國家出臺了一系列政策和法規(guī)，有力推進污水處理和再生，如《水污染防治行動計劃》(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，加強了污水處理廠的提標改造，使得更多的污水處理廠需滿足GB18918—2002一級A排放標準；同時，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，作為典型的高品質污水凈化與再生技術，膜技術研發(fā)受到高度關注。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”專項規(guī)劃》(2012年)等國家級規(guī)劃中，都明確指出對膜技術的發(fā)展支持，為膜技術發(fā)展提供了良好的政策支持環(huán)境。

中國污水治理體量大，這為膜技術的應用提供了巨大市場，可觀的市場利潤空間保證了膜技術的創(chuàng)新和發(fā)展。經(jīng)過近20年的發(fā)展，膜技術在中國應用已十分成熟，并培育了一大批相關國內(nèi)企業(yè)，相關產(chǎn)品質量不斷提升、生產(chǎn)成本逐步降低，促進了膜技術總成本降低。健康有序的市場化發(fā)展進一步保證了膜技術的廣泛應用。

未來，環(huán)境需求、政策支持和市場驅動等仍將持續(xù)推動膜技術在中國進一步推廣。2021年頒布的《關于推進污水資源化利用的指導意見》指出，到2025年，全國地級及以上缺水城市再生水利用率達到25%以上，京津冀地區(qū)達到35%以上。中共中央、國務院于近日印發(fā)的《關于深入打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見》指出，至2025年，地表水Ⅰ—Ⅲ類水體比例要達到85%。此外，2020年，國家主席習近平在第75屆聯(lián)合國大會期間提出中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和；國務院于近期印發(fā)了《2030年前碳達峰行動方案》，對推進污水資源化利用進行部署，均為成熟市場化應用的膜法市政污水處理技術提供了更加廣闊的發(fā)展和應用空間。

04、“雙碳”目標下的未來發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)

“2030年碳達峰、2060年碳中和”這一目標的實現(xiàn)依賴各行各業(yè)的共同努力?！半p碳”目標為水務行業(yè)帶來了挑戰(zhàn)與機遇，在此背景下，膜技術在水務行業(yè)進一步推廣有如下發(fā)展需求:

1)材料高效。膜污染控制是膜技術應用的迫切需求，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長期穩(wěn)定運行具有重要意義。

2)技術先進。先進的技術和工藝是實現(xiàn)污廢水處理與回用目標的基礎。開發(fā)和優(yōu)化新型膜技術和工藝，強化膜過程的作用和效果；開發(fā)膜過程與生物/化學工藝的高效耦合工藝，適應不同進水水質特征；開發(fā)如振動膜組件等高效率、低能耗、低藥耗的膜污染防控策略和技術，保障膜工藝的穩(wěn)定運行。

3)運行智能。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。構建基于AI的智能監(jiān)測、數(shù)據(jù)學習、自動控制和遠程操作系統(tǒng)，對膜工藝過程進行精細化管理與調控，將使膜技術更好地滿足未來應用所需。

4)系統(tǒng)低碳。水務行業(yè)對“雙碳”目標的貢獻應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現(xiàn)系統(tǒng)低碳的重要方式之一。基于此，未來在獲得優(yōu)良出水水質的基礎上，應進一步發(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)(如厭氧膜生物反應器及其組合工藝)，并推進其市場化；結合高效材料和先進技術的應用，全面推進膜集成系統(tǒng)和污廢水處理整體流程的低碳化。

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