MBR膜：高碳排工藝

1 研究背景

       在環(huán)境問題備受關(guān)注的今天，污水排放標(biāo)準(zhǔn)日趨收緊，導(dǎo)致污水處理工藝選擇頗受關(guān)注。考慮到污水處理廠建設(shè)用地緊張等因素，膜生物反應(yīng)器（MBR）因其單位體積生物量高、占地節(jié)省、出水水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)迅速進(jìn)入國人視野，已在許多新建或升級改造污水處理廠中獲得廣泛應(yīng)用。

       然而，審視我國“雙碳"目標(biāo)，污水處理廠也面臨著碳減排、甚至碳中和問題。MBR工藝似乎出水水質(zhì)好、占地面積小，但其劣勢亦十分明顯。在MBR工藝工程應(yīng)用中，膜污染以及由此而引起的膜通量下降所導(dǎo)致的能耗過高問題勢必會造成污水處理碳排放量強(qiáng)勢增加。而膜清洗/頻率高、膜絲（有機(jī)纖維膜）斷裂/更換頻繁等一系列問題也會間接增加碳排放量。MBR這些缺點(diǎn)使得基層用戶普遍否定這種工藝。

       然而，對MBR工藝?yán)⒈壮植煌^點(diǎn)的人群往往各執(zhí)一詞，似乎很難彼此說服對方。因此，需要找到一種定量評價MBR工藝優(yōu)劣的技術(shù)指標(biāo)或評價標(biāo)準(zhǔn)。研究從MBR工藝優(yōu)、劣兩方面因素入手，充分考慮經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境三方面綜合效應(yīng)，通過建立與傳統(tǒng)工藝相比的評價模型，揭示出MBR工藝優(yōu)、缺點(diǎn)，并評價其可持續(xù)性。

2 研究內(nèi)容

       MBR工藝所謂良好出水水質(zhì)其實(shí)質(zhì)是膜對SS的有效截留作用，可至出水SS￡5 mg/L。但是，MBR對溶解性COD、N、P的去除作用幾乎無濟(jì)于事，對日益提高的氮、磷排放標(biāo)準(zhǔn)作用不大。事實(shí)上，膜對微生物的作用不過是是聚集生物量而已（因此會導(dǎo)致反應(yīng)器體積減少），而對生化反應(yīng)過程影響甚微。

       然而，膜截留、分離帶來的負(fù)面效應(yīng)是膜污染以及由此引起的膜通量下降、能耗過高、頻繁膜清洗等一系列運(yùn)行問題。MBR工藝可持續(xù)性量化評價需考慮因素雖然復(fù)雜，但可以可持續(xù)性能評價指數(shù)作為依據(jù)建立評價模型，共考慮三方面內(nèi)容：

       1）污水處理廠工藝投資與運(yùn)行費(fèi)用，主要包括基本建設(shè)與運(yùn)行管理費(fèi)用；

       2）工藝運(yùn)行效果及其穩(wěn)定性，涵蓋工藝對涉及污染物去除效果、工藝運(yùn)行穩(wěn)定性、工藝運(yùn)行管理復(fù)雜性等指標(biāo)；

       3）工藝資源回收與利用程度，主要考量工藝對資源的回收與利用能力（涵蓋電耗及藥耗帶來的間接碳排放）。通過評價模型，可以比較與評價MBR與傳統(tǒng)工藝可持續(xù)性指數(shù)（表1），從而計(jì)算出不同地域、不同規(guī)模污水處理廠采用MBR工藝的可持續(xù)性評價指數(shù)。

3 結(jié)論

       對MBR工藝產(chǎn)生的可持續(xù)性能評價指數(shù)模型計(jì)算結(jié)果（圖1）顯示，MBR工藝較傳統(tǒng)工藝在可持續(xù)性方面表現(xiàn)不佳，或者說，MBR從本質(zhì)上來說并不是一種可持續(xù)性工藝。究其原因，主要是過高能耗與運(yùn)行費(fèi)用*抵消了其在良好出水水質(zhì)與緊湊占地方面的優(yōu)勢。子項(xiàng)因子及模型權(quán)重因子敏感性分析揭示（圖1），在合理模型參數(shù)取值范圍內(nèi)MBR工藝在很大程度上都難以具有可持續(xù)性。

4 MBR全球應(yīng)用現(xiàn)狀

       國際MBR應(yīng)用網(wǎng)對世界范圍內(nèi)近20年來700余座大型MBR污水處理廠應(yīng)用情況進(jìn)行了逐年統(tǒng)計(jì)，并繪制了如圖2所示的MBR工程應(yīng)用趨勢。本課題組也統(tǒng)計(jì)世界范圍內(nèi)大型MBR項(xiàng)目（表2）。可以看到，進(jìn)入21世紀(jì)后，MBR技術(shù)首先在北美和歐洲獲得青睞，新增項(xiàng)目也都集中在這兩個區(qū)域。隨后，亞洲和其它地區(qū)（主要為澳洲?北非）迅速跟進(jìn)。MBR工程應(yīng)用在2009~2012年間達(dá)到鼎盛時期；然而，從2013年開始MBR工程應(yīng)用出現(xiàn)大幅回落，直至近兩年應(yīng)用數(shù)量只有鼎盛時期10%。

       MBR工程應(yīng)用衰落是全球性的，歐洲和北美經(jīng)歷了21世紀(jì)最初十年“熱戀"后突然“失戀"，新增項(xiàng)目數(shù)量銳減；2009年后亞洲成為MBR工程應(yīng)用的主力，以至于2012年后全球大型MBR項(xiàng)目主要集中在中國本土境內(nèi)。圖3顯示的世界MBR預(yù)計(jì)年復(fù)合增長率也同樣顯示出，2014年后世界MBR市場增長主要由亞太地區(qū)所主導(dǎo)導(dǎo)，其中，中國增長量對亞太地區(qū)總增長有著絕對的貢獻(xiàn)份額。

圖21996至2017年間MBR工藝世界范圍內(nèi)應(yīng)用趨勢

表2世界范圍內(nèi)大型MBR應(yīng)用項(xiàng)目

圖3 2014~2019年世界MBR預(yù)計(jì)年復(fù)合增長率（CAGR）

       除中國外，MBR工藝在全球范圍應(yīng)用每況愈下并非偶然現(xiàn)象，高能耗與膜污染所致高碳排、高成本乃主因。著眼于未來可持續(xù)發(fā)展，MBR工藝要想取得可持續(xù)發(fā)展，除非顛倒性（Breakthrough）解決膜污染問題。否則，高碳排將永遠(yuǎn)伴隨其一生。在目前情況下，MBR似乎只適用一些特定限制情況，如，土地極度匱乏、利用有限空間、嚴(yán)重缺水和水比油貴地區(qū)。即使在這樣的應(yīng)用場景下，MBR也不是唯1選擇，例如，好氧顆粒污泥（AGS）技術(shù)在各方面均顯得比MBR具有優(yōu)勢。因此，對普遍采用MBR的中國地下污水處理廠來說，今后升級改造只有AGS唯1選擇。