新膜法能否系统性解决城市治水的经济性问题？
黑臭水体督察、环保断面督察考核、汛期考核和管网提质增效等成为当前城市水环境所面临的突出问题和公共管理压力源头。产业界、学术界重视这些问题，纷纷开展相关工作，到底能够指望哪些技术手段？
E20水网固废网曾发表了文章《再谈MBR：破局的金钥匙，“333”还有多远？》，文中提到随着膜材料和膜应用技术取得的巨大进步，“333”目标正在实现，那么在这场城市治水的艰苦战役中，颠覆性膜技术能否携存量污水处理设施打一个“翻身仗”呢？
我国城市污水处理设施依然脆弱，溢流污染等压力大
在“2022(第二十届)水业战略论坛”上，中规院生态市政院院长王家卓以“基于韧性城市理念的城市水环境系统构建策略思考”为主题进行分享，他表示，近年来，我国城市污水处理厂建设取得了巨大进展，但整体仍处于较为脆弱的平衡中，主要体现在冗余度不够、抗干扰能力较差、总体韧性不足等方面，大量污水处理厂仍处于高负荷运行，雨天抗干扰能力差。
事实上，经过持续多年的努力，我国很多城市的污水处理率已经超过90%，旱季水环境得到了根本改善，实现了“水清岸绿、鱼翔浅底”。但是，每到雨季，雨污混合的大量溢流使水环境“一夜回到解放前”，使水环境治理效益大打折扣，已成为很多城市棘手的治水难题。
2022年5月生态环境部发布《关于加强2022年汛期水环境监管工作通知》，《通知》指出，近年来，全国水环境质量持续改善，但旱季“藏污纳垢”、雨季“零存整取”等问题突出，部分地区环境基础设施存在明显短板，部分断面汛期污染强度长期居高不下，城乡面源污染正在上升为制约水环境持续改善的主要矛盾。
此外，环保断面和环境容量所面临的压力进一步传导为污水处理设施的提量和提标的压力，污水资源化的再生水回用率等要求也是地方政府和水务部门不容易解决的难题。
复杂问题难以摆脱顾此失彼的困境
作为城市治水的痛点和难点，雨季溢流污染的治理并非易事，涉及到基础设施改造、排水体系管控、城市规划、产业导向等诸多方面，治理思路的确定牵一发而动全身。
在“2022(第二十届)水业战略论坛”上，中国人民大学低碳水环境技术研究中心主任王洪臣提到，无论合流制还是分流制，设计不合理或建设标准过低，都会产生严重溢流污染。根据受纳水体要求合理确定截流倍数是建设合流制排水系统的关键，有关标准规范建议采用2～5倍，这就要求建设足够容量的调蓄设施，污水处理厂也需要有足够的能力冗余。
对于溢流污染，常见的解决方案包括分流制改造、调蓄池建设和海绵城市建设等。但对于一座中等城市而言，完全采用以上的解决方案并达到较为满意的效果，至少需要短期百亿级的投资。而在当前疫情背景下，地方政府普遍财力“捉襟见肘”，难以保证所需的资金投入。此外，无论分流制改造、海绵城市建设还是调蓄池建设，都会涉及到征地、动拆迁等一系列协调工作量大的工作，实施难度大、建设周期长。这就存在着系统工程建设的长期性与水环境治理当下短期压力之间的矛盾，“远水解不了近渴”。
此外，CSO快速处理设施也是针对雨季溢流污染的手段之一，具有投资省、占地小、启动快的优点。但CSO快速处理设施一般主要以物化处理工艺为主，对SS、TP具有较好的去除效果，而对于COD、氨氮、TN这些主要依靠生化处理去除的污染物则去除效果有限，出水难以满足城镇污水排放标准，在当前尚未出台特别的雨季排放标准以及环保汛期考核的压力之下，仅采用物化处理工艺的CSO快速处理设施只可作为污水处理的预处理单元。
提升存量污水处理厂能力，高性能超滤MBR的新机遇
那么，是否还可以像以前那样大建新的污水处理厂呢？众所周知，污水厂和配套管网的实施的将会是笔巨大投资，此外还面临着新建污水厂的选址、征地、动拆迁等一系列难点。
最重要的是，我们在污水处理领域已经不是一穷二白，我们可以试着把目标转到现有的存量污水厂，挖潜现有存量污水厂的处理能力，就地提升其雨季处理量，理论上这是个投资省、见效快的高性价比方案。
清华大学环境学院王凯军教授曾提到我国污水处理系统现状，面对城市接近100%的污水处理率和国内严峻的溢流污染情况，污水处理普遍存在能力冗余(低COD)的国情，国内的解决思路应该不同于欧美国家一级或一级强化处理的思路，而是应该充分利用已建成的城市污水基础设施。这样污水处理厂进水浓度低反而是一个优势，从简单的污水处理设计原理可知，如果浓度降低了一倍，就意味着流量可以提高一倍。我们可以把坏事变成好事来解决溢流污染问题。
国内大部分城市污水处理厂的实际进水浓度低于设计进水浓度，雨季会更低，这样客观上让生化池在雨季处理旱流污水量的两倍甚至更高的流量成为可能。解决了生化池雨季能力问题后，对于传统A2O工艺要再看二沉池，主要制约因素是二沉池的雨季流量负荷瓶颈。
关于污水处理厂流量的理论在更新，相关标准也在跟进。2021年10月开始实施的国家标准《室外排水设计标准》，污水处理厂的污水量变化系数相比上一版标准有较大增加，例如10万吨/天污水厂的流量总变化系数从1.3提升到了1.5。
看来提升末端污水处理厂的峰值处理能力，是城市污水处理设施进化始终绕不开的点。但问题在于如何实现？
今年6月，E20水网固废网曾发表了《解决溢流污染，应该学学《火星救援》》一文，文中提到用工程思维(工程师思维)解决溢流污染这个棘手的环境问题。工程思维就是以资源有限、条件不足、约束限制为前提，去实现目标。设想一座已建成的污水处理厂，是否可以在不新增用地的前提下，以最小的投资成本和最短的实施周期实现现有旱季处理能力4倍的雨季峰值处理能力呢？
这里我们提些实际应用场景作为启发。
第一类场景是常用的采用MBR膜法对传统A2O或氧化沟工艺污水厂，进行产能翻倍并同步提标的解决方案。
即只需要将原有二沉池改造成膜池，生化池容无需增加，辅助其他少量配套工程措施情况下，就可实现无新增用地前提下的污水厂处理能力翻倍和出水标准从一级B或一级A提升至准Ⅳ类水标准，同步实现扩能和提标的双目标。类似这样的案例非常多见，已经成为MBR工艺用于存量污水厂扩能和提标改造的利器，但现有用户抱怨较多的，是传统微滤MBR膜的运行成本过高且维护较麻烦的问题。
二类场景以德国Nordkanal污水厂为例。
该厂服务的是合流制排水系统，污水厂的旱季处理规模约2万吨/天，雨季最大处理规模约4.5万吨/天，采用的是MBR工艺。MBR膜为平均孔径40nm的小孔径超滤膜，该厂MBR超滤膜已使用13年未进行过更换，膜仍具备雨季膜通量超过40LMH的运行能力。
结合上述两类应用场景，我们以工程思维进行思考，如何对一座处理规模5万吨/天采用传统A2O工艺的出水标准一级B的污水厂进行改造，以更好的方式提升其效能，让它能够适应新的环境要求。
我们可以将二沉池改造成膜池，并安装孔径30~40nm的高通量、长寿命的超滤MBR膜，并把生化池内的传统曝气器更换为节能型曝气器，以达到改造后的膜工艺吨水综合成本与原传统工艺基本持平的“333”目标。同时由于高性能超滤膜具有非常好的雨季流量弹性(化解了微滤膜较难实现的弹性峰值流量问题)，可实现40~55LMH的雨季峰值高通量运行。这样，原5万吨/天的传统工艺污水厂，改造后旱季时处理能力为10万吨/天，而在雨季低进水浓度时处理能力最高可达20万吨/天，这是个非常有吸引力的解决方案。
上海市城市建设设计研究总院总工程师、上海城市雨洪管理工程技术研究中心主任朱浩川表示，在不新增用地、不建设调蓄设施的情况下，高通量、长寿命的超滤膜MBR工艺的应用以及低成本的运行方式，可减少溢流污染，对城市水环境的改善具有重要价值。
此外，膜的出水直接达到了高标准再生水的水质标准，一不小心又解决了城市再生水利用率和污水资源化的问题，高性能超滤MBR的确大有可为。
站在高质量发展角度再看“膜”
我们继续放大视野，站在城市全局进行思考，看看会有什么不一样。
清华大学环境学院教授胡洪营认为“高效率”和“可持续”是高质量发展的核心，建立区域水生态循环利用系统是水务行业高质量发展的有效路径。
以“高效率”和“可持续”为尺度，重新审视和梳理问题，不局限原有的认知框架，可能会带来不一样的效果。
按前述膜法水处理技术在不新增用地前提下实现已有污水厂原位的同步扩能和提标，实现污水厂旱季处理能力是原先的2倍，雨季峰值处理能力是原先旱季平均处理能力的4倍，并且是在未建设调蓄池和管网少投入或不投入的前提下，还同步推进了城市再生水利用率和污水资源化。
此外，30~40nm超滤膜对于包括微塑料在内的新兴污染物和新冠病毒在内的水中病毒、细菌有着非常高的拦截效率，提高了出水生物安全性，污水厂真正成为了城市“第二水源地”，这才是真正意义上的一举多得。
关于业内人士所关注的MBR工艺污水厂的运行成本，《再谈MBR：破局的金钥匙，“333”还有多远？》一文中提到随着膜材料和膜应用技术取得的巨大进步，“333”目标正在实现，“膜三贵”的痛点得到化解，用户会得到与传统工艺综合运行成本相当的膜产品和膜技术工艺。世浦泰、碧水源等膜技术厂商都对此均表示乐观。
世浦泰总工程师白海龙表示，小孔径(孔径30~40nm)、超高孔隙率、均匀性好的超滤膜技术取得了颠覆性的突破，以及膜应用技术的创新，使得MBR膜可持续的高通量、长寿命和低能耗得以实现。这就让MBR工艺获得了新生，原有优势继续强化，原有痛点得到解决，量变引发质变，并创造出新的应用模式和应用场景。
由此，我们预期高性能超滤MBR膜技术极有可能在这一轮城市污水治理和提标的战役中胜出。
中国市政工程华北设计研究总院上海分院副院长张力总结到，一是土地的高效集约化利用，基本无须为污水处理设施新增用地而烦恼；二是管网和土建投资成本的大幅节约，仅使用少量资金就可以达到预期效果；三是实施难度低、建设周期短；四是水污染治理和污水资源化需求得到同步解决；五是老城区雨污分流难点和溢流污染痛点的自动化解；六是新兴污染物和生物安全性方面的额外好处。从多个角度而言，它都是因颠覆式膜技术创新所带来的“高效率、低成本”的解决方案，有利于建立区域水生态循环利用系统，打造“可持续”的水资源系统。
白海龙还提到，技术进步使得效率大幅提升，一旦突破了关键“阈值”，就有可能颠覆传统的商业模式和认知框架，引发价值体系的重新配置，并产生全新的服务和解决方案。我们依稀看到了水务行业即将重演其它行业的转型案例，如太阳能电池发电平价上网，导致了传统燃煤电厂的转型；锂电池电动汽车低成本的冲击，导致了传统燃油车制造商的转型。
2022(第二十届)水业战略论坛上，E20研究院执行院长薛涛做了题为《22年水业战略论坛薛涛：三生万物，再谈“再生水”》的主题发言，其对“水十条”、“污水处理提质增效”，“污水资源化”三大政策文件影响“十四五”水务行业的发展做了深度分析，从公共管理、技术和商业三大维度来分析各政策的效果，并提到资金的有限性和治理的紧迫性会引发治理时序的问题，最终反馈到具体的技术选择，典型的在断面达标和CSO溢流控制上，全面的雨污分流和海绵城市的建设在资金和时间上与当前治理要求存在不匹配。
也正如薛涛所说，环保市场一定是在一个高压的公共管理压力下，来自技术和商业模式相互交融中产生的创新，在这样的突破中，底部两要素的合并力还会向上反弹。在当前行业正要进入高质量发展的下半场之际，在政府财政和生态环境的双重压力之下，技术创新是否会引发商业模式和公共管理的变革呢？这是很值得期待的。
算笔经济账
我们以一个有一定规模的城市为例算笔经济账，看一看颠覆式膜技术(后简称新膜法)对城市治水可能带来的影响和改变。
某地级市常住人口约600万人，目前该市污水处理厂总处理规模约200万吨/天，该市治水的需求及痛点如下：
由于城市发展、新产业导入和污水收集率增加，该市未来10年预计污水总量会增加至300万吨/天，需要新增100万吨/天污水处理能力，其中30万吨/天位于新区；
根据城市水环境容量和国控断面的考核压力，现有200万吨/天处理规模中的50万吨/天的污水处理厂出水标准需要从现有的一级A提升至准地表四类水标准；
根据污水资源化利用指导意见，该市的城市再生水利用率需要从现有的5%提升至25%；
该市有部分老城区仍采用截流式的合流式排水系统(占全市污水排放量的20%)且截流倍数较低，雨季溢流污染严重；
由于管网渗漏且地下水位较高，分流制系统污水管网雨季流量较大，雨季流量超出污水厂的处理能力造成溢流。
对此，传统的解决方案按照惯性思维：实施严格的雨污分流、海绵城市建设、管网全部完善、调蓄池建设等，总投资需要400亿元。面对理论上如此巨额的投资，而治理时间又不能太长，地方政府会面临巨大的财政压力。此外，如此巨大的工程会涉及非常多的协调面，以及选址、征地、拆迁、配套等，推进难度大、实施周期长。
图1 传统解决方案途径
表1 传统解决方案的工程投资
如果尝试新膜法解决方案，情况会怎么样呢？
首先，可实现原有污水厂不新增用地的原位扩能及提标，并同步实现高标准出水和污水资源化(出水符合再生水利用标准的水量规模从5%增加至近60%)，同时减少了由于污水厂新址建设所带来的配套污水管网的巨大投资。
再者，利用高性能超滤膜的强流量弹性，可实现污水厂雨季峰值流量是晴天流量的翻倍，有效控制雨季污水处理能力不足而普遍发生的溢流污染，减少老城区高昂的雨污分流改造和调蓄池建设等成本。
图2 新膜法解决方案可实现的功能
表2 新膜法解决方案的工程投资
通过前面对比分析，采用新膜法方案该地级市可节省投资成本320亿和节省用地面积1270亩。我们将新膜法解决方案与传统解决方案相比的诸多优势整理成下表：
图3 新膜法解决方案对于传统解决方案的比较优势
结语
在重重压力下，在高质量发展背景下，城市排水体制将会沿着新建到存量、集中到分布的路径逐步演进，在这过程中技术力量和商业模式会相互融合促进，正如薛涛所说，在to G为主的中国环保市场中，成本依然是决定技术选择路线成熟性的重要标志，而市场的力量永远是决定性的力量。
颠覆性膜技术造就的新膜法，其机遇就在于功能强化的同时还能大幅节约成本，膜技术的不断迭代和突飞猛进造就了新膜法方案的成本已经远低于传统解决方案的成本。在一个有着上百年历史的传统行业，被称为水处理芯片的膜，让我们看到了一丝高科技的曙光，不仅能有效解决城市治水的经济性问题，还可能会改变行业业态。而此时此刻，在城市水治理领域很多关键需求和棘手痛点正摆在我们面前，高性能超滤MBR的新膜法有望成为复杂问题的解决者。
而对于城市治水领域的产业力量来说，这正是个行业上下游分工协作的好时机，共同开发巨大的市场，同时也将承担环境治理的重要社会责任。
