黄霞教授团队：膜技术在中国市政污水处理与再生中的应用现状与未来挑战
研究背景
我国长期面临水资源短缺和水环境污染的问题，市政污水水量巨大，且随着我国经济和社会的长期稳健发展，2020年我国城市污水排放量达到571亿m3，而污水处理率为97.53%。市政污水处理和回用对削减污染物、减少环境污染、缓解水资源短缺具有战略意义，同时，相关处理和回用技术的创新和推广应用也推动了水务行业的健康发展。
膜技术在中国水务行业中的推广应用已超过20年，在保障各类污废水处理达标排放、再生回用等方面起到重要作用。其中，膜技术在市政污水处理与再生中累计工程应用规模最大。据不完全统计，至2020年，总处理规模超过2000万m3/d。及时回顾和总结膜技术在中国市政污水处理中的推广应用特征，对膜技术和水务行业进一步发展具有重要意义。
基于此，本文调研了膜技术在中国市政污水处理与再生中的大型工程应用，回顾其发展历程，分析其技术－经济特征，总结其创新推动力，并对“双碳”目标下膜技术进一步发展提出展望。
摘要
膜技术在中国水务行业已推广应用多年，在消除水污染、缓解水资源短缺等方面起到重要作用。调研和回顾了膜技术在中国市政污水处理与再生中的工程应用，并重点分析了膜生物反应器的发展历程和特点。技术-经济特性显示，在污染物去除和成本-效益分析方面，膜生物反应器较传统活性污泥法均具有一定优势。此外，总结了膜技术在水务行业推广受到的环境、政策、市场三方面的推动力，并对“双碳”目标下膜技术在高效材料、先进技术、智能运行和低碳系统等方面的后续研发进行了展望。
01膜技术应用概况
膜分离是指以具有选择透过功能的薄膜作为分离介质，通过在膜两侧施加推动力，使原料中某些组分选择性地优先透过膜，从而达到混合物分离和产物提取、纯化、浓缩等目的。市政污水处理中主要采用以压力驱动的膜技术，包括微滤(microfiltration，MF)、超滤(ultrafiltration，UF)、纳滤(nanofiltration，NF)和反渗透(reverse osmosis，RO)，所需驱动压力逐渐增加，膜的截留能力也逐渐增加。根据不同的出水水质和应用需求，膜技术在市政污水处理中呈现不同的应用特征，同时也存在多种组合形式(见图1)。以出水稳定达标排放或一般回用为目标时，可采用膜生物反应器(membrane bioreactor，MBR)或“二级处理+MF/UF”工艺来处理市政污水。NF和RO作为高压膜过程，多用于市政污水深度处理以生产高品质再生水，适用于水质要求更高的回用场景。
MBR和“二级出水+MF/UF”工艺是市政污水处理中应用最广泛的膜工艺，在膜法市政污水总处理规模中占比分别为74%和20%(图2)。MBR将生物处理单元与MF或UF膜过程结合，以强化污染物去除效率；“二级出水+MF/UF”工艺可对二级出水中残余悬浮固体、磷等污染物(借助化学药剂)进一步去除。MBR和“二级出水+MF/UF”工艺的出水均可稳定达到GB18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A排放标准，同时也满足在景观、市政杂用等方面的回用水质需求。
RO和NF多用于具有脱盐或去除二级出水中残余微量有机物需求的再生水生产中，如地下水回灌、锅炉给水、饮用水源补给等。常用工艺为“二级出水+MF/UF+NF/RO”，在膜法市政污水总处理规模中占比约为6%(图2)。
02MBR技术的应用特征
作为污废水处理中应用最广泛的膜技术，MBR在中国的推广应用已十分成熟，被广泛应用于市政污水、工业废水和垃圾渗滤液等多种污废水处理和再生工程中，工程数量和处理规模均位居世界前列，其中在市政污水处理与再生中应用规模最大。据MBRsite(www.thembrsite.com)统计，目前世界范围内超大型市政污水MBR共有64座，其中41座位于中国，总处理规模(峰值)达到947.8万m3/d，占比为62%。
MBR在中国的应用经历了小型－中型(单体规模≥1000m3/d)－大型(单体规模≥1万m3/d)－超大型(单体规模≥10万m3/d)工程的不断发展，在2010年左右进入成熟应用期，大型和超大型市政污水MBR工程数量和累计处理规模快速提升。自2006年首座大型MBR工程(北京密云县污水处理厂，4.5万m3/d)投运至2020年，中国已建成大型市政污水MBR工程近300座(图3)。据不完全统计，处理市政污水的大型MBR工程在2020年总规模已超过1700万m3/d，占全国市政污水总处理量的9%；其中超大型MBR的总处理规模超过1000万m3/d。值得指出的是，MBR的节地特征有利于实现半地下式和全地下式建设，目前全地下式市政污水MBR累计处理规模已超过500万m3/d，约占市政污水MBR累计总处理规模的30%。
1. MBR的技术特征
MBR是集生化过程和膜过滤过程于一体的污水处理工艺，具有出水水质好、稳定可控的技术特点。在该工艺运行中，大部分污染物在生化处理单元可被去除，MF或UF膜过滤过程主要从3方面保证出水水质:1)完全截留污泥混合液中的悬浮固体；2)使污泥停留时间(solid retention time，SRT)和水力停留时间(hydraulic retention time，HRT)完全分离，提升工艺各单元的污泥浓度、降低污泥负荷，进一步增强微生物对污染物降解；3)富集硝化菌，增强氨氮去除；结合高浓度污泥内碳源的利用，进一步增强总氮去除。
广义的MBR包括膜池和前端生化处理单元，以市政污水脱氮除磷为目标的常见工艺流程包括“厌氧池+缺氧池+好氧池+膜池(A/A/O-MBR，包含A/A/O衍生工艺)”“厌氧池+缺氧池+好氧池+缺氧池+膜池(A/A/O/A-MBR)”等。
长期稳定运行(部分采用药剂辅助除磷)的MBR出水水质可稳定达到GB18918—2002一级A排放标准，ρ(SS)≤10mg/L、ρ(COD)≤50mg/L、ρ(NH4+－N)≤5mg/L、ρ(TN)≤15mg/L、ρ(TP)≤0.5mg/L)，污染物去除率整体优于传统活性污泥法(conventionalactivatedsludge，CAS)(图4a)。膜分离与优化生物单元结合，如采用强化内源反硝化的A/A/O/A-MBR工艺，出水可满足更严格的地方排放标准，如江苏省地方标准DB32/1072—2018《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业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实际工程监测数据显示，其对内分泌干扰物(endocrine disrupting chemicals，EDCs)、医药及个人护理产品(pharmaceuticals and personal care products，PPCPs)、微塑料、病原菌等也具有优于CAS法的去除效果(图4)，如MBR对微塑料去除率在99%以上(CAS法平均去除率为87%)，对细菌和病毒的对数去除率达到3－lg以上(CAS法＜3－lg)。MBR对这些有害物质的去除机理不甚相同，但均得益于MBR中SRT与HRT完全分离，SRT较长，膜对污泥、胶体类物质以及大分子微生物代谢物质等的高效截留等特性。
随着节水理念和政策推进，再生水回用场景呈现多元化趋势，多种回用场景需要高品质再生水。例如，再生水用于地下水回灌时需满足GB/T19772—2005《城市污水再生利用地下水回灌水质》对重金属等有毒有害物质浓度的要求，用于锅炉补给水时应满足GB/T19923—2005《城市污水再生利用工业用水水质》水质指标，且根据锅炉工况进行软化、除盐等处理。在此种情况下，MBR出水需进一步深度处理，而MBR稳定优良的出水水质也为后续深度处理(如NF和RO)的稳定运行提供保障。
2. MBR的经济特征
MBR工程的投资和运行费用随进水水质特征和出水水质需求而变化。由于不计入土地征用费用，市政污水MBR工程总投资平均约为4000元/(m3·d)，运行费用(除膜耗损外)平均约为1元/m3，能耗约为0.5kW·h/m3(以工程所在地2019年销售电价表中大工业用电1～10kV平段电价计算，成本约为0.23元/m3)，化学药剂费用约为0.13元/m3(图5)。
为控制膜污染，通常需要在膜池的膜组器底部进行曝气吹扫以防止污泥在膜表面淤积，导致MBR的曝气能耗水平高于CAS法(＜0.4kW·h/m3)，开发低能耗的膜组器曝气吹扫策略以提升工艺经济性成为MBR的主要发展方向之一。近年来，随着间歇曝气、高低交互和脉冲曝气等曝气条件优化，在线监测－反馈智能系统应用、新型抗污染膜材料和膜组件型式等高效膜污染控制策略的研发和应用，MBR工程的运行能耗逐步降低。此外，单体处理规模的扩大也有利于降低运行能耗(图5)，超大型市政污水MBR的平均运行能耗(0.4kW·h/m3)低于大型市政污水MBR(0.55kW·h/m3)。
尽管MBR的能耗较高，但其出水水质稳定达标，所产生的环境效益也不可忽视。综合投资运行成本和出水所产生的环境效益的污水处理工艺技术－经济性研究表明，MBR与CAS法相比仍具有优势，特别是在污水处理厂提标改造方面:工艺由CAS改造为MBR后，由去除COD所得的平均边际环境收益从0.022元/g提高至0.025元/g，由去除氨氮所得的平均边际环境收益从0.474元/g提高至0.655元/g，包括环境效益的平均净利润从19.4元/m3提高至24.4元/m3。MBR结构简单、易于自动化控制、便于改造，加之MBR工艺无须设置二沉池，占地面积明显小于CAS法；而全地下式MBR工程的成功建设，进一步缩小了其陆上占地面积，使MBR在人口密集、用地紧张、地价偏高地区具有推广优势。
3. MBR工程应用与膜制造产业的协同发展
高性能的膜材料和膜组件是MBR技术的核心元件。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)、无机陶瓷等，膜组件型式包括中空纤维(hollow fiber)、管式(tubular)、板框式(flat sheet)等。目前PVDF有机膜在市政污水MBR中应用最广泛，而PTFE有机膜和无机陶瓷膜因其化学性能稳定、耐酸碱等优点，也在近年得到关注和应用。
MBR技术在中国污水处理中应用规模的不断扩大，形成了广阔的膜制造和供应市场，促进了国内膜制造和供应商协同发展，而后者的发展也推进了MBR技术进一步推广，MBR工程应用与膜制造产业得到协同发展。2010年之前，早期的中小型和大型MBR工程多采用进口膜组件，供应商包括美国通用电气公司(GE)、新加坡美能膜材料科技有限公司(Memstar)、日本三菱丽阳株式会社(Mitsubishi Rayon)、日本久保田株式会社(Kubota)等。随着MBR技术的成熟应用，国产膜的制造技术也不断改进、产品质量不断提升、生产能力不断扩大，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、浙江开创环保科技股份有限公司等拥有自主知识产权的国内膜制造和供应商逐步发展壮大，国内环保企业对国外成熟膜制造商的商业化并购同步展开(如中信环境技术有限公司并购新加坡Memstar等)，国产膜在MBR应用市场中份额逐步扩大。2015年之后新建的市政MBR工程中，国内生产的膜组件所占市场份额已由39%(2010年之前)提升至87%(图6)。
03膜技术的工程应用推动力
环境压力、政策支持和市场驱动等共同推动了膜技术在中国市政污水处理中的应用。中国面临水资源短缺问题，根据世界银行数据(http://wdi.worldbank.org/table/3.5)，中国人均水资源占有量仅为世界平均水平的1/3；同时，水环境污染局势严峻，2010年时全国Ⅴ类和劣Ⅴ类水河长占比为25.5%，劣Ⅴ类湖泊水面积占比为13.2%；至2020年，全国地表水水质监测断面仍有3%为Ⅴ类和劣Ⅴ类。此外，逐步推进的城市化进程使得人口密集地区可用土地资源不断减少。多重环境压力使得污水排放标准日趋严格，对水资源再生回用的需求日益提升，这些变化要求污水处理工艺具备出水水质优良、占地面积小、便于建设和运营等特点，因此满足以上要求的膜技术进入中国污水处理行业并得到长足发展。
为治理水污染、缓解水资源危机，国家出台了一系列政策和法规，有力推进污水处理和再生，如《水污染防治行动计划》(2015年)、《中华人民共和国水污染防治法》(2017年修订)等。根据污染治理需求，地方政府逐步提高了污水处理要求，加强了污水处理厂的提标改造，使得更多的污水处理厂需满足GB18918—2002一级A排放标准；同时，在“十一五”“十二五”和“十三五”期间，污水再生回用也是国家节水的重要途径。在这一背景下，作为典型的高品质污水净化与再生技术，膜技术研发受到高度关注。在《“十二五”节能环保产业发展规划》(2012年)、《高性能膜材料科技发展“十二五”专项规划》(2012年)等国家级规划中，都明确指出对膜技术的发展支持，为膜技术发展提供了良好的政策支持环境。
中国污水治理体量大，这为膜技术的应用提供了巨大市场，可观的市场利润空间保证了膜技术的创新和发展。经过近20年的发展，膜技术在中国应用已十分成熟，并培育了一大批相关国内企业，相关产品质量不断提升、生产成本逐步降低，促进了膜技术总成本降低。健康有序的市场化发展进一步保证了膜技术的广泛应用。
未来，环境需求、政策支持和市场驱动等仍将持续推动膜技术在中国进一步推广。2021年颁布的《关于推进污水资源化利用的指导意见》指出，到2025年，全国地级及以上缺水城市再生水利用率达到25%以上，京津冀地区达到35%以上。中共中央、国务院于近日印发的《关于深入打好污染防治攻坚战的意见》指出，至2025年，地表水Ⅰ—Ⅲ类水体比例要达到85%。此外，2020年，国家主席习近平在第75届联合国大会期间提出中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和；国务院于近期印发了《2030年前碳达峰行动方案》，对推进污水资源化利用进行部署，均为成熟市场化应用的膜法市政污水处理技术提供了更加广阔的发展和应用空间。
04“双碳”目标下的未来发展机遇与挑战
“2030年碳达峰、2060年碳中和”这一目标的实现依赖各行各业的共同努力。“双碳”目标为水务行业带来了挑战与机遇，在此背景下，膜技术在水务行业进一步推广有如下发展需求:
1)材料高效。膜污染控制是膜技术应用的迫切需求，基于新型材料和制备原理，研发具备高通量、高选择性、抗污染、长寿命以及环境功能性等优点的新型膜材料，从源头减少膜污染发生，对膜污染控制和膜技术长期稳定运行具有重要意义。
2)技术先进。先进的技术和工艺是实现污废水处理与回用目标的基础。开发和优化新型膜技术和工艺，强化膜过程的作用和效果；开发膜过程与生物/化学工艺的高效耦合工艺，适应不同进水水质特征；开发如振动膜组件等高效率、低能耗、低药耗的膜污染防控策略和技术，保障膜工艺的稳定运行。
3)运行智能。人工智能(artificial intelligence，AI)已成为未来科技的重要组成部分。随着智慧城市、智慧水务等的发展，AI将在未来污废水处理和再生工程中起到重要作用。构建基于AI的智能监测、数据学习、自动控制和远程操作系统，对膜工艺过程进行精细化管理与调控，将使膜技术更好地满足未来应用所需。
4)系统低碳。水务行业对“双碳”目标的贡献应包含污废水处理与再生工艺的低碳化，对污水中水资源、资源和能源的同步回收是实现系统低碳的重要方式之一。基于此，未来在获得优良出水水质的基础上，应进一步发挥膜的截留作用，研发集水资源再生和能源资源回收于一体的低碳膜集成系统(如厌氧膜生物反应器及其组合工艺)，并推进其市场化；结合高效材料和先进技术的应用，全面推进膜集成系统和污废水处理整体流程的低碳化。
张姣1 肖康2 梁帅3 黄霞1*
（ 1．清华大学 环境学院 环境模拟与污染控制国家联合重点实验室，北京 100084;2．中国科学院大学 资源与环境学院 北京燕山地球关键带国家野外科学观测研究站，北京 101408;3．北京林业大学 水体污染源控制技术北京市重点实验室，北京 100083)
