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原创研究 | MBR：高碳排工艺
1 研究背景在环境问题备受关注的今天，污水排放标准日趋收紧，导致污水处理工艺选择颇受关注。考虑到污水处理厂建设用地紧张等因素，膜生物反应器(MBR)因其单位体积生物量高、占地节省、出水水质好等优点迅速进入国人视野，已在许多新建或升级改造污水处理厂中获得广泛应用。然而，审视我国“双碳”目标，污水处理厂也面临着碳减排、甚至碳中和问题。MBR工艺似乎出水水质好、占地面积小，但其劣势亦十分明显。在MBR工艺工程应用中，膜污染以及由此而引起的膜通量下降所导致的能耗过高问题势必会造成污水处理碳排放量强势增加。而膜清洗/频率高、膜丝(有机纤维膜)断裂/更换频繁等一系列问题也会间接增加碳排放量。MBR这些缺点使得基层用户普遍否定这种工艺。然而，对MBR工艺利、弊持不同观点的人群往往各执一词，似乎很难彼此说服对方。因此，需要找到一种定量评价MBR工艺优劣的技术指标或评价标准。研究从MBR工艺优、劣两方面因素入手，充分考虑经济、社会、环境三方面综合效应，通过建立与传统工艺相比的评价模型，揭示出MBR工艺优、缺点，并评价其可持续性。
2 研究内容MBR工艺所谓良好出水水质其实质是膜对SS的有效截留作用，可至出水SS£5 mg/L。但是，MBR对溶解性COD、N、P的去除作用几乎无济于事，对日益提高的氮、磷排放标准作用不大。事实上，膜对微生物的作用不过是是聚集生物量而已(因此会导致反应器体积减少)，而对生化反应过程影响甚微。然而，膜截留、分离带来的负面效应是膜污染以及由此引起的膜通量下降、能耗过高、频繁膜清洗等一系列运行问题。MBR工艺可持续性量化评价需考虑因素虽然复杂，但可以可持续性能评价指数作为依据建立评价模型，共考虑三方面内容：
1)污水处理厂工艺投资与运行费用，主要包括基本建设与运行管理费用;
2)工艺运行效果及其稳定性，涵盖工艺对涉及污染物去除效果、工艺运行稳定性、工艺运行管理复杂性等指标;3)工艺资源回收与利用程度，主要考量工艺对资源的回收与利用能力(涵盖电耗及药耗带来的间接碳排放)。通过评价模型，可以比较与评价MBR与传统工艺可持续性指数(表1)，从而计算出不同地域、不同规模污水处理厂采用MBR工艺的可持续性评价指数。
表1 可持续性模型参数及其权重指数
3 结论对MBR工艺产生的可持续性能评价指数模型计算结果(图1)显示，MBR工艺较传统工艺在可持续性方面表现不佳，或者说，MBR从本质上来说并不是一种可持续性工艺。究其原因，主要是过高能耗与运行费用完全抵消了其在良好出水水质与紧凑占地方面的优势。子项因子及模型权重因子敏感性分析揭示(图1)，在合理模型参数取值范围内MBR工艺在很大程度上都难以具有可持续性。
图1 可持续性指数评价结果
4 MBR全球应用现状国际权威MBR应用网对世界范围内近20年来700余座大型MBR污水处理厂应用情况进行了逐年统计，并绘制了如图2所示的MBR工程应用趋势。本课题组也统计世界范围内大型MBR项目(表2)。可以看到，进入21世纪后，MBR技术首先在北美和欧洲获得青睐，新增项目也都集中在这两个区域。随后，亚洲和其它地区(主要为澳洲､北非)迅速跟进。MBR工程应用在2009~2012年间达到鼎盛时期;然而，从2013年开始MBR工程应用出现大幅回落，直至近两年应用数量只有鼎盛时期10%。MBR工程应用衰落是全球性的，欧洲和北美经历了21世纪最初十年“热恋”后突然“失恋”，新增项目数量锐减;2009年后亚洲成为MBR工程应用的主力，以至于2012年后全球大型MBR项目主要集中在中国本土境内。图3显示的世界MBR预计年复合增长率也同样显示出，2014年后世界MBR市场增长主要由亚太地区所主导导，其中，中国增长量对亚太地区总增长有着绝对的贡献份额。
图2 1996至2017年间MBR工艺世界范围内应用趋势
表2 世界范围内大型MBR应用项目
图3 2014~2019年世界MBR预计年复合增长率(CAGR)
除中国外，MBR工艺在全球范围应用每况愈下并非偶然现象，高能耗与膜污染所致高碳排、高成本乃主因。着眼于未来可持续发展，MBR工艺要想取得可持续发展，除非颠覆性(Breakthrough)解决膜污染问题。否则，高碳排将永远伴随其一生。在目前情况下，MBR似乎只适用一些特定限制情况，如，土地极度匮乏、利用有限空间、严重缺水和水比油贵地区。即使在这样的应用场景下，MBR也不是唯一选择，例如，好氧颗粒污泥(AGS)技术在各方面均显得比MBR具有优势。因此，对普遍采用MBR的中国地下污水处理厂来说，今后升级改造只有AGS唯一选择。
原文信息：
[1] Hao, X.D., Li, J., Van Loosdrecht, M.C.M., Li, T.Y., 2018. Asustainability-based evaluation of membrane bioreactors over conventionalactivated sludge processes. J. Environ. Chem. Eng. 6, 2597–2605. https://doi.org/10.1016/j.jece.2018.03.050
[2] 郝晓地, 陈峤, 李季, 曹达啟. MBR工艺全球应用现状及趋势分析[J].中国给水排水, 2018, 34 (20):7-12.
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