FCC100一體式粉塵儀
膜生物反應(yīng)器（MBR）曾被認(rèn)為是一項(xiàng)成熟并代表未來(lái)的污水處理技術(shù)，在21世紀(jì)初十年中獲得空前應(yīng)用，并一度有取代傳統(tǒng)活性污泥工藝（CAS）之趨勢(shì)。然而， MBR工程應(yīng)用數(shù)量近年在全球市場(chǎng)驟降，與其在中國(guó)市場(chǎng)不斷升溫的“熱像”形成鮮明對(duì)比。究其原因，高能耗和膜污染等詬病使其在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)與管理等方面綜合比較遠(yuǎn)不如CAS，有悖可持續(xù)發(fā)展的全球理念�；贛BR發(fā)展歷程，分析衰落原因，展望未來(lái)應(yīng)用。MBR工程應(yīng)用在全球范圍內(nèi)已理性回歸，對(duì)過(guò)熱的中國(guó)市場(chǎng)應(yīng)是一種啟示，特別是對(duì)中國(guó)目前興起的地下式MBR。
1發(fā)展歷程
MBR工藝概念最早源于美國(guó)。20世紀(jì)60年代，美國(guó)Dorr-Oliver公司首先將膜分離與生物處理工藝結(jié)合用于污水處理領(lǐng)域；盡管當(dāng)初處理規(guī)模只有14m3/d，但畢竟是MBR工藝的雛形。MBR工藝發(fā)展初期均為側(cè)流式工藝，即膜過(guò)濾系統(tǒng)獨(dú)立于生物反應(yīng)池之外，污泥需要通過(guò)循環(huán)泵回流至生物反應(yīng)池內(nèi)。循環(huán)泵會(huì)加MBR工藝運(yùn)行能耗，加之當(dāng)時(shí)膜分離技術(shù)發(fā)展緩慢、膜組件價(jià)格昂貴，致使當(dāng)時(shí)MBR多處于實(shí)驗(yàn)室小試或中試水平，并沒(méi)有獲得大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。
20世紀(jì)70年代—80年代，MBR大體上仍處于研發(fā)階段。在這期間，國(guó)土面積狹小，水資源短缺的日本政府啟動(dòng)了“水復(fù)興90年規(guī)劃”科研項(xiàng)目，在高層建筑中將MBR工藝用于污水回用系統(tǒng)使用，僅1983年—1987年間便有13家公司采用MBR工藝處理樓宇污水，直接推動(dòng)了MBR技術(shù)發(fā)展。
1989年浸沒(méi)式MBR工藝首次引入生物處理系統(tǒng)，將膜過(guò)濾系統(tǒng)置于生物反應(yīng)池內(nèi)部，取消側(cè)流式循環(huán)泵，使處理裝置變得更加緊湊，平均耗能也從早期的5kW·h/m3降至2kW·h/m3。內(nèi)置式膜組件的出現(xiàn)打開(kāi)了MBR工程應(yīng)用的大門(mén)，逐漸成為主流應(yīng)用工藝向全球推廣。
20世紀(jì)90年代之后，隨著新型膜材料出現(xiàn)，MBR工藝運(yùn)行得到進(jìn)一步穩(wěn)定，能耗也進(jìn)一步降低。加拿大Zenon公司先后推出超濾管式和浸入式中空纖維膜組件，日本Kubota公司研制出平板式浸沒(méi)膜組件，北美、歐洲和日本紛紛建立了小型MBR項(xiàng)目用于市政污水和工業(yè)廢水處理。20世紀(jì)90年代中期，日本已有39座采用MBR工藝的污水處理廠，最大處理規(guī)模可達(dá)500m3/d，同時(shí)有100多處高層建筑采用MBR工藝進(jìn)行污水處理后回用。1997年，英國(guó)在Porlock建立了當(dāng)時(shí)世界上規(guī)模最大（2000m3/d）的MBR污水處理廠，隨后于1999年又在Dorset建成了處理規(guī)模為13000m3/d的MBR污水處理廠。
進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著膜分離技術(shù)、組裝結(jié)構(gòu)和設(shè)備制造進(jìn)步、以及各國(guó)對(duì)污水處理排放標(biāo)準(zhǔn)的收緊，MBR工藝迅速受到世界各國(guó)的青睞，特別是在中國(guó)得到了非常廣泛的應(yīng)用，可謂異軍突起。
2應(yīng)用趨勢(shì)
2.1 單體處理規(guī)模增大
MBR工藝初次應(yīng)用于污水處理時(shí)因外置膜過(guò)濾系統(tǒng)能耗過(guò)高而不適用于大型市政污水處理項(xiàng)目，僅應(yīng)用于小型工業(yè)或家庭污水處理（<500m3/d）。隨著低能耗內(nèi)置的浸沒(méi)式MBR工藝出現(xiàn)，MBR運(yùn)行能耗降低，致其處理規(guī)模逐漸增大，超過(guò)1000m3/d的工程應(yīng)用在1995年—2000年間已開(kāi)始出現(xiàn)。膜分離技術(shù)發(fā)達(dá)的日本于2005年建成第一個(gè)大型MBR市政污水處理工程，處理規(guī)模達(dá)4200m3/d；2008年西班牙建成當(dāng)時(shí)歐洲規(guī)模最大的MBR工程（San Pedro del Pinatar）污水處理廠，規(guī)模為4.8×104m3/d；美國(guó)弗吉尼亞州Broad Run 污水處理廠為北美最大MBR工程應(yīng)用，規(guī)模達(dá)7.3×104m3/d；北京溫榆河污水處理廠規(guī)模更高達(dá)10×104m3/d。
從2008年起，MBR工藝隨長(zhǎng)期運(yùn)行優(yōu)化、膜技術(shù)水平提高、膜組件成本降低，應(yīng)用規(guī)模今非昔比，超20×104m3/d的工程應(yīng)用在世界范圍開(kāi)始增多（見(jiàn)表1）。其中，位于瑞典斯德哥爾摩的Henriksdal污水處理廠將于2018年完成MBR升級(jí)改造并投入運(yùn)行，其處理規(guī)模達(dá)到86.4×104m3/d，將成為世界MBR工程應(yīng)用中的“巨無(wú)霸”。已運(yùn)行的北京槐房污水再生處理廠，處理規(guī)模也達(dá)60×104m3/d，是當(dāng)今世界MBR實(shí)際應(yīng)用的“大哥大”。所有這一切主要?dú)w功于膜價(jià)格的大幅降低，目前膜市場(chǎng)均價(jià)已從20世紀(jì)90年代最高時(shí)的400美元/m2降至目前的50美元/m2以下。
2.2應(yīng)用增長(zhǎng)速度驟減
國(guó)際權(quán)威MBR應(yīng)用網(wǎng)對(duì)世界范圍內(nèi)近20年來(lái)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1所示的MBR工程應(yīng)用趨勢(shì)圖。
進(jìn)入21世紀(jì)，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(gè)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年—2012年間達(dá)到鼎盛時(shí)期；隨后便開(kāi)始回落，直至近兩年應(yīng)用數(shù)量只有鼎盛時(shí)期的10%。MBR應(yīng)用增長(zhǎng)衰落是全球范圍內(nèi)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，以至于2009年后亞洲成為MBR技術(shù)應(yīng)用的主力，2012年后全球大型MBR項(xiàng)目主要集中在中國(guó)境內(nèi)。
MBR市場(chǎng)增長(zhǎng)放緩亦可以從市場(chǎng)全球年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)和市場(chǎng)總額看出，CAGR可以體現(xiàn)某一產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)的潛力和預(yù)期。2008年MBR工藝處于鼎盛時(shí)期，全球水務(wù)市場(chǎng)分析師曾樂(lè)觀地預(yù)測(cè)國(guó)際MBR市場(chǎng)到2018年CAGR為22.4%，到2018年全球MBR市場(chǎng)價(jià)值總額預(yù)計(jì)達(dá)到34.4億美元。但是，英國(guó)BBC Research最新報(bào)告顯示，2014年全球MBR市場(chǎng)總額為4.257億美元，到2019年預(yù)計(jì)僅達(dá)到7.777億美元，年CAGR僅為12.8%，這與2008年預(yù)測(cè)相差甚遠(yuǎn)。BBC Research同時(shí)也給出了全球各大洲MBR市場(chǎng)CAGR預(yù)測(cè)，如圖2所示。圖2顯示，2014年后亞太地區(qū)MBR市場(chǎng)年復(fù)合增長(zhǎng)率高于歐洲和北美。結(jié)合圖1數(shù)據(jù)可知，2014年后世界MBR市場(chǎng)增長(zhǎng)主要由亞太地區(qū)引導(dǎo)，這其中，中國(guó)地區(qū)增長(zhǎng)量對(duì)亞太地區(qū)總增長(zhǎng)有著絕對(duì)的份額貢獻(xiàn)。
3衰落原因
3.1運(yùn)行成本高
MBR工藝高運(yùn)行成本主要限制了其廣泛應(yīng)用。高運(yùn)行成本從投資伊始便開(kāi)始體現(xiàn)；除膜組件依然昂貴（與CAS二沉池相比）外，較高的自動(dòng)化運(yùn)行水平也限制其廣泛應(yīng)用。我國(guó)市政污水處理應(yīng)用MBR（規(guī)模>1×104m3/d）技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)顯示，MBR投資成本為2500~5000元/m3（含土建、膜系統(tǒng)和其他設(shè)備投資），均值為3800元/m3，遠(yuǎn)高于全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠平均2200元/m3投資水平。達(dá)到與MBR相同出水水質(zhì)情況下，CAS工藝需要增加三級(jí)過(guò)濾系統(tǒng)（如砂濾）；即使如此，MBR投資依然比CAS高10%~30%。
MBR的高能耗主要有兩方面原因：（1）膜污染或堵塞導(dǎo)致通量下降，維持設(shè)計(jì)通量就必須加壓；（2）曝氣池因生物量高（MLSS>8000mg/L）而需要維持較高溶解氧濃度（DO=3~4mg/L），也需要為減緩膜污染而增大曝氣量。加壓維持膜通量和曝氣是MBR高能耗的主要原因，占總能耗的40%~50%，其中，膜池內(nèi)曝氣能耗約占總能耗的30%~40%。
經(jīng)半個(gè)世紀(jì)發(fā)展，通過(guò)改變曝氣方式使曝氣能耗已顯著降低，致使MBR工藝能耗亦大為降低，已從最初>5kW∙h/m3降到目前平均2kW∙h/m3水平。表2總結(jié)了一些國(guó)家應(yīng)用MBR工藝能耗情況。與CAS工藝平均能耗0.30kW∙h/m3相比，MBR工藝能耗要高出60%~900%。正因能耗問(wèn)題讓膜生產(chǎn)大國(guó)的日本停止了對(duì)大型市政MBR項(xiàng)目審批。于是，日本2013年后著手開(kāi)始研發(fā)新的MBR技術(shù)，旨在將其能耗控制在≤0.4 kW∙h/m3。
表2 世界各國(guó)MBR項(xiàng)目平均能耗
3.2膜污染與通量下降
盡管膜污染及其控制和清洗已經(jīng)從技術(shù)層面做了大量有益工作，但并沒(méi)有從根本上解決這一問(wèn)題，膜污染現(xiàn)象終歸是會(huì)發(fā)生的。為維持正常過(guò)濾通量，通過(guò)在線（維護(hù)性）清洗和離線（恢復(fù)性）化學(xué)清洗雖然會(huì)減輕膜污染問(wèn)題，但是，膜清洗會(huì)縮短膜的使用壽命，而時(shí)常更換膜組件又會(huì)增加運(yùn)行成本。
此外，膜通量問(wèn)題也日益引起人們關(guān)注。在處理水量波動(dòng)較大情況下，膜組件通量可靠性經(jīng)不起時(shí)間考驗(yàn)。污水處理廠進(jìn)水流量是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，隨氣候、季節(jié)等因素變化而變化，流量變化對(duì)MBR工藝正常運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生較大影響。MBR膜組件存在一個(gè)極限通量，如果進(jìn)水流量超過(guò)極限通量或者因?yàn)槟の廴緦?dǎo)致膜通量下降，超出通量部分污水就無(wú)法通過(guò)膜過(guò)濾處理。常規(guī)處理辦法是增加一個(gè)流量調(diào)節(jié)池或者使用備用膜，或做溢流處理，但這會(huì)增加投資成本和運(yùn)行費(fèi)用。在實(shí)際運(yùn)行中，通常是MBR剛運(yùn)行前幾年膜通量不會(huì)超限，但隨時(shí)間推移膜污染現(xiàn)象出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致通量下降。為此，在水量波動(dòng)較大地區(qū)，選擇MBR工藝時(shí)需要特別謹(jǐn)慎。
3.3標(biāo)準(zhǔn)化的缺失
目前，膜生產(chǎn)廠商眾多，膜產(chǎn)品種類(lèi)亦繁多。各廠商均有自己數(shù)據(jù)庫(kù)和設(shè)計(jì)規(guī)范，但并沒(méi)有形成一個(gè)統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，導(dǎo)致不同生產(chǎn)廠規(guī)格型號(hào)、外形尺寸各不相同，互不兼容。設(shè)備缺乏標(biāo)準(zhǔn)化給設(shè)計(jì)和采購(gòu)首先帶來(lái)麻煩，應(yīng)用時(shí)一旦出現(xiàn)需要更換膜組件時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化缺失帶來(lái)的劣勢(shì)更為突出；換品牌意味重新設(shè)計(jì)膜系統(tǒng)，增加運(yùn)行成本。即使同一品牌膜組件先后兩種型號(hào)也常常不兼容；2008年德國(guó)Rödingen項(xiàng)更換膜組件時(shí)就出現(xiàn)了這種情況，不得不重新設(shè)計(jì)膜系統(tǒng)。此外，缺乏一條龍標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)服務(wù)常常導(dǎo)致膜供應(yīng)商與施工方脫節(jié)，在安裝過(guò)程膜組件損壞現(xiàn)象比比皆是。
膜市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化已引起人們重視，日本早在2012年便成立專(zhuān)家委員會(huì)，就MBR標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題進(jìn)行討論；歐盟資助的“加速城市污水凈化膜發(fā)展（AMEDEUS）”項(xiàng)目中也包括了MBR標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化必將影響各大膜生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益，所以，膜標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程至今舉步維艱，嚴(yán)重影響MBR工藝推廣應(yīng)用。
4展望未來(lái)
雖然MBR工藝具有出水水質(zhì)和占地方面兩大優(yōu)勢(shì)，但是，綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、管理等綜合因素，MBR已被確認(rèn)為不可持續(xù)工藝。只有在土地、空間受到嚴(yán)格限制的情況下，MBR方能顯示其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。否則，CAS+砂濾將比其具有綜合競(jìng)爭(zhēng)力。荷蘭Varsseveld污水處理廠MBR示范性項(xiàng)目運(yùn)行八年后已選擇拆除，代之以CAS+砂濾；荷蘭僅有的幾座MBR也陸續(xù)被全部拆除。
然而，位于瑞典斯德哥爾摩的MBR“巨無(wú)霸”Henriksdal項(xiàng)目卻吸引著人們的眼球，它將成為世界上規(guī)模最大的MBR污水處理廠。這一龐大工程即將運(yùn)行并不意味著MBR將再次帶動(dòng)其應(yīng)用的熱潮。這一工程的選擇重點(diǎn)放在應(yīng)對(duì)北歐嚴(yán)寒冬季常常出現(xiàn)的低溫、積雪、結(jié)冰等嚴(yán)重問(wèn)題，遂考慮將此工程放在斯德哥爾摩市中心一地下巖洞內(nèi)實(shí)施。限于巖石結(jié)構(gòu)空間狹小，同時(shí)為滿(mǎn)足歐盟“波羅的海計(jì)劃（BSAP）”出水水質(zhì)和擴(kuò)大處理規(guī)模之需要，項(xiàng)目只是無(wú)奈選擇了MBR工藝進(jìn)行升級(jí)改造。
國(guó)土面積狹小的新加坡近年來(lái)大力發(fā)展“新生水（NEWater）”項(xiàng)目。因MBR可以提供持續(xù)穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)出水，適合用作反滲透原水，且可以省去常規(guī)反滲透之前所需的微濾/超濾（MF/UF），綜合能耗相比于CAS工藝再加三級(jí)處理還節(jié)省0.13 kW∙h/m3，且可以降低土地使用成本。因此，在極度缺水和寸土寸金的新加坡，MBR似乎比CAS具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。類(lèi)似新加坡情況也出現(xiàn)在一些缺水的海灣國(guó)家再生水項(xiàng)目上，況且這些國(guó)家油比水“賤”，“以油換水”在這些國(guó)家具有明顯優(yōu)勢(shì)。
與上述國(guó)家特殊應(yīng)用情況相比，我國(guó)大規(guī)模應(yīng)用MBR技術(shù)的理由似乎并不充分，特別是近年出現(xiàn)的地下式MBR。無(wú)疑，土地、空間極度短缺、昂貴的一些大、中城市，迫不得已應(yīng)用MBR無(wú)可厚非。但是，將MBR作為未來(lái)污水處理技術(shù)發(fā)展方向，并用它來(lái)全面升級(jí)既有、新建未來(lái)污水處理設(shè)施（甚至擴(kuò)展到農(nóng)村污水處理設(shè)備）確實(shí)值得商榷。對(duì)于我國(guó)發(fā)展中的地下式MBR更要甚重，畢竟它不是一個(gè)可持續(xù)的工藝。
5結(jié)語(yǔ)
除中國(guó)外，MBR工藝在全球應(yīng)用驟降并非偶然現(xiàn)象，高能耗與膜污染讓其背負(fù)不可持續(xù)之名。如果MBR這兩個(gè)突出弊端不能在未來(lái)得到根本性解決，其工程應(yīng)用很難維系。只有在一些特定情況（土地極度匱乏、空間十分有限、嚴(yán)重缺水、水比油貴）下，應(yīng)用MBR才可能具有被動(dòng)選擇優(yōu)勢(shì)。即使在這樣一些特定情況下，MBR也不是唯一選擇，比如，好氧顆粒污泥技術(shù)就比它具有明顯優(yōu)勢(shì)。
