原創研究 | MBR：高碳排工藝
1 研究背景
在環境問題備受關注的今天，污水排放標準日趨收緊，導致污水處理工藝選擇頗受關注。考慮到污水處理廠建設用地緊張等因素，膜生物反應器（MBR）因其單位體積生物量高、占地節省、出水水質好等優點迅速進入國人視野，已在許多新建或升級改造污水處理廠中獲得廣泛應用。
然而，審視我國“雙碳”目標，污水處理廠也面臨著碳減排、甚至碳中和問題。MBR工藝似乎出水水質好、占地面積小，但其劣勢亦十分明顯。在MBR工藝工程應用中，膜污染以及由此而引起的膜通量下降所導致的能耗過高問題勢必會造成污水處理碳排放量強勢增加。而膜清洗/頻率高、膜絲（有機纖維膜）斷裂/更換頻繁等一系列問題也會間接增加碳排放量。MBR這些缺點使得基層用戶普遍否定這種工藝。
然而，對MBR工藝利、弊持不同觀點的人群往往各執一詞，似乎很難彼此說服對方。因此，需要找到一種定量評價MBR工藝優劣的技術指標或評價標準。研究從MBR工藝優、劣兩方面因素入手，充分考慮經濟、社會、環境三方面綜合效應，通過建立與傳統工藝相比的評價模型，揭示出MBR工藝優、缺點，并評價其可持續性。
2 研究內容
MBR工藝所謂良好出水水質其實質是膜對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于事，對日益提高的氮、磷排放標準作用不大。事實上，膜對微生物的作用不過是是聚集生物量而已（因此會導致反應器體積減少），而對生化反應過程影響甚微。
然而，膜截留、分離帶來的負面效應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行問題。MBR工藝可持續性量化評價需考慮因素雖然復雜，但可以可持續性能評價指數作為依據建立評價模型，共考慮三方面內容：
1）污水處理廠工藝投資與運行費用，主要包括基本建設與運行管理費用；
2）工藝運行效果及其穩定性，涵蓋工藝對涉及污染物去除效果、工藝運行穩定性、工藝運行管理復雜性等指標；
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與傳統工藝可持續性指數（表1），從而計算出不同地域、不同規模污水處理廠采用MBR工藝的可持續性評價指數。
表1可持續性模型參數及其權重指數
3 結論
對MBR工藝產生的可持續性能評價指數模型計算結果（圖1）顯示，MBR工藝較傳統工藝在可持續性方面表現不佳，或者說，MBR從本質上來說并不是一種可持續性工藝。究其原因，主要是過高能耗與運行費用完全抵消了其在良好出水水質與緊湊占地方面的優勢。子項因子及模型權重因子敏感性分析揭示（圖1），在合理模型參數取值范圍內MBR工藝在很大程度上都難以具有可持續性。
圖1可持續性指數評價結果
4 MBR全球應用現狀
國際權威MBR應用網對世界范圍內近20年來700余座大型MBR污水處理廠應用情況進行了逐年統計，并繪制了如圖2所示的MBR工程應用趨勢。本課題組也統計世界范圍內大型MBR項目（表2）。可以看到，進入21世紀后，MBR技術首先在北美和歐洲獲得青睞，新增項目也都集中在這兩個區域。隨后，亞洲和其它地區（主要為澳洲?北非）迅速跟進。MBR工程應用在2009~2012年間達到鼎盛時期；然而，從2013年開始MBR工程應用出現大幅回落，直至近兩年應用數量只有鼎盛時期10%。
MBR工程應用衰落是全球性的，歐洲和北美經歷了21世紀最初十年“熱戀”后突然“失戀”，新增項目數量銳減；2009年后亞洲成為MBR工程應用的主力，以至于2012年后全球大型MBR項目主要集中在中國本土境內。圖3顯示的世界MBR預計年復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所主導導，其中，中國增長量對亞太地區總增長有著絕對的貢獻份額。
圖21996至2017年間MBR工藝世界范圍內應用趨勢
表2世界范圍內大型MBR應用項目
圖3 2014~2019年世界MBR預計年復合增長率（CAGR）
除中國外，MBR工藝在全球范圍應用每況愈下并非偶然現象，高能耗與膜污染所致高碳排、高成本乃主因。著眼于未來可持續發展，MBR工藝要想取得可持續發展，除非顛覆性（Breakthrough）解決膜污染問題。否則，高碳排將永遠伴隨其一生。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、嚴重缺水和水比油貴地區。即使在這樣的應用場景下，MBR也不是唯一選擇，例如，好氧顆粒污泥（AGS）技術在各方面均顯得比MBR具有優勢。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唯一選擇。
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