王志偉：膜法污水處理技術(shù)的綠色低碳化發(fā)展思考

在碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局的背景下，污水處理與資源化技術(shù)必將朝著“綠色低碳化”的方向邁進(jìn)，為膜法污水處理技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，也為技術(shù)的更新迭代帶來(lái)了重要機(jī)遇。在綠色低碳要求下實(shí)現(xiàn)膜法污水處理的理論與技術(shù)創(chuàng)新，對(duì)于支撐雙碳背景下膜法污水處理技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，是膜技術(shù)領(lǐng)域亟需突破的關(guān)鍵科技問(wèn)題。綜述了膜法污水處理技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展動(dòng)態(tài)，探討了膜法污水處理技術(shù)統(tǒng)籌“高標(biāo)準(zhǔn)”需求與“碳中和”導(dǎo)向的發(fā)展思路，圍繞系統(tǒng)評(píng)估、節(jié)能降耗、資源能源回收、再生水利用、膜材料再生和數(shù)字化轉(zhuǎn)型對(duì)膜法污水處理技術(shù)的重點(diǎn)攻關(guān)方向進(jìn)行了研判與展望，以推動(dòng)膜法污水處理技術(shù)朝著綠色低碳化不斷革新與迭代升級(jí)。

1 膜法污水處理技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展動(dòng)態(tài)

近年來(lái)，在環(huán)境功能質(zhì)量提升需求驅(qū)動(dòng)下，膜法污水處理技術(shù)發(fā)展迅速，工程應(yīng)用規(guī)?？焖僭黾印Ｔ谛滦湍げ牧涎兄?、前沿膜技術(shù)研究和高效低耗膜工藝開(kāi)發(fā)及應(yīng)用等方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。以下將從技術(shù)應(yīng)用、技術(shù)能效、材料性能等三個(gè)方面概述膜法污水處理技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展動(dòng)態(tài)。

1.1 膜法污水處理技術(shù)應(yīng)用

近年來(lái)，膜法污水處理技術(shù)在市政污水和工業(yè)廢水處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在市政污水處理與資源化領(lǐng)域，膜生物反應(yīng)器（MBR）應(yīng)用最為廣泛。截至2021年，我國(guó)已有超過(guò)500座MBR市政污水處理工程（僅統(tǒng)計(jì)處理規(guī)模> 1萬(wàn)m3/d），總處理規(guī)模超1 600萬(wàn)m3/d。在工業(yè)廢水處理與循環(huán)利用方面，膜法處理技術(shù)在石油化工、煤化工、鋼鐵、生物醫(yī)藥、微電子等廢水處理中均有應(yīng)用。MBR在石油化工和綜合產(chǎn)業(yè)園區(qū)廢水處理中使用比例達(dá)58%~75%。截至2021年，我國(guó)有300余座大型工業(yè)廢水MBR處理工程（70%左右的工程處理能力達(dá)1萬(wàn)~5萬(wàn)m3/d）。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)污染物深度削減，MBR可與高壓膜技術(shù)聯(lián)用。雙膜法處理技術(shù)［如微濾（MF）/超濾（UF）+納濾（NF）/反滲透（RO）］是工業(yè)廢水處理與循環(huán)利用的常用組合工藝。我國(guó)煤化工和鋼鐵等工業(yè)廢水處理中，雙膜法使用比例達(dá)72%~90%。以NF/RO為核心的膜法分鹽濃縮技術(shù)，在電力、煤化工、鋼鐵等工業(yè)廢水零排放建設(shè)中發(fā)揮了重要作用。電滲析（ED）等電驅(qū)動(dòng)的膜法水處理技術(shù)，可用于重金屬離子分離、酸/堿回收和含鹽廢水淡化等，在冶金、采礦、脫硫等廢水處理中的應(yīng)用日漸增多。

1.2 膜法污水處理技術(shù)效能

隨著技術(shù)不斷迭代，膜法污水處理技術(shù)能耗不斷下降（見(jiàn)圖1）。市政污水中MBR能耗一般在0.3~0.9 kW·h/m3，在大型MBR處理工程（處理量大于5萬(wàn)m3/d）中能耗為0.3~0.5 kW·h/m3，接近傳統(tǒng)生物處理能耗。工業(yè)廢水處理中MBR技術(shù)的能耗主要取決于廢水水質(zhì)，通常廢水處理難度越大能耗越高（一般高于市政污水處理能耗），在0.5~1.5 kW·h/m3。NF和RO處理市政污水的能耗為0.5~2.4 kW·h/m3。參考海水淡化（SWRO）能耗，當(dāng)處理廢水鹽濃度達(dá)75 000 mg/L時(shí)，NF產(chǎn)水能耗在2.0 kW·h/m3以上，RO產(chǎn)水能耗在2.6 kW·h/m3以上。ED處理鹽濃度上限為100 000 mg/L，產(chǎn)水能耗根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)不同而波動(dòng)較大，范圍為3~850 kW·h/m3。未來(lái)通過(guò)組合工藝優(yōu)化、資源能源回收、膜污染控制等手段可以進(jìn)一步降低膜法污水處理的降耗。

1.3 膜材料性能

膜材料性能對(duì)膜系統(tǒng)處理效率和經(jīng)濟(jì)性能至關(guān)重要。MF和UF膜材料制備技術(shù)相對(duì)成熟，以MF和UF膜為核心的MBR運(yùn)行通量通常在15~25 L/(m2·h)，膜使用壽命為5~10年。MF和UF膜前沿領(lǐng)域主要聚焦于膜材料的抗有機(jī)污染改性、抗生物污染改性及其長(zhǎng)期效能提升等方面。NF膜在實(shí)際運(yùn)行中通量一般小于20 L/(m2·h·bar)(1 bar=0.1 MPa)，可截留超過(guò)95%的二價(jià)鹽；RO膜在苦咸水/海水淡化過(guò)程中通量為1~8 L/(m2·h·bar)，對(duì)一價(jià)鹽的截留率達(dá)99.7%以上，使用壽命為3~7年。對(duì)于NF和RO膜，探索打破過(guò)濾性能-選擇性制衡關(guān)系（trade-off）的膜材料是研究前沿，改變多孔支撐層的結(jié)構(gòu)和表面特性、在界面聚合過(guò)程中引入納米顆粒以及通過(guò)反應(yīng)界面原位產(chǎn)熱與納米氣泡產(chǎn)生的精細(xì)調(diào)控，有助于制備突破trade-off瓶頸的高性能NF、RO膜（見(jiàn)圖2）。然而，在長(zhǎng)期運(yùn)行中不可恢復(fù)污染逐步累積，膜通量最終難以達(dá)到產(chǎn)水要求，從而不得不報(bào)廢并更換新膜。因此，在“雙碳”背景下，膜材料的評(píng)價(jià)指標(biāo)不僅應(yīng)包含傳統(tǒng)的過(guò)濾性能、抗污染性能等，而且應(yīng)增加碳排放維度的相應(yīng)指標(biāo)，從而指導(dǎo)高性能膜材料的低碳研發(fā)與可持續(xù)應(yīng)用。

圖2 膜材料性能與突破水通量和截留率相互制約關(guān)系及其調(diào)控

2“高標(biāo)準(zhǔn)”與“碳中和”之間的制衡關(guān)系

在碳達(dá)峰、碳中和導(dǎo)向下，污水處理與資源化必將向綠色低碳化方向邁進(jìn)。但與此同時(shí)，以水環(huán)境功能質(zhì)量保障為導(dǎo)向，在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)仍然執(zhí)行嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)。然而，高標(biāo)準(zhǔn)的處理往往是以高能耗、高物耗、高碳排為代價(jià)。圖3列舉了不同排放標(biāo)準(zhǔn)下常見(jiàn)污水處理工藝的碳排放強(qiáng)度?？梢?jiàn)，隨著排放標(biāo)準(zhǔn)提升碳排放強(qiáng)度顯著升高。相較于采用傳統(tǒng)曝氣池等處理工藝使出水滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)的情況，在采用AAO、氧化溝以及序批式活性污泥法（SBR）等工藝使出水達(dá)到GB 18918一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)后，碳排放強(qiáng)度增加44.1%。為了進(jìn)一步使出水滿足GB 18918一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)而增加深度處理環(huán)節(jié)后，污水處理工藝碳排放強(qiáng)度比GB 18918一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)提高24.1%。污水處理過(guò)程的碳排主要來(lái)自于電耗、化學(xué)品消耗、污染物直接碳排等主要碳排放環(huán)節(jié)，高標(biāo)準(zhǔn)處理必將導(dǎo)致曝氣強(qiáng)度提高、藥耗增加等，污水處理系統(tǒng)的碳排放隨之增加。因此，碳排放與高標(biāo)準(zhǔn)處理的交織，為膜法污水處理技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

注：圖中不同排放標(biāo)準(zhǔn)條件下所列碳排放強(qiáng)度對(duì)應(yīng)不同處理工藝，滿足GB 18918二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)采用傳統(tǒng)生物曝氣池工藝；滿足GB 18918一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)采用AAO、氧化溝、SBR等工藝；滿足GB 18918一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)采用二級(jí)處理+深度處理組合工藝，其中深度處理工藝包括吸附、過(guò)濾、高級(jí)氧化等

圖3 不同排放標(biāo)準(zhǔn)下常見(jiàn)污水處理工藝碳排放變化

針對(duì)碳中和與高標(biāo)準(zhǔn)處理之間的矛盾，需要兼顧水環(huán)境容量/功能要求和環(huán)境綜合效益，考慮技術(shù)的物質(zhì)、能量和資源輸入輸出，衡量處理技術(shù)的物耗、能耗和碳排，研發(fā)“適宜”的膜法污水處理技術(shù)和組合技術(shù)。與此同時(shí)，需要進(jìn)一步關(guān)注膜法污水處理技術(shù)本身的創(chuàng)新與綠色低碳發(fā)展?？梢詮墓?jié)能降耗、資源能源回收、再生水利用和膜材料再生等四個(gè)方面開(kāi)展攻關(guān)：

節(jié)能降耗，在符合標(biāo)準(zhǔn)要求前提下進(jìn)行適度處理，通過(guò)技術(shù)更迭、節(jié)能設(shè)備的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，結(jié)合工藝優(yōu)化與精準(zhǔn)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗和碳排削減；

資源能源回收，基于技術(shù)耦合構(gòu)建新型膜組合工藝，通過(guò)強(qiáng)化膜的分離與轉(zhuǎn)化功能，以資源能源回收的形式實(shí)現(xiàn)部分碳排抵消；

再生水利用，建立基于不同膜技術(shù)的分質(zhì)再生水回收利用系統(tǒng)，通過(guò)再生水回用進(jìn)行碳排抵消；

膜材料再生，膜材料的處理處置是膜法污水處理碳排放的重要環(huán)節(jié)，研發(fā)膜材料的可持續(xù)再生利用技術(shù)，通過(guò)膜材料再生抵消部分碳排，可以進(jìn)一步提升膜法污水處理技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力。

3 膜法污水處理技術(shù)的綠色低碳化發(fā)展思考與建議

3.1 綠色低碳化發(fā)展的主要方向

3.1.1 系統(tǒng)評(píng)估膜法污水處理減污降碳潛力

在“雙碳”背景下，系統(tǒng)研究和評(píng)估膜法污水處理系統(tǒng)的碳排放與減污降碳潛力是技術(shù)綠色低碳化發(fā)展的重要前提。根據(jù)膜法污水處理過(guò)程中碳排放的來(lái)源，碳排放可分為直接碳排與間接碳排（見(jiàn)圖4）。直接碳排主要是指污染物在膜法污水處理過(guò)程中通過(guò)生化等反應(yīng)產(chǎn)生的逸散性溫室氣體排放，如CH4（無(wú)組織排放）、N2O等；間接碳排是指包括膜材料生產(chǎn)與制造、膜組件清洗與維護(hù)、膜法污水處理工藝運(yùn)行操作和膜材料報(bào)廢與處置等過(guò)程產(chǎn)生的碳排放。同時(shí)，在膜法污水處理過(guò)程中存在碳減排，即通過(guò)膜法污水處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)能源/資源的回收利用，代替化學(xué)品或化石能源進(jìn)而補(bǔ)償和削減溫室氣體排放。例如，厭氧膜生物反應(yīng)器（AnMBR）在污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的甲烷，經(jīng)熱電聯(lián)產(chǎn)等可實(shí)現(xiàn)碳減排；回收的氮磷等資源可作為肥料使用實(shí)現(xiàn)碳減排等。

目前，關(guān)于膜法污水系統(tǒng)的碳排放與減污降碳潛力尚缺乏系統(tǒng)研究，需要將膜法污水處理系統(tǒng)的預(yù)處理、膜過(guò)濾、濃液處理、資源回收和膜再生水回用等單元統(tǒng)籌考慮，在各單元碳排底數(shù)摸排和能源強(qiáng)度科學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究和評(píng)估膜法污水處理系統(tǒng)碳排放與碳減排潛力，建立膜法污水處理系統(tǒng)的全系統(tǒng)、全過(guò)程、全生命周期碳排放評(píng)價(jià)體系。進(jìn)一步解析膜法污水處理系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)等基礎(chǔ)碳排活動(dòng)，對(duì)膜法污水處理設(shè)施建設(shè)、膜材料生產(chǎn)與制造、膜單元運(yùn)行、膜組件清洗與維護(hù)等碳排項(xiàng)目進(jìn)行分類識(shí)別，揭示膜法污水處理系統(tǒng)中物質(zhì)流、能量流與碳排放的關(guān)系，追蹤系統(tǒng)碳足跡并明確各環(huán)節(jié)碳排指標(biāo)，構(gòu)建膜法污水系統(tǒng)碳排放清單。

3.1.2 持續(xù)推進(jìn)膜法污水處理技術(shù)節(jié)能降耗

持續(xù)推進(jìn)膜法污水處理技術(shù)節(jié)能降耗，是膜法污水處理技術(shù)綠色低碳化發(fā)展的重要著力點(diǎn)。常見(jiàn)膜法污水處理技術(shù)的能耗組成如表1所示，主要包括過(guò)濾能耗、曝氣能耗（對(duì)于MBR）、清洗能耗及其他能耗。同時(shí)，膜污染作為膜技術(shù)運(yùn)行過(guò)程中伴生問(wèn)題，導(dǎo)致頻繁清洗、增加過(guò)濾能耗、縮短膜壽命，嚴(yán)重制約膜技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性能。膜法污水處理技術(shù)節(jié)能降耗主要可從三個(gè)方面入手：膜污染機(jī)理研究與膜污染控制、抗污染膜材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用和膜工藝的集成優(yōu)化。

（1）膜污染機(jī)理研究與膜污染控制。膜污染形成過(guò)程中，顆粒態(tài)污染物、膠體及溶解態(tài)有機(jī)物的污染行為存在差異，由顆粒態(tài)污染物引發(fā)的膜污染與通量、錯(cuò)流速率直接相關(guān)，而膠體及溶解態(tài)有機(jī)物污染則與通量、錯(cuò)流速率無(wú)直接聯(lián)系。對(duì)水力停留時(shí)間、曝氣強(qiáng)度、運(yùn)行通量、清洗周期等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，有助于膜污染控制和膜處理工藝的節(jié)能降耗。在MBR處理工藝中（見(jiàn)表2），根據(jù)在線膜污染檢測(cè)系統(tǒng)，識(shí)別膜污染的動(dòng)態(tài)變化，針對(duì)污染層厚度以及跨膜壓差的變化，可聯(lián)動(dòng)控制膜曝氣量，使曝氣強(qiáng)度降低22%以上。

（2）抗污染膜材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。在明晰污染物的界面粘附行為及與膜面官能團(tuán)-污染物作用機(jī)制基礎(chǔ)上，可基于功能材料共混/接枝改性制備針對(duì)膠體及溶解態(tài)污染物的抗污染膜材料。同時(shí)，可在膜面或膜基體中負(fù)載抗菌劑（如季銨鹽、金屬納米顆粒等），通過(guò)抗菌劑的釋放或直接接觸抑制微生物在膜面的滋生。

（3）膜分離工藝的集成優(yōu)化。膜工藝集成優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)膜法污水處理技術(shù)節(jié)能降耗的重要途徑。針對(duì)膜工藝中纖維類雜質(zhì)污堵、纏繞問(wèn)題，可開(kāi)發(fā)高精度的雜質(zhì)分離技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理。針對(duì)不同膜組件結(jié)構(gòu)和布設(shè)條件，合理規(guī)劃膜組件的多層布設(shè)，可以顯著降低系統(tǒng)能耗。在實(shí)際處理工程中增大膜組件的布設(shè)密度，優(yōu)化曝氣時(shí)間和強(qiáng)度（見(jiàn)表2），可使運(yùn)行能耗降低40%~75%。

3.1.3 加速革新膜法資源化能源化技術(shù)

在“雙碳”背景下，推進(jìn)膜技術(shù)與其他資源化能源化技術(shù)耦合，是技術(shù)綠色低碳化發(fā)展的重要方向。污水的資源化能源化是指將污水視為一種資源和能源，通過(guò)應(yīng)用相關(guān)技術(shù)使資源回收、能源回收和污水再生利用。膜技術(shù)及其組合技術(shù)的應(yīng)用，可以進(jìn)一步強(qiáng)化污水的資源與能源回收（見(jiàn)圖5）。

在膜法污水資源化方面，主要的資源化途徑包括水資源回收和氮、磷回收。針對(duì)污水中存在的有毒有害污染物影響再生水安全利用問(wèn)題，可將膜技術(shù)與高級(jí)氧化技術(shù)進(jìn)行有效耦合，從而提升污染物的去除效能。如鈀負(fù)載陽(yáng)極電催化膜能夠在數(shù)毫秒至數(shù)秒的接觸時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)難降解污染物90%以上去除率。人工納米水通道修飾膜能將納濾膜對(duì)疏水內(nèi)分泌干擾物的選擇性提高2~3倍。污水中蘊(yùn)涵的氮資源約320萬(wàn)t/年，磷資源達(dá)34萬(wàn)t/年。采用適宜的膜處理技術(shù)對(duì)氮、磷進(jìn)行回收，可以資源再生抵消部分碳排。

在膜法污水能源化方面，膜技術(shù)通過(guò)與特定能源化技術(shù)耦合，可以強(qiáng)化從污水中回收再生和清潔能源（如甲烷、氫氣、電能等）。污水排放的化學(xué)需氧量（COD）為2 500萬(wàn)t/年，以0.2 m3甲烷/kgCOD的產(chǎn)率計(jì)算，每年可產(chǎn)出約60億m3甲烷，理論上可滿足我國(guó)2%的天然氣需求（天然氣消費(fèi)量3 000億m3/年）。當(dāng)污水中33%以上碳源以甲烷形式回收和利用時(shí)，即有望實(shí)現(xiàn)污水處理廠能量自給。AnMBR技術(shù)相比傳統(tǒng)厭氧技術(shù)，具有獨(dú)立控制污泥停留時(shí)間（SRT）和水力停留時(shí)間（HRT）、固液分離效率高、容積負(fù)荷高等優(yōu)勢(shì)，已在高濃度有機(jī)廢水（如食品加工廢水等）中得到應(yīng)用，目前最大規(guī)模AnMBR工程達(dá)1 500 m3/d。近年來(lái)，自生動(dòng)態(tài)膜與厭氧技術(shù)耦合的厭氧動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器（AnDMBR）技術(shù)得到關(guān)注。在應(yīng)用于污泥厭氧消化時(shí)，相比傳統(tǒng)厭氧消化技術(shù)，污泥濃縮倍數(shù)可提升150%，消化效率和甲烷產(chǎn)率可提升50%以上，實(shí)現(xiàn)能量?jī)糨敵?.57 kW·h/kgVS。此外，疏水膜氣提技術(shù)可以用于厭氧消化反應(yīng)器出水中溶解態(tài)甲烷（20~26 mg/L）的回收。反滲透（RO）、電滲析（ED）等膜技術(shù)因具有可制得高品質(zhì)純水的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)殡娊馑茪涮峁┍匦璧脑牧?，在氫能回收領(lǐng)域有望得到應(yīng)用。

3.1.4 統(tǒng)籌做好膜法所產(chǎn)再生水的循環(huán)利用

膜法工藝可基于不同膜的分離機(jī)制和處理效果，在不同工段分級(jí)產(chǎn)出梯度水質(zhì)的再生水，滿足城市雜用、河道補(bǔ)水、綠地灌溉、景觀環(huán)境用水、生產(chǎn)回用等多種再生水應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)碳排抵消。膜法所產(chǎn)再生水的碳減排效益可按照回用地區(qū)自來(lái)水產(chǎn)水碳排與膜工藝產(chǎn)出再生水過(guò)程碳排的差值進(jìn)行估算，其中產(chǎn)出再生水過(guò)程的碳排可通過(guò)膜工藝能源強(qiáng)度乘以區(qū)域電網(wǎng)碳排放系數(shù)計(jì)算。以華東地區(qū)為例，自來(lái)水的單位碳排為0.77 kgCO2/m3，當(dāng)使用超濾所產(chǎn)低品質(zhì)再生水替代自來(lái)水用于城市雜用等場(chǎng)景時(shí)，每單位再生水可提供的碳補(bǔ)償約為0.72 kgCO2/m3；使用納濾所產(chǎn)的高品質(zhì)再生水代替自來(lái)水用于生產(chǎn)工藝等場(chǎng)景時(shí)，每單位再生水碳補(bǔ)償約為0.40 kgCO2/m3。相比于傳統(tǒng)二級(jí)出水-混凝沉淀-過(guò)濾-消毒工藝所產(chǎn)再生水代替自來(lái)水（碳補(bǔ)償約0.28 kgCO2/m3），碳排抵消效應(yīng)更加顯著。根據(jù)《中國(guó)城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》，目前我國(guó)再生水利用量?jī)H占污水處理總量的24.3%，距離發(fā)達(dá)國(guó)家60%~70%的再生水利用率還存在較大差距。因此，大力推進(jìn)膜法污水處理與再生利用設(shè)施建設(shè)，針對(duì)不同再生水利用場(chǎng)景，按照水質(zhì)要求將再生水進(jìn)行分級(jí)回收利用補(bǔ)償污水處理系統(tǒng)的碳排放，對(duì)于膜法污水處理技術(shù)的綠色低碳化發(fā)展具有重要意義。

3.1.5 創(chuàng)新研發(fā)膜材料的再生循環(huán)技術(shù)

目前，膜材料遵循制備-使用-廢棄的線性生命周期過(guò)程，在每一階段均會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的碳排放。在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，由于不可恢復(fù)污染的累積，當(dāng)膜的水通量下降至難以達(dá)到產(chǎn)水要求時(shí)，按傳統(tǒng)思維需廢棄并更換新膜。據(jù)估計(jì)，2022年全球?qū)a(chǎn)生35 000t聚合物廢棄膜，而填埋或焚燒是目前大多數(shù)廢棄膜的最終處置途徑。從全生命周期角度而言，膜的處理處置是膜法污水處理產(chǎn)生碳足跡的主要環(huán)節(jié)之一。因此，基于膜材料的再生循環(huán)與可持續(xù)利用，延長(zhǎng)膜的生命周期，對(duì)于技術(shù)的綠色低碳化發(fā)展具有重要作用。

廢棄膜的再生循環(huán)利用主要技術(shù)途徑包括：

廢棄高壓膜的“降級(jí)”再生；

廢棄低壓膜的“升級(jí)”再生；

廢棄高壓膜或低壓膜的“平級(jí)”再生。

降級(jí)再生是指將廢棄的RO/NF膜經(jīng)過(guò)適當(dāng)物化處理，合理調(diào)控或破壞聚酰胺截留層結(jié)構(gòu)，從而降級(jí)為NF/UF膜?；诰埘０凡荒褪艽温人猁}的特性，可利用次氯酸鹽產(chǎn)生的自由氯攻擊廢棄RO膜的聚酰胺活性層，當(dāng)聚酰胺部分降解時(shí)再生為NF膜，當(dāng)其完全脫落后再生為UF膜。升級(jí)再生是指將廢棄的MF/UF膜經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奈锘幚砗?，通過(guò)界面聚合在膜面生長(zhǎng)聚酰胺層，升級(jí)為NF/RO膜。如在廢棄的PVDF MF膜表面界面聚合或采用清洗-修復(fù)-界面聚合三步法可以制得再生NF膜。平級(jí)再生是指將廢棄低壓/高壓膜通過(guò)一定物化處理直接恢復(fù)膜的產(chǎn)水性能。從實(shí)際工程角度出發(fā)，廢棄膜平級(jí)再生無(wú)需改變組件形式，應(yīng)用前景更加突出。同濟(jì)大學(xué)團(tuán)隊(duì)近期開(kāi)發(fā)了深度清洗-結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化-再生修復(fù)的廢棄低壓膜再生策略，并將其應(yīng)用于某污水處理廠廢棄中空纖維PVDF超濾膜的再生，再生膜透水性和出水水質(zhì)恢復(fù)至與新膜相當(dāng)，且抗污染性能與通量恢復(fù)率顯著優(yōu)于廢棄膜，采用此平級(jí)再生策略修復(fù)該廢棄膜的年成本小于9元/m2。

膜材料的再生循環(huán)利用同時(shí)需開(kāi)展全過(guò)程碳排放的定量分析作為理論支撐（見(jiàn)圖6）。生命周期評(píng)價(jià)（LCA）工具可通過(guò)計(jì)算CO2 排放當(dāng)量來(lái)評(píng)估膜材料全生命周期產(chǎn)生的環(huán)境影響。以降級(jí)再生為例，每制備一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)膜組件將產(chǎn)生87.7 kgCO2的排放，每填埋一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)膜組件將產(chǎn)生0.74 kgCO2的排放，由此可見(jiàn)，膜再生循環(huán)利用可以對(duì)沖膜制備階段的碳排。同時(shí)，廢棄膜再生延壽所貢獻(xiàn)的碳減排隨其再生壽命的增加而增加，若膜的平均使用壽命為5年，再生延壽期為2年，在不考慮其他化學(xué)藥劑和用電消耗的情況下，使用周期內(nèi)每個(gè)膜組件每年可減少5.1 kgCO2排放。除膜材料本身外，膜組件中的膜殼、端蓋、進(jìn)料側(cè)墊片/滲透液測(cè)墊片等材料同樣可以通過(guò)適當(dāng)?shù)奈锘椒ㄟM(jìn)行回收。LCA結(jié)果表明，每回收1 kg聚酯滲透液側(cè)墊片、聚丙烯進(jìn)料液側(cè)墊片和ABS端蓋將分別貢獻(xiàn)0.93、1.64和2.5 kgCO2的減排。

3.1.6 推進(jìn)膜法污水處理系統(tǒng)數(shù)字化、智慧化運(yùn)維

膜法污水處理系統(tǒng)的數(shù)字化、智慧化是未來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。研究基于人工智能的數(shù)據(jù)采集分析與決策機(jī)制，開(kāi)發(fā)物耗、能耗、工藝參數(shù)等多源數(shù)據(jù)融合的集成式精準(zhǔn)化運(yùn)管技術(shù)，建立膜污染與膜運(yùn)行的可視化監(jiān)測(cè)與信息化模擬平臺(tái)，構(gòu)建膜系統(tǒng)關(guān)鍵工序智能管控技術(shù)，提升系統(tǒng)運(yùn)行效能，是推進(jìn)膜法污水處理技術(shù)綠色低碳化發(fā)展的重要內(nèi)容。

（1）數(shù)據(jù)采集分析與決策機(jī)制建立。通過(guò)物耗、能耗、工藝參數(shù)等模塊的集成式膜系統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析，構(gòu)建數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)與決策機(jī)制。通過(guò)操作單元能耗數(shù)據(jù)趨勢(shì)跟蹤與能耗面板統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)膜系統(tǒng)能耗實(shí)時(shí)采集與智能調(diào)度；研發(fā)預(yù)處理藥劑、膜清洗藥劑劑量智能管理技術(shù)，建立水質(zhì)波動(dòng)自適應(yīng)智能加藥系統(tǒng)；構(gòu)建系統(tǒng)運(yùn)行智能預(yù)測(cè)體系，搭建數(shù)據(jù)、操作、調(diào)度、管理、巡檢的集成式膜系統(tǒng)控制平臺(tái)。

（2）關(guān)鍵工序運(yùn)行管控。通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隨機(jī)森林以及模糊邏輯等算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)膜出水水質(zhì)、能耗、物耗、跨膜壓差、膜通量以及膜阻力的變化趨勢(shì)等輸出量的準(zhǔn)確建模。同時(shí)，通過(guò)基于膜污染可視化在線識(shí)別技術(shù)、泵組智能診斷技術(shù)、預(yù)處理及膜系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估與自動(dòng)控制技術(shù)等關(guān)鍵工序智能管控設(shè)計(jì)，結(jié)合遺傳算法和粒子群算法等，對(duì)物耗、能耗、工藝參數(shù)等模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)智能反饋優(yōu)化，提升膜系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

3.2 膜法污水處理技術(shù)低碳化目標(biāo)預(yù)測(cè)

基于膜法污水處理技術(shù)節(jié)能降耗、資源能源回收、再生水利用、智慧化運(yùn)維和膜材料再生等綠色低碳發(fā)展重點(diǎn)攻關(guān)方向，以典型低壓膜法水處理技術(shù)（MBR、MF、UF）和高壓膜法水處理技術(shù)（NF、RO）為例，對(duì)未來(lái)膜法污水處理技術(shù)綠色發(fā)展的低碳化目標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)（見(jiàn)圖7）。在綜合采取節(jié)能降耗、資源能源回收、再生水利用和智慧化運(yùn)維等低碳化措施后，5種典型膜法污水處理技術(shù)的碳排放量均將顯著削減（見(jiàn)圖7a），其中MF、UF、MBR等低壓膜技術(shù)噸水碳排平均削減47.7%~72.8%，NF、RO等高壓膜技術(shù)噸水碳排平均削減35.6%~40.0%。在此基礎(chǔ)上，廢棄膜材料的再生利用還將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)膜技術(shù)的碳排削減。如圖7b所示，膜材料再生循環(huán)技術(shù)可使MF、UF、NF、RO等典型污水處理膜材料單位碳排平均削減30%~66.7%。由此可見(jiàn)，在低碳綠色發(fā)展的導(dǎo)向下，積極采取節(jié)能降耗、資源能源回收、再生水利用、智慧化運(yùn)維和膜材料再生利用等措施，有望實(shí)現(xiàn)膜法處理技術(shù)碳排放量的大幅削減甚至“零碳排”，對(duì)于膜法污水處理技術(shù)綠色低碳化發(fā)展具有重要意義。

4 結(jié) 語(yǔ)

膜法污水處理技術(shù)作為污水處理與再生利用領(lǐng)域的重要技術(shù)，面對(duì)污水高標(biāo)準(zhǔn)處理與排放的需求以及低碳綠色發(fā)展的導(dǎo)向，需要系統(tǒng)評(píng)估膜法污水處理系統(tǒng)碳排放與減污降碳潛力，在建立膜法污水處理系統(tǒng)的全系統(tǒng)、全過(guò)程、全生命周期碳排放評(píng)價(jià)體系的基礎(chǔ)上，持續(xù)推進(jìn)膜法污水處理技術(shù)節(jié)能降耗，加速革新膜法污水處理技術(shù)與資源化能源化技術(shù)的耦合與應(yīng)用，同時(shí)統(tǒng)籌做好膜法所產(chǎn)再生水循環(huán)利用，創(chuàng)新研發(fā)膜材料的再生循環(huán)與可持續(xù)利用技術(shù)，持續(xù)推進(jìn)膜法污水處理系統(tǒng)數(shù)字化、智慧化運(yùn)維，推動(dòng)在膜法污水處理技術(shù)在綠色低碳化發(fā)展方向上的不斷革新與迭代升級(jí)。