摘要：膜生物反應器（MBR）曾被認為是一項成熟并代表未來的污水處理技術，在21世紀初十年中獲得空前應用，并一度有取代傳統(tǒng)活性污泥工藝（CAS）之趨勢。然而， MBR工程應用數(shù)量近年在全球市場驟降，與其在中國市場不斷升溫的“熱像”形成鮮明對比。究其原因，高能耗和膜污染等詬病使其在技術、經濟與管理等方面綜合比較遠不如CAS，有悖可持續(xù)發(fā)展的全球理念。基于MBR發(fā)展歷程，分析衰落原因，展望未來應用。MBR工程應用在全球范圍內已理性回歸，對過熱的中國市場應是一種啟示，特別是對中國目前興起的地下式MBR。

作者簡介：郝曉地（1960-），男，山西柳林人,博士，教授，從事市政與環(huán)境工程專業(yè)教學與科研工作，主要研究方向為污水生物脫氮除磷技術、污水處理數(shù)學模擬技術、可持續(xù)環(huán)境生物技術,現(xiàn)為國際水協(xié)期刊《Water Research》區(qū)域主編（Editor）。

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發(fā)展歷程

MBR工藝概念最早源于美國。20世紀60年代，美國Dorr-Oliver公司首先將膜分離與生物處理工藝結合用于污水處理領域；盡管當初處理規(guī)模只有14m³/d，但畢竟是MBR工藝的雛形。MBR工藝發(fā)展初期均為側流式工藝，即膜過濾系統(tǒng)獨立于生物反應池之外，污泥需要通過循環(huán)泵回流至生物反應池內。循環(huán)泵會加MBR工藝運行能耗，加之當時膜分離技術發(fā)展緩慢、膜組件價格昂貴，致使當時MBR多處于實驗室小試或中試水平，并沒有獲得大規(guī)模實際應用。

20世紀70年代—80年代，MBR大體上仍處于研發(fā)階段。在這期間，國土面積狹小，水資源短缺的日本政府啟動了“水復興90年規(guī)劃”科研項目，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，直接推動了MBR技術發(fā)展。

1989年浸沒式MBR工藝首次引入生物處理系統(tǒng)，將膜過濾系統(tǒng)置于生物反應池內部，取消側流式循環(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。內置式膜組件的出現(xiàn)打開了MBR工程應用的大門，逐漸成為主流應用工藝向全球推廣。

20世紀90年代之后，隨著新型膜材料出現(xiàn)，MBR工藝運行得到進一步穩(wěn)定，能耗也進一步降低。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膜組件，北美、歐洲和日本紛紛建立了小型MBR項目用于市政污水和工業(yè)廢水處理。20世紀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)�？蛇_500m³/d，同時有100多處高層建筑采用MBR工藝進行污水處理后回用。1997年，英國在Porlock建立了當時世界上規(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。

進入21世紀后，隨著膜分離技術、組裝結構和設備制造進步、以及各國對污水處理排放標準的收緊，MBR工藝迅速受到世界各國的青睞，特別是在中國得到了非常廣泛的應用，可謂異軍突起。

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應用趨勢

2.1 單體處理規(guī)模增大

MBR工藝初次應用于污水處理時因外置膜過濾系統(tǒng)能耗過高而不適用于大型市政污水處理項目，僅應用于小型工業(yè)或家庭污水處理（<500m³/d）。隨著低能耗內置的浸沒式MBR工藝出現(xiàn)，MBR運行能耗降低，致其處理規(guī)模逐漸增大，超過1000m³/d的工程應用在1995年—2000年間已開始出現(xiàn)。膜分離技術發(fā)達的日本于2005年建成第一個大型MBR市政污水處理工程，處理規(guī)模達4200m³/d；2008年西班牙建成當時歐洲規(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；美國弗吉尼亞州Broad Run 污水處理廠為北美最大MBR工程應用，規(guī)模達7.3×104m³/d；北京溫榆河污水處理廠規(guī)模更高達10×104m³/d。

從2008年起，MBR工藝隨長期運行優(yōu)化、膜技術水平提高、膜組件成本降低，應用規(guī)模今非昔比，超20×104m³/d的工程應用在世界范圍開始增多（見表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升級改造并投入運行，其處理規(guī)模達到86.4×104m³/d，將成為世界MBR工程應用中的“巨無霸”。已運行的北京槐房污水再生處理廠，處理規(guī)模也達60×104m³/d，是當今世界MBR實際應用的“大哥大”。所有這一切主要歸功于膜價格的大幅降低，目前膜市場均價已從20世紀90年代最高時的400美元/m2降至目前的50美元/m2以下。

表1 世界范圍大型MBR應用項目

Table 1 Large full-scale MBR applications in theworld

2.2 應用增長速度驟減

國際權威MBR應用網(wǎng)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(tǒng)計，并繪制了如圖1所示的MBR工程應用趨勢圖。

圖1 1996年—2017年世界范圍MBR工程應用數(shù)量趨勢

Fig.1Application trends of MBR installations in the world between 1999 and 2017

進入21世紀，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(qū)域。隨后，亞洲和其它地區(qū)（主要為澳洲、北非）迅速跟進。MBR工程應用在2009年—2012年間達到鼎盛時期；隨后便開始回落，直至近兩年應用數(shù)量只有鼎盛時期的10%。MBR應用增長衰落是全球范圍內的，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(shù)量銳減，以至于2009年后亞洲成為MBR技術應用的主力，2012年后全球大型MBR項目主要集中在中國境內。

MBR市場增長放緩亦可以從市場全球年復合增長率(CAGR)和市場總額看出，CAGR可以體現(xiàn)某一產業(yè)增長的潛力和預期。2008年MBR工藝處于鼎盛時期，全球水務市場分析師曾樂觀地預測國際MBR市場到2018年CAGR為22.4%，到2018年全球MBR市場價值總額預計達到34.4億美元。但是，英國BBC Research最新報告顯示，2014年全球MBR市場總額為4.257億美元，到2019年預計僅達到7.777億美元，年CAGR僅為12.8%，這與2008年預測相差甚遠。BBC Research同時也給出了全球各大洲MBR市場CAGR預測，如圖2所示。圖2顯示，2014年后亞太地區(qū)MBR市場年復合增長率高于歐洲和北美。結合圖1數(shù)據(jù)可知，2014年后世界MBR市場增長主要由亞太地區(qū)引導，這其中，中國地區(qū)增長量對亞太地區(qū)總增長有著絕對的份額貢獻。

圖2 2014年—2019年世界MBR預計年復合增長率(CAGR)

Fig.2 Compound annual growth rate (CAGR) of MBR installations predicted by BBC Research between 2014 and 2019

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衰落原因

3.1 運行成本高

MBR工藝高運行成本主要限制了其廣泛應用。高運行成本從投資伊始便開始體現(xiàn)；除膜組件依然昂貴（與CAS二沉池相比）外，較高的自動化運行水平也限制其廣泛應用。我國市政污水處理應用MBR（規(guī)模>1×104m³/d）技術經濟數(shù)據(jù)顯示，MBR投資成本為2500~5000元/m3（含土建、膜系統(tǒng)和其他設備投資），均值為3800元/m3，遠高于全國城鎮(zhèn)污水處理廠平均2200元/m3投資水平。達到與MBR相同出水水質情況下，CAS工藝需要增加三級過濾系統(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）膜污染或堵塞導致通量下降，維持設計通量就必須加壓；（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，膜池內曝氣能耗約占總能耗的30%~40%。

經半個世紀發(fā)展，通過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總結了一些國家應用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%。正因能耗問題讓膜生產大國的日本停止了對大型市政MBR項目審批。于是，日本2013年后著手開始研發(fā)新的MBR技術，旨在將其能耗控制在≤0.4 kW∙h/m³。

表2 世界各國MBR項目平均能耗

Table2 Average energy consumption of MBR installations in the world

3.2 膜污染與通量下降

盡管膜污染及其控制和清洗已經從技術層面做了大量有益工作，但并沒有從根本上解決這一問題，膜污染現(xiàn)象終歸是會發(fā)生的。為維持正常過濾通量，通過在線（維護性）清洗和離線（恢復性）化學清洗雖然會減輕膜污染問題，但是，膜清洗會縮短膜的使用壽命，而時常更換膜組件又會增加運行成本。

此外，膜通量問題也日益引起人們關注。在處理水量波動較大情況下，膜組件通量可靠性經不起時間考驗。污水處理廠進水流量是一個動態(tài)變化過程，隨氣候、季節(jié)等因素變化而變化，流量變化對MBR工藝正常運行會產生較大影響。MBR膜組件存在一個極限通量，如果進水流量超過極限通量或者因為膜污染導致膜通量下降，超出通量部分污水就無法通過膜過濾處理。常規(guī)處理辦法是增加一個流量調節(jié)池或者使用備用膜，或做溢流處理，但這會增加投資成本和運行費用。在實際運行中，通常是MBR剛運行前幾年膜通量不會超限，但隨時間推移膜污染現(xiàn)象出現(xiàn)會導致通量下降。為此，在水量波動較大地區(qū)，選擇MBR工藝時需要特別謹慎。

3.3 標準化的缺失

目前，膜生產廠商眾多，膜產品種類亦繁多。各廠商均有自己數(shù)據(jù)庫和設計規(guī)范，但并沒有形成一個統(tǒng)一的行業(yè)標準和規(guī)范，導致不同生產廠規(guī)格型號、外形尺寸各不相同，互不兼容。設備缺乏標準化給設計和采購首先帶來麻煩，應用時一旦出現(xiàn)需要更換膜組件時，標準化缺失帶來的劣勢更為突出；換品牌意味重新設計膜系統(tǒng)，增加運行成本。即使同一品牌膜組件先后兩種型號也常常不兼容；2008年德國Rödingen項更換膜組件時就出現(xiàn)了這種情況，不得不重新設計膜系統(tǒng)。此外，缺乏一條龍標準化作業(yè)服務常常導致膜供應商與施工方脫節(jié)，在安裝過程膜組件損壞現(xiàn)象比比皆是。

膜市場標準化已引起人們重視，日本早在2012年便成立專家委員會，就MBR標準化問題進行討論；歐盟資助的“加速城市污水凈化膜發(fā)展（AMEDEUS）”項目中也包括了MBR標準化建設。市場標準化必將影響各大膜生產企業(yè)的經濟利益，所以，膜標準化過程至今舉步維艱，嚴重影響MBR工藝推廣應用。

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展望未來

雖然MBR工藝具有出水水質和占地方面兩大優(yōu)勢，但是，綜合技術、經濟、管理等綜合因素，MBR已被確認為不可持續(xù)工藝。只有在土地、空間受到嚴格限制的情況下，MBR方能顯示其獨特優(yōu)勢。否則，CAS+砂濾將比其具有綜合競爭力。荷蘭Varsseveld污水處理廠MBR示范性項目運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“巨無霸”Henriksdal項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行并不意味著MBR將再次帶動其應用的熱潮。這一工程的選擇重點放在應對北歐嚴寒冬季常常出現(xiàn)的低溫、積雪、結冰等嚴重問題，遂考慮將此工程放在斯德哥爾摩市中心一地下巖洞內實施。限于巖石結構空間狹小，同時為滿足歐盟“波羅的海計劃（BSAP）”出水水質和擴大處理規(guī)模之需要，項目只是無奈選擇了MBR工藝進行升級改造。

國土面積狹小的新加坡近年來大力發(fā)展“新生水（NEWater）”項目。因MBR可以提供持續(xù)穩(wěn)定的優(yōu)質出水，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具有應用優(yōu)勢。類似新加坡情況也出現(xiàn)在一些缺水的海灣國家再生水項目上，況且這些國家油比水“賤”，“以油換水”在這些國家具有明顯優(yōu)勢。

與上述國家特殊應用情況相比，我國大規(guī)模應用MBR技術的理由似乎并不充分，特別是近年出現(xiàn)的地下式MBR。無疑，土地、空間極度短缺、昂貴的一些大、中城市，迫不得已應用MBR無可厚非。但是，將MBR作為未來污水處理技術發(fā)展方向，并用它來全面升級既有、新建未來污水處理設施（甚至擴展到農村污水處理設備）確實值得商榷。對于我國發(fā)展中的地下式MBR更要甚重，畢竟它不是一個可持續(xù)的工藝。

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結語

除中國外，MBR工藝在全球應用驟降并非偶然現(xiàn)象，高能耗與膜污染讓其背負不可持續(xù)之名。如果MBR這兩個突出弊端不能在未來得到根本性解決，其工程應用很難維系。只有在一些特定情況（土地極度匱乏、空間十分有限、嚴重缺水、水比油貴）下，應用MBR才可能具有被動選擇優(yōu)勢。即使在這樣一些特定情況下，MBR也不是唯一選擇，比如，好氧顆粒污泥技術就比它具有明顯優(yōu)勢。

（本文一些配圖選自網(wǎng)絡，非出自原文）

本文發(fā)表于《中國給水排水》2018年10月第20期“述評與討論”欄目，作者：郝曉地，陳嶠，李季，曹達啟;單位：北京建筑大學城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點實驗室/中—荷污水處理技術研發(fā)中心

本文參考文獻標準著錄格式如下：

郝曉地，陳嶠，李季，等. MBR工藝全球應用現(xiàn)狀及趨勢分析[J].中國給水排水，2018，34（20）：7-12.

HaoXiaodi, CHEN Qiao, LI Ji,et al. Status and trend of MBR application in the world[J].China Water & Wastewater，2018，34（20）：7-12(in Chinese).

Statusand Trend of MBR Application in the World

HAO Xiao-di, CHEN Qiao, LI Ji, CAO Da-qi

(Sino-Dutch R&D Centre for FutureWastewater Treatment Technologies Key Laboratory of Urban Stormwater System andWater Environment <Ministry of Education>, Beijing University of CivilEngineering and Architecture, Beijing 100044, P. R. of China)

Abstract:Membrane bioreactors (MBR) were once recognizeda mature and future wastewater treatment technology, which were extensivelyapplied in the first decade of the century, and had a tendency to replaceconventional activated sludge process (CAS). However, MBR did not become thehot favorite technology as expected ten years ago; their engineeringapplications were in sharp contrast to the “overheated” phenomena in China . Thereason for the decline is attributed to the drawbacks on energy consumption andmembrane fouling, which makes MBR inferior to CAS in sustainability evaluatedcomprehensively by technology, economy and management. Based on the developedprocess of MBR, the reason of the decline is analyzed, and the furtherapplication of MBR is prospected. The rational return of MBR applications shouldbe an inspiration to the MBR market in China ,especially to underground MBR that are emerging at present in China .

Key words: membrane bioreactors (MBR);conventional activated sludge (CAS); sustainability; membrane fouling;underground MBR