３ 膜 法 污 水 处 理 技 术 的 绿 色 低 碳 化 发 展 思 考 与建议
３.1 绿色低碳化发展的主要方向
３.1.1系统评估膜法污水处理减污降碳潜力
在“双碳”背景下，系统研究和评估膜法污水处理系统的碳排放与减污降碳潜力是技术绿色低碳化发展的重要前提。根据膜法污水处理过程中碳排放的来源，碳 排 放 可 分 为 直 接 碳 排 与 间 接 碳 排 （见图４）。直接碳 排 主 要 是 指 污 染 物 在 膜 法 污 水 处 理过程中通过 生 化 等 反 应 产 生 的 逸 散 性 温 室 气 体 排放，如 ＣＨ４（无组织排放）、Ｎ２Ｏ 等；间接碳排是指包括膜材料生产与制造、膜组件清洗与维护、膜法污水处理工艺运行操作和膜材料报废与处置等过程产生的碳排放。同时，在膜法污水处理过程中存在碳减排，即通过膜法污水处理技术实现能源／资源的回收利用，代替化学品或化石能源进而补偿和削减温室气体排放。例如，厌氧膜生物反应器（ＡｎＭＢＲ）在污水处理过程中产生的甲烷，经热电联产等可实现碳减排；回收的氮磷等资源可作为肥料使用实现碳减排等。
目前，关于膜法污水系统的碳排放与减污降碳潜力尚缺乏系统研究，需要将膜法污水处理系统的预处理、膜过滤、浓液处理、资源回收和膜再生水回用等单元统筹考虑，在各单元碳排底数摸排和能源强度科学计算的基础上，系统研究和评估膜法污水处理系统碳排放与碳减排潜力，建立膜法污水处理系统的全系 统、全 过 程、全 生 命 周 期 碳 排 放 评 价 体系。进一步解析膜法污水处理系统建设、运行 和 维护等基础碳排活动，对膜法污水处理设施建设、膜材料生产与制造、膜单元运行、膜组件清洗与维护等碳排项目进行分类识别，揭示膜法污水处理系统中物质流、能量流与碳排放的关系，追踪系统碳足迹并明确各环节碳排指标，构建膜法污水系统碳排放清单。
３.1.2 持续推进膜法污水处理技术节能降耗
持续推进膜法污水处理技术节能降耗，是膜法污水处理技术绿色低碳化发展的重要着力点。常见膜法污水处理技术的能耗组成如表１所示，主要包括过滤能耗、曝气能耗（对于 ＭＢＲ）、清洗能耗 及 其他能耗。同时，膜污染作为膜技术运行过程中伴生问题，导致频繁清洗、增加过滤能耗、缩短膜寿命，严重制约膜技术的经济性能。膜法污水处理 技术节能降耗主要可从三个方面入手：膜污染机理研究与膜污染控制、抗污染膜材料的开发与应用和膜工艺的集成优化。
（１）膜污染机理研究与膜污染控制。膜污染形成过程中，颗粒态污染物、胶体及溶解态有机物的污染行为存在差异，由颗粒态污染物引发的膜污染与通量、错流速率直接相关，而胶体及溶解态有机物污染则与通量、错流速率无直接联系。对水力停 留 时间、曝气强度、运行通量、清洗周期等参数进行优化，有助于膜污染控制和膜处理工艺的节能降耗。在ＭＢＲ处理工艺中（见表２），根据在线膜污染检测系统，识别膜污染的动态变化，针对污染层厚度以及跨膜压差的变化，可联动控制膜曝气量，使曝气强度降低２２％以上。
（２）抗污染膜材料的开发与应用。在明晰 污 染物的界面粘附行为及与膜面官能团－污染物作用机制基础上，可基于功能材料共混／接枝改性制备针对胶体及溶解态污染物的抗污染膜材料。同时，可 在膜面或膜基体中负载抗菌剂（如季铵盐、金属纳米颗粒等），通过抗菌剂的释放或直接接触抑制微生物在膜面的滋生。
（３）膜分离工艺的集成优化。膜工艺集成 优 化是实现膜法污水处理技术节能降耗的重要途径。针对膜工艺中纤维类杂质污堵、缠绕问题，可开发高精度的杂质分离技术进行预处理。针对不同膜组件结构和布设条件，合理规划膜组件的多层布设，可以显著降低系统能耗。在实际处理工程中增大膜组件的布设密度，优化曝气时间和强度（见表２），可使运行能耗降低４０％～７５％。
３.1.3 加速革新膜法资源化能源化技术
在“双碳”背景下，推进膜技术与其他资源化能源化技术耦合，是技术绿色低碳化发展的重要方向。污水的资源化能源化是指将污水视为一种资源和能源，通过应用相关技术使资源回收、能源回收和污水再生利用。膜技术及其组合技术的应用，可以 进 一步强化污水的资源与能源回收（见图５）。
在膜法污水资源化方面，主要的资 源 化 途 径 包括水资源回收和氮、磷回收。针对污水中存在 的 有毒有害污染物影响再生水安全利用问题，可将膜技术与高级氧化技术进行有效耦合，从而提升污染物的去除效能。如钯负载阳极电催化膜能够在数毫秒至数秒的接 触 时 间 内 实 现 难 降 解 污 染 物９０％以上去除率。人 工 纳 米 水 通 道 修 饰 膜 能 将 纳 滤 膜对疏水内分泌干扰物的选择性提高２～３倍。污水中蕴涵的氮资源约３２０万ｔ／年，磷资源达３４万ｔ／年。采用适宜的膜处理技术对氮、磷进行回收，可以资源再生抵消部分碳排。
在膜法污水能源化方面，膜技术通过 与 特 定 能源化技术耦合，可以强化从污水中回收再生和清洁能源（如甲烷、氢气、电能等）。污水排放的化学需氧量（ＣＯＤ）为２５００万ｔ／年，以０．２ｍ３ 甲烷／ｋｇＣＯＤ的产率计算，每 年 可 产 出 约６０亿 ｍ３ 甲 烷，理 论 上可满足我国２％的天然气需求（天然气消费量３０００亿 ｍ３／年）。当污水中３３％以上碳源以甲烷形式回收和利用时，即 有 望 实 现 污 水 处 理 厂 能 量 自 给。
ＡｎＭＢＲ技术相比 传 统 厌 氧 技 术，具 有 独 立 控 制 污泥停留时间（ＳＲＴ）和水力停留时间（ＨＲＴ）、固液分离效率高、容积负荷高等优势，已在高浓度有机废水（如食 品 加 工 废 水 等）中 得 到 应 用，目 前 最 大 规 模ＡｎＭＢＲ工程达１５００ ｍ３／ｄ。近 年 来，自 生 动 态 膜与厌氧技术耦合的厌氧动态膜生物反应器（ＡｎＤＭ－ＢＲ）技术得 到 关 注。在应用于污泥厌氧消化时，相比传统厌氧消化技术，污泥浓缩倍数可提升１５０％，消化效率和甲烷产率可提升５０％以上，实现能量净输出０．５７ｋＷ·ｈ／ｋｇＶＳ。此 外，疏 水 膜 气 提 技术可 以 用 于 厌 氧 消 化 反 应 器 出 水 中 溶 解 态 甲 烷（２０～２６ ｍｇ／Ｌ）的 回 收。反 渗 透（ＲＯ）、电 渗 析（ＥＤ）等膜技术因具有可制得高品质纯水的技术优势，能够为电解水制氢提供必需的原材料，在氢能回收领域有望得到应用。
３.1.4 统筹做好膜法所产再生水的循环利用
膜法工 艺 可 基 于 不 同 膜 的 分 离 机 制 和 处 理 效果，在不同工段分级产出梯度水质的再生水，满足城市杂用、河道补水、绿地灌溉、景观环境用水、生产回用等多种再生水应用场景，实现碳排抵消。膜 法 所产再生水的碳减排效益可按照回用地区自来水产水碳排与膜工 艺 产 出 再 生 水 过 程 碳 排 的 差 值 进 行 估算，其中产出再生水过程的碳排可通过膜工艺能源强度乘以区域电网碳排放系数计算。以 华 东 地区为例，自来水的单位碳排为 ０．７７ｋｇＣＯ２／ｍ３，当使用超滤所产低品质再生水替代自来水用于城市杂用等场 景 时，每 单 位 再 生 水 可 提 供 的 碳 补 偿 约 为０．７２ｋｇＣＯ２／ｍ３；使 用 纳 滤 所 产 的 高 品 质 再 生水代替自来水用于生产工艺等场景时，每单位再生水碳补 偿 约 为０．４０ｋｇＣＯ２／ｍ３。相 比 于 传 统 二级出水－混凝沉淀－过滤－消毒工艺所产再生水代替自来水（碳补偿约０．２８ｋｇＣＯ２／ｍ３），碳排抵消效应更加显著。根据《中 国 城 市 建 设 统 计 年 鉴》，目前我国再生水利用量仅占污水处理总量的２４．３％，距离发达国家６０％～７０％的 再 生 水 利 用 率 还 存 在较大差距。因此，大力推进膜法污水处理与再生利用设施建设，针对不同再生水利用场景，按照水质要求将再生水进行分级回收利用补偿污水处理系统的碳排放，对于膜法污水处理技术的绿色低碳化发展具有重要意义。
原作者：王 志 伟
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