在碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局的背景下，污水处理与资源化技术必将朝着“绿色低碳化”的方向迈进，为膜法污水处理技术的发展带来了严峻挑战，也为技术的更新迭代带来了重要机遇。在绿色低碳要求下实现膜法污水处理的理论与技术创新，对于支撑双碳背景下膜法污水处理技术的可持续发展具有重要意义，是膜技术领域亟需突破的关键科技问题。综述了膜法污水处理技术的应用与发展动态，探讨了膜法污水处理技术统筹“高标准”需求与“碳中和”导向的发展思路，围绕系统评估、节能降耗、资源能源回收、再生水利用、膜材料再生和数字化转型对膜法污水处理技术的重点攻关方向进行了研判与展望，以推动膜法污水处理技术朝着绿色低碳化不断革新与迭代升级。

关键词：

       碳达峰；碳中和；污水处理；膜技术；可持续；绿色低碳

 

０     引言

        污水处理与资源化是控制水体污染、缓 解 水 资源危机的重要途径。膜法污水处理技术具有分离效率高、出水水质好、布置紧凑、易于标准化与装备化等优势，成为了污水处理与资源化 领 域 的 主 导处理技术 之 一。据《中 国 膜 行 业 “十 四 五”发 展 规 划 纲要》，目前我国膜工业产值已超过３０００亿元，年均增速达１５％；带动相关膜技术工程总投资逾１００００亿元，膜产品、膜工艺与工程应用持续快速发展。

         当前，我国进入绿色发展引领环境污染控制、应对全球环境挑战的新阶段。在碳达峰、碳中和纳 入生态文明建设整体布局的背景下，污水处理与资源化也必将朝着“绿色低碳化”的方向迈进，为膜法污水处理技术的发展带来了严峻挑战，也为技术的更新迭代带来了重要机遇。因此，在绿色低碳要求 下实现膜法污水处理的理论与技术创新，推动技术效能的进一步升级，对于支撑双碳背景下膜法污水处理技术的可持续发展具有重要意义，也是膜技术领域亟需突破的关键科技问题。

        本文在综述膜法污水处理技术的应用与发展动态基础上，探讨了双碳背景下统筹膜法污水处理技术“高标准”需求与“碳中和”导向的发展思路，围绕膜法污水处理技术系统评估、节能降耗、资源能源回收、再生水利用、膜材料再生和数字化转型等方面提出了技术的重点攻关方向，以推动膜法污水处理技术的绿色低碳化发展。

１    膜法污水处理技术应用

       与发展动态近年来，在环境功能质量提升需求驱动下，膜法污水处理 技 术 发 展 迅 速，工 程 应 用 规 模 快 速 增 加。在新型膜材料研制、前沿膜技术研究和高效低耗膜工艺开发及应用等方面取得了长足进步。以下将从技术应用、技术能效、材料性能等三个方面概述膜法污水处理技术的应用与发展动态。

１．１ 膜法污水处理技术应用

           近年来，膜法污水处理技术在市政污水和工业废水处理领域得到广泛应用。在市政污水处理与资源化领域，膜生物反应器（ＭＢＲ）应用最为广泛。截至２０２１年，我国已有超过５００座 ＭＢＲ 市政污水处理工程（仅统计处理规模＞１万 ｍ３／ｄ），总处理规模超１６００万 ｍ３／ｄ。在 工 业 废 水 处 理 与 循 环 利 用方面，膜法处理技术在石油化工、煤化工、钢铁、生物医药、微电子等废水处理中均有应用。ＭＢＲ 在石油化 工 和 综 合 产 业 园 区 废 水 处 理 中 使 用 比 例 达５８％～７５％。截至２０２１年，我国有３００余座大型工业废水 ＭＢＲ 处 理 工 程（７０％左 右 的 工 程 处 理 能 力达１万～５万 ｍ３／ｄ）。为进一步实现污染物深度削减，ＭＢＲ可与高压膜技术联用。双膜法处理技术［如 微 滤 （ＭＦ）／超 滤 （ＵＦ）＋ 纳 滤 （ＮＦ）／反 渗 透（ＲＯ）］是工 业 废 水 处 理 与 循 环 利 用 的 常 用 组 合 工艺。我国煤化工和钢铁等工业废水处理中，双 膜 法使用比例达７２％～９０％。以 ＮＦ／ＲＯ 为核心的膜法分盐浓缩技术，在电力、煤化工、钢铁等工业废水零排放建设中发挥了重要作用。电渗析（ＥＤ）等电驱动的膜法水处理技术，可用于重金属离子分离、酸／碱回收和含盐废水淡 化 等，在 冶 金、采 矿、脱硫等废水处理中的应用日渐增多。

１．２ 膜法污水处理技术效能

           随着技术不断迭代，膜法污水处理技术能耗不断下降 （见 图 １）。市 政 污 水 中 ＭＢＲ 能 耗 一 般 在０．３～０．９ｋＷ·ｈ／ｍ３，在大型 ＭＢＲ 处理工程（处理量大于５万 ｍ３／ｄ）中能耗为０．３～０．５ｋＷ·ｈ／ｍ３，接近 传 统 生 物 处 理 能 耗。 工 业 废 水 处 理 中ＭＢＲ技术的能耗主要取决于废水水质，通常废水处理难度 越 大 能 耗 越 高 （一 般 高 于 市 政 污 水 处 理 能耗），在０．５～１．５ｋＷ·ｈ／ｍ３。ＮＦ和 ＲＯ 处理市政污水的能耗 为０．５～２．４ｋＷ·ｈ／ｍ３。参 考 海水淡化（ＳＷＲＯ）能耗，当处理废水盐浓度达７５０００ｍｇ／Ｌ时，ＮＦ产水能耗在２．０ｋＷ·ｈ／ｍ３ 以上，ＲＯ 产水能耗在２．６ｋＷ·ｈ／ｍ３ 以上。ＥＤ 处理盐浓度上限为１０００００ｍｇ／Ｌ，产水能耗根据进水水质不同而波动较大，范围为３～８５０ｋＷ·ｈ／ｍ３。未来通过组合工艺优化、资源能源回收、膜污染控制等手段可以进一步降低膜法污水处理的降耗。

               

１．３ 膜材料性能

           膜材料性能对膜系统处理效率和经济性能至关重要。ＭＦ和 ＵＦ膜材料制备技术相对成熟，以 ＭＦ和 ＵＦ膜 为 核 心 的 ＭＢＲ 运 行 通 量 通 常 在 １５～２５Ｌ／（ｍ２·ｈ），膜使用寿命为５～１０年。ＭＦ和 ＵＦ膜前沿领域主要聚焦于膜材料的抗有机污染改性、抗生物污染改性及其长期效能提升等方面。ＮＦ膜在实际运行中通量一般小 于 ２０Ｌ／（ｍ２ ·ｈ·ｂａｒ）（１ｂａｒ＝０．１ ＭＰａ），可 截 留 超 过 ９５％ 的 二 价盐［１５－１６］；ＲＯ 膜 在 苦 咸 水／海 水 淡 化 过 程 中 通 量 为１～８ Ｌ／（ｍ２ ·ｈ·ｂａｒ），对 一 价 盐 的 截 留 率 达９９．７％以上［１４］，使 用 寿 命 为３～７ 年。对 于 ＮＦ 和ＲＯ 膜，探 索 打 破 过 滤 性 能 － 选 择 性 制 衡 关 系（ｔｒａｄｅ－ｏｆｆ）的 膜 材 料 是 研 究 前 沿，改 变 多 孔 支 撑 层的结构和表面特性、在界面聚合过程中引入纳米颗粒以及通过反应界面原位产热与纳米气泡产生的精细调 控，有 助 于 制 备 突 破ｔｒａｄｅ－ｏｆｆ瓶 颈 的 高 性 能ＮＦ、ＲＯ 膜（见图２）。然而，在长期运行中不可恢复污染逐步累积，膜通量最终难以达到产水要求，从而不得不报废并更换新膜。因此，在“双碳”背景下，膜材料的评价指标不仅应包含传统的过滤性能、抗污染性能等，而且应增加碳排放维度的相应指标，从而指导高性能膜材料的低碳研发与可持续应用。

            

２    “高标准”与“碳中和”之间的制衡关系

        在碳达峰、碳中和导向下，污水处理与资源化必将向绿色低碳化方向迈进。但与此同时，以水 环 境功能质量保障为导向，在相当长一段时期内仍然执行严格的污水排放标准。然而，高标准的处理 往 往是以高能耗、高物耗、高碳排为代价。

          

         图３列举了不同排放标准下常见污水处理工艺的碳排放强度。可见，随着排放标准提升碳排放强度显著升高。相 较于采用传统曝气池等处理工艺使出水满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（ＧＢ１８９１８—２００２）二级排放标准的情况，在采用 ＡＡＯ、氧化沟以及序批式活性污泥法（ＳＢＲ）等工艺使出水达到 ＧＢ１８９１８一级 Ｂ排放标准后，碳排放强度增加４４．１％。为了进一步使出水满足 ＧＢ１８９１８一级 Ａ 排放标准而增加深度处理环 节 后，污 水 处 理 工 艺 碳 排 放 强 度 比 ＧＢ１８９１８一级Ｂ排放标准提高２４．１％。污水处理过程的碳排主要来自于电耗、化学品消耗、污染物直接碳排等主要碳排放环节，高标准处理必将导致曝气强度提高、药耗增加等，污水处理系统的碳排放随之增加。因此，碳排放与高标准处理的交织，为膜法污水处理技术的可持续发展带来了严峻挑战。针对碳中和与高标准处理之间的矛 盾，需 要 兼顾水环境容量／功能要求和环境综合效益，考虑技术的物质、能量和资源输入输出，衡 量 处 理 技 术 的 物耗、能耗和碳排，研发“适宜”的膜法污水处理技术和组合技术。与此同时，需要进一步关注膜法污水处理技术本身的创新与绿色低碳发展。可以从节能降耗、资源能源回收、再生水利用和膜材料再生等四个方面开展攻关：①节能降耗，在符合标准要求前提下进行适度处理，通过技术更迭、节能设备的开发与应用，结合工艺优化与精准调控，实现节能降耗和碳排削减；②资源能源回收，基于技术耦合构建新型膜组合工艺，通过强化膜的分离与转化功能，以资源能源回收的形式实现部分碳排抵消；③再生水利用，建立基于不同膜技术的分质再生水回收利用系统，通过再生水回用进行碳排抵消；④膜材料再生，膜材料的处理处置是膜法污水处理碳排放的重要环节，研发膜材料的可持续再生利用技术，通过膜材料再生抵消部分碳排，可以进一步提升膜法污水处理技术的竞争力。

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。

 

 

 

原标题：膜法污水处理技术的绿色低碳化发展思考

原作者：王 志 伟