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。

3.1.5   创新研发膜材料的再生循环技术

          目前，膜材料遵循制备－使用－废弃的线性生命周期过 程，在 每 一 阶 段 均 会 产 生 相 应 的 碳 排 放。在长期使用过程中，由于不可恢复污染的累积，当膜的水通量下降至难以达到产水要求时，按传统思维需废弃并更换新膜。据估计，２０２２年全球将产生３５０００ｔ聚合物废弃膜，而填埋 或 焚 烧 是 目 前 大多数废弃膜的最终处置途径。从全生命周期角度而言，膜的处理处置是膜法污水处理产生碳足迹的主要环节之一。因此，基于膜材料的再生循环与可持续利用，延长膜的生命周期，对于技术的绿色低碳化发展具有重要作用。

         废弃膜的再生循环利用主要技术途 径 包 括：①废弃高压膜的“降级”再生；②废弃低压膜的“升级”再生；③废弃高压膜或低压膜的“平级”再生。降级再生是指将 废 弃 的 ＲＯ／ＮＦ 膜 经 过 适 当 物 化 处 理，合理调 控 或 破 坏 聚 酰 胺 截 留 层 结 构，从 而 降 级 为ＮＦ／ＵＦ膜。基 于 聚 酰 胺 不 耐 受 次 氯 酸 盐 的 特 性，可利用次氯酸盐产生的自由氯攻击废弃 ＲＯ 膜的聚酰胺活性层，当聚酰胺部分降解时再生为 ＮＦ膜，当其完全脱 落 后 再 生 为 ＵＦ 膜。升 级 再 生 是 指 将废弃的 ＭＦ／ＵＦ膜经过 适 当 的 物 化 处 理 后，通 过 界面聚合在 膜 面 生 长 聚 酰 胺 层，升 级 为 ＮＦ／ＲＯ 膜。

         如在废弃的ＰＶＤＦ ＭＦ膜表面界面聚合或采用清洗－修 复 － 界面聚合三步法可以制得再生 ＮＦ膜。平级再生是指将废弃 低 压／高 压 膜 通 过 一定物化处理直接恢复膜的产水性能。从实际工程角度出发，废弃膜平级再生无需改变组件形式，应用前景更加突出。同济大学团队近期开发了深度清洗－结构转化－再生修复的废弃低压膜再生策略，并将其应用于某污水处理厂废弃中空纤维 ＰＶＤＦ 超 滤膜的再生，再生膜透水性和出水水质恢复至与新膜相当，且抗污染性能与通量恢复率显著优于废弃膜，采用 此 平 级 再 生 策 略 修 复 该 废 弃 膜 的 年 成 本 小于９元／ｍ２。

          膜材料的再生循环利用同时需开展全过程碳排放的定量分析作为理论支撑（见图６）。生命周期评价（ＬＣＡ）工 具 可 通 过 计 算 ＣＯ２排 放 当 量 来 评 估 膜材料全生命周 期 产 生 的 环 境 影 响。以 降 级 再 生 为例，每制 备 一 个 标 准 膜 组 件 将 产 生８７．７ｋｇＣＯ２ 的排放，每 填 埋 一 个 标 准 膜 组 件 将 产 生 ０．７４ｋｇＣＯ２的排放，由此 可 见，膜 再 生 循 环 利 用 可 以 对 冲 膜制备阶段的碳排。同时，废弃膜再生延寿所贡献的碳减排随其再生寿命的增加而增加，若膜的平均使用寿命为５年，再生延寿期为２年，在不考虑其他化学药剂和用电消耗的情况下，使用周期内每个膜组件每年可减少５．１ｋｇＣＯ２ 排放。除膜材料本身外，膜组件中的膜壳、端盖、进料侧垫片／渗 透 液 测 垫 片等材料同样可以通过适当的物化方法进行回收。
         

          ＬＣＡ 结果表明，每回收１ｋｇ聚酯渗透液侧垫片、聚丙烯进料液 侧 垫 片 和 ＡＢＳ端 盖 将 分 别 贡 献０．９３、１．６４和２．５ｋｇＣＯ２ 的减排。

３.1.6  推进膜法污水处理系统数字化、智慧化运维
           膜法污水处理系统的数字化、智慧化是未来的重点发展方向之一。研究基于人工智能的数据采集分析与决策机制，开发物耗、能耗、工艺参数等多源数据融合的集成式精准化运管技术，建立膜污染与膜运行的可视化监测与信息化模拟平台，构建膜系统关键工序智能管控技术，提升系统运行效能，是推进膜法污水处理技术绿色低碳化发展的重要内容。

        （１）数据采集分析与决策机制建立。通过物耗、能耗、工艺参数等模块的集成式膜系统大数据分析，构建数据采集分析系统与决策机制。通过操作单元能耗数据趋势跟踪与能耗面板统计，实现膜系统能耗实时采集与智能调度；研发预处理药剂、膜清洗药剂剂量智能管理技术，建立水质波动自适应智能加药系统；构建系统运行智能预测体系，搭建数据、操作、调度、管理、巡检的集成式膜系统控制平台。

       （２）关键工序运行管控。通过人工神经网络、随机森林以及模糊逻辑等算法，实现对膜出水水质、能耗、物耗、跨膜压差、膜通量以及膜阻力的变化趋势等输出量的准确建模。同时，通过 基 于 膜 污 染可视化在线识别技术、泵组智能诊断技术、预处理及膜系统状态评估与自动控制技术等关键工序智能管控设计，结合遗传算法和粒子群算法等，对物耗、能耗、工艺参数等模块进行实时智能反馈优化，提升膜系统的运行稳定性。

３．２ 膜法污水处理技术低碳化目标预测

            基于膜法污水处理技术节能降耗、资源能源回收、再生水利用、智慧化运维和膜材料再生等绿色低碳发展重点攻关方向，以典型低压膜法水处理技术（ＭＢＲ、ＭＦ、ＵＦ）和高压膜法水处理技术（ＮＦ、ＲＯ）为例，对未来膜法污水处理技术绿色发展的低碳化目标进行预 测（见 图７）。

          

         在 综 合 采 取 节 能 降 耗、资源能源回收、再生水利用和智慧化运维等低碳化措施后，５种典型膜法污水处理技术的碳排放量均将显著削减（见图７ａ），其中 ＭＦ、ＵＦ、ＭＢＲ 等低压膜技术吨 水 碳 排 平 均 削 减 ４７．７％ ～７２．８％，ＮＦ、ＲＯ等高压膜技术吨水碳排平均削减３５．６％～４０．０％。

        在此基础上，废弃膜材料的再生利用还将进一步实现膜技术的碳排削减。如图７ｂ所示，膜材料再生循环技术可使 ＭＦ、ＵＦ、ＮＦ、ＲＯ 等典型污水处理膜材料单位碳排平均削减３０％～６６．７％。由此可见，在低碳绿色发展的导向下，积极采取节能降耗、资源能源回收、再生水利用、智慧化运维和膜材料再生利用等措施，有望实现膜法处理技术碳排放量的大幅削减甚至“零碳排”，对于膜法污水处理技术绿色低碳化发展具有重要意义。

 

４    结语

        膜法污水处理技术作为污水处理与再生利用领域的重要技术，面对污水高标准处理与排放的需求以及低碳绿色发展的导向，需要系统评估膜法污水处理系统碳排放与减污降碳潜力，在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的基础上，持续推进膜法污水处理技术节能降耗，加速革新膜法污水处理技术与资源化能源化技术的耦合与应用，同时统筹做好膜法所产再生水循环利用，创新研发膜材料的再生循环与可持续利用技术，持续推进膜法污水处理系统数字化、智慧化运维，推动在膜法污水处理技术在绿色低碳化发展方向上的不断革新与迭代升级。

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