摘要：膜生物反應(yīng)器（MBR）曾被認(rèn)為是一項(xiàng)成熟并代表未來的污水處理技術(shù)，在21世紀(jì)初十年中獲得空前應(yīng)用，并一度有取代傳統(tǒng)活性污泥工藝（CAS）之趨勢(shì)。然而， MBR工程應(yīng)用數(shù)量近年在全球市場(chǎng)驟降，與其在中國市場(chǎng)不斷升溫的“熱像”形成鮮明對(duì)比。究其原因，高能耗和膜污染等詬病使其在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)與管理等方面綜合比較遠(yuǎn)不如CAS，有�？沙掷m(xù)發(fā)展的全球理念�；�于MBR發(fā)展歷程，分析衰落原因，展望未來應(yīng)用。MBR工程應(yīng)用在全球范圍內(nèi)已理性回歸，對(duì)過熱的中國市場(chǎng)應(yīng)是一種啟示，特別是對(duì)中國目前興起的地下式MBR。

作者簡(jiǎn)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(xué)與科研工作，主要研究方向?yàn)槲鬯�生物脫氮除磷技術(shù)、污水處理數(shù)學(xué)模擬技術(shù)、可持續(xù)環(huán)境生物技術(shù),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(jì)60年代，美國Dorr-Oliver公司首先將膜分離與生物處理工藝結(jié)合用于污水處理領(lǐng)域；盡管當(dāng)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(cè)流式工藝，即膜過濾系統(tǒng)獨(dú)立于生物反應(yīng)池之外，污泥需要通過循環(huán)泵回流至生物反應(yīng)池內(nèi)。循環(huán)泵會(huì)加MBR工藝運(yùn)行能耗，加之當(dāng)時(shí)膜分離技術(shù)發(fā)展緩慢、膜組件價(jià)格昂貴，致使當(dāng)時(shí)MBR多處于實(shí)驗(yàn)室小試或中試水平，并沒有獲得大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。

20世紀(jì)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(dòng)了“水復(fù)興90年規(guī)劃”科研項(xiàng)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(dòng)了MBR技術(shù)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(yīng)池內(nèi)部，取消側(cè)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(nèi)置式膜組件的出現(xiàn)打開了MBR工程應(yīng)用的大門，逐漸成為主流應(yīng)用工藝向全球推廣。

20世紀(jì)90年代之后，隨著新型膜材料出現(xiàn)，MBR工藝運(yùn)行得到進(jìn)一步穩(wěn)定，能耗也進(jìn)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(xiàng)目用于市政污水和工業(yè)廢水處理。20世紀(jì)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_(dá)500m³/d，同時(shí)有100多處高層建筑采用MBR工藝進(jìn)行污水處理后回用。1997年，英國在Porlock建立了當(dāng)時(shí)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(jìn)入21世紀(jì)后，隨著膜分離技術(shù)、組裝結(jié)構(gòu)和設(shè)備制造進(jìn)步、以及各國對(duì)污水處理排放標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用，可謂異軍突起。

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應(yīng)用趨勢(shì)

2.1 單體處理規(guī)模增大

MBR工藝初次應(yīng)用于污水處理時(shí)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(xiàng)目，僅應(yīng)用于小型工業(yè)或家庭污水處理（<500m³/d）。隨著低能耗內(nèi)置的浸沒式MBR工藝出現(xiàn)，MBR運(yùn)行能耗降低，致其處理規(guī)模逐漸增大，超過1000m³/d的工程應(yīng)用在1995年—2000年間已開始出現(xiàn)。膜分離技術(shù)發(fā)達(dá)的日本于2005年建成第一個(gè)大型MBR市政污水處理工程，處理規(guī)模達(dá)4200m³/d；2008年西班牙建成當(dāng)時(shí)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(yīng)用，規(guī)模達(dá)7.3×104m³/d；北京溫榆河污水處理廠規(guī)模更高達(dá)10×104m³/d。

從2008年起，MBR工藝隨長(zhǎng)期運(yùn)行優(yōu)化、膜技術(shù)水平提高、膜組件成本降低，應(yīng)用規(guī)模今非昔比，超20×104m³/d的工程應(yīng)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(jí)改造并投入運(yùn)行，其處理規(guī)模達(dá)到86.4×104m³/d，將成為世界MBR工程應(yīng)用中的“巨無霸”。已運(yùn)行的北京槐房污水再生處理廠，處理規(guī)模也達(dá)60×104m³/d，是當(dāng)今世界MBR實(shí)際應(yīng)用的“大哥大”。所有這一切主要?dú)w功于膜價(jià)格的大幅降低，目前膜市場(chǎng)均價(jià)已從20世紀(jì)90年代最高時(shí)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(yīng)用項(xiàng)目

Table 1 Large full-scale MBR applications in theworld

2.2 應(yīng)用增長(zhǎng)速度驟減

國際權(quán)威MBR應(yīng)用網(wǎng)對(duì)世界范圍內(nèi)近20年來700余座大型 MBR污水處理廠應(yīng)用情況進(jìn)行了逐年統(tǒng)計(jì)，并繪制了如圖1所示的MBR工程應(yīng)用趨勢(shì)圖。

圖1 1996年—2017年世界范圍MBR工程應(yīng)用數(shù)量趨勢(shì)

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

進(jìn)入21世紀(jì)，MBR技術(shù)首先在北美和歐洲獲得青睞，新增項(xiàng)目也都集中在這兩個(gè)區(qū)域。隨后，亞洲和其它地區(qū)（主要為澳洲、北非）迅速跟進(jìn)。MBR工程應(yīng)用在2009年—2012年間達(dá)到鼎盛時(shí)期；隨后便開始回落，直至近兩年應(yīng)用數(shù)量只有鼎盛時(shí)期的10%。MBR應(yīng)用增長(zhǎng)衰落是全球范圍內(nèi)的，歐洲和北美經(jīng)歷了21世紀(jì)最初十年“熱戀”后突然“失戀”，新增項(xiàng)目數(shù)量銳減，以至于2009年后亞洲成為MBR技術(shù)應(yīng)用的主力，2012年后全球大型MBR項(xiàng)目主要集中在中國境內(nèi)。

MBR市場(chǎng)增長(zhǎng)放緩亦可以從市場(chǎng)全球年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)和市場(chǎng)總額看出，CAGR可以體現(xiàn)某一產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)的潛力和預(yù)期。2008年MBR工藝處于鼎盛時(shí)期，全球水務(wù)市場(chǎng)分析師曾樂觀地預(yù)測(cè)國際MBR市場(chǎng)到2018年CAGR為22.4%，到2018年全球MBR市場(chǎng)價(jià)值總額預(yù)計(jì)達(dá)到34.4億美元。但是，英國BBC Research最新報(bào)告顯示，2014年全球MBR市場(chǎng)總額為4.257億美元，到2019年預(yù)計(jì)僅達(dá)到7.777億美元，年CAGR僅為12.8%，這與2008年預(yù)測(cè)相差甚遠(yuǎn)。BBC Research同時(shí)也給出了全球各大洲MBR市場(chǎng)CAGR預(yù)測(cè)，如圖2所示。圖2顯示，2014年后亞太地區(qū)MBR市場(chǎng)年復(fù)合增長(zhǎng)率高于歐洲和北美。結(jié)合圖1數(shù)據(jù)可知，2014年后世界MBR市場(chǎng)增長(zhǎng)主要由亞太地區(qū)引導(dǎo)，這其中，中國地區(qū)增長(zhǎng)量對(duì)亞太地區(qū)總增長(zhǎng)有著絕對(duì)的份額貢獻(xiàn)。

圖2 2014年—2019年世界MBR預(yù)計(jì)年復(fù)合增長(zhǎng)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(yùn)行成本高

MBR工藝高運(yùn)行成本主要限制了其廣泛應(yīng)用。高運(yùn)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(dòng)化運(yùn)行水平也限制其廣泛應(yīng)用。我國市政污水處理應(yīng)用MBR（規(guī)模>1×104m³/d）技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(shè)備投資），均值為3800元/m3，遠(yuǎn)高于全國城鎮(zhèn)污水處理廠平均2200元/m3投資水平。達(dá)到與MBR相同出水水質(zhì)情況下，CAS工藝需要增加三級(jí)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(dǎo)致通量下降，維持設(shè)計(jì)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(nèi)曝氣能耗約占總能耗的30%~40%。

經(jīng)半個(gè)世紀(jì)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(jié)了一些國家應(yīng)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(chǎn)大國的日本停止了對(duì)大型市政MBR項(xiàng)目審批。于是，日本2013年后著手開始研發(fā)新的MBR技術(shù)，旨在將其能耗控制在≤0.4 kW∙h/m³。

表2 世界各國MBR項(xiàng)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(jīng)從技術(shù)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(huì)發(fā)生的。為維持正常過濾通量，通過在線（維護(hù)性）清洗和離線（恢復(fù)性）化學(xué)清洗雖然會(huì)減輕膜污染問題，但是，膜清洗會(huì)縮短膜的使用壽命，而時(shí)常更換膜組件又會(huì)增加運(yùn)行成本。

此外，膜通量問題也日益引起人們關(guān)注。在處理水量波動(dòng)較大情況下，膜組件通量可靠性經(jīng)不起時(shí)間考驗(yàn)。污水處理廠進(jìn)水流量是一個(gè)動(dòng)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(duì)MBR工藝正常運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生較大影響。MBR膜組件存在一個(gè)極限通量，如果進(jìn)水流量超過極限通量或者因?yàn)槟の廴緦?dǎo)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(gè)流量調(diào)節(jié)池或者使用備用膜，或做溢流處理，但這會(huì)增加投資成本和運(yùn)行費(fèi)用。在實(shí)際運(yùn)行中，通常是MBR剛運(yùn)行前幾年膜通量不會(huì)超限，但隨時(shí)間推移膜污染現(xiàn)象出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致通量下降。為此，在水量波動(dòng)較大地區(qū)，選擇MBR工藝時(shí)需要特別謹(jǐn)慎。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)化的缺失

目前，膜生產(chǎn)廠商眾多，膜產(chǎn)品種類亦繁多。各廠商均有自己數(shù)據(jù)庫和設(shè)計(jì)規(guī)范，但并沒有形成一個(gè)統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，導(dǎo)致不同生產(chǎn)廠規(guī)格型號(hào)、外形尺寸各不相同，互不兼容。設(shè)備缺乏標(biāo)準(zhǔn)化給設(shè)計(jì)和采購首先帶來麻煩，應(yīng)用時(shí)一旦出現(xiàn)需要更換膜組件時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化缺失帶來的劣勢(shì)更為突出；換品牌意味重新設(shè)計(jì)膜系統(tǒng)，增加運(yùn)行成本。即使同一品牌膜組件先后兩種型號(hào)也常常不兼容；2008年德國Rödingen項(xiàng)更換膜組件時(shí)就出現(xiàn)了這種情況，不得不重新設(shè)計(jì)膜系統(tǒng)。此外，缺乏一條龍標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)服務(wù)常常導(dǎo)致膜供應(yīng)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(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化已引起人們重視，日本早在2012年便成立專家委員會(huì)，就MBR標(biāo)準(zhǔn)化問題進(jìn)行討論；歐盟資助的“加速城市污水凈化膜發(fā)展（AMEDEUS）”項(xiàng)目中也包括了MBR標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化必將影響各大膜生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益，所以，膜標(biāo)準(zhǔn)化過程至今舉步維艱，嚴(yán)重影響MBR工藝推廣應(yīng)用。

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展望未來

雖然MBR工藝具有出水水質(zhì)和占地方面兩大優(yōu)勢(shì)，但是，綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、管理等綜合因素，MBR已被確認(rèn)為不可持續(xù)工藝。只有在土地、空間受到嚴(yán)格限制的情況下，MBR方能顯示其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。否則，CAS+砂濾將比其具有綜合競(jìng)爭(zhēng)力。荷蘭Varsseveld污水處理廠MBR示范性項(xiàng)目運(yùn)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(xiàng)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(yùn)行并不意味著MBR將再次帶動(dòng)其應(yīng)用的熱潮。這一工程的選擇重點(diǎn)放在應(yīng)對(duì)北歐嚴(yán)寒冬季常常出現(xiàn)的低溫、積雪、結(jié)冰等嚴(yán)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(nèi)實(shí)施。限于巖石結(jié)構(gòu)空間狹小，同時(shí)為滿足歐盟“波羅的海計(jì)劃（BSAP）”出水水質(zhì)和擴(kuò)大處理規(guī)模之需要，項(xiàng)目只是無奈選擇了MBR工藝進(jìn)行升級(jí)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(xiàng)目。因MBR可以提供持續(xù)穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)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(jí)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(yīng)用優(yōu)勢(shì)。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(xiàng)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(shì)。

與上述國家特殊應(yīng)用情況相比，我國大規(guī)模應(yīng)用MBR技術(shù)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(yīng)用MBR無可厚非。但是，將MBR作為未來污水處理技術(shù)發(fā)展方向，并用它來全面升級(jí)既有、新建未來污水處理設(shè)施（甚至擴(kuò)展到農(nóng)村污水處理設(shè)備）確實(shí)值得商榷。對(duì)于我國發(fā)展中的地下式MBR更要甚重，畢竟它不是一個(gè)可持續(xù)的工藝。

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結(jié)語

除中國外，MBR工藝在全球應(yīng)用驟降并非偶然現(xiàn)象，高能耗與膜污染讓其背負(fù)不可持續(xù)之名。如果MBR這兩個(gè)突出弊端不能在未來得到根本性解決，其工程應(yīng)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(yán)重缺水、水比油貴）下，應(yīng)用MBR才可能具有被動(dòng)選擇優(yōu)勢(shì)。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(shù)就比它具有明顯優(yōu)勢(shì)。

（本文一些配圖選自網(wǎng)絡(luò)，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(píng)與討論”欄目，作者：郝曉地，陳嶠，李季，曹達(dá)啟;單位：北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中—荷污水處理技術(shù)研發(fā)中心

本文參考文獻(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)著錄格式如下：

郝曉地，陳嶠，李季，等. MBR工藝全球應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢(shì)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