新膜法能否系統(tǒng)性解決城市治水的經(jīng)濟性問題？
來源： 作者E20環(huán)境平臺 綠茵陳
黑臭水體督察、環(huán)保斷面督察考核、汛期考核和管網(wǎng)提質(zhì)增效等成為當(dāng)前城市水環(huán)境所面臨的突出問題和公共管理壓力源頭。產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界重視這些問題，紛紛開展相關(guān)工作，到底能夠指望哪些技術(shù)手段？
E20水網(wǎng)固廢網(wǎng)曾發(fā)表了文章《再談MBR：破局的金鑰匙，“333”還有多遠(yuǎn)？》，文中提到隨著膜材料和膜應(yīng)用技術(shù)取得的巨大進(jìn)步，“333”目標(biāo)正在實現(xiàn)，那么在這場城市治水的艱苦戰(zhàn)役中，顛覆性膜技術(shù)能否攜存量污水處理設(shè)施打一個“翻身仗”呢？
我國城市污水處理設(shè)施依然脆弱，溢流污染等壓力大
在“2022(第二十屆)水業(yè)戰(zhàn)略論壇”上，中規(guī)院生態(tài)市政院院長王家卓以“基于韌性城市理念的城市水環(huán)境系統(tǒng)構(gòu)建策略思考”為主題進(jìn)行分享，他表示，近年來，我國城市污水處理廠建設(shè)取得了巨大進(jìn)展，但整體仍處于較為脆弱的平衡中，主要體現(xiàn)在冗余度不夠、抗干擾能力較差、總體韌性不足等方面，大量污水處理廠仍處于高負(fù)荷運行，雨天抗干擾能力差。
事實上，經(jīng)過持續(xù)多年的努力，我國很多城市的污水處理率已經(jīng)超過90%，旱季水環(huán)境得到了根本改善，實現(xiàn)了“水清岸綠、魚翔淺底”。但是，每到雨季，雨污混合的大量溢流使水環(huán)境“一夜回到解放前”，使水環(huán)境治理效益大打折扣，已成為很多城市棘手的治水難題。
2022年5月生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《關(guān)于加強2022年汛期水環(huán)境監(jiān)管工作通知》，《通知》指出，近年來，全國水環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善，但旱季“藏污納垢”、雨季“零存整取”等問題突出，部分地區(qū)環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施存在明顯短板，部分?jǐn)嗝嫜雌谖廴緩姸乳L期居高不下，城鄉(xiāng)面源污染正在上升為制約水環(huán)境持續(xù)改善的主要矛盾。
此外，環(huán)保斷面和環(huán)境容量所面臨的壓力進(jìn)一步傳導(dǎo)為污水處理設(shè)施的提量和提標(biāo)的壓力，污水資源化的再生水回用率等要求也是地方政府和水務(wù)部門不容易解決的難題。
復(fù)雜問題難以擺脫顧此失彼的困境
作為城市治水的痛點和難點，雨季溢流污染的治理并非易事，涉及到基礎(chǔ)設(shè)施改造、排水體系管控、城市規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向等諸多方面，治理思路的確定牽一發(fā)而動全身。
在“2022（第二十屆）水業(yè)戰(zhàn)略論壇”上，中國人民大學(xué)低碳水環(huán)境技術(shù)研究中心主任王洪臣提到，無論合流制還是分流制，設(shè)計不合理或建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)過低，都會產(chǎn)生嚴(yán)重溢流污染。根據(jù)受納水體要求合理確定截流倍數(shù)是建設(shè)合流制排水系統(tǒng)的關(guān)鍵，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建議采用2～5倍，這就要求建設(shè)足夠容量的調(diào)蓄設(shè)施，污水處理廠也需要有足夠的能力冗余。
對于溢流污染，常見的解決方案包括分流制改造、調(diào)蓄池建設(shè)和海綿城市建設(shè)等。但對于一座中等城市而言，完全采用以上的解決方案并達(dá)到較為滿意的效果，至少需要短期百億級的投資。而在當(dāng)前疫情背景下，地方政府普遍財力“捉襟見肘”，難以保證所需的資金投入。此外，無論分流制改造、海綿城市建設(shè)還是調(diào)蓄池建設(shè)，都會涉及到征地、動拆遷等一系列協(xié)調(diào)工作量大的工作，實施難度大、建設(shè)周期長。這就存在著系統(tǒng)工程建設(shè)的長期性與水環(huán)境治理當(dāng)下短期壓力之間的矛盾，“遠(yuǎn)水解不了近渴”。
此外，CSO快速處理設(shè)施也是針對雨季溢流污染的手段之一，具有投資省、占地小、啟動快的優(yōu)點。但CSO快速處理設(shè)施一般主要以物化處理工藝為主，對SS、TP具有較好的去除效果，而對于COD、氨氮、TN這些主要依靠生化處理去除的污染物則去除效果有限，出水難以滿足城鎮(zhèn)污水排放標(biāo)準(zhǔn)，在當(dāng)前尚未出臺特別的雨季排放標(biāo)準(zhǔn)以及環(huán)保汛期考核的壓力之下，僅采用物化處理工藝的CSO快速處理設(shè)施只可作為污水處理的預(yù)處理單元。
提升存量污水處理廠能力，高性能超濾MBR的新機遇
那么，是否還可以像以前那樣大建新的污水處理廠呢？眾所周知，污水廠和配套管網(wǎng)的實施的將會是筆巨大投資，此外還面臨著新建污水廠的選址、征地、動拆遷等一系列難點。
最重要的是，我們在污水處理領(lǐng)域已經(jīng)不是一窮二白，我們可以試著把目標(biāo)轉(zhuǎn)到現(xiàn)有的存量污水廠，挖潛現(xiàn)有存量污水廠的處理能力，就地提升其雨季處理量，理論上這是個投資省、見效快的高性價比方案。
清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院王凱軍教授曾提到我國污水處理系統(tǒng)現(xiàn)狀，面對城市接近100%的污水處理率和國內(nèi)嚴(yán)峻的溢流污染情況，污水處理普遍存在能力冗余（低COD）的國情，國內(nèi)的解決思路應(yīng)該不同于歐美國家一級或一級強化處理的思路，而是應(yīng)該充分利用已建成的城市污水基礎(chǔ)設(shè)施。這樣污水處理廠進(jìn)水濃度低反而是一個優(yōu)勢，從簡單的污水處理設(shè)計原理可知，如果濃度降低了一倍，就意味著流量可以提高一倍。我們可以把壞事變成好事來解決溢流污染問題。
國內(nèi)大部分城市污水處理廠的實際進(jìn)水濃度低于設(shè)計進(jìn)水濃度，雨季會更低，這樣客觀上讓生化池在雨季處理旱流污水量的兩倍甚至更高的流量成為可能。解決了生化池雨季能力問題后，對于傳統(tǒng)A2O工藝要再看二沉池，主要制約因素是二沉池的雨季流量負(fù)荷瓶頸。
關(guān)于污水處理廠流量的理論在更新，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也在跟進(jìn)。2021年10月開始實施的國家標(biāo)準(zhǔn)《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，污水處理廠的污水量變化系數(shù)相比上一版標(biāo)準(zhǔn)有較大增加，例如10萬噸/天污水廠的流量總變化系數(shù)從1.3提升到了1.5。
看來提升末端污水處理廠的峰值處理能力，是城市污水處理設(shè)施進(jìn)化始終繞不開的點。但問題在于如何實現(xiàn)？
今年6月，E20水網(wǎng)固廢網(wǎng)曾發(fā)表了《解決溢流污染，應(yīng)該學(xué)學(xué)《火星救援》》一文，文中提到用工程思維（工程師思維）解決溢流污染這個棘手的環(huán)境問題。工程思維就是以資源有限、條件不足、約束限制為前提，去實現(xiàn)目標(biāo)。設(shè)想一座已建成的污水處理廠，是否可以在不新增用地的前提下，以最小的投資成本和最短的實施周期實現(xiàn)現(xiàn)有旱季處理能力4倍的雨季峰值處理能力呢？
這里我們提些實際應(yīng)用場景作為啟發(fā)。
第一類場景是常用的采用MBR膜法對傳統(tǒng)A2O或氧化溝工藝污水廠，進(jìn)行產(chǎn)能翻倍并同步提標(biāo)的解決方案。
即只需要將原有二沉池改造成膜池，生化池容無需增加，輔助其他少量配套工程措施情況下，就可實現(xiàn)無新增用地前提下的污水廠處理能力翻倍和出水標(biāo)準(zhǔn)從一級B或一級A提升至準(zhǔn)Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，同步實現(xiàn)擴能和提標(biāo)的雙目標(biāo)。類似這樣的案例非常多見，已經(jīng)成為MBR工藝用于存量污水廠擴能和提標(biāo)改造的利器，但現(xiàn)有用戶抱怨較多的，是傳統(tǒng)微濾MBR膜的運行成本過高且維護較麻煩的問題。
第二類場景以德國Nordkanal污水廠為例。
該廠服務(wù)的是合流制排水系統(tǒng)，污水廠的旱季處理規(guī)模約2萬噸/天，雨季最大處理規(guī)模約4.5萬噸/天，采用的是MBR工藝。MBR膜為平均孔徑40nm的小孔徑超濾膜，該廠MBR超濾膜已使用13年未進(jìn)行過更換，膜仍具備雨季膜通量超過40LMH的運行能力。
結(jié)合上述兩類應(yīng)用場景，我們以工程思維進(jìn)行思考，如何對一座處理規(guī)模5萬噸/天采用傳統(tǒng)A2O工藝的出水標(biāo)準(zhǔn)一級B的污水廠進(jìn)行改造，以更好的方式提升其效能，讓它能夠適應(yīng)新的環(huán)境要求。
我們可以將二沉池改造成膜池，并安裝孔徑30~40nm的高通量、長壽命的超濾MBR膜，并把生化池內(nèi)的傳統(tǒng)曝氣器更換為節(jié)能型曝氣器，以達(dá)到改造后的膜工藝噸水綜合成本與原傳統(tǒng)工藝基本持平的“333”目標(biāo)。同時由于高性能超濾膜具有非常好的雨季流量彈性（化解了微濾膜較難實現(xiàn)的彈性峰值流量問題），可實現(xiàn)40~55LMH的雨季峰值高通量運行。這樣，原5萬噸/天的傳統(tǒng)工藝污水廠，改造后旱季時處理能力為10萬噸/天，而在雨季低進(jìn)水濃度時處理能力最高可達(dá)20萬噸/天，這是個非常有吸引力的解決方案。
上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院總工程師、上海城市雨洪管理工程技術(shù)研究中心主任朱浩川表示，在不新增用地、不建設(shè)調(diào)蓄設(shè)施的情況下，高通量、長壽命的超濾膜MBR工藝的應(yīng)用以及低成本的運行方式，可減少溢流污染，對城市水環(huán)境的改善具有重要價值。
此外，膜的出水直接達(dá)到了高標(biāo)準(zhǔn)再生水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，一不小心又解決了城市再生水利用率和污水資源化的問題，高性能超濾MBR的確大有可為。
站在高質(zhì)量發(fā)展角度再看“膜”
我們繼續(xù)放大視野，站在城市全局進(jìn)行思考，看看會有什么不一樣。
清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授胡洪營認(rèn)為“高效率”和“可持續(xù)”是高質(zhì)量發(fā)展的核心，建立區(qū)域水生態(tài)循環(huán)利用系統(tǒng)是水務(wù)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的有效路徑。
以“高效率”和“可持續(xù)”為尺度，重新審視和梳理問題，不局限原有的認(rèn)知框架，可能會帶來不一樣的效果。
按前述膜法水處理技術(shù)在不新增用地前提下實現(xiàn)已有污水廠原位的同步擴能和提標(biāo)，實現(xiàn)污水廠旱季處理能力是原先的2倍，雨季峰值處理能力是原先旱季平均處理能力的4倍，并且是在未建設(shè)調(diào)蓄池和管網(wǎng)少投入或不投入的前提下，還同步推進(jìn)了城市再生水利用率和污水資源化。
此外，30~40nm超濾膜對于包括微塑料在內(nèi)的新興污染物和新冠病毒在內(nèi)的水中病毒、細(xì)菌有著非常高的攔截效率，提高了出水生物安全性，污水廠真正成為了城市“第二水源地”，這才是真正意義上的一舉多得。
關(guān)于業(yè)內(nèi)人士所關(guān)注的MBR工藝污水廠的運行成本，《再談MBR：破局的金鑰匙，“333”還有多遠(yuǎn)？》一文中提到隨著膜材料和膜應(yīng)用技術(shù)取得的巨大進(jìn)步，“333”目標(biāo)正在實現(xiàn)，“膜三貴”的痛點得到化解，用戶會得到與傳統(tǒng)工藝綜合運行成本相當(dāng)?shù)哪ぎa(chǎn)品和膜技術(shù)工藝。世浦泰、碧水源等膜技術(shù)廠商都對此均表示樂觀。
世浦泰總工程師白海龍表示，小孔徑（孔徑30~40nm）、超高孔隙率、均勻性好的超濾膜技術(shù)取得了顛覆性的突破，以及膜應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新，使得MBR膜可持續(xù)的高通量、長壽命和低能耗得以實現(xiàn)。這就讓MBR工藝獲得了新生，原有優(yōu)勢繼續(xù)強化，原有痛點得到解決，量變引發(fā)質(zhì)變，并創(chuàng)造出新的應(yīng)用模式和應(yīng)用場景
由此，我們預(yù)期高性能超濾MBR膜技術(shù)極有可能在這一輪城市污水治理和提標(biāo)的戰(zhàn)役中勝出。
中國市政工程華北設(shè)計研究總院上海分院副院長張力總結(jié)到，一是土地的高效集約化利用，基本無須為污水處理設(shè)施新增用地而煩惱；二是管網(wǎng)和土建投資成本的大幅節(jié)約，僅使用少量資金就可以達(dá)到預(yù)期效果；三是實施難度低、建設(shè)周期短；四是水污染治理和污水資源化需求得到同步解決；五是老城區(qū)雨污分流難點和溢流污染痛點的自動化解；六是新興污染物和生物安全性方面的額外好處。從多個角度而言，它都是因顛覆式膜技術(shù)創(chuàng)新所帶來的“高效率、低成本”的解決方案，有利于建立區(qū)域水生態(tài)循環(huán)利用系統(tǒng)，打造“可持續(xù)”的水資源系統(tǒng)。
白海龍還提到，技術(shù)進(jìn)步使得效率大幅提升，一旦突破了關(guān)鍵“閾值”，就有可能顛覆傳統(tǒng)的商業(yè)模式和認(rèn)知框架，引發(fā)價值體系的重新配置，并產(chǎn)生全新的服務(wù)和解決方案。我們依稀看到了水務(wù)行業(yè)即將重演其它行業(yè)的轉(zhuǎn)型案例，如太陽能電池發(fā)電平價上網(wǎng)，導(dǎo)致了傳統(tǒng)燃煤電廠的轉(zhuǎn)型；鋰電池電動汽車低成本的沖擊，導(dǎo)致了傳統(tǒng)燃油車制造商的轉(zhuǎn)型。
2022（第二十屆）水業(yè)戰(zhàn)略論壇上，E20研究院執(zhí)行院長薛濤做了題為《22年水業(yè)戰(zhàn)略論壇薛濤：三生萬物，再談“再生水”》的主題發(fā)言，其對“水十條”、“污水處理提質(zhì)增效”，“污水資源化”三大政策文件影響“十四五”水務(wù)行業(yè)的發(fā)展做了深度分析，從公共管理、技術(shù)和商業(yè)三大維度來分析各政策的效果，并提到資金的有限性和治理的緊迫性會引發(fā)治理時序的問題，最終反饋到具體的技術(shù)選擇，典型的在斷面達(dá)標(biāo)和CSO溢流控制上，全面的雨污分流和海綿城市的建設(shè)在資金和時間上與當(dāng)前治理要求存在不匹配。
也正如薛濤所說，環(huán)保市場一定是在一個高壓的公共管理壓力下，來自技術(shù)和商業(yè)模式相互交融中產(chǎn)生的創(chuàng)新，在這樣的突破中，底部兩要素的合并力還會向上反彈。在當(dāng)前行業(yè)正要進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展的下半場之際，在政府財政和生態(tài)環(huán)境的雙重壓力之下，技術(shù)創(chuàng)新是否會引發(fā)商業(yè)模式和公共管理的變革呢？這是很值得期待的。
算筆經(jīng)濟賬
我們以一個有一定規(guī)模的城市為例算筆經(jīng)濟賬，看一看顛覆式膜技術(shù)（后簡稱新膜法）對城市治水可能帶來的影響和改變。
某地級市常住人口約600萬人，目前該市污水處理廠總處理規(guī)模約200萬噸/天，該市治水的需求及痛點如下：
由于城市發(fā)展、新產(chǎn)業(yè)導(dǎo)入和污水收集率增加，該市未來10年預(yù)計污水總量會增加至300萬噸/天，需要新增100萬噸/天污水處理能力，其中30萬噸/天位于新區(qū)；
根據(jù)城市水環(huán)境容量和國控斷面的考核壓力，現(xiàn)有200萬噸/天處理規(guī)模中的50萬噸/天的污水處理廠出水標(biāo)準(zhǔn)需要從現(xiàn)有的一級A提升至準(zhǔn)地表四類水標(biāo)準(zhǔn)；
根據(jù)污水資源化利用指導(dǎo)意見，該市的城市再生水利用率需要從現(xiàn)有的5%提升至25%；
該市有部分老城區(qū)仍采用截流式的合流式排水系統(tǒng)（占全市污水排放量的20%）且截流倍數(shù)較低，雨季溢流污染嚴(yán)重；
由于管網(wǎng)滲漏且地下水位較高，分流制系統(tǒng)污水管網(wǎng)雨季流量較大，雨季流量超出污水廠的處理能力造成溢流。
對此，傳統(tǒng)的解決方案按照慣性思維：實施嚴(yán)格的雨污分流、海綿城市建設(shè)、管網(wǎng)全部完善、調(diào)蓄池建設(shè)等，總投資需要400億元。面對理論上如此巨額的投資，而治理時間又不能太長，地方政府會面臨巨大的財政壓力。此外，如此巨大的工程會涉及非常多的協(xié)調(diào)面，以及選址、征地、拆遷、配套等，推進(jìn)難度大、實施周期長。
圖1 傳統(tǒng)解決方案途徑
表1 傳統(tǒng)解決方案的工程投資
如果嘗試新膜法解決方案，情況會怎么樣呢？
首先，可實現(xiàn)原有污水廠不新增用地的原位擴能及提標(biāo)，并同步實現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)出水和污水資源化（出水符合再生水利用標(biāo)準(zhǔn)的水量規(guī)模從5%增加至近60%），同時減少了由于污水廠新址建設(shè)所帶來的配套污水管網(wǎng)的巨大投資。
再者，利用高性能超濾膜的強流量彈性，可實現(xiàn)污水廠雨季峰值流量是晴天流量的翻倍，有效控制雨季污水處理能力不足而普遍發(fā)生的溢流污染，減少老城區(qū)高昂的雨污分流改造和調(diào)蓄池建設(shè)等成本。
圖2 新膜法解決方案可實現(xiàn)的功能
表2 新膜法解決方案的工程投資
通過前面對比分析，采用新膜法方案該地級市可節(jié)省投資成本320億和節(jié)省用地面積1270畝。我們將新膜法解決方案與傳統(tǒng)解決方案相比的諸多優(yōu)勢整理成下表：
圖3 新膜法解決方案對于傳統(tǒng)解決方案的比較優(yōu)勢
結(jié)語
在重重壓力下，在高質(zhì)量發(fā)展背景下，城市排水體制將會沿著新建到存量、集中到分布的路徑逐步演進(jìn)，在這過程中技術(shù)力量和商業(yè)模式會相互融合促進(jìn)，正如薛濤所說，在to G為主的中國環(huán)保市場中，成本依然是決定技術(shù)選擇路線成熟性的重要標(biāo)志，而市場的力量永遠(yuǎn)是決定性的力量。
顛覆性膜技術(shù)造就的新膜法，其機遇就在于功能強化的同時還能大幅節(jié)約成本，膜技術(shù)的不斷迭代和突飛猛進(jìn)造就了新膜法方案的成本已經(jīng)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)解決方案的成本。在一個有著上百年歷史的傳統(tǒng)行業(yè)，被稱為水處理芯片的膜，讓我們看到了一絲高科技的曙光，不僅能有效解決城市治水的經(jīng)濟性問題，還可能會改變行業(yè)業(yè)態(tài)。而此時此刻，在城市水治理領(lǐng)域很多關(guān)鍵需求和棘手痛點正擺在我們面前，高性能超濾MBR的新膜法有望成為復(fù)雜問題的解決者。
而對于城市治水領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)力量來說，這正是個行業(yè)上下游分工協(xié)作的好時機，共同開發(fā)巨大的市場，同時也將承擔(dān)環(huán)境治理的重要社會責(zé)任。
來源：中國水網(wǎng)
