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再談MBR：破局的金鑰匙， “333”還有多遠(yuǎn)？
“333”破解“膜三貴”
第一個“3”目標(biāo)：膜通量告別“精神內(nèi)耗”
第二個“3”目標(biāo)：氣水比降低，“電老虎”也會變
第三個“3”目標(biāo)：噸水電耗回歸平民
結(jié)語：“333”是打開未來之門的金鑰匙
市政污水處理走到現(xiàn)在面臨兩個重要問題：城市水環(huán)境容量問題、污水資源化問題。有沒有可能以并不高昂的成本解決這兩個問題？現(xiàn)在行業(yè)里最聰明的人都在思考，能不能找到足夠好的辦法，既能改善生態(tài)環(huán)境，提高人民的幸福指數(shù)，又能提升污水再生利用率？最好還能在超標(biāo)準(zhǔn)完成任務(wù)的基礎(chǔ)上，不增加費用。
當(dāng)前的污水處理行業(yè)已經(jīng)發(fā)展到了從粗放走向精細(xì)化的階段，需要也能夠做到樣樣切開來，放到天平上稱一稱：到底哪一種工藝從成本、從水質(zhì)、從環(huán)境效益來看是最優(yōu)的。
“333”破解“膜三貴”
MBR是其中一個選項?？紤]到水回用，MBR優(yōu)勢明顯，因為其出水直接達(dá)到回用標(biāo)準(zhǔn)。而且它的出水，對于解決黑臭問題也是有很好效果的。MBR的劣勢也很明顯，“膜三貴”大家都知道：買膜貴(投資高)、用膜貴(運行成本高)、換膜貴(壽命短)。
8月初，E20水網(wǎng)固廢網(wǎng)發(fā)表了《污水處理MBR再次走到變革前夜，時代呼喚破局者登臺》的行業(yè)論述文章，沉寂良久的MBR行業(yè)掀起了熱烈的討論。針對“膜三貴”，提出的“333”目標(biāo)能否實現(xiàn)呢？大家是有疑惑的。
在文章的留言區(qū)有一則評論提到：“‘333’目標(biāo)要是實現(xiàn)，那就沒有其他工藝什么事了，太難了！” 一位膜行業(yè)資深專家也說：“太難了！目標(biāo)的實現(xiàn)不僅僅涉及到膜組器應(yīng)用層面的提升，更重要的是需要上游膜材料領(lǐng)域的顛覆性創(chuàng)新。”
“究竟有多難？”MBR真實的現(xiàn)狀水平和發(fā)展動態(tài)，距離目標(biāo)還有多遠(yuǎn)？懷著好奇，通過走訪、調(diào)研和信息收集等方式，我們想進(jìn)一步弄清楚。
我們再回頭看一下這個“333”目標(biāo)：對于日處理規(guī)模萬噸級以上的城鎮(zhèn)污水處理廠而言，能夠持續(xù)穩(wěn)定運行的膜通量達(dá)到30LMH，膜吹掃氣水比降至3：1以下，MBR工藝污水廠全廠運行噸水電耗降至0.3kwh/m³以下。
專業(yè)人士認(rèn)為，“333”目標(biāo)的達(dá)成，意味著MBR工藝實現(xiàn)了與傳統(tǒng)工藝相同甚至更低的投資成本、運行成本和全生命周期綜合成本，而MBR工藝占地省、出水可直接回用的優(yōu)勢依然保留，屆時行業(yè)將會重新定義。
第一個“3”目標(biāo)：膜通量告別“精神內(nèi)耗”
第一個目標(biāo)是關(guān)于膜通量。膜通量指的是污水環(huán)境中單位膜面積的可持續(xù)產(chǎn)水能力，指的是每平方米膜每小時可以產(chǎn)多少升水，這個指標(biāo)代表著膜產(chǎn)水效率的高低。
膜通量可能是MBR工藝污水廠的廠長吐槽最多的地方之一，設(shè)備采購時說好的15——18LMH膜通量，可用了兩年左右，膜通量就衰減到10——14LMH，設(shè)計的5萬噸/天的污水廠的實際產(chǎn)能，只能降低到4萬噸/天甚至更低。一般膜池土建設(shè)計有10——20%預(yù)留膜位，膜廠家像計劃好的一樣，到點啟動二次銷售，讓用戶再買一些膜把空位填滿。
所以對用戶來說，有意義的是可持續(xù)的膜通量?？沙掷m(xù)膜通量越高，意味著處理相同規(guī)模的污水，用的膜面積越少，膜投資成本會降低，膜池的土建也會小，噸水膜吹掃的曝氣量也會小。簡單地說，膜通量高可化解“膜三貴”中的買膜貴和用膜貴痛點，也有助于減少膜生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的碳排放和能源消耗。
另一方面，可持續(xù)的膜通量與膜的使用壽命相關(guān)。膜的使用壽命到期，往往并不是機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞，而是膜通量出現(xiàn)了不可逆的衰減，頻繁藥洗也難以維持住通量。
孔徑大于100nm微濾膜的普遍壽命在5年左右，行業(yè)內(nèi)已出現(xiàn)將膜孔盡可能做小的趨勢。早期歐美市場MBR也曾廣泛使用微濾膜，而近十年已完成了30——40 nm超濾膜對微濾膜的全面替代，這使得歐美市場的MBR膜的使用壽命大幅提升。
8月在業(yè)內(nèi)的一個研討會上，蘇伊士的羅敏博士做了《可持續(xù)的LEAPmbr實現(xiàn)污水廠升級改造》的報告，提到在歐美市政領(lǐng)域MBR超濾膜的平均壽命已達(dá)到12.5年。
此外，在歐美很多項目中，超濾膜還經(jīng)常在雨季按晴天流量的150——200%的通量運行，具有非常好的流量彈性，這對于污水廠應(yīng)對雨季峰值流量和水體溢流污染控制，具有良好的應(yīng)用價值。隨著越來越多的膜廠家將孔徑小于50nm的超濾膜應(yīng)用于MBR，膜的使用壽命會越來越長。
膜孔徑均勻且開孔率高有助于提升可持續(xù)膜通量。2021年10月開始實施的《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，已經(jīng)將MBR設(shè)計平均膜通量高值提高到25LMH。
關(guān)于膜通量，多個膜廠家曾提到市政污水廠MBR膜設(shè)備招標(biāo)中常遇到的困惑：“國內(nèi)招標(biāo)文件經(jīng)常會要求平均膜通量小于多少，例如≤15LMH(即對應(yīng)的膜面積不能少于多少平米)，生怕供應(yīng)商少給膜，而在海外項目投標(biāo)中，招標(biāo)文件經(jīng)常要求平均膜通量≥26或27LMH。有經(jīng)驗的用戶非常清楚優(yōu)質(zhì)膜應(yīng)該達(dá)到的膜通量，膜通量取值低意味著需要更多面積的膜，即使膜廠家不增加膜費用，對客戶來說也意味需要更多的膜池占地面積和土建投資，更多的膜吹掃鼓風(fēng)機(jī)投資和膜運行能耗，噸水成本更高。”
據(jù)了解，蘇伊士(原GE)、科氏和世浦泰等在海外市政污水項目的運行平均膜通量多在25——28LMH。此外，世浦泰正在進(jìn)行平均膜通量30——35 LMH的多個萬噸級MBR項目測試驗證。近些年來，國內(nèi)也有較多膜廠家的膜通量性能得到了大幅提升，例如，碧水源推出了第四代S-MBRU膜組器，其膜通量和膜吹掃氣水比等關(guān)鍵技術(shù)性能，相比其第三代組器均有大幅提升。
MBR膜行業(yè)的第一個“3”目標(biāo)時代已經(jīng)到來。
第二個“3”目標(biāo)：氣水比降低，“電老虎”也會變
膜的運行能耗，是MBR工藝污水廠的業(yè)主方和運營方經(jīng)常抱怨的另一個點，而膜運行能耗占比最大的就是膜吹掃曝氣鼓風(fēng)機(jī)的能耗。
膜吹掃氣水比越大，鼓風(fēng)機(jī)運行能耗就越高。以往MBR膜高達(dá)8——12:1的氣水比，差不多是好氧池曝氣氣水比的兩倍左右，是MBR工藝污水廠全廠能耗最大的環(huán)節(jié)，被稱之為“電老虎”。這樣的高能耗導(dǎo)致一些用過膜的甲方“談膜色變”。
膜吹掃氣水比與膜通量、膜吹掃曝氣方式和膜裝填密度等三個因素均相關(guān)。
通過調(diào)研得知，隨著大氣泡節(jié)能脈沖曝氣技術(shù)的推廣，膜吹掃氣量已大幅下降。例如，碧水源的第四代S-MBRU膜組器采用了大氣泡脈沖曝氣，膜吹掃氣水比其第三代產(chǎn)品大幅下降，膜吹掃氣水比從9:1降低至6:1以下，節(jié)能幅度明顯，完全達(dá)到了相關(guān)領(lǐng)跑者標(biāo)準(zhǔn)氣水比指標(biāo)中的先進(jìn)水平，該標(biāo)準(zhǔn)中氣水比即是≤6：1。這反映出國內(nèi)MBR膜產(chǎn)品在節(jié)能方面取得的巨大進(jìn)步。
本月，中信環(huán)境技術(shù)的彭贊國博士在線上行業(yè)分享活動中，介紹了福州市福清融元污水廠案例，該廠憑借雙層膜組器的高裝填設(shè)計，及配套大氣泡脈沖曝氣，實現(xiàn)了美能膜的膜吹掃氣水比近3:1。在采訪中了解到，世浦泰也有多個項目的實際運行膜吹掃氣水比達(dá)到了3:1以下。
看來，第二個“3”的目標(biāo)也是可以實現(xiàn)的。
第三個“3”目標(biāo)：噸水電耗回歸平民
根據(jù)新加坡PUB公開的新加坡某MBR污水處理廠的運行數(shù)據(jù)，其全廠運行噸水電耗僅為0.27kwh/m³。
對于日處理規(guī)模萬噸級以上的城鎮(zhèn)污水處理廠，MBR工藝污水廠全廠運行噸水電耗如果能夠降至0.3kwh/m³以下，就意味著基本達(dá)到了傳統(tǒng)工藝相同的運行能耗，具有非常重要的意義。
如果要將MBR工藝污水廠的全廠噸水電耗控制在0.3kwh/m³以下，就需要將生化池與膜系統(tǒng)的合計噸水電耗控制在0.23kwh/m³以下，特別要控制好有節(jié)能潛力的三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的電耗。
一是膜吹掃曝氣能耗需要控制在不超過0.04 kwh/m³，對應(yīng)的需要將膜吹掃氣水比控制在不超過3:1，同時采用磁懸浮、空氣懸浮等節(jié)能型鼓風(fēng)機(jī)。
二是降低回流泵能耗，區(qū)別于傳統(tǒng)MBR工藝的三級回流方式(膜池回流至好氧池、好氧池回流至缺氧池、缺氧池回流至厭氧池)，新加坡PUB公開的新加坡某MBR污水處理廠則采用的是一級回流方式。
在近期的行業(yè)研討中，蘇伊士的羅敏博士和世浦泰的白海龍總工均提到了對傳統(tǒng)的MBR工藝進(jìn)行優(yōu)化，變?nèi)壔亓鳛橐患壔亓?，大幅降低回流能耗，噸水電耗可控制?.015kwh/m³以內(nèi)。
三是好氧池曝氣采用節(jié)能型的微孔曝氣器等手段實現(xiàn)生化池曝氣能耗的降低，節(jié)能型微孔曝氣器在德國等歐洲國家應(yīng)用較為廣泛，國內(nèi)一些污水廠近幾年也已逐步開始應(yīng)用，基于正常的市政污水進(jìn)水水質(zhì)，好氧池的曝氣能耗可控制在0.11 kwh/m³以內(nèi)甚至更低。
而其他的用電環(huán)節(jié)，包括厭缺氧池攪拌、膜產(chǎn)水泵、膜化學(xué)清洗等，通常噸水電耗合計在0.065kwh/m³左右。
因此，通過提升膜性能和系統(tǒng)工藝優(yōu)化，即可以實現(xiàn)全廠噸水電耗0.3kwh/m³的目標(biāo)。
此外，業(yè)內(nèi)已有廠家在嘗試MBR重力產(chǎn)水代替泵產(chǎn)水方式。如果膜重力產(chǎn)水將來能夠得到應(yīng)用推廣，則膜系統(tǒng)的運行能耗還將會再降低0.03kwh/m³，更容易實現(xiàn)0.3kwh/m³甚至更低的噸水能耗。
結(jié)語：“333”是打開未來之門的金鑰匙
通過訪談、調(diào)研、資料分析發(fā)現(xiàn)，“333”目標(biāo)正在實現(xiàn)。最吸引人的是，噸水電耗到了0.3度電，意味著MBR工藝在電耗上已經(jīng)和傳統(tǒng)工藝基本持平，糾結(jié)成本的人可以放心了。
運營成本基本不增加的情況下，在現(xiàn)有污水處理廠的基礎(chǔ)上，提標(biāo)改造時采用MBR工藝，順?biāo)浦劬涂梢詫崿F(xiàn)污水資源化，有非常現(xiàn)實的意義。如果個別條件合適的廠子，再接上RO工藝，就可以直接比肩新加坡的新生水，作為城市的第二水源地了。
在這方面，我國的一些膜應(yīng)用企業(yè)也在往前走。例如金科環(huán)境的唐山南堡污廢水資源化項目，采用高效曝氣生物濾池+超濾+反滲透+陽離子交換器的核心工藝，對含有高硫酸根、高硬度、有機(jī)物濃度高且生化性能差的化纖廢水進(jìn)行深度處理，生產(chǎn)出的高品質(zhì)再生水出售給南堡經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)內(nèi)三友集團(tuán)化纖企業(yè)，實現(xiàn)“以水養(yǎng)水”，形成了環(huán)境企業(yè)真正的價值增值。
膜行業(yè)確實是今非昔比，通過全行業(yè)的持續(xù)努力，國際和國內(nèi)膜材料和膜應(yīng)用技術(shù)均取得了重大進(jìn)步。“333”時代到來，那么“膜三貴”的行業(yè)痛點就會散去。
同時，我們也明顯感受到MBR行業(yè)從業(yè)者想要擺脫過去那種“群膜亂舞”的局面，在當(dāng)前低碳和高質(zhì)量發(fā)展的背景下，都有一種迫切的心情，想要為污水處理及膜行業(yè)尋找出一條面向未來的道路。
在2022(第二十屆)水業(yè)戰(zhàn)略論壇上，E20環(huán)境平臺首席合伙人傅濤提到了高質(zhì)量發(fā)展時代環(huán)境產(chǎn)業(yè)的變革和發(fā)展方向。如何能夠從需求側(cè)促進(jìn)膜廠家積極加大研發(fā)投入、通過技術(shù)創(chuàng)新提高產(chǎn)品性能，進(jìn)而提升供給側(cè)的能力和水平，避免劣幣驅(qū)逐良幣，是未來膜行業(yè)變革方向之一。
打開未來之門，場景值得憧憬。“333”目標(biāo)實現(xiàn)了將會怎么樣？“會為當(dāng)前行業(yè)所面臨的一些關(guān)鍵需求的滿足和棘手痛點的解決，提供一把打開未來之門的金鑰匙。”一位行業(yè)資深人士判斷到。
就像鋰電池之于電動汽車、LCD之于顯示器，污水資源化、高標(biāo)準(zhǔn)再生水、土地集約化利用、雨季溢流污染控制、新興污染物治理、出水生物安全性……這些行業(yè)的關(guān)鍵需求需要滿足，棘手的痛點急待解決，讓水行業(yè)的我們一直在努力的路上。MBR行業(yè)期待著變革，未來有太多需要探索，彷徨之中隱含著大道，金鑰匙能否打開未來之門值得我們期待！
原標(biāo)題：再談MBR：破局的金鑰匙，“333”還有多遠(yuǎn)？
