在碳達峰、碳中和納入生態文明建設整體布局的背景下，污水處理與資源化技術必將朝著“綠色低碳化”的方向邁進，為膜法污水處理技術的發展帶來了嚴峻挑戰，也為技術的更新迭代帶來了重要機遇。在綠色低碳要求下實現膜法污水處理的理論與技術創新，對于支撐雙碳背景下膜法污水處理技術的可持續發展具有重要意義，是膜技術領域亟需突破的關鍵科技問題。綜述了膜法污水處理技術的應用與發展動態，探討了膜法污水處理技術統籌“高標準”需求與“碳中和”導向的發展思路，圍繞系統評估、節能降耗、資源能源回收、再生水利用、膜材料再生和數字化轉型對膜法污水處理技術的重點攻關方向進行了研判與展望，以推動膜法污水處理技術朝著綠色低碳化不斷革新與迭代升級。

1 膜法污水處理技術應用與發展動態

近年來，在環境功能質量提升需求驅動下，膜法污水處理技術發展迅速，工程應用規?？焖僭黾印Ｔ谛滦湍げ牧涎兄啤⑶把啬ぜ夹g研究和高效低耗膜工藝開發及應用等方面取得了長足進步。以下將從技術應用、技術能效、材料性能等三個方面概述膜法污水處理技術的應用與發展動態。

1.1 膜法污水處理技術應用

近年來，膜法污水處理技術在市政污水和工業廢水處理領域得到廣泛應用。在市政污水處理與資源化領域，膜生物反應器（MBR）應用最為廣泛。截至2021年，我國已有超過500座MBR市政污水處理工程（僅統計處理規模> 1萬m3/d），總處理規模超1 600萬m3/d。在工業廢水處理與循環利用方面，膜法處理技術在石油化工、煤化工、鋼鐵、生物醫藥、微電子等廢水處理中均有應用。MBR在石油化工和綜合產業園區廢水處理中使用比例達58%~75%。截至2021年，我國有300余座大型工業廢水MBR處理工程（70%左右的工程處理能力達1萬~5萬m3/d）。為進一步實現污染物深度削減，MBR可與高壓膜技術聯用。雙膜法處理技術［如微濾（MF）/超濾（UF）+納濾（NF）/反滲透（RO）］是工業廢水處理與循環利用的常用組合工藝。我國煤化工和鋼鐵等工業廢水處理中，雙膜法使用比例達72%~90%。以NF/RO為核心的膜法分鹽濃縮技術，在電力、煤化工、鋼鐵等工業廢水零排放建設中發揮了重要作用。電滲析（ED）等電驅動的膜法水處理技術，可用于重金屬離子分離、酸/堿回收和含鹽廢水淡化等，在冶金、采礦、脫硫等廢水處理中的應用日漸增多。

1.2 膜法污水處理技術效能

隨著技術不斷迭代，膜法污水處理技術能耗不斷下降（見圖1）。市政污水中MBR能耗一般在0.3~0.9 kW·h/m3，在大型MBR處理工程（處理量大于5萬m3/d）中能耗為0.3~0.5 kW·h/m3，接近傳統生物處理能耗。工業廢水處理中MBR技術的能耗主要取決于廢水水質，通常廢水處理難度越大能耗越高（一般高于市政污水處理能耗），在0.5~1.5 kW·h/m3。NF和RO處理市政污水的能耗為0.5~2.4 kW·h/m3。參考海水淡化（SWRO）能耗，當處理廢水鹽濃度達75 000 mg/L時，NF產水能耗在2.0 kW·h/m3以上，RO產水能耗在2.6 kW·h/m3以上。ED處理鹽濃度上限為100 000 mg/L，產水能耗根據進水水質不同而波動較大，范圍為3~850 kW·h/m3。未來通過組合工藝優化、資源能源回收、膜污染控制等手段可以進一步降低膜法污水處理的降耗。

1.3 膜材料性能

膜材料性能對膜系統處理效率和經濟性能至關重要。MF和UF膜材料制備技術相對成熟，以MF和UF膜為核心的MBR運行通量通常在15~25 L/(m2·h)，膜使用壽命為5~10年。MF和UF膜前沿領域主要聚焦于膜材料的抗有機污染改性、抗生物污染改性及其長期效能提升等方面。NF膜在實際運行中通量一般小于20 L/(m2·h·bar)(1 bar=0.1 MPa)，可截留超過95%的二價鹽；RO膜在苦咸水/海水淡化過程中通量為1~8 L/(m2·h·bar)，對一價鹽的截留率達99.7%以上，使用壽命為3~7年。對于NF和RO膜，探索打破過濾性能-選擇性制衡關系（trade-off）的膜材料是研究前沿，改變多孔支撐層的結構和表面特性、在界面聚合過程中引入納米顆粒以及通過反應界面原位產熱與納米氣泡產生的精細調控，有助于制備突破trade-off瓶頸的高性能NF、RO膜（見圖2）。然而，在長期運行中不可恢復污染逐步累積，膜通量最終難以達到產水要求，從而不得不報廢并更換新膜。因此，在“雙碳”背景下，膜材料的評價指標不僅應包含傳統的過濾性能、抗污染性能等，而且應增加碳排放維度的相應指標，從而指導高性能膜材料的低碳研發與可持續應用。

圖2 膜材料性能與突破水通量和截留率相互制約關系及其調控

2“高標準”與“碳中和”之間的制衡關系

在碳達峰、碳中和導向下，污水處理與資源化必將向綠色低碳化方向邁進。但與此同時，以水環境功能質量保障為導向，在相當長一段時期內仍然執行嚴格的污水排放標準。然而，高標準的處理往往是以高能耗、高物耗、高碳排為代價。圖3列舉了不同排放標準下常見污水處理工藝的碳排放強度?？梢?，隨著排放標準提升碳排放強度顯著升高。相較于采用傳統曝氣池等處理工藝使出水滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）二級排放標準的情況，在采用AAO、氧化溝以及序批式活性污泥法（SBR）等工藝使出水達到GB 18918一級B排放標準后，碳排放強度增加44.1%。為了進一步使出水滿足GB 18918一級A排放標準而增加深度處理環節后，污水處理工藝碳排放強度比GB 18918一級B排放標準提高24.1%。污水處理過程的碳排主要來自于電耗、化學品消耗、污染物直接碳排等主要碳排放環節，高標準處理必將導致曝氣強度提高、藥耗增加等，污水處理系統的碳排放隨之增加。因此，碳排放與高標準處理的交織，為膜法污水處理技術的可持續發展帶來了嚴峻挑戰。

注：圖中不同排放標準條件下所列碳排放強度對應不同處理工藝，滿足GB 18918二級排放標準時采用傳統生物曝氣池工藝；滿足GB 18918一級B排放標準時采用AAO、氧化溝、SBR等工藝；滿足GB 18918一級A排放標準時采用二級處理+深度處理組合工藝，其中深度處理工藝包括吸附、過濾、高級氧化等

圖3 不同排放標準下常見污水處理工藝碳排放變化

針對碳中和與高標準處理之間的矛盾，需要兼顧水環境容量/功能要求和環境綜合效益，考慮技術的物質、能量和資源輸入輸出，衡量處理技術的物耗、能耗和碳排，研發“適宜”的膜法污水處理技術和組合技術。與此同時，需要進一步關注膜法污水處理技術本身的創新與綠色低碳發展?？梢詮墓澞芙岛?、資源能源回收、再生水利用和膜材料再生等四個方面開展攻關：

• 節能降耗，在符合標準要求前提下進行適度處理，通過技術更迭、節能設備的開發與應用，結合工藝優化與精準調控，實現節能降耗和碳排削減；

• 資源能源回收，基于技術耦合構建新型膜組合工藝，通過強化膜的分離與轉化功能，以資源能源回收的形式實現部分碳排抵消；

• 再生水利用，建立基于不同膜技術的分質再生水回收利用系統，通過再生水回用進行碳排抵消；

• 膜材料再生，膜材料的處理處置是膜法污水處理碳排放的重要環節，研發膜材料的可持續再生利用技術，通過膜材料再生抵消部分碳排，可以進一步提升膜法污水處理技術的競爭力。

3 膜法污水處理技術的綠色低碳化發展思考與建議

3.1 綠色低碳化發展的主要方向

3.1.1 系統評估膜法污水處理減污降碳潛力

在“雙碳”背景下，系統研究和評估膜法污水處理系統的碳排放與減污降碳潛力是技術綠色低碳化發展的重要前提。根據膜法污水處理過程中碳排放的來源，碳排放可分為直接碳排與間接碳排（見圖4）。直接碳排主要是指污染物在膜法污水處理過程中通過生化等反應產生的逸散性溫室氣體排放，如CH4（無組織排放）、N2O等；間接碳排是指包括膜材料生產與制造、膜組件清洗與維護、膜法污水處理工藝運行操作和膜材料報廢與處置等過程產生的碳排放。同時，在膜法污水處理過程中存在碳減排，即通過膜法污水處理技術實現能源/資源的回收利用，代替化學品或化石能源進而補償和削減溫室氣體排放。例如，厭氧膜生物反應器（AnMBR）在污水處理過程中產生的甲烷，經熱電聯產等可實現碳減排；回收的氮磷等資源可作為肥料使用實現碳減排等。

目前，關于膜法污水系統的碳排放與減污降碳潛力尚缺乏系統研究，需要將膜法污水處理系統的預處理、膜過濾、濃液處理、資源回收和膜再生水回用等單元統籌考慮，在各單元碳排底數摸排和能源強度科學計算的基礎上，系統研究和評估膜法污水處理系統碳排放與碳減排潛力，建立膜法污水處理系統的全系統、全過程、全生命周期碳排放評價體系。進一步解析膜法污水處理系統建設、運行和維護等基礎碳排活動，對膜法污水處理設施建設、膜材料生產與制造、膜單元運行、膜組件清洗與維護等碳排項目進行分類識別，揭示膜法污水處理系統中物質流、能量流與碳排放的關系，追蹤系統碳足跡并明確各環節碳排指標，構建膜法污水系統碳排放清單。

3.1.2 持續推進膜法污水處理技術節能降耗

持續推進膜法污水處理技術節能降耗，是膜法污水處理技術綠色低碳化發展的重要著力點。常見膜法污水處理技術的能耗組成如表1所示，主要包括過濾能耗、曝氣能耗（對于MBR）、清洗能耗及其他能耗。同時，膜污染作為膜技術運行過程中伴生問題，導致頻繁清洗、增加過濾能耗、縮短膜壽命，嚴重制約膜技術的經濟性能。膜法污水處理技術節能降耗主要可從三個方面入手：膜污染機理研究與膜污染控制、抗污染膜材料的開發與應用和膜工藝的集成優化。

（1）膜污染機理研究與膜污染控制。膜污染形成過程中，顆粒態污染物、膠體及溶解態有機物的污染行為存在差異，由顆粒態污染物引發的膜污染與通量、錯流速率直接相關，而膠體及溶解態有機物污染則與通量、錯流速率無直接聯系。對水力停留時間、曝氣強度、運行通量、清洗周期等參數進行優化，有助于膜污染控制和膜處理工藝的節能降耗。在MBR處理工藝中（見表2），根據在線膜污染檢測系統，識別膜污染的動態變化，針對污染層厚度以及跨膜壓差的變化，可聯動控制膜曝氣量，使曝氣強度降低22%以上。

（2）抗污染膜材料的開發與應用。在明晰污染物的界面粘附行為及與膜面官能團-污染物作用機制基礎上，可基于功能材料共混/接枝改性制備針對膠體及溶解態污染物的抗污染膜材料。同時，可在膜面或膜基體中負載抗菌劑（如季銨鹽、金屬納米顆粒等），通過抗菌劑的釋放或直接接觸抑制微生物在膜面的滋生。

（3）膜分離工藝的集成優化。膜工藝集成優化是實現膜法污水處理技術節能降耗的重要途徑。針對膜工藝中纖維類雜質污堵、纏繞問題，可開發高精度的雜質分離技術進行預處理。針對不同膜組件結構和布設條件，合理規劃膜組件的多層布設，可以顯著降低系統能耗。在實際處理工程中增大膜組件的布設密度，優化曝氣時間和強度（見表2），可使運行能耗降低40%~75%。

3.1.3 加速革新膜法資源化能源化技術

在“雙碳”背景下，推進膜技術與其他資源化能源化技術耦合，是技術綠色低碳化發展的重要方向。污水的資源化能源化是指將污水視為一種資源和能源，通過應用相關技術使資源回收、能源回收和污水再生利用。膜技術及其組合技術的應用，可以進一步強化污水的資源與能源回收（見圖5）。

在膜法污水資源化方面，主要的資源化途徑包括水資源回收和氮、磷回收。針對污水中存在的有毒有害污染物影響再生水安全利用問題，可將膜技術與高級氧化技術進行有效耦合，從而提升污染物的去除效能。如鈀負載陽極電催化膜能夠在數毫秒至數秒的接觸時間內實現難降解污染物90%以上去除率。人工納米水通道修飾膜能將納濾膜對疏水內分泌干擾物的選擇性提高2~3倍。污水中蘊涵的氮資源約320萬t/年，磷資源達34萬t/年。采用適宜的膜處理技術對氮、磷進行回收，可以資源再生抵消部分碳排。

在膜法污水能源化方面，膜技術通過與特定能源化技術耦合，可以強化從污水中回收再生和清潔能源（如甲烷、氫氣、電能等）。污水排放的化學需氧量（COD）為2 500萬t/年，以0.2 m3甲烷/kgCOD的產率計算，每年可產出約60億m3甲烷，理論上可滿足我國2%的天然氣需求（天然氣消費量3 000億m3/年）。當污水中33%以上碳源以甲烷形式回收和利用時，即有望實現污水處理廠能量自給。AnMBR技術相比傳統厭氧技術，具有獨立控制污泥停留時間（SRT）和水力停留時間（HRT）、固液分離效率高、容積負荷高等優勢，已在高濃度有機廢水（如食品加工廢水等）中得到應用，目前最大規模AnMBR工程達1 500 m3/d。近年來，自生動態膜與厭氧技術耦合的厭氧動態膜生物反應器（AnDMBR）技術得到關注。在應用于污泥厭氧消化時，相比傳統厭氧消化技術，污泥濃縮倍數可提升150%，消化效率和甲烷產率可提升50%以上，實現能量凈輸出0.57 kW·h/kgVS。此外，疏水膜氣提技術可以用于厭氧消化反應器出水中溶解態甲烷（20~26 mg/L）的回收。反滲透（RO）、電滲析（ED）等膜技術因具有可制得高品質純水的技術優勢，能夠為電解水制氫提供必需的原材料，在氫能回收領域有望得到應用。

3.1.4 統籌做好膜法所產再生水的循環利用

膜法工藝可基于不同膜的分離機制和處理效果，在不同工段分級產出梯度水質的再生水，滿足城市雜用、河道補水、綠地灌溉、景觀環境用水、生產回用等多種再生水應用場景，實現碳排抵消。膜法所產再生水的碳減排效益可按照回用地區自來水產水碳排與膜工藝產出再生水過程碳排的差值進行估算，其中產出再生水過程的碳排可通過膜工藝能源強度乘以區域電網碳排放系數計算。以華東地區為例，自來水的單位碳排為0.77 kgCO2/m3，當使用超濾所產低品質再生水替代自來水用于城市雜用等場景時，每單位再生水可提供的碳補償約為0.72 kgCO2/m3；使用納濾所產的高品質再生水代替自來水用于生產工藝等場景時，每單位再生水碳補償約為0.40 kgCO2/m3。相比于傳統二級出水-混凝沉淀-過濾-消毒工藝所產再生水代替自來水（碳補償約0.28 kgCO2/m3），碳排抵消效應更加顯著。根據《中國城市建設統計年鑒》，目前我國再生水利用量僅占污水處理總量的24.3%，距離發達國家60%~70%的再生水利用率還存在較大差距。因此，大力推進膜法污水處理與再生利用設施建設，針對不同再生水利用場景，按照水質要求將再生水進行分級回收利用補償污水處理系統的碳排放，對于膜法污水處理技術的綠色低碳化發展具有重要意義。

3.1.5 創新研發膜材料的再生循環技術

目前，膜材料遵循制備-使用-廢棄的線性生命周期過程，在每一階段均會產生相應的碳排放。在長期使用過程中，由于不可恢復污染的累積，當膜的水通量下降至難以達到產水要求時，按傳統思維需廢棄并更換新膜。據估計，2022年全球將產生35 000t聚合物廢棄膜，而填埋或焚燒是目前大多數廢棄膜的最終處置途徑。從全生命周期角度而言，膜的處理處置是膜法污水處理產生碳足跡的主要環節之一。因此，基于膜材料的再生循環與可持續利用，延長膜的生命周期，對于技術的綠色低碳化發展具有重要作用。

廢棄膜的再生循環利用主要技術途徑包括：

• 廢棄高壓膜的“降級”再生；

• 廢棄低壓膜的“升級”再生；

• 廢棄高壓膜或低壓膜的“平級”再生。

降級再生是指將廢棄的RO/NF膜經過適當物化處理，合理調控或破壞聚酰胺截留層結構，從而降級為NF/UF膜?；诰埘０凡荒褪艽温人猁}的特性，可利用次氯酸鹽產生的自由氯攻擊廢棄RO膜的聚酰胺活性層，當聚酰胺部分降解時再生為NF膜，當其完全脫落后再生為UF膜。升級再生是指將廢棄的MF/UF膜經過適當的物化處理后，通過界面聚合在膜面生長聚酰胺層，升級為NF/RO膜。如在廢棄的PVDF MF膜表面界面聚合或采用清洗-修復-界面聚合三步法可以制得再生NF膜。平級再生是指將廢棄低壓/高壓膜通過一定物化處理直接恢復膜的產水性能。從實際工程角度出發，廢棄膜平級再生無需改變組件形式，應用前景更加突出。同濟大學團隊近期開發了深度清洗-結構轉化-再生修復的廢棄低壓膜再生策略，并將其應用于某污水處理廠廢棄中空纖維PVDF超濾膜的再生，再生膜透水性和出水水質恢復至與新膜相當，且抗污染性能與通量恢復率顯著優于廢棄膜，采用此平級再生策略修復該廢棄膜的年成本小于9元/m2。

膜材料的再生循環利用同時需開展全過程碳排放的定量分析作為理論支撐（見圖6）。生命周期評價（LCA）工具可通過計算CO2 排放當量來評估膜材料全生命周期產生的環境影響。以降級再生為例，每制備一個標準膜組件將產生87.7 kgCO2的排放，每填埋一個標準膜組件將產生0.74 kgCO2的排放，由此可見，膜再生循環利用可以對沖膜制備階段的碳排。同時，廢棄膜再生延壽所貢獻的碳減排隨其再生壽命的增加而增加，若膜的平均使用壽命為5年，再生延壽期為2年，在不考慮其他化學藥劑和用電消耗的情況下，使用周期內每個膜組件每年可減少5.1 kgCO2排放。除膜材料本身外，膜組件中的膜殼、端蓋、進料側墊片/滲透液測墊片等材料同樣可以通過適當的物化方法進行回收。LCA結果表明，每回收1 kg聚酯滲透液側墊片、聚丙烯進料液側墊片和ABS端蓋將分別貢獻0.93、1.64和2.5 kgCO2的減排。

3.1.6 推進膜法污水處理系統數字化、智慧化運維

膜法污水處理系統的數字化、智慧化是未來的重點發展方向之一。研究基于人工智能的數據采集分析與決策機制，開發物耗、能耗、工藝參數等多源數據融合的集成式精準化運管技術，建立膜污染與膜運行的可視化監測與信息化模擬平臺，構建膜系統關鍵工序智能管控技術，提升系統運行效能，是推進膜法污水處理技術綠色低碳化發展的重要內容。

（1）數據采集分析與決策機制建立。通過物耗、能耗、工藝參數等模塊的集成式膜系統大數據分析，構建數據采集分析系統與決策機制。通過操作單元能耗數據趨勢跟蹤與能耗面板統計，實現膜系統能耗實時采集與智能調度；研發預處理藥劑、膜清洗藥劑劑量智能管理技術，建立水質波動自適應智能加藥系統；構建系統運行智能預測體系，搭建數據、操作、調度、管理、巡檢的集成式膜系統控制平臺。

（2）關鍵工序運行管控。通過人工神經網絡、隨機森林以及模糊邏輯等算法，實現對膜出水水質、能耗、物耗、跨膜壓差、膜通量以及膜阻力的變化趨勢等輸出量的準確建模。同時，通過基于膜污染可視化在線識別技術、泵組智能診斷技術、預處理及膜系統狀態評估與自動控制技術等關鍵工序智能管控設計，結合遺傳算法和粒子群算法等，對物耗、能耗、工藝參數等模塊進行實時智能反饋優化，提升膜系統的運行穩定性。

3.2 膜法污水處理技術低碳化目標預測

基于膜法污水處理技術節能降耗、資源能源回收、再生水利用、智慧化運維和膜材料再生等綠色低碳發展重點攻關方向，以典型低壓膜法水處理技術（MBR、MF、UF）和高壓膜法水處理技術（NF、RO）為例，對未來膜法污水處理技術綠色發展的低碳化目標進行預測（見圖7）。在綜合采取節能降耗、資源能源回收、再生水利用和智慧化運維等低碳化措施后，5種典型膜法污水處理技術的碳排放量均將顯著削減（見圖7a），其中MF、UF、MBR等低壓膜技術噸水碳排平均削減47.7%~72.8%，NF、RO等高壓膜技術噸水碳排平均削減35.6%~40.0%。在此基礎上，廢棄膜材料的再生利用還將進一步實現膜技術的碳排削減。如圖7b所示，膜材料再生循環技術可使MF、UF、NF、RO等典型污水處理膜材料單位碳排平均削減30%~66.7%。由此可見，在低碳綠色發展的導向下，積極采取節能降耗、資源能源回收、再生水利用、智慧化運維和膜材料再生利用等措施，有望實現膜法處理技術碳排放量的大幅削減甚至“零碳排”，對于膜法污水處理技術綠色低碳化發展具有重要意義。

4 結 語

膜法污水處理技術作為污水處理與再生利用領域的重要技術，面對污水高標準處理與排放的需求以及低碳綠色發展的導向，需要系統評估膜法污水處理系統碳排放與減污降碳潛力，在建立膜法污水處理系統的全系統、全過程、全生命周期碳排放評價體系的基礎上，持續推進膜法污水處理技術節能降耗，加速革新膜法污水處理技術與資源化能源化技術的耦合與應用，同時統籌做好膜法所產再生水循環利用，創新研發膜材料的再生循環與可持續利用技術，持續推進膜法污水處理系統數字化、智慧化運維，推動在膜法污水處理技術在綠色低碳化發展方向上的不斷革新與迭代升級。

文章轉載自：北極星水處理網