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王志伟:膜法污水处理技术的绿色低碳化发展思考

发布时间:2022-07-27来源:给水排水

在碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局的背景下,污水处理与资源化技术必将朝着“绿色低碳化”的方向迈进,为膜法污水处理技术的发展带来了严峻挑战,也为技术的更新迭代带来了重要机遇。在绿色低碳要求下实现膜法污水处理的理论与技术创新,对于支撑双碳背景下膜法污水处理技术的可持续发展具有重要意义,是膜技术领域亟需突破的关键科技问题。综述了膜法污水处理技术的应用与发展动态,探讨了膜法污水处理技术统筹“高标准”需求与“碳中和”导向的发展思路,围绕系统评估、节能降耗、资源能源回收、再生水利用、膜材料再生和数字化转型对膜法污水处理技术的重点攻关方向进行了研判与展望,以推动膜法污水处理技术朝着绿色低碳化不断革新与迭代升级。

 

1 膜法污水处理技术应用与发展动态

近年来,在环境功能质量提升需求驱动下,膜法污水处理技术发展迅速,工程应用规模快速增加。在新型膜材料研制、前沿膜技术研究和高效低耗膜工艺开发及应用等方面取得了长足进步。以下将从技术应用、技术能效、材料性能等三个方面概述膜法污水处理技术的应用与发展动态。

1.1 膜法污水处理技术应用

近年来,膜法污水处理技术在市政污水和工业废水处理领域得到广泛应用。在市政污水处理与资源化领域,膜生物反应器(MBR)应用最为广泛。截至2021年,我国已有超过500座MBR市政污水处理工程(仅统计处理规模> 1万m3/d),总处理规模超1 600万m3/d。在工业废水处理与循环利用方面,膜法处理技术在石油化工、煤化工、钢铁、生物医药、微电子等废水处理中均有应用。MBR在石油化工和综合产业园区废水处理中使用比例达58%~75%。截至2021年,我国有300余座大型工业废水MBR处理工程(70%左右的工程处理能力达1万~5万m3/d)。为进一步实现污染物深度削减,MBR可与高压膜技术联用。双膜法处理技术[如微滤(MF)/超滤(UF)+纳滤(NF)/反渗透(RO)]是工业废水处理与循环利用的常用组合工艺。我国煤化工和钢铁等工业废水处理中,双膜法使用比例达72%~90%。以NF/RO为核心的膜法分盐浓缩技术,在电力、煤化工、钢铁等工业废水零排放建设中发挥了重要作用。电渗析(ED)等电驱动的膜法水处理技术,可用于重金属离子分离、酸/碱回收和含盐废水淡化等,在冶金、采矿、脱硫等废水处理中的应用日渐增多。

1.2 膜法污水处理技术效能

随着技术不断迭代,膜法污水处理技术能耗不断下降(见图1)。市政污水中MBR能耗一般在0.3~0.9 kW·h/m3,在大型MBR处理工程(处理量大于5万m3/d)中能耗为0.3~0.5 kW·h/m3,接近传统生物处理能耗。工业废水处理中MBR技术的能耗主要取决于废水水质,通常废水处理难度越大能耗越高(一般高于市政污水处理能耗),在0.5~1.5 kW·h/m3。NF和RO处理市政污水的能耗为0.5~2.4 kW·h/m3。参考海水淡化(SWRO)能耗,当处理废水盐浓度达75 000 mg/L时,NF产水能耗在2.0 kW·h/m3以上,RO产水能耗在2.6 kW·h/m3以上。ED处理盐浓度上限为100 000 mg/L,产水能耗根据进水水质不同而波动较大,范围为3~850 kW·h/m3。未来通过组合工艺优化、资源能源回收、膜污染控制等手段可以进一步降低膜法污水处理的降耗。

 

 

1.3 膜材料性能

膜材料性能对膜系统处理效率和经济性能至关重要。MF和UF膜材料制备技术相对成熟,以MF和UF膜为核心的MBR运行通量通常在15~25 L/(m2·h),膜使用寿命为5~10年。MF和UF膜前沿领域主要聚焦于膜材料的抗有机污染改性、抗生物污染改性及其长期效能提升等方面。NF膜在实际运行中通量一般小于20 L/(m2·h·bar)(1 bar=0.1 MPa),可截留超过95%的二价盐;RO膜在苦咸水/海水淡化过程中通量为1~8 L/(m2·h·bar),对一价盐的截留率达99.7%以上,使用寿命为3~7年。对于NF和RO膜,探索打破过滤性能-选择性制衡关系(trade-off)的膜材料是研究前沿,改变多孔支撑层的结构和表面特性、在界面聚合过程中引入纳米颗粒以及通过反应界面原位产热与纳米气泡产生的精细调控,有助于制备突破trade-off瓶颈的高性能NF、RO膜(见图2)。然而,在长期运行中不可恢复污染逐步累积,膜通量最终难以达到产水要求,从而不得不报废并更换新膜。因此,在“双碳”背景下,膜材料的评价指标不仅应包含传统的过滤性能、抗污染性能等,而且应增加碳排放维度的相应指标,从而指导高性能膜材料的低碳研发与可持续应用。

 

图2 膜材料性能与突破水通量和截留率相互制约关系及其调控

2“高标准”与“碳中和”之间的制衡关系

在碳达峰、碳中和导向下,污水处理与资源化必将向绿色低碳化方向迈进。但与此同时,以水环境功能质量保障为导向,在相当长一段时期内仍然执行严格的污水排放标准。然而,高标准的处理往往是以高能耗、高物耗、高碳排为代价。图3列举了不同排放标准下常见污水处理工艺的碳排放强度。可见,随着排放标准提升碳排放强度显著升高。相较于采用传统曝气池等处理工艺使出水满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)二级排放标准的情况,在采用AAO、氧化沟以及序批式活性污泥法(SBR)等工艺使出水达到GB 18918一级B排放标准后,碳排放强度增加44.1%。为了进一步使出水满足GB 18918一级A排放标准而增加深度处理环节后,污水处理工艺碳排放强度比GB 18918一级B排放标准提高24.1%。污水处理过程的碳排主要来自于电耗、化学品消耗、污染物直接碳排等主要碳排放环节,高标准处理必将导致曝气强度提高、药耗增加等,污水处理系统的碳排放随之增加。因此,碳排放与高标准处理的交织,为膜法污水处理技术的可持续发展带来了严峻挑战。

 

注:图中不同排放标准条件下所列碳排放强度对应不同处理工艺,满足GB 18918二级排放标准时采用传统生物曝气池工艺;满足GB 18918一级B排放标准时采用AAO、氧化沟、SBR等工艺;满足GB 18918一级A排放标准时采用二级处理+深度处理组合工艺,其中深度处理工艺包括吸附、过滤、高级氧化等

图3 不同排放标准下常见污水处理工艺碳排放变化

针对碳中和与高标准处理之间的矛盾,需要兼顾水环境容量/功能要求和环境综合效益,考虑技术的物质、能量和资源输入输出,衡量处理技术的物耗、能耗和碳排,研发“适宜”的膜法污水处理技术和组合技术。与此同时,需要进一步关注膜法污水处理技术本身的创新与绿色低碳发展。可以从节能降耗、资源能源回收、再生水利用和膜材料再生等四个方面开展攻关:

  • 节能降耗,在符合标准要求前提下进行适度处理,通过技术更迭、节能设备的开发与应用,结合工艺优化与精准调控,实现节能降耗和碳排削减;

  • 资源能源回收,基于技术耦合构建新型膜组合工艺,通过强化膜的分离与转化功能,以资源能源回收的形式实现部分碳排抵消;

  • 再生水利用,建立基于不同膜技术的分质再生水回收利用系统,通过再生水回用进行碳排抵消;

  • 膜材料再生,膜材料的处理处置是膜法污水处理碳排放的重要环节,研发膜材料的可持续再生利用技术,通过膜材料再生抵消部分碳排,可以进一步提升膜法污水处理技术的竞争力。

3 膜法污水处理技术的绿色低碳化发展思考与建议

3.1 绿色低碳化发展的主要方向

3.1.1 系统评估膜法污水处理减污降碳潜力

在“双碳”背景下,系统研究和评估膜法污水处理系统的碳排放与减污降碳潜力是技术绿色低碳化发展的重要前提。根据膜法污水处理过程中碳排放的来源,碳排放可分为直接碳排与间接碳排(见图4)。直接碳排主要是指污染物在膜法污水处理过程中通过生化等反应产生的逸散性温室气体排放,如CH4(无组织排放)、N2O等;间接碳排是指包括膜材料生产与制造、膜组件清洗与维护、膜法污水处理工艺运行操作和膜材料报废与处置等过程产生的碳排放。同时,在膜法污水处理过程中存在碳减排,即通过膜法污水处理技术实现能源/资源的回收利用,代替化学品或化石能源进而补偿和削减温室气体排放。例如,厌氧膜生物反应器(AnMBR)在污水处理过程中产生的甲烷,经热电联产等可实现碳减排;回收的氮磷等资源可作为肥料使用实现碳减排等。

 

目前,关于膜法污水系统的碳排放与减污降碳潜力尚缺乏系统研究,需要将膜法污水处理系统的预处理、膜过滤、浓液处理、资源回收和膜再生水回用等单元统筹考虑,在各单元碳排底数摸排和能源强度科学计算的基础上,系统研究和评估膜法污水处理系统碳排放与碳减排潜力,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。进一步解析膜法污水处理系统建设、运行和维护等基础碳排活动,对膜法污水处理设施建设、膜材料生产与制造、膜单元运行、膜组件清洗与维护等碳排项目进行分类识别,揭示膜法污水处理系统中物质流、能量流与碳排放的关系,追踪系统碳足迹并明确各环节碳排指标,构建膜法污水系统碳排放清单。

3.1.2 持续推进膜法污水处理技术节能降耗

持续推进膜法污水处理技术节能降耗,是膜法污水处理技术绿色低碳化发展的重要着力点。常见膜法污水处理技术的能耗组成如表1所示,主要包括过滤能耗、曝气能耗(对于MBR)、清洗能耗及其他能耗。同时,膜污染作为膜技术运行过程中伴生问题,导致频繁清洗、增加过滤能耗、缩短膜寿命,严重制约膜技术的经济性能。膜法污水处理技术节能降耗主要可从三个方面入手:膜污染机理研究与膜污染控制、抗污染膜材料的开发与应用和膜工艺的集成优化。

 

(1)膜污染机理研究与膜污染控制。膜污染形成过程中,颗粒态污染物、胶体及溶解态有机物的污染行为存在差异,由颗粒态污染物引发的膜污染与通量、错流速率直接相关,而胶体及溶解态有机物污染则与通量、错流速率无直接联系。对水力停留时间、曝气强度、运行通量、清洗周期等参数进行优化,有助于膜污染控制和膜处理工艺的节能降耗。在MBR处理工艺中(见表2),根据在线膜污染检测系统,识别膜污染的动态变化,针对污染层厚度以及跨膜压差的变化,可联动控制膜曝气量,使曝气强度降低22%以上。

(2)抗污染膜材料的开发与应用。在明晰污染物的界面粘附行为及与膜面官能团-污染物作用机制基础上,可基于功能材料共混/接枝改性制备针对胶体及溶解态污染物的抗污染膜材料。同时,可在膜面或膜基体中负载抗菌剂(如季铵盐、金属纳米颗粒等),通过抗菌剂的释放或直接接触抑制微生物在膜面的滋生。

(3)膜分离工艺的集成优化。膜工艺集成优化是实现膜法污水处理技术节能降耗的重要途径。针对膜工艺中纤维类杂质污堵、缠绕问题,可开发高精度的杂质分离技术进行预处理。针对不同膜组件结构和布设条件,合理规划膜组件的多层布设,可以显著降低系统能耗。在实际处理工程中增大膜组件的布设密度,优化曝气时间和强度(见表2),可使运行能耗降低40%~75%。

 

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2 500万t/年,以0.2 m3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3 000亿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1 500 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(AnDMBR)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0.57 kW·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0.77 kgCO2/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0.72 kgCO2/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0.40 kgCO2/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0.28 kgCO2/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35 000t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:

  • 废弃高压膜的“降级”再生;

  • 废弃低压膜的“升级”再生;

  • 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87.7 kgCO2的排放,每填埋一个标准膜组件将产生0.74 kgCO2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5.1 kgCO2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1 kg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2.5 kgCO2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、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。

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