在碳达峰、碳中和纳入生态文明建设总体布局的背景下，污水处理及资源化利用技术必将朝着“绿色低碳”方向发展，对膜法污水处理的发展提出严峻挑战技术的进步，也带来了技术更新迭代的重要机遇。 绿色低碳要求下的膜污水处理理论与技术创新，对于支撑双碳背景下膜污水处理技术的可持续发展具有重要意义。 是膜技术领域亟待突破的关键科技问题。 本文回顾了膜法污水处理技术的应用及发展趋势，探讨了平衡“高标准”要求与“碳中和”导向的膜法污水处理技术的发展思路，重点关注系统评价、节能降耗、资源节约等方面。能源回收和循环水。 针对膜污水处理技术的重点研究方向，对利用、膜材料再生和数字化改造进行研究和预测，推动膜污水处理技术向绿色低碳化方向不断创新和迭代升级。

引用这篇文章：王志伟。 膜法污水处理技术绿色低碳发展的思考[J]. 给排水，2022，48(7)：1-10。

王志伟

同济大学环境科学与工程学院院长，1980年出生，河南商丘人，博士，教授。 主要从事膜法废水处理及资源化利用研究。

第1部分

膜法废水处理技术的应用及发展趋势

近年来，在提高环境功能质量的需求驱动下，膜法污水处理技术迅速发展，工程应用规模迅速增大。 在新型膜材料开发、前沿膜技术研究、高效低耗膜工艺开发与应用等方面取得了长足进展。 下面将从技术应用、技术能效、材料性能三个方面概述膜法污水处理技术的应用及发展趋势。

1.1 膜法废水处理技术的应用

近年来，膜法污水处理技术在城市污水和工业废水处理领域得到了广泛的应用。 在城市污水处理和资源化利用领域，膜生物反应器（MBR）应用最为广泛。 截至2021年，我国MBR城镇污水处理项目超过500个（仅统计处理规模>1万立方米/日），总处理规模超过1600万立方米/日。 在工业废水处理及回用方面，膜处理技术应用于石化、煤化工、钢铁、生物医药、微电子等废水处理。 石化及综合工业园区废水处理中58%～75%采用MBR。 截至2021年，我国大型工业废水MBR处理项目超过300个（约70%的项目处理能力为1万~5万立方米/日）。 为了进一步实现污染物的深度削减，MBR可以与高压膜技术相结合。 双膜处理技术[如微滤(MF)/超滤(UF)+纳滤(NF)/反渗透(RO)]是工业废水处理和回用常用的组合工艺。 我国煤化工、钢铁行业等工业废水处理中，采用双膜法的比例达到72%～90%。 以NF/RO为核心的膜盐分离浓缩技术在电力、煤化工、钢铁等行业工业废水零排放建设中发挥了重要作用。 电渗析（ED）等电驱动膜水处理技术可用于重金属离子分离、酸/碱回收、含盐废水淡化等。 它们越来越多地应用于冶金、采矿、脱硫等废水处理中。

1.2 膜废水处理技术的效率

随着技术的不断迭代，膜污水处理技术的能耗不断降低（见图1）。 城市污水MBR能耗一般为0.3~0.9kW·h/m3。 大型MBR处理项目（处理量大于50000 m3/d），能耗为0.3~0.5 kW·h/m3，接近传统生物处理的能耗。 消耗。 MBR技术在工业废水处理中的能耗主要取决于废水的水质。 一般情况下，废水处理越困难，能耗越高（一般高于城市污水处理能耗），在0.5～1.5kW·h/m3之间。 纳滤和反渗透处理城市污水能耗为0.5~2.4 kW·h/m3。 参考海水淡化（SWRO）能耗，当处理废水含盐量达到75 000 mg/L时，NF制水能耗大于2.0 kW·h/m3，RO水能耗大于2.0 kW·h/m3产量超过2.6 kW·h/m3。 ED处理盐浓度上限为100 000 mg/L，产水能耗根据进水水质波动较大，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，可以进一步降低膜污水处理的降耗。

图1 膜法污水处理技术应用及能源效率现状

1.3 膜材料特性

膜材料性能对于膜系统的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、UF膜为核心的MBR运行通量通常为15~25 L/(m²·h)，膜使用寿命为5~10年。 MF和UF膜的前沿领域主要集中在膜材料的抗有机污染改性、抗生物污染改性以及膜材料的长期性能提升。 实际运行中纳滤膜的通量一般小于20L/(m²·h·bar)(1bar=0.1MPa)，可截留95%以上的二价盐； RO膜经过苦咸水/海水淡化工艺。 流量1~8 L/(m²·h·bar)，一价盐截留率99.7%以上，使用寿命3~7年。 对于NF和RO膜来说，探索打破过滤性能-选择性权衡关系（trade-off）的膜材料是研究前沿，改变多孔支撑层的结构和表面性质，在界面聚合过程中引入纳米粒子，通过反应界面生成原始材料。 对局部热量产生和纳米气泡产生的精细控制有助于制备突破权衡瓶颈的高性能纳滤和反渗透膜（见图2）。 但在长期运行中，不可回收的污染逐渐积累，膜通量最终难以满足产水要求，不得不报废更换新膜。 因此，在“双碳”背景下，膜材料的评价指标不仅应包括传统的过滤性能、抗污染性能等，还应在碳排放维度上增加相应的指标，引导膜材料的低排放。 -碳高性能膜材料的研发及可行性。 持续应用。

图2 膜材料性能、突破水通量和截留率之间的相互制约及其调节

第2部分

“高标准”与“碳中和”的制衡

在碳达峰和碳中和的指导下，污水处理和资源利用必将朝着绿色低碳的方向发展。 但同时，以水环境功能质量保障为导向，仍将长期执行严格的污水排放标准。 然而，高标准的治理往往是以高能耗、高物耗、高碳排放为代价的。 图3列出了不同排放标准下常见污水处理工艺的碳排放强度。 可以看出，随着排放标准的提高，碳排放强度显着增加。 与采用传统曝气池等处理工艺使出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）二级排放标准相比，采用AAO、氧化沟和序批式活性污泥出水经过SBR等工艺达到GB 18918 B级排放标准后，碳排放强度增加44.1%。 增加深度处理环节后，进一步使出水达到GB 18918 A级排放标准，污水处理过程碳排放强度较GB 18918 AB级排放标准增加24.1%。 污水处理过程中的碳排放主要来自电力消耗、化学品消耗、污染物直接碳排放等主要碳排放环节。 高标准处理必然导致曝气强度加大、化学品消耗增加等，污水处理系统的碳排放量也会随之增加。 增加。 因此，碳排放与高标准处理的交织，给膜废水处理技术的可持续发展带来了严峻的挑战。

注：图中列出的不同排放标准条件下的碳排放强度对应不同的处理工艺。 满足GB 18918二级排放标准时，采用传统生物曝气池工艺； 达到GB 18918一级B排放标准时，采用AAO、氧化沟、SBR等。 过程; 达到GB 18918 A级排放标准时，采用二级处理+深度处理相结合的工艺，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，需要考虑水环境容量/功能要求和综合环境效益，考虑该技术的物质、能源和资源投入产出，衡量物质处理技术的消耗、能源消耗和碳排放，并开展“适合”膜污水处理技术和组合技术的研发。 同时，还需进一步关注膜污水处理技术本身的创新和绿色低碳发展。 可从节能降耗、资源能源回收、再生水利用、膜材料再生四个方面开展研究：

第三部分

膜污水处理技术绿色低碳发展的思考与建议

3.1 绿色低碳发展的主要方向

3.1.1 膜法废水处理减污减碳潜力的系统评价

在“双碳”背景下，对膜污水处理系统的碳排放和污染及减碳潜力进行系统研究和评估，是发展绿色低碳技术的重要前提。 根据膜污水处理过程中碳排放的来源，碳排放可分为直接碳排放和间接碳排放（见图4）。 直接碳排放主要是指膜污水处理过程中污染物通过生化等反应产生的无组织温室气体排放，如CH4（无组织排放）、N2O等； 间接碳排放是指膜材料的生产和制造。 、膜组件清洗与维护、膜污水处理工艺运行以及膜材料报废和处理过程中产生的碳排放。 同时，膜污水处理过程中还有碳减排，即通过膜污水处理技术实现能源/资源循环利用，替代化学品或化石能源来补偿和减少温室气体排放。 例如，厌氧膜生物反应器（AnMBR）在污水处理过程中产生的甲烷可以通过热电联产等方式实现碳减排； 回收的氮、磷等资源可用作肥料，实现碳减排等。

图4 膜污水处理系统碳排放边界

目前，缺乏对膜污水处理系统的碳排放和污染以及碳减排潜力的系统研究。 需要将膜污水处理系统的预处理、膜过滤、浓缩处理、资源回收和膜再生中水回用等单元作为一个整体来考虑。 在计算各单位碳排放基数和科学计算能源强度的基础上，系统研究和评估膜污水处理系统的碳排放量和碳减排潜力，建立全系统、全流程、膜污水处理系统的全生命周期。 碳排放评价体系。 进一步分析膜污水处理系统建设、运行和维护等基础碳排放活动，对膜污水处理设施建设、膜材料生产制造、膜机组运行、膜组件清洗和维护等碳排放项目进行分类识别，揭示膜污水处理系统中物质流、能量流与碳排放之间的关系，跟踪系统的碳足迹并明确各环节的碳排放指标，构建膜污水处理系统的碳排放清单。

3.1.2继续推广膜法废水处理技术，节能降耗

持续推进膜污水处理技术节能降耗，是膜污水处理技术绿色低碳发展的重要着力点。 常见膜法污水处理技术的能耗构成如表1所示，主要包括过滤能耗、曝气能耗（针对MBR）、清洗能耗和其他能耗。 同时，膜污染是膜技术运行过程中的一个伴随问题，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。 膜污水处理技术主要可以从膜污染机理与膜污染控制研究、防污膜材料开发与应用、膜工艺集成优化三个方面实现节能降耗。

表1 膜法废水处理技术能耗构成

（1）膜污染机理及膜污染控制研究。 膜污染形成过程中，颗粒污染物、胶体和溶解有机物的污染行为存在差异。 颗粒污染物引起的膜污染与通量和错流速率有直接关系，而胶体和溶解有机物污染则与通量和错流速率没有直接关系。 优化水力停留时间、曝气强度、运行通量、清洗周期等参数，有助于控制膜污染，实现膜处理过程节能降耗。 在MBR处理过程中（见表2），基于在线膜污染检测系统，识别膜污染的动态变化。 根据污垢层厚度和跨膜压差的变化，联动控制膜曝气量，降低曝气强度。 超过22%。

(2)抗污染膜材料的开发与应用。 在阐明污染物的界面粘附行为以及膜表面官能团与污染物相互作用机理的基础上，基于功能材料的共混/接枝改性，可以制备针对胶体和溶解污染物的防污膜材料。 同时，可以将抗菌剂（如季铵盐、金属纳米粒子等）负载在膜表面或膜基质上，通过抗菌剂的释放或直接接触来抑制膜表面微生物的生长。

(3)膜分离工艺集成优化。 膜工艺集成优化是膜污水处理技术实现节能降耗的重要途径。 为了解决膜工艺中纤维杂质污染和缠结的问题，可以开发高精度杂质分离技术进行预处理。 根据不同的膜组件结构和布置条件，合理规划膜组件的多层布置，可以显着降低系统能耗。 在实际处理工程中，增加膜组件的布置密度，优化曝气时间和强度（见表2），可降低运行能耗40%~75%。

表2 MBR工艺节能降耗方案及降耗潜力

3.1.3 加快膜资源化能源技术创新

在“双碳”背景下，推动膜技术与其他资源型能源技术的耦合是绿色低碳技术发展的重要方向。 污水资源化能源转化是指将污水作为资源和能源，利用相关技术实现资源回收、能源回收和污水再生。 膜技术及其组合技术的应用可以进一步加强废水的资源化和能源回收（见图5）。

图5 膜法污水处理技术与资源化能源技术耦合应用图

在膜废水资源化利用方面，主要的资源化利用方式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使用的问题，膜技术与高级氧化技术可以有效耦合，提高污染物的去除效率。 例如，负载钯的阳极电催化膜可以在毫秒至秒的接触时间内实现难降解污染物90%以上的去除率。 人工纳米水通道修饰膜可使纳滤膜对疏水性内分泌干扰物的选择性提高2~3倍。 污水中含氮资源约320万吨/年，磷资源34万吨/年。 采用适当的膜处理技术回收氮、磷，可以通过资源再生抵消部分碳排放。

在膜废水能源化方面，膜技术通过与特定能源技术的耦合，可以增强废水中可再生清洁能源（如甲烷、氢气、电力等）的回收。 污水排放化学需氧量（COD）为2500万吨/年。 以0.2立方米甲烷/kgCOD的产率计算，每年可产生约60亿立方米甲烷，理论上可满足我国2%的天然气需求（天然气消耗量为3000亿立方米/年）。 当污水中33%以上的碳源以甲烷的形式被回收利用时，预计污水处理厂将实现能源自给自足。 与传统厌氧技术相比，AnMBR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、容积负荷高等优点。 已应用于高浓度有机废水（如食品加工废水等），目前最大的AnMBR项目达到1 500 m3/d。 近年来，将自生动态膜与厌氧技术相结合的厌氧动态膜生物反应器（AnDMBR）技术引起了人们的关注。 应用于污泥厌氧消化时，与传统厌氧消化技术相比，污泥浓缩倍数可提高150%，消化效率和甲烷产量可提高50%以上，净发电量为0.57 kW·h /kgVS。 此外，疏水膜气提技术还可用于回收厌氧消化反应器出水中溶解的甲烷（20~26 mg/L）。 反渗透（RO）、电渗析（ED）等膜技术具有生产高品质纯水的技术优势，可以为电解水制氢提供必要的原料。 它们有望应用于氢能回收领域。

3.1.4 统筹规划膜工艺再生水回用

膜工艺可根据不同膜的分离机理和处理效果，在不同断面产生梯度水质的再生水，满足城市杂用、河道补水、绿地灌溉、景观环境用水等多种再生水应用场景，以及生产再利用。 实现碳排放抵消。 膜工艺产生的再生水的碳减排效益可以根据回用区产生的自来水的碳排放量与膜工艺产生的再生水的碳排放量之差来估算。 膜工艺产生的循环水的碳排放量可以乘以膜工艺的能源强度。 根据地区电网碳排放系数计算。 以华东地区为例，单位自来水碳排放量为0.77 kgCO2/m3。 当用超滤产生的低质量再生水替代自来水用于城市杂用时，每单位再生水提供的碳补偿约为0.72 kgCO2/m3。 立方米； 当使用纳滤产生的优质再生水代替自来水用于生产工艺等场景时，单位再生水的碳补偿约为0.40 kgCO2/m3。 与传统的二次水出水-混凝沉淀-过滤-消毒工艺相比，产生的再生水替代自来水（碳抵消约0.28 kgCO2/m3），碳排放抵消效果更加显着。 据《中国城市建设统计年鉴》显示，我国再生水利用率目前仅占污水处理总量的24.3%，与发达国家60%至70%的再生水利用率仍有较大差距。 %。 因此，大力推进膜法污水处理及回用设施建设，针对不同的再生水利用场景，根据水质要求分阶段回收再生水，补偿污水处理系统的碳排放，对于绿色低碳具有重要意义。 ——碳膜污水处理技术的发展。 意义。

3.1.5膜材料再生循环技术创新研发

目前，膜材料遵循制备-使用-处置的线性生命周期过程，每个阶段都会产生相应的碳排放。 在长期使用过程中，由于不可恢复的污染积累，当膜的产水通量下降到难以满足产水要求时，按照传统思维，需要将其废弃并更换为膜。新膜。 预计2022年全球将产生3.5万吨聚合物废膜，填埋或焚烧是目前大多数废膜的最终处置途径。 从全生命周期来看，膜处理处置是膜污水处理碳足迹的主要环节之一。 因此，基于膜材料的回收和可持续利用来延长膜的生命周期对于技术的绿色低碳发展具有重要作用。

废膜再生循环利用的主要技术途径包括：

降级再生是指通过适当的物理和化学处理，合理调节或破坏聚酰胺截止层的结构，将废RO/NF膜降级为NF/UF膜。 基于聚酰胺不耐次氯酸盐的特性，可以利用次氯酸盐产生的游离氯来攻击废RO膜的聚酰胺活性层。 当聚酰胺部分降解时，再生为NF膜，完全脱落时再生。 用于超滤膜。 升级再生是指废MF/UF膜经过适当的物理化学处理后，通过界面聚合在膜表面生长聚酰胺层，升级为NF/RO膜。 例如，可以通过在废弃的PVDF MF膜表面进行界面聚合或采用清洗-修复-界面聚合三步法来生产再生纳滤膜。 卧式再生是指通过一定的物理化学处理，直接恢复废低压/高压膜的产水性能。 从实际工程角度来看，废膜水平再生不需要改变组件形式，其应用前景更加突出。 同济大学团队近期开发了深度清洗-结构改造-再生修复的废旧低压膜再生策略，并将其应用于污水处理厂废旧中空纤维PVDF超滤膜的再生。 再生膜的透水率和出水水质均恢复到同等水平。 新膜等效，其抗污染性能和通量恢复率明显优于废弃膜。 采用这种水平再生策略，每年修复废弃膜的成本低于9元/平方米。

膜材料的再生和回收还需要对整个过程的碳排放进行定量分析作为理论支撑（见图6）。 生命周期评估（LCA）工具可以通过计算CO2排放当量来评估膜材料整个生命周期对环境的影响。 以降级再生为例，每制备一个标准膜组件将产生87.7 kgCO2排放，每个填埋一个标准膜组件将产生0.74 kgCO2排放。 可见，膜再生和循环利用可以抵消膜制备阶段的碳排放。 同时，废膜的再生和寿命延长所贡献的碳减排量随着其再生寿命的增加而增加。 如果膜的平均使用寿命为5年，再生延寿期为2年，不考虑其他化学品和电力消耗，在此条件下，每个膜组件在其生命周期内每年可减少CO2排放5.1公斤。 除膜材料本身外，膜组件中的膜壳、端盖、进水侧垫片/渗透垫片等材料也可以通过适当的物理和化学方法进行回收。 LCA结果表明，回收1千克聚酯渗透的侧垫片，聚丙烯饲料液侧垫圈和ABS端盖将分别贡献0.93、1.64和2.5 kg CO2的排放减少。

图6可持续污水处理过程的碳排放系统的边界

3.1.6促进数字化和智能操作以及膜污水处理系统的维护

膜污水处理系统的数字化和智能是将来的关键开发方向之一。 研究基于人工智能的数据收集，分析和决策机制，开发集成的精确操作和管理技术，以整合多源数据，例如材料消耗，能源消耗，过程参数等，建立视觉监控和信息模拟膜结垢和膜操作的平台，并为膜系统的关键过程建立智能管理和控制技术，以提高系统操作效率，这是促进膜污水处理技术的绿色和低碳开发的重要组成部分。

（1）数据收集分析和决策机制的建立。 通过综合膜系统的材料消耗，能源消耗，过程参数和其他模块的大数据分析，构建了数据收集和分析系统以及决策机制。 通过操作单元消耗数据趋势跟踪和能耗面板统计数据，实现了实时收集和智能安排膜系统能耗； 预处理剂和膜清洁剂剂量智能管理技术的研究与开发，建立水质波动自适应智能给药系统； 该系统的构建运行智能预测系统，并建立一个集成的膜系统控制平台，以进行数据，操作，调度，管理和检查。

（2）关键过程的操作控制。 通过诸如人工神经网络，随机森林和模糊逻辑之类的算法，实现了膜出水质量，能量消耗，材料消耗，跨膜压力差，膜通量和膜抵抗力的趋势等产量的准确建模。 同时，通过智能管理和控制关键过程基于膜污染视觉在线识别技术，泵单元智能诊断技术，预处理和膜系统状态评估和自动控制技术，结合遗传算法和粒子群体群体，，材料消耗，能源消耗，过程参数等模块执行实时智能反馈优化，以提高膜系统的运行稳定性。

3.2预测膜废水处理技术的低碳靶标

基于绿色和低碳开发的关键研究方向，例如膜污水处理技术，节能和减少消费，资源和能源回收，回收水利用，智能操作和维护以及膜材料再生，典型的低压膜水处理技术（MBR，MF，UF）并采用高压膜水处理技术（NF，RO）为例，我们预测膜污水处理技术未来绿色开发的低碳目标（见图7） 。 在全面采用了低碳措施之后，例如节能和消耗，资源和能源回收，回收的水利用以及智能操作和维护之后，将大大降低五种典型的膜污水处理技术的碳排放（见图7a） ，其中MF，UF低压膜技术（例如MBR和其他低压膜技术）平均每吨水降低了47.7％至72.8％的碳排放量，以及NF和NF和NF的高压膜技术RO平均每吨水的碳排放量降低了35.6％至40.0％。 在此基础上，废物膜材料的回收将进一步减少膜技术的碳排放。 如图7B所示，膜材料再生和回收技术可以减少典型的污水处理膜材料（例如MF，UF，NF和RO）的碳排放量平均30％至66.7％。 可以看出，在低碳和绿色开发的指导下，诸如节能和消耗量减少，资源和能源回收，回收的水利用，智能操作和维护以及膜材料回收有望获得重要的措施，预计将获得重要的重大减少膜处理技术的碳排放。 甚至“零碳排放”也对膜污水处理技术的绿色和低碳发展也具有重要意义。

注意：C是没有绿色和低碳转化的膜处理技术或膜材料，G是绿色和低碳转化后的膜处理技术或膜材料。

图7膜废水处理技术的低碳靶标预测

第四部分

结论

膜污水处理技术是污水处理和再生领域的重要技术。 面对对高标准污水处理和排放的需求，以及低碳和绿色发育的方向，有必要系统地评估膜排放和减少膜污水处理系统的污染潜力。 ，根据建立整个系统，膜污水处理系统的整个过程和整个生命周期碳排放评估系统，继续促进节能和减少膜污水处理技术的消耗，并加速膜污水处理技术和膜的创新基于资源的能源技术。 同时，我们将协调膜工艺生产的回收水的回收，创新和开发膜材料的再生周期和可持续利用技术，继续促进数字化以及智能操作以及膜污水处理系统的智能操作以及维护并促进内膜污水处理。 技术继续沿绿色和低碳发展方向进行创新和迭代升级。

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