大型膜生物反應(yīng)器在中國(guó)工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用
——技術(shù)經(jīng)濟(jì)特征、驅(qū)動(dòng)力和展望

張姣 ，肖康 *，劉紫微 ，高庭葦 ，梁帥 ，黃霞 ,*

a State Key Joint Laboratory of Environment Simulation and Pollution Control, School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China b College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, Chinac College of Environmental Science and Engineering, Beijing Forestry University, Beijing 100083, Chinad Research and Application Center for Membrane Technology, School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China

1. 引言

膜生物反應(yīng)器（membrane bioreactor, MBR）是一種將傳統(tǒng)生物處理技術(shù)與膜過濾技術(shù)相結(jié)合的污水處理技術(shù)，因具有出水水質(zhì)好、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。對(duì)技術(shù)改進(jìn)和機(jī)理解析的相關(guān)研究推動(dòng)了MBR的發(fā)展[1-4]，使得MBR在世界范圍內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。據(jù)MBR Site?統(tǒng)計(jì)，至2019年12月，全球已建成的大型MBR工程（單體規(guī)?！? × 105m3·d-1）累積處理規(guī)模已達(dá)到1.1399 × 107m3·d-1，北京槐房再生水廠是目前已建成的單體規(guī)模最大的MBR工程，設(shè)計(jì)最大處理規(guī)模為7.8 × 105m3·d-1。中國(guó)已成為MBR應(yīng)用的熱點(diǎn)地區(qū)，在62座大型MBR工程中，41座在中國(guó)，處理規(guī)模占總處理規(guī)模的64%?。至2018年5月，已投入運(yùn)營(yíng)的處理城鎮(zhèn)污水的MBR工程累積處理規(guī)模達(dá)到1 × 107m3·d-1[5]，實(shí)現(xiàn)高效去除化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand, COD）、NH3-N、總氮（total nitrogen, TN）和總磷（total phosphorus, TP）等污染物（去除率：TN＞80%，其他污染物＞90%)。

工業(yè)廢水所含污染物濃度高、成分復(fù)雜、可生物降解性差，利用傳統(tǒng)活性污泥（conventional activated sludge, CAS）處理工藝高效去除污染物難度較大[6,7]。作為工業(yè)廢水處理中受歡迎的處理技術(shù)之一，MBR具有如下優(yōu)點(diǎn)：①將污泥停留時(shí)間（sludge retention time, SRT）與水力停留時(shí)間（hydraulic retention time, HRT）分離，便于延長(zhǎng)SRT，從而提高污泥濃度和容積負(fù)荷；②強(qiáng)化生物降解及膜分離過程可保障出水水質(zhì)好、處理效果穩(wěn)定；③占地面積小有助于減少?gòu)?fù)雜工藝流程對(duì)土地的占用。事實(shí)上，MBR已被應(yīng)用于多種工業(yè)行業(yè)，尤其是需要對(duì)廢水進(jìn)行循環(huán)利用的工業(yè)行業(yè)。然而，工業(yè)廢水處理過程中膜污染情況也更加嚴(yán)峻[7]，這也為MBR在工業(yè)廢水處理中的進(jìn)一步推廣帶來挑戰(zhàn)。因此，單體規(guī)模每天幾千立方米的MBR工程在城鎮(zhèn)污水處理中屬于中等規(guī)模[8]，而對(duì)工業(yè)廢水處理而言，則屬于較大規(guī)模。本研究采用單體規(guī)?！?000 m3·d-1作為處理工業(yè)廢水的大型MBR的判定標(biāo)準(zhǔn)。

膜技術(shù)及其集成處理工藝（包括MBR）在中國(guó)的城鎮(zhèn)污水以及工業(yè)廢水處理和回收利用中的推廣已有十多年時(shí)間。MBR的廣泛應(yīng)用見證了中國(guó)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)、環(huán)保政策的實(shí)施，以及技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境政策、科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用之間建立良性循環(huán)對(duì)各方的可持續(xù)發(fā)展均具有重要意義。其中，科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用之間的有效溝通可以推動(dòng)科研成果落地，以及對(duì)應(yīng)用型創(chuàng)新成果進(jìn)行驗(yàn)證。為促進(jìn)MBR技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，有必要先了解中國(guó)巨大的MBR市場(chǎng)。目前人們多關(guān)注MBR在城鎮(zhèn)污水處理中的應(yīng)用[5,8-11]，而對(duì)其在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用關(guān)注較少。

本研究對(duì)中國(guó)處理工業(yè)廢水的大型MBR工程進(jìn)行了調(diào)研，通過膜技術(shù)和水處理相關(guān)專業(yè)網(wǎng)站、相關(guān)公司宣傳、文獻(xiàn)調(diào)研等途徑收集了2003—2019年年底中國(guó)大陸已投入運(yùn)營(yíng)和在建的共計(jì)182座大型MBR工程（單體規(guī)?！?000 m3·d-1）的信息，從驅(qū)動(dòng)力、地區(qū)分布、工業(yè)分布、投資和運(yùn)營(yíng)等方面進(jìn)行綜合分析，并對(duì)MBR在工業(yè)廢水處理領(lǐng)域的發(fā)展提出展望。需要指出的是，本研究不包含處理垃圾滲濾液的MBR工程。此外，工業(yè)園區(qū)可能聚集同種或多種工業(yè)行業(yè)，本研究只根據(jù)MBR工程名稱分辨是否為工業(yè)園區(qū)，未對(duì)其中具體的工業(yè)行業(yè)進(jìn)行鑒別和分類。

2. 處理工業(yè)廢水的大型MBR概況

2.1. 處理規(guī)模的增長(zhǎng)

MBR在中國(guó)工業(yè)廢水和城鎮(zhèn)污水處理中的工程應(yīng)用同步發(fā)展，經(jīng)歷了單體規(guī)模從中小型到超大型逐步過渡、逐步進(jìn)入大規(guī)模成熟應(yīng)用階段的過程。2003年之前，MBR在工業(yè)廢水處理中以中小型（單體規(guī)模＜5000 m3·d-1）應(yīng)用為主[圖1（a）]。據(jù)了解，首座大型MBR [洛陽(yáng)石化PTA污水處理廠改造（回收利用）工程，河南，5000 m3·d-1]于2003年左右投入運(yùn)營(yíng)，首座單體規(guī)?！?0 000 m3·d-1的MBR工程（惠州大亞灣石化區(qū)污水處理廠，廣東，25 000 m3·d-1）于2006年投入運(yùn)營(yíng)。之后，隨著工程數(shù)量和單體規(guī)模的增大，大型MBR的累積處理規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)，尤其在2010年之后。首座單體規(guī)?！?0 000 m3·d-1的超大型MBR（柳疃工業(yè)園污水廠改造項(xiàng)目，山東，50 000 m3·d-1）于2012年投入運(yùn)營(yíng)，標(biāo)志著MBR在工業(yè)廢水處理中的推廣應(yīng)用進(jìn)入成熟期。目前，中國(guó)處理工業(yè)廢水的大型MBR數(shù)量已超過180座；2019年累積處理規(guī)模是2013年的3倍，超過3 × 106m3·d-1；計(jì)入在建工程，累積處理規(guī)模超過4 × 106m3·d-1。

圖1. 大型工業(yè)廢水膜生物反應(yīng)器（MBR）的單體規(guī)模的發(fā)展（a）和工業(yè)行業(yè)分布（b）。大型MBR指處理規(guī)模≥5000 m3·d-1的MBR，“expected”數(shù)據(jù)來自在建工程；工業(yè)園區(qū)依據(jù)項(xiàng)目名稱歸類，未區(qū)分其中的工業(yè)行業(yè)。

目前處理工業(yè)廢水的大型MBR的單體規(guī)模以10 000～50 000 m3·d-1為主。至2019年，在152座已投入運(yùn)營(yíng)的大型MBR中，113座在此單體規(guī)模范圍內(nèi)，累積處理規(guī)模占總累積處理規(guī)模的70% [圖1（a）]；這一比例在精細(xì)化工、石化和食品工業(yè)等行業(yè)中更高[圖1（b）]。值得注意的是，超大型MBR（單體規(guī)?！?0 000 m3·d-1）顯示出較強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿Γ鄯e處理規(guī)?？焖偕仙?，近期有望超過1.3 × 106m3·d-1，占總累積處理規(guī)模的30% [圖1（a）]。

2.2. 工業(yè)行業(yè)的拓展

MBR被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)行業(yè)的廢水處理，包括精細(xì)化工、石油化工、煤化工、染織、電子電鍍、食品、鋼鐵、采礦，以及工業(yè)園區(qū)等[圖2（a）]。不同于單一行業(yè)，工業(yè)園區(qū)將不同行業(yè)或同一行業(yè)的多家公司集中以便實(shí)現(xiàn)資源的高效、集約化利用。處理工業(yè)園區(qū)綜合廢水的MBR累積處理規(guī)模最大，占總累積處理規(guī)模的58%，精細(xì)化工廢水處理占比14%，煤化工、印染和石油化工占比均約為6%～7%。

MBR在各工業(yè)行業(yè)中的推廣呈現(xiàn)明顯的時(shí)間特征[圖2（b）]。早期（2005年前），大型MBR主要用于石化廢水處理。隨后，精細(xì)化工、印染、煤化工等領(lǐng)域逐漸引入MBR，石化廢水MBR在當(dāng)時(shí)新建工業(yè)廢水MBR的總處理規(guī)模中的占比逐漸降低。2010年前后，MBR已在各種工業(yè)廢水處理中得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)，MBR的累積處理規(guī)模進(jìn)入快速增長(zhǎng)期[圖1（a）]。大型MBR的發(fā)展一方面源于各工業(yè)行業(yè)對(duì)該技術(shù)的認(rèn)可，另一方面也源于日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)園區(qū)的建設(shè)，尤其是在2010年之后。2015年之后新建的處理工業(yè)廢水的MBR，對(duì)工業(yè)園區(qū)綜合廢水的處理規(guī)模占總處理規(guī)模的70% [圖2（b）]。在工業(yè)園區(qū)中，經(jīng)過必要預(yù)處理的各工廠廢水經(jīng)收集后集中處理，在節(jié)約成本、提高資源利用率、促進(jìn)廢水再生回收利用、保證環(huán)境安全等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[12,13]。同時(shí)，工業(yè)園區(qū)綜合廢水可能含有復(fù)雜、難降解成分，對(duì)廢水處理工藝的抗沖擊能力要求較高。MBR符合工業(yè)園區(qū)廢水處理的技術(shù)需求，可以預(yù)見，工業(yè)園區(qū)綜合廢水將是未來MBR的重要增長(zhǎng)行業(yè)。

2.3. 地理分布

大型MBR在中國(guó)的應(yīng)用與各經(jīng)濟(jì)區(qū)（帶），如長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶、京津冀經(jīng)濟(jì)圈、粵港澳大灣區(qū)等的發(fā)展一致[見圖3（a）及附錄A中的Supplementary video 1]，這些經(jīng)濟(jì)區(qū)（帶）是中國(guó)的主要工業(yè)基地，擁有大型工業(yè)園區(qū)和極高的生產(chǎn)力。長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶包含長(zhǎng)江沿線的省市，其大型工業(yè)廢水MBR處理規(guī)模占總累積處理規(guī)模的37%。江蘇和四川兩省的處理規(guī)模均高于3 × 105m3·d-1[圖3（b）]。此外，大型MBR在西北地區(qū)也得到應(yīng)用，新疆維吾爾自治區(qū)的總處理規(guī)模超過5 × 105m3·d-1，處于全國(guó)首位；內(nèi)蒙古自治區(qū)的總處理規(guī)模超過3 × 105m3·d-1。

整體上，處理工業(yè)廢水的大型MBR的處理規(guī)模與各省工業(yè)發(fā)展水平[本研究中以工業(yè)增加值（industrial value-added, IVA）表征]呈顯著正相關(guān)（Spearman’s ρ = 0.58, p = 0.00）[圖3（c）]。江蘇、山東、浙江、上海等中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的省份和直轄市，工業(yè)種類齊全、技術(shù)水平高，大型工業(yè)廢水MBR的總處理規(guī)模也最大。同時(shí)，這些地區(qū)的地價(jià)較高、可利用土地面積有限，更加促進(jìn)了MBR的應(yīng)用。此外，MBR工程應(yīng)用也受到地區(qū)工業(yè)結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境狀況的影響。新疆維吾爾自治區(qū)和內(nèi)蒙古自治區(qū)以能源行業(yè)（如煤炭工業(yè)、石油工業(yè)等）為主，水資源短缺、生態(tài)環(huán)境較脆弱，MBR的應(yīng)用規(guī)模較大。

圖2. 應(yīng)用大型MBR的工業(yè)行業(yè)。（a）累積處理規(guī)模；（b）投入運(yùn)營(yíng)時(shí)間。

3. 處理工業(yè)廢水的大型MBR的技術(shù)特征

3.1. 工藝流程

不同工業(yè)行業(yè)廢水中污染物的成分和濃度相差甚遠(yuǎn)，難以給出一個(gè)特定的范圍。一般來說，與城鎮(zhèn)污水相比，工業(yè)廢水中污染物濃度較高，且含有較多難降解有機(jī)物（例如，煤化工廢水含酚類物質(zhì)）、毒性物質(zhì)（例如，電子電鍍廢水含重金屬）等成分。工業(yè)廢水的COD濃度多處于每升幾百毫克到幾千毫克的水平（表1 [14-25]），而城鎮(zhèn)生活污水和地表水的COD濃度為50～300 mg·L-1[14,15,26-28]。因此，工業(yè)廢水的處理工藝大多組合復(fù)雜、流程較長(zhǎng)，相應(yīng)的HRT（10～100 h）也長(zhǎng)于城鎮(zhèn)污水和地表水處理工藝（大多10～20 h）（表 1 [14-25]）。

為達(dá)到排放或回收利用標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)廢水處理工藝大多包含預(yù)處理、生物處理（包括MBR）和深度處理過程（表1 [14-25]）。預(yù)處理過程包括pH值調(diào)節(jié)、除油、絮凝、催化氧化、厭氧（水解酸化）等工藝，用以增強(qiáng)廢水的可生物降解性和減少生物毒性物質(zhì)。生物處理過程利用生物降解去除大部分污染物，必要時(shí)會(huì)添加化學(xué)輔助藥劑。深度處理過程包括曝氣生物濾池（biological aerated filters, BAF）、高級(jí)氧化、消毒、反滲透（reverse osmosis, RO）等工藝，用于進(jìn)一步去除MBR出水中的污染物，特別是在出水需回收利用時(shí)應(yīng)用最多。

表1 中國(guó)MBR處理污水的應(yīng)用案例

本研究提及的MBR工藝為包含膜池的整個(gè)生物處理工藝?；贛BR的工業(yè)廢水處理工藝依進(jìn)水水質(zhì)而異，大致包含單一的好氧MBR、厭氧處理＋膜池、厭氧處理＋好氧處理＋膜池等類型。厭氧-缺氧-好氧（AAO）工藝（及其衍生工藝）＋膜池是應(yīng)用最多的工藝流程，本研究中182個(gè)案例中有84個(gè)采用此工藝，占總累積處理規(guī)模的51.4%。經(jīng)生物處理后，超過90%的COD、生化需氧量（biochemical oxygen demand, BOD）、NH3-N和TP被去除（TN去除率約為70%）[圖4（a）]。作為生物處理過程的最后一步，膜池承擔(dān)著污染物去除[10%的COD和40%的NH3-N，圖4（b）]和泥水分離的作用[15-17,29,30]。因此，維持合適的膜池運(yùn)行參數(shù)對(duì)保障出水品質(zhì)具有重要意義。

3.2. 運(yùn)行參數(shù)

處理工業(yè)廢水的大型MBR的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)如表2所示[14-17,21,23,24,30]。與城鎮(zhèn)污水相比，處理工業(yè)廢水的MBR通量較低（11～25 L·m-2·h-1），平均約為16 L·m-2·h-1；膜池中污泥（mixed liquid suspended solids, MLSS）濃度相近（8～12 g·L?1），但膜池向好氧池的污泥回流比較?。?00%～300%）。與膜污染控制相關(guān)的比曝氣強(qiáng)度為14～25 Nm3·m?3[Nm3表示標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下（0 ℃, 1.01 × 105Pa）氣體的體積]，是城鎮(zhèn)污水的2倍。此外，處理工業(yè)廢水的MBR中膜的恢復(fù)性清洗更頻繁（平均間隔4.2個(gè)月），而城鎮(zhèn)污水的清洗間隔約為6個(gè)月。工業(yè)廢水中污染物濃度高，尤其含有難降解的油類和金屬污染物，而且其降解產(chǎn)物可能含有大量膜污染物（膠體、大分子物質(zhì)、金屬離子等），從而導(dǎo)致膜通量降低、曝氣量增大、清洗間隔縮短。

表2 處理工業(yè)廢水和城鎮(zhèn)污水的大型MBR的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)a

（續(xù)表）

圖4. 處理工業(yè)廢水的大型MBR的污染物去除效果。（a）生化處理過程的整體去除效率；（b）各單元的去除效率。

4. 處理工業(yè)廢水的大型MBR的經(jīng)濟(jì)特征

4.1. 工程投資和占地面積

工業(yè)廢水MBR工程的總投資包括設(shè)計(jì)施工、排水管布設(shè)、其他非工程性投資等。處理工業(yè)廢水的MBR工程的總投資為3500～8500元·(m3·d-1)-1（四分位范圍；7 CNY ≈ 1 USD），平均數(shù)和中位數(shù)分別約為7500 元·(m3·d-1)-1和6000元·(m3·d-1)-1[圖5（a）]。工程總投資隨投入運(yùn)營(yíng)時(shí)間逐漸上升（Jonckheere-Terpstra’s p = 0.000），2015年之后投入運(yùn)營(yíng)的MBR工程總投資為4000～10 000 元·(m3·d-1)-1[平 均 約8500 元·(m3·d-1)-1]，約 為2010年 之 前 投 入運(yùn) 營(yíng) 工 程 總 投 資[2500～3500 元·(m3·d-1)-1，平 均 約3700 元·(m3·d-1)-1]的2倍。工程總投資隨投入運(yùn)營(yíng)時(shí)間上升的原因可能為：①政府對(duì)水環(huán)境治理的力度加大，工業(yè)廢水處理出水水質(zhì)要求不斷提高，尤其是各地在2015年前后適時(shí)制定并發(fā)布了地方標(biāo)準(zhǔn)，污染物排放的濃度限值多嚴(yán)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（見附錄A中的表S1）。因此，工業(yè)廢水處理工藝進(jìn)一步組合和延長(zhǎng)，即2015年之后處理工藝流程更復(fù)雜。另外，對(duì)管網(wǎng)鋪設(shè)和污泥處理要求的提高，也會(huì)導(dǎo)致總投資的增加。 ②2010年前MBR主要用于石化廢水的處理，而在 2015年后，MBR已應(yīng)用于各種工業(yè)廢水處理[圖2（b）]，涉及的工藝流程隨廢水性質(zhì)和出水水質(zhì)要求發(fā)生變化。在單體規(guī)模方面，隨著單體規(guī)模的增大，總投資有減小的傾向[圖5（c）]，圖中municipal-large、industrial-large和surface water數(shù)據(jù)來自參考文獻(xiàn)[5,8]，其中單體規(guī)?！?0 000 m3·d-1。單體規(guī)模為5000～10 000 m3·d-1的平均總投資約為9000 元·(m3·d-1)，而單體規(guī)?！?0 000 m3·d-1的平均總投資約為5500 元·(m3·d-1)-1。

處理工業(yè)廢水的MBR工程的總占地面積（包括所有工藝構(gòu)筑物及相關(guān)設(shè)施的占地面積）為0.8～2.2 m2·(m3·d-1)-1，平 均 數(shù) 和 中 位 數(shù) 分 別 為2.0 m2·(m3·d-1)-1和 1.4 m2·(m3·d-1)-1[圖5（b）]。與2010年之前投入運(yùn)營(yíng)的工程的總占地面積[平均數(shù)為1.0 m2·(m3·d-1)-1]相比，2015年之后投入運(yùn)營(yíng)的工程總占地面積更大[平均數(shù)為2.2 m2·(m3·d-1)-1]。更嚴(yán)格的出水標(biāo)準(zhǔn)使得工藝流程更復(fù)雜，同時(shí)也是占地面積增大的可能原因。與總投資相似，總占地面積表現(xiàn)出隨單體規(guī)模的增大而減小的傾向。單體規(guī)模為5000～10 000 m3·d-1的MBR的 平 均 總 占 地 面 積[約5.5 m2·(m3·d-1)-1]是 單體 規(guī) 模 為10 000～25 000 m3·d-1的2倍，是 單 體 規(guī) ?！?0 000 m3·d-1的4倍。工程總投資和總占地面積隨處理規(guī)模的增加而降低，反映出廢水集中處理在成本效益和土地利用效率上的優(yōu)勢(shì)，以及在集約型經(jīng)濟(jì)發(fā)展背景下工業(yè)園區(qū)建設(shè)的必然性。隨著工業(yè)園區(qū)的建設(shè)，超大型MBR工程逐漸增多，處理工業(yè)廢水的MBR工程的總投資和總占地面積有望進(jìn)一步降低。

總體上，處理工業(yè)廢水的大型MBR工程總投資≥4000元·(m3·d-1)-1，總占地面積≥0.9 m2·(m3·d-1)-1，平均值分別約為7500元·(m3·d-1)?1和2.0 m2·(m3·d-1)?1，均明顯高于處理城鎮(zhèn)污水的MBR工程[平均值分別約為 4000元·(m3·d-1)-1和0.85 m2·(m3·d-1)-1]和 處 理 地 表 水的MBR工 程[平 均 值 分 別 約 為2500元·(m3·d-1)-1和0.5 m2·(m3·d-1)-1] [圖5（c）]。這是由進(jìn)水水質(zhì)特性和相應(yīng)處理工藝的差異所致。微污染地表水、城鎮(zhèn)污水和工業(yè)廢水中污染物濃度逐漸升高，污染物去除難度逐漸增大，因此處理工藝逐漸加長(zhǎng)和復(fù)雜化（表1 [14-25]），項(xiàng)目的總投資和總占地面積也不可避免地逐漸增大。

圖5. 處理工業(yè)廢水的MBR的項(xiàng)目投資。（a）總投資；（b）總占地面積（箱線圖中，箱體指示兩個(gè)四分位數(shù)和中位數(shù)，方框代表算數(shù)平均數(shù)，上下邊緣分別代表第95個(gè)和第5個(gè)百分位數(shù)）；（c）不同進(jìn)水水質(zhì)的MBR項(xiàng)目投資（點(diǎn)為算術(shù)平均數(shù)，誤差線為四分位距）。

4.2. 運(yùn)行費(fèi)用

處理工業(yè)廢水的MBR工程的運(yùn)行費(fèi)用主要包括運(yùn)行能耗、化學(xué)藥劑、膜元件更換等支出[9]。與CAS工藝相比，能耗高是阻礙MBR推廣應(yīng)用的主要障礙之一。為此，已有大量研究和實(shí)踐致力于發(fā)展和驗(yàn)證節(jié)能降耗新技術(shù)。然而，本研究發(fā)現(xiàn)，處理工業(yè)廢水的MBR的膜池能耗在生物處理過程總能耗中的占比僅約17%，低于處理城鎮(zhèn)污水的MBR能耗占比（48% [31]），即其他生物處理單元為主要耗能單元。若進(jìn)一步考慮深度處理過程（如RO），能耗和出水水質(zhì)之間的權(quán)衡使MBR成為難降解工業(yè)廢水處理中節(jié)能工藝的選項(xiàng)。不同工藝處理同一污染物的邊際成本不同，對(duì)工業(yè)廢水處理過程中污染物去除的環(huán)境效益和能耗成本的比較，顯示出MBR的凈利潤(rùn)更具競(jìng)爭(zhēng)力。還應(yīng)當(dāng)注意的是，處理工業(yè)廢水的MBR的能耗高于處理城鎮(zhèn)污水的MBR，但隨著單體規(guī)模的增大，二者的差距逐漸縮小[圖6（a），圖中城鎮(zhèn)污水?dāng)?shù)據(jù)來自參考文獻(xiàn)[28,31-37] ]。單體規(guī)模在5000～20 000 m3·d-1時(shí)，處理工業(yè)廢水的比能耗為0.5～1.5 kW·h·m-3，而處理城鎮(zhèn)污水為0.5～0.9 kW·h·m-3。單體規(guī)?！?0 000 m3·d-1時(shí)，處理工業(yè)廢水和城鎮(zhèn)污水的比能耗均降至0.3～0.5 kW·h·m-3。工業(yè)廢水中含有較多膜污染物，為控制膜污染而導(dǎo)致能耗提升。集中處理有利于效率的提升，并且部分超大型MBR工程的進(jìn)水包含部分生活污水和二級(jí)出水，均可能導(dǎo)致能耗降低。

工業(yè)廢水中含有的難降解物質(zhì)和毒性污染物往往需要通過投加化學(xué)輔助藥劑來去除。處理工業(yè)廢水的MBR工程中總化學(xué)藥劑的費(fèi)用平均為1.17元·(m3·d-1)-1，約占總運(yùn)行費(fèi)用[平均為1.94元·(m3·d-1)-1]的60% [圖6（b）] [28,31-37]。膜池所需化學(xué)藥劑主要來自膜組器的化學(xué)清洗，包括維護(hù)性清洗（低濃度、頻繁）和恢復(fù)性清洗（高濃度，平均清洗間隔約4個(gè)月，表2 [14-17,21,23,24,30]），所需費(fèi)用應(yīng)占總化學(xué)藥劑費(fèi)用的很少比例。

持續(xù)不斷的研發(fā)提升了MBR的成本效益。得益于膜制造工藝和膜材料性能的不斷改進(jìn)，膜元件的價(jià)格顯著降低，均價(jià)從2013年的約940元·(m3·d-1)-1降至2019年的約370元·(m3·d-1)-1（見附錄A中的圖S1）[27,32-37]。同時(shí)，膜的使用壽命保持在4～7年[平均為5年；圖6（b）]，使得膜元件的年度費(fèi)用有所降低。膜折舊費(fèi)用平均為0.24元·m-3，占總運(yùn)行費(fèi)用的13% [圖6（b）]。然而，調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，膜元件在4～5年時(shí)更換的情形亦為常見（8個(gè)案例中4個(gè)為此情況）。MBR工程中膜壽命的影響因素（如膜損壞、膜老化和不可逆污染）還需進(jìn)一步研究。

5. 處理工業(yè)廢水的MBR的市場(chǎng)特征

5.1. 膜元件和供應(yīng)商

高質(zhì)量的膜元件是處理工業(yè)廢水的MBR的核心部分，目前以聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride, PVDF）中空纖維膜應(yīng)用最為廣泛。表3列舉了一些膜供應(yīng)商，如天津膜天膜科技股份有限公司、北京碧水源科技股份有限公司、日本三菱麗陽(yáng)株式會(huì)社（Mitsubishi Rayon）等。此外，平板膜也有部分應(yīng)用，例如，日本東麗株式會(huì)社（Toray）和久保田株式會(huì)社（Kubota）為平板膜的供應(yīng)商。除PVDF外，部分供應(yīng)商也供應(yīng)聚氯乙烯（polyvinyl chloride, PVC）、聚醚砜（polyether sulfone, PES）和聚砜（polysulfone, PSF）膜材料，如山東招金膜天股份有限公司和深圳市立昇凈水科技有限公司等。陶瓷膜（浸沒式MBR中多為平板膜，分置式MBR中多為管式膜）憑借其在化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、抗微生物污染等方面的優(yōu)勢(shì)得到應(yīng)用，江蘇久吾高科技股份有限公司、ItN（德國(guó)，目前被上海巴安水務(wù)股份有限公司控股）均為陶瓷膜的生產(chǎn)商。

圖6. MBR工程的運(yùn)行費(fèi)用。（a）采用MBR的城鎮(zhèn)污水和工業(yè)廢水處理廠的比能耗；（b）處理工業(yè)廢水的大型MBR的其他主要運(yùn)行費(fèi)用。

巨大的中國(guó)市場(chǎng)吸引了國(guó)內(nèi)外的膜供應(yīng)商（表3）。國(guó)外膜供應(yīng)商，如日本旭化成株式會(huì)社（Asahi Kasei）、新加坡美能材料科技有限公司（Memstar，現(xiàn)被中國(guó)中信集團(tuán)控股）、加拿大坎普爾公司（Canpure）等成立時(shí)間較早，擁有豐富的膜產(chǎn)品生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，2015年之前投入運(yùn)營(yíng)的處理工業(yè)廢水的大型MBR中的膜元件供應(yīng)量占比64%～75%（圖7）。近年來，國(guó)內(nèi)膜供應(yīng)商，如天津膜天膜科技股份有限公司、北京碧水源科技股份有限公司、北京賽諾膜技術(shù)有限公司等，在產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)能力上發(fā)展迅速，市場(chǎng)份額逐步擴(kuò)大，已成為中國(guó)膜市場(chǎng)的主要供應(yīng)商，并向海外擴(kuò)展。在2015年后投入運(yùn)營(yíng)的處理工業(yè)廢水的大型MBR中，國(guó)內(nèi)供應(yīng)商的市場(chǎng)份額為76%（圖7）。

表3 中國(guó)處理工業(yè)廢水的MBR的主要膜元件供應(yīng)商

5.2. 商業(yè)模式和工程商

依據(jù)項(xiàng)目來源，處理工業(yè)廢水的MBR包含自營(yíng)項(xiàng)目（企業(yè)自身配套的環(huán)保項(xiàng)目）和政府項(xiàng)目（政府主導(dǎo)的公益項(xiàng)目）。早期的MBR項(xiàng)目以自營(yíng)項(xiàng)目為主，2010年之前，自營(yíng)項(xiàng)目的處理規(guī)模占當(dāng)時(shí)大型MBR項(xiàng)目總處理規(guī)模的80%。近年來，隨著各地政府對(duì)工業(yè)企業(yè)的布局和調(diào)整以及對(duì)工業(yè)園區(qū)的建設(shè)等，政府項(xiàng)目比例逐漸升高，在2015年之后投入運(yùn)營(yíng)和在建項(xiàng)目中，政府項(xiàng)目的處理規(guī)模占比已接近87% [圖8（a）]。MBR在政府項(xiàng)目中的應(yīng)用數(shù)量和處理規(guī)模的增大，體現(xiàn)出社會(huì)主流對(duì)MBR技術(shù)的認(rèn)可和接受。

處理工業(yè)廢水的MBR以多元化的商業(yè)模式運(yùn)作。自營(yíng)項(xiàng)目一般采用工程總承包（engineering-procurement-construction, EPC）模式，由企業(yè)出資，工程公司競(jìng)標(biāo)后進(jìn)行建設(shè)，建成后由企業(yè)進(jìn)行后續(xù)經(jīng)營(yíng)。政府項(xiàng)目（占一半甚至更大比例）通常具有處理規(guī)模大、影響范圍廣的特點(diǎn)，需要大量的資金投入，多采用政府和社會(huì)資本合作模式（public-private partnership, PPP）[圖8（b）]。在2015年之前，建造—經(jīng)營(yíng)—轉(zhuǎn)讓（build-operate-transfer, BOT）模式是主要的PPP模式（廣義），處理規(guī)模占當(dāng)時(shí)總處理規(guī)模的34%，其次是轉(zhuǎn)讓—經(jīng)營(yíng)—轉(zhuǎn)讓（transfer-operate-transfer, TOT）和建造—擁有—經(jīng)營(yíng)（build-own-operate, BOO）模式，共占比10%。 2015年之后，隨著PPP概念的提出和政府的推進(jìn)，政府與私人組成特殊目的機(jī)構(gòu)（special purpose vehicle, SPV），通過引入社會(huì)資本，共同設(shè)計(jì)開發(fā)，共同承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)。PPP模式使得政府主導(dǎo)的規(guī)模較大的基建項(xiàng)目（如大型工業(yè)園區(qū)廢水處理工程等）得以落實(shí)，逐步成為主要的商業(yè)模式。在處理工業(yè)廢水的MBR工程中，明確標(biāo)明為PPP模式（狹義，借助SPV）的項(xiàng)目占比約30%。

圖7. 處理工業(yè)廢水的大型MBR采用的膜元件的市場(chǎng)份額（依據(jù)累積處理規(guī)模）。

中國(guó)MBR市場(chǎng)的參與者同樣包含國(guó)內(nèi)和國(guó)外的優(yōu)秀工程商（部分工程商見表4，多為上市公司），其中國(guó)內(nèi)工程商表現(xiàn)非常活躍，如北京碧水源科技股份有限公司、北京首創(chuàng)生態(tài)環(huán)保集團(tuán)股份有限公司、北控水務(wù)集團(tuán)有限公司、桑德集團(tuán)等。中國(guó)不斷擴(kuò)大的工業(yè)廢水處理的MBR市場(chǎng)促進(jìn)了各工程商的發(fā)展，也帶來了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。一方面，部分膜供應(yīng)商憑借高性能膜材料的制造和工程經(jīng)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)，已發(fā)展成為工程公司（如天津膜天膜科技股份有限公司、江蘇久吾高科技股份有限公司）為客戶提供全鏈條服務(wù)；另一方面，一些污水治理的專業(yè)工程投資與建設(shè)公司也通過收購(gòu)、并購(gòu)、合作、研發(fā)等方式提升綜合競(jìng)爭(zhēng)力，如北京碧水源科技股份有限公司、中信集團(tuán)、北京新源國(guó)能科技集團(tuán)股份有限公司、博天環(huán)境集團(tuán)股份有限公司等。

表4 中國(guó)處理工業(yè)廢水的MBR工程的主要工程商

6. MBR用于工業(yè)廢水處理的驅(qū)動(dòng)力

6.1. 政策—經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力

在過去的十年間，中國(guó)的工業(yè)化發(fā)展速度之快受到世界矚目，同一時(shí)期，中國(guó)也經(jīng)歷著產(chǎn)業(yè)和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整、加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善和保護(hù)。建設(shè)美麗中國(guó)和生態(tài)文明已被寫入中國(guó)憲法，以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生態(tài)保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。污染防治已被列為全面建設(shè)小康社會(huì)三大攻堅(jiān)戰(zhàn)之一。在制定經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定增長(zhǎng)目標(biāo)的同時(shí)，政府也制定了污染防治行動(dòng)計(jì)劃，并在全國(guó)范圍內(nèi)得到有效實(shí)施，推動(dòng)了相關(guān)治理技術(shù)的發(fā)展。強(qiáng)大的國(guó)家管理體系推動(dòng)了中國(guó)廢水行業(yè)的發(fā)展，使其擁有全球領(lǐng)先的總市值，并擁有世界上最大的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)[38]。

圖8. 新投入運(yùn)營(yíng)處理工業(yè)廢水的大型MBR工程分布（依累積處理規(guī)模）。（a）自營(yíng)項(xiàng)目和政府項(xiàng)目；（b）政府項(xiàng)目的商業(yè)模式。BOO：建造—擁有—經(jīng)營(yíng)；BOT：建造—經(jīng)營(yíng)—轉(zhuǎn)讓；O&M：運(yùn)行和維修；PPP：政府和社會(huì)資本合作（圖中PPP模式的數(shù)據(jù)對(duì)明確標(biāo)有PPP模式的項(xiàng)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，這一類型在2015年之后出現(xiàn)）；TOT：轉(zhuǎn)讓—經(jīng)營(yíng)—轉(zhuǎn)讓。

在水環(huán)境保護(hù)與治理方面，相關(guān)法律法規(guī)獲得頒布或修訂?！吨腥A人民共和國(guó)水污染防治法》在2008年和2017年兩次修訂，分別強(qiáng)化了可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)理念。2011年《中央1號(hào)文件》明確要求施行“三條紅線”的最嚴(yán)格的水資源管理制度。2012年國(guó)務(wù)院印發(fā)《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》，對(duì)該制度進(jìn)行了全面部署和具體安排。同年，中國(guó)共產(chǎn)黨第十八次全國(guó)代表大會(huì)做出“大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)”的戰(zhàn)略決策。2015年國(guó)務(wù)院頒布的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（即“水十條”）提出水環(huán)境治理強(qiáng)力監(jiān)管和嚴(yán)格問責(zé)，“鐵腕治污”進(jìn)入新常態(tài)[39]。

在工業(yè)用水方面，總量控制及廢水回收利用在“十三五”（2016—2020年）期間表現(xiàn)明顯?！吨腥A人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要（2016—2020年）》指出全面推進(jìn)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)，加快工業(yè)節(jié)水改造，鼓勵(lì)一水多用、優(yōu)水優(yōu)用、分質(zhì)利用，并加快實(shí)施再生水回收利用工程[40]?！豆I(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》明確指出提高工業(yè)用水效率，推進(jìn)工業(yè)廢水處理回收利用，推動(dòng)工業(yè)園區(qū)集約利用水資源，實(shí)行水資源梯級(jí)優(yōu)化利用和廢水集中處理回收利用，至2020年單位工業(yè)增加值用水量比2015年下降23% [41]。此外，“水十條”要求加強(qiáng)工業(yè)水循環(huán)利用以推進(jìn)循環(huán)發(fā)展，推進(jìn)礦井水綜合利用，加強(qiáng)洗煤廢水循環(huán)利用，鼓勵(lì)鋼鐵、紡織印染、造紙等高耗水企業(yè)廢水深度處理回收利用[42]。

為積極響應(yīng)和落實(shí)中央政策，各地紛紛出臺(tái)或修訂地方標(biāo)準(zhǔn)，提高污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)，并且大力推進(jìn)低影響開發(fā)（low impact development, LID）、海綿城市、黑臭水體治理等項(xiàng)目的建設(shè)。

在環(huán)保行動(dòng)計(jì)劃開展的同時(shí)，包括膜技術(shù)在內(nèi)的相關(guān)技術(shù)也得到官方推廣。膜材料及組件自2007年起被國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)列為當(dāng)前優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)領(lǐng)域（分別在第56項(xiàng)的膜材料及組件、116項(xiàng)的工業(yè)和城市節(jié)水、廢水處理技術(shù)及設(shè)備中提及[43]，且新一代分離膜及膜器等新工藝及裝備被明確列為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)綠色化改造關(guān)鍵技術(shù)[41]）。

因此，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和自上而下政策的有效實(shí)施，MBR有望繼續(xù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水的處理和回收利用，為中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的進(jìn)一步發(fā)展發(fā)揮重要作用。

6.2. 市場(chǎng)—技術(shù)驅(qū)動(dòng)力

中國(guó)幾十年來一直致力于節(jié)約用水，擁有廣闊的工業(yè)廢水處理與循環(huán)利用市場(chǎng)。隨著工業(yè)用水量的逐年增加，廢水回收利用和水資源循環(huán)利用在工業(yè)節(jié)水中發(fā)揮了重要作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)城鎮(zhèn)工業(yè)用水中，新水取用量多年維持在大約1 × 1010m3，城鎮(zhèn)污水和工業(yè)廢水經(jīng)處理后再生回收利用一直是工業(yè)用水的主要來源[圖9（a）]。2017年中國(guó)城鎮(zhèn)工業(yè)用水總量達(dá)到9.172 × 1010m3，其中89.5%為回收利用水。此外，2017年 城市工業(yè)節(jié)水4.65 × 109m3，占城市總節(jié)水量的70% [圖9（b）]。在不斷的努力下，2017年中國(guó)萬元工業(yè)增加值用水量逐步降低至45.88 m3，約為2007年的1/3 [圖9（b）]。2017年由國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、水利部以及住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合印發(fā)的《節(jié)水型社會(huì)建設(shè)“十三五”規(guī)劃》中指出，2020年萬元工業(yè)增加值用水量比2015年下降20%（即由56.44 m3降至45.15 m3），并對(duì)典型高耗水行業(yè)提出了明確的節(jié)水目標(biāo)。

可以預(yù)見，工業(yè)廢水的回收利用將逐漸成為節(jié)水措施的重要組成部分：①如6.1節(jié)所述，水污染防治與水資源保護(hù)的政策和法律不斷強(qiáng)化；②節(jié)水設(shè)施投資逐年增加。在“水十條”出臺(tái)之后，2017年城鎮(zhèn)節(jié)水設(shè)施投資顯著提升至59.9億元（約8.4億美元）[圖9（b）]，且政府和社會(huì)資金均有投入；③技術(shù)不斷優(yōu)化、回收利用途徑更加多元化。

憑借出水水質(zhì)穩(wěn)定、占地面積小、污泥產(chǎn)量少、后續(xù)深度處理負(fù)荷?。ㄈ鐪p少反滲透膜污染）等優(yōu)點(diǎn)，MBR已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于污廢水處理，這也是市場(chǎng)需求的結(jié)果。本研究中的工程應(yīng)用成果以及不斷積累的文獻(xiàn)和專利[5]，從工程和科研兩個(gè)方面反映出對(duì)MBR的創(chuàng)新和改進(jìn)。在高科技友好政策的支持下，在持續(xù)的研發(fā)和工程應(yīng)用資金投入的共同作用下，MBR已迅速發(fā)展成為一項(xiàng)具有競(jìng)爭(zhēng)力的成熟技術(shù)，尤其在出水水質(zhì)要求高、土地有限的行業(yè)和地區(qū)。未來MBR在工業(yè)廢水處理中的累積處理規(guī)模和投資將繼續(xù)大幅增長(zhǎng)，而MBR仍需在工程和研發(fā)兩方面進(jìn)一步努力發(fā)展。

7. 展望

MBR已經(jīng)在中國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用，在城鎮(zhèn)污水、工業(yè)廢水和滲濾液[44]等不同的污廢水處理領(lǐng)域累積了一定的處理規(guī)模。這些工程積累了豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，而工程與研發(fā)之間的相互促進(jìn)可以加速M(fèi)BR技術(shù)的發(fā)展。本研究基于大型MBR在中國(guó)工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用，就MBR在該領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展提出如下展望。

7.1. 工程發(fā)展方面

保障長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行、提高產(chǎn)水量、降低成本和能耗是保持MBR在工業(yè)廢水處理領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的必要措施。處理工業(yè)廢水的MBR在以下方面期待進(jìn)一步發(fā)展。

7.1.1. 高通量長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行

處理工藝的創(chuàng)新，MBR與其他技術(shù)或工藝的協(xié)同運(yùn)行，以及經(jīng)濟(jì)高效的MBR優(yōu)化構(gòu)型對(duì)保證其長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。區(qū)分特定條件（進(jìn)水水質(zhì)、地理氣候等），調(diào)節(jié)各工藝間的污染物去除效率以減少對(duì)膜截留的依賴，調(diào)節(jié)混合液性質(zhì)，以及基于大數(shù)據(jù)的精確控制等是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)運(yùn)行效果的重要努力方向。此外，先進(jìn)膜材料（具有高通量、高強(qiáng)度和抗污染性能）的制備是增強(qiáng)MBR優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。

圖9. 城鎮(zhèn)工業(yè)用水量（a）及城鎮(zhèn)節(jié)約用水量和中國(guó)大陸地區(qū)萬元工業(yè)增加值用水量（b）（數(shù)據(jù)來源于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》和《中國(guó)城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》 ）。

7.1.2. 低成本和低能耗

MBR（特別是地下MBR）在減少占地面積方面具有優(yōu)勢(shì)，而這種優(yōu)勢(shì)隨著單體規(guī)模的增加而增強(qiáng)，有利于減少污水處理工程的總投資。此外，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命、低價(jià)格的先進(jìn)膜元件的批量生產(chǎn)，也可降低MBR的成本。

降低能耗符合環(huán)境和經(jīng)濟(jì)兩方面發(fā)展的需求。隨著工業(yè)園區(qū)的逐步建設(shè)，園區(qū)綜合廢水對(duì)各單位的廢水水質(zhì)具有調(diào)節(jié)作用，而單體規(guī)模也得到擴(kuò)大，因而MBR運(yùn)行的比能耗有望進(jìn)一步降低。此外，基于污染物去除和膜污染的分析，開發(fā)新型曝氣策略、聯(lián)合自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)曝氣也將是未來發(fā)展的方向。

7.1.3. 厭氧MBR的工程應(yīng)用

厭氧膜生物反應(yīng)器（anaerobic MBR, AnMBR）能同時(shí)實(shí)現(xiàn)廢水污染物去除和甲烷的生產(chǎn)，比好氧MBR更具能源可持續(xù)性。據(jù)日本、美國(guó)和一些歐洲國(guó)家的報(bào)道，含有高濃度有機(jī)物的工業(yè)廢水適合采用AnMBR處理工藝。據(jù)筆者調(diào)查，盡管已有科研投入，中國(guó)尚未有AnMBR的工程應(yīng)用。對(duì)反應(yīng)器構(gòu)型設(shè)計(jì)、膜元件選擇、膜污染控制、甲烷回收等方面的持續(xù)研發(fā)和經(jīng)驗(yàn)積累，使AnMBR的應(yīng)用未來可期。

7.2. 技術(shù)研發(fā)方面

為獲得更好的工程性能（如第5.2節(jié)所述）和更廣泛的推廣，MBR的研發(fā)應(yīng)注重環(huán)境、材料、化學(xué)和信息科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的交叉合作。以下幾個(gè)方面在未來應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

7.2.1. 先進(jìn)膜材料和膜元件

先進(jìn)的膜材料和膜元件是實(shí)現(xiàn)MBR可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，有利于提高M(jìn)BR的性能、降低成本。先進(jìn)的膜材料應(yīng)具有高強(qiáng)度、高通量和抗污染等特性，而膜元件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新和改進(jìn)同樣重要。除聚合物中空纖維膜外，無機(jī)平板膜在工業(yè)廢水處理領(lǐng)域的適用性也應(yīng)被充分評(píng)估。

7.2.2. 膜污染深層機(jī)理和新型抗污染策略

膜污染控制是MBR相關(guān)研究的永恒主題。整體上，MBR的發(fā)展需要新型膜污染控制方法、曝氣策略和自動(dòng)智能精確調(diào)節(jié)系統(tǒng)。值得注意的是，頻繁的恢復(fù)性清洗、較短的膜壽命均表明MBR在處理工業(yè)廢水時(shí)不可逆污染發(fā)展迅速。因此，不可逆污染的形成機(jī)理及相應(yīng)的控制策略應(yīng)是重要的研究方向。此外，在工程應(yīng)用中，恢復(fù)性清洗需要高效的化學(xué)清洗劑，研發(fā)中也值得關(guān)注。

7.2.3. 信息化評(píng)估和控制系統(tǒng)

目前迫切需要對(duì)MBR進(jìn)行科學(xué)評(píng)估。為膜產(chǎn)品建立準(zhǔn)確的測(cè)試和評(píng)估體系有助于確定關(guān)鍵參數(shù)（如膜壽命），而不只是依靠經(jīng)驗(yàn)值。另外，基于理論計(jì)算和工程中的大數(shù)據(jù)，可為未來MBR的應(yīng)用，包括運(yùn)行條件參數(shù)等提供指導(dǎo)。此外，目前對(duì)MBR的生命周期評(píng)價(jià)（life cycle assessment, LCA）和經(jīng)濟(jì)學(xué)模型的研究還不充分，成套的技術(shù)經(jīng)濟(jì)成本效益評(píng)價(jià)工具將大有用武之地。在綜合考慮MBR的環(huán)境影響和經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)上，對(duì)其綜合成本、效益和效率進(jìn)行量化和評(píng)價(jià)，有助于在特定條件下對(duì)MBR的應(yīng)用做出最佳決策。

最后，科學(xué)研究和工程應(yīng)用之間的對(duì)接也是進(jìn)一步保持MBR優(yōu)勢(shì)的有效途徑。將科研成果應(yīng)用于實(shí)際，或開展與工程需求相關(guān)的科學(xué)研究，對(duì)MBR技術(shù)在工業(yè)廢水處理領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。

8. 結(jié)論

MBR在中國(guó)工業(yè)廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用已有近20年的歷史。對(duì)MBR工程應(yīng)用的及時(shí)回顧和總結(jié)有助于其進(jìn)一步發(fā)展。本研究通過對(duì)處理工業(yè)廢水的大型MBR工程（單體規(guī)?！?000 m3·d-1）進(jìn)行調(diào)查，得出以下結(jié)論。

中國(guó)MBR市場(chǎng)生機(jī)勃勃，國(guó)內(nèi)膜供應(yīng)商和工程公司發(fā)展迅速，處理工業(yè)廢水的大型MBR累積處理規(guī)模將超過4 × 106m3·d-1。此類項(xiàng)目總投資≥4000元·(m3·d-1)-1[約570美 元·(m3·d-1)-1]，占 地 面 積≥0.9 m2·(m3·d-1)-1。運(yùn)行能耗為0.3～1.5 kW·h·m-3。此外，與處理城鎮(zhèn)污水的MBR相比，處理工業(yè)廢水的MBR的通量較低（約15.9 L·m-2·h-1）、比曝氣強(qiáng)度較高[約18.6 Nm3·m?3]、恢復(fù)性清洗間隔較短（約4.2個(gè)月）。

大型MBR主要應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)區(qū)（帶）和缺水地區(qū)。從中央到地方，環(huán)保政策不斷強(qiáng)化，出水標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，土地供應(yīng)有限，且地價(jià)持續(xù)上漲。在此形勢(shì)下，MBR在工業(yè)廢水處理和回收利用的巨大市場(chǎng)中，具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。MBR的可持續(xù)發(fā)展需要在實(shí)踐和科研兩方面共同努力，以增強(qiáng)該技術(shù)在工業(yè)廢水處理和循環(huán)利用方面的優(yōu)勢(shì)。

致謝

本研究受北京市自然科學(xué)基金（L182044）、工業(yè)和信息化部項(xiàng)目（2017LSZZ001-003）和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)（2019172）資助。衷心感謝北京新源國(guó)能科技集團(tuán)股份有限公司的秦紀(jì)偉先生在工程信息方面提供的幫助，以及中國(guó)科學(xué)院大學(xué)韓秉均先生在數(shù)據(jù)分析上給與的幫助。

Compliance with ethics guidelines

Jiao Zhang, Kang Xiao, Ziwei Liu, Tingwei Gao, Shuai Liang, and Xia Huang declare that they do not have a conflict of interest or financial conflicts to disclose.

Appendix A. Supplementary data

Supplementary data to this article can be found online at https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.09.012.