MBR工艺全球应用现状及趋势分析
摘要：膜生物反应器（MBR）曾被认为是一项成熟并代表未来的污水处理技术，在21世纪初十年中获得空前应用，并一度有取代传统活性污泥工艺（CAS）之趋势。然而， MBR工程应用数量近年在全球市场骤降，与其在中国市场不断升温的“热像”形成鲜明对比。究其原因，高能耗和膜污染等诟病使其在技术、经济与管理等方面综合比较远不如CAS，有悖可持续发展的全球理念。基于MBR发展历程，分析衰落原因，展望未来应用。MBR工程应用在全球范围内已理性回归，对过热的中国市场应是一种启示，特别是对中国目前兴起的地下式MBR。
作者简介：郝晓地（1960-），男，山西柳林人,博士，教授，从事市政与环境工程专业教学与科研工作，主要研究方向为污水生物脱氮除磷技术、污水处理数学模拟技术、可持续环境生物技术,现为国际水协期刊《Water Research》区域主编（Editor）。
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发展历程
MBR工艺概念最早源于美国。20世纪60年代，美国Dorr-Oliver公司首先将膜分离与生物处理工艺结合用于污水处理领域；尽管当初处理规模只有14m³/d，但毕竟是MBR工艺的雏形。MBR工艺发展初期均为侧流式工艺，即膜过滤系统独立于生物反应池之外，污泥需要通过循环泵回流至生物反应池内。循环泵会加MBR工艺运行能耗，加之当时膜分离技术发展缓慢、膜组件价格昂贵，致使当时MBR多处于实验室小试或中试水平，并没有获得大规模实际应用。
20世纪70年代—80年代，MBR大体上仍处于研发阶段。在这期间，国土面积狭小，水资源短缺的日本政府启动了“水复兴90年规划”科研项目，在高层建筑中将MBR工艺用于污水回用系统使用，仅1983年—1987年间便有13家公司采用MBR工艺处理楼宇污水，直接推动了MBR技术发展。
1989年浸没式MBR工艺首次引入生物处理系统，将膜过滤系统置于生物反应池内部，取消侧流式循环泵，使处理装置变得更加紧凑，平均耗能也从早期的5kW·h/m³降至2kW·h/m3。内置式膜组件的出现打开了MBR工程应用的大门，逐渐成为主流应用工艺向全球推广。
20世纪90年代之后，随着新型膜材料出现，MBR工艺运行得到进一步稳定，能耗也进一步降低。加拿大Zenon公司先后推出超滤管式和浸入式中空纤维膜组件，日本Kubota公司研制出平板式浸没膜组件，北美、欧洲和日本纷纷建立了小型MBR项目用于市政污水和工业废水处理。20世纪90年代中期，日本已有39座采用MBR工艺的污水处理厂，最大处理规模可达500m³/d，同时有100多处高层建筑采用MBR工艺进行污水处理后回用。1997年，英国在Porlock建立了当时世界上规模最大（2000m³/d）的MBR污水处理厂，随后于1999年又在Dorset建成了处理规模为13000m³/d的MBR污水处理厂。
进入21世纪后，随着膜分离技术、组装结构和设备制造进步、以及各国对污水处理排放标准的收紧，MBR工艺迅速受到世界各国的青睐，特别是在中国得到了非常广泛的应用，可谓异军突起。
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应用趋势
2.1 单体处理规模增大
MBR工艺初次应用于污水处理时因外置膜过滤系统能耗过高而不适用于大型市政污水处理项目，仅应用于小型工业或家庭污水处理（<500m³/d）。随着低能耗内置的浸没式MBR工艺出现，MBR运行能耗降低，致其处理规模逐渐增大，超过1000m³/d的工程应用在1995年—2000年间已开始出现。膜分离技术发达的日本于2005年建成第一个大型MBR市政污水处理工程，处理规模达4200m³/d；2008年西班牙建成当时欧洲规模最大的MBR工程（San Pedro del Pinatar）污水处理厂，规模为4.8×104m³/d；美国弗吉尼亚州Broad Run 污水处理厂为北美最大MBR工程应用，规模达7.3×104m³/d；北京温榆河污水处理厂规模更高达10×104m³/d。
从2008年起，MBR工艺随长期运行优化、膜技术水平提高、膜组件成本降低，应用规模今非昔比，超20×104m³/d的工程应用在世界范围开始增多（见表1）。其中，位于瑞典斯德哥尔摩的Henriksdal污水处理厂将于2018年完成MBR升级改造并投入运行，其处理规模达到86.4×104m³/d，将成为世界MBR工程应用中的“巨无霸”。已运行的北京槐房污水再生处理厂，处理规模也达60×104m³/d，是当今世界MBR实际应用的“大哥大”。所有这一切主要归功于膜价格的大幅降低，目前膜市场均价已从20世纪90年代最高时的400美元/m2降至目前的50美元/m2以下。
表1 世界范围大型MBR应用项目
Table 1 Large full-scale MBR applications in theworld
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项目 |
地区 |
规模(×104m³/d) |
投运时间 |
建设目的 |
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Henriksdal污水处理厂 |
瑞典斯德哥尔摩 |
86.4 |
2018 |
升级 |
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Tuas 污水再生水厂 |
新加坡 |
80 |
2025 |
新建 |
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武汉北湖污水厂 |
中国湖北 |
80 |
2019 |
新建 |
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槐房污水再生处理厂 |
中国北京 |
60 |
2016 |
新建 |
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深圳罗芳污水处理厂 |
中国广东 |
40 |
2018 |
升级 |
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Seine Aval污水处理厂 |
法国巴黎 |
35.7 |
2016 |
升级 |
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Canton 污水处理厂 |
美国俄亥俄州 |
33.3 |
2017 |
升级 |
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兴义污水处理厂 |
中国贵州 |
30.7 |
2017 |
新建 |
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Euclid污水处理厂 |
美国俄亥俄州 |
25 |
2018 |
升级 |
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昆明第九/十污水处理厂 |
中国云南 |
25 |
2013 |
升级 |
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顺义污水处理厂 |
中国北京 |
23.4 |
2016 |
升级 |
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澳门污水处理厂 |
中国澳门 |
21 |
2017 |
升级 |
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成都第三污水处理厂 |
中国四川 |
20 |
2016 |
升级 |
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成都第五污水处理厂 |
中国四川 |
20 |
2016 |
升级 |
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成都第八污水处理厂 |
中国四川 |
20 |
2016 |
升级 |
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西安草滩污水处理厂 |
中国陕西 |
20 |
2016 |
新建 |
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福州洋里污水处理厂 |
中国福建 |
20 |
2015 |
新建 |
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武汉三金潭污水处理厂 |
中国湖北 |
20 |
2015 |
升级 |
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辽阳市中心区污水处理厂 |
中国辽宁 |
20 |
2012 |
升级 |
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2.2 应用增长速度骤减
国际权威MBR应用网对世界范围内近20年来700余座大型 MBR污水处理厂应用情况进行了逐年统计，并绘制了如图1所示的MBR工程应用趋势图。
图1 1996年—2017年世界范围MBR工程应用数量趋势
Fig.1Application trends of MBR installations in the world between 1999 and 2017
进入21世纪，MBR技术首先在北美和欧洲获得青睐，新增项目也都集中在这两个区域。随后，亚洲和其它地区（主要为澳洲、北非）迅速跟进。MBR工程应用在2009年—2012年间达到鼎盛时期；随后便开始回落，直至近两年应用数量只有鼎盛时期的10%。MBR应用增长衰落是全球范围内的，欧洲和北美经历了21世纪最初十年“热恋”后突然“失恋”，新增项目数量锐减，以至于2009年后亚洲成为MBR技术应用的主力，2012年后全球大型MBR项目主要集中在中国境内。
MBR市场增长放缓亦可以从市场全球年复合增长率(CAGR)和市场总额看出，CAGR可以体现某一产业增长的潜力和预期。2008年MBR工艺处于鼎盛时期，全球水务市场分析师曾乐观地预测国际MBR市场到2018年CAGR为22.4%，到2018年全球MBR市场价值总额预计达到34.4亿美元。但是，英国BBC Research最新报告显示，2014年全球MBR市场总额为4.257亿美元，到2019年预计仅达到7.777亿美元，年CAGR仅为12.8%，这与2008年预测相差甚远。BBC Research同时也给出了全球各大洲MBR市场CAGR预测，如图2所示。图2显示，2014年后亚太地区MBR市场年复合增长率高于欧洲和北美。结合图1数据可知，2014年后世界MBR市场增长主要由亚太地区引导，这其中，中国地区增长量对亚太地区总增长有着绝对的份额贡献。
图2 2014年—2019年世界MBR预计年复合增长率(CAGR)
Fig.2 Compound annual growth rate (CAGR) of MBR installations predicted by BBC Research between 2014 and 2019
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衰落原因
3.1 运行成本高
MBR工艺高运行成本主要限制了其广泛应用。高运行成本从投资伊始便开始体现；除膜组件依然昂贵（与CAS二沉池相比）外，较高的自动化运行水平也限制其广泛应用。我国市政污水处理应用MBR（规模>1×104m³/d）技术经济数据显示，MBR投资成本为2500~5000元/m3（含土建、膜系统和其他设备投资），均值为3800元/m3，远高于全国城镇污水处理厂平均2200元/m3投资水平。达到与MBR相同出水水质情况下，CAS工艺需要增加三级过滤系统（如砂滤）；即使如此，MBR投资依然比CAS高10%~30%。
MBR的高能耗主要有两方面原因：（1）膜污染或堵塞导致通量下降，维持设计通量就必须加压；（2）曝气池因生物量高（MLSS>8000mg/L）而需要维持较高溶解氧浓度（DO=3~4mg/L），也需要为减缓膜污染而增大曝气量。加压维持膜通量和曝气是MBR高能耗的主要原因，占总能耗的40%~50%，其中，膜池内曝气能耗约占总能耗的30%~40%。
经半个世纪发展，通过改变曝气方式使曝气能耗已显著降低，致使MBR工艺能耗亦大为降低，已从最初>5kW∙h/m³降到目前平均2kW∙h/m³水平。表2总结了一些国家应用MBR工艺能耗情况。与CAS工艺平均能耗0.30kW∙h/m³相比，MBR工艺能耗要高出60%~900%。正因能耗问题让膜生产大国的日本停止了对大型市政MBR项目审批。于是，日本2013年后着手开始研发新的MBR技术，旨在将其能耗控制在≤0.4 kW∙h/m³。
表2 世界各国MBR项目平均能耗
Table2 Average energy consumption of MBR installations in the world
3.2 膜污染与通量下降
尽管膜污染及其控制和清洗已经从技术层面做了大量有益工作，但并没有从根本上解决这一问题，膜污染现象终归是会发生的。为维持正常过滤通量，通过在线（维护性）清洗和离线（恢复性）化学清洗虽然会减轻膜污染问题，但是，膜清洗会缩短膜的使用寿命，而时常更换膜组件又会增加运行成本。
此外，膜通量问题也日益引起人们关注。在处理水量波动较大情况下，膜组件通量可靠性经不起时间考验。污水处理厂进水流量是一个动态变化过程，随气候、季节等因素变化而变化，流量变化对MBR工艺正常运行会产生较大影响。MBR膜组件存在一个极限通量，如果进水流量超过极限通量或者因为膜污染导致膜通量下降，超出通量部分污水就无法通过膜过滤处理。常规处理办法是增加一个流量调节池或者使用备用膜，或做溢流处理，但这会增加投资成本和运行费用。在实际运行中，通常是MBR刚运行前几年膜通量不会超限，但随时间推移膜污染现象出现会导致通量下降。为此，在水量波动较大地区，选择MBR工艺时需要特别谨慎。
3.3 标准化的缺失
目前，膜生产厂商众多，膜产品种类亦繁多。各厂商均有自己数据库和设计规范，但并没有形成一个统一的行业标准和规范，导致不同生产厂规格型号、外形尺寸各不相同，互不兼容。设备缺乏标准化给设计和采购首先带来麻烦，应用时一旦出现需要更换膜组件时，标准化缺失带来的劣势更为突出；换品牌意味重新设计膜系统，增加运行成本。即使同一品牌膜组件先后两种型号也常常不兼容；2008年德国Rödingen项更换膜组件时就出现了这种情况，不得不重新设计膜系统。此外，缺乏一条龙标准化作业服务常常导致膜供应商与施工方脱节，在安装过程膜组件损坏现象比比皆是。
膜市场标准化已引起人们重视，日本早在2012年便成立专家委员会，就MBR标准化问题进行讨论；欧盟资助的“加速城市污水净化膜发展（AMEDEUS）”项目中也包括了MBR标准化建设。市场标准化必将影响各大膜生产企业的经济利益，所以，膜标准化过程至今举步维艰，严重影响MBR工艺推广应用。
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展望未来
虽然MBR工艺具有出水水质和占地方面两大优势，但是，综合技术、经济、管理等综合因素，MBR已被确认为不可持续工艺。只有在土地、空间受到严格限制的情况下，MBR方能显示其独特优势。否则，CAS+砂滤将比其具有综合竞争力。荷兰Varsseveld污水处理厂MBR示范性项目运行八年后已选择拆除，代之以CAS+砂滤；荷兰仅有的几座MBR也陆续被全部拆除。
然而，位于瑞典斯德哥尔摩的MBR“巨无霸”Henriksdal项目却吸引着人们的眼球，它将成为世界上规模最大的MBR污水处理厂。这一庞大工程即将运行并不意味着MBR将再次带动其应用的热潮。这一工程的选择重点放在应对北欧严寒冬季常常出现的低温、积雪、结冰等严重问题，遂考虑将此工程放在斯德哥尔摩市中心一地下岩洞内实施。限于岩石结构空间狭小，同时为满足欧盟“波罗的海计划（BSAP）”出水水质和扩大处理规模之需要，项目只是无奈选择了MBR工艺进行升级改造。
国土面积狭小的新加坡近年来大力发展“新生水（NEWater）”项目。因MBR可以提供持续稳定的优质出水，适合用作反渗透原水，且可以省去常规反渗透之前所需的微滤/超滤（MF/UF），综合能耗相比于CAS工艺再加三级处理还节省0.13 kW∙h/m³，且可以降低土地使用成本。因此，在极度缺水和寸土寸金的新加坡，MBR似乎比CAS具有应用优势。类似新加坡情况也出现在一些缺水的海湾国家再生水项目上，况且这些国家油比水“贱”，“以油换水”在这些国家具有明显优势。
与上述国家特殊应用情况相比，我国大规模应用MBR技术的理由似乎并不充分，特别是近年出现的地下式MBR。无疑，土地、空间极度短缺、昂贵的一些大、中城市，迫不得已应用MBR无可厚非。但是，将MBR作为未来污水处理技术发展方向，并用它来全面升级既有、新建未来污水处理设施（甚至扩展到农村污水处理设备）确实值得商榷。对于我国发展中的地下式MBR更要甚重，毕竟它不是一个可持续的工艺。
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结语
除中国外，MBR工艺在全球应用骤降并非偶然现象，高能耗与膜污染让其背负不可持续之名。如果MBR这两个突出弊端不能在未来得到根本性解决，其工程应用很难维系。只有在一些特定情况（土地极度匮乏、空间十分有限、严重缺水、水比油贵）下，应用MBR才可能具有被动选择优势。即使在这样一些特定情况下，MBR也不是唯一选择，比如，好氧颗粒污泥技术就比它具有明显优势。
（本文一些配图选自网络，非出自原文）
本文发表于《中国给水排水》2018年10月第20期“述评与讨论”栏目，作者：郝晓地，陈峤，李季，曹达啟;单位：北京建筑大学城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室/中—荷污水处理技术研发中心
本文参考文献标准著录格式如下：
郝晓地，陈峤，李季，等. MBR工艺全球应用现状及趋势分析[J].中国给水排水，2018，34（20）：7-12.
HaoXiaodi, CHEN Qiao, LI Ji,et al. Status and trend of MBR application in the world[J].China Water & Wastewater，2018，34（20）：7-12(in Chinese).
Statusand Trend of MBR Application in the World
HAO Xiao-di, CHEN Qiao, LI Ji, CAO Da-qi
(Sino-Dutch R&D Centre for FutureWastewater Treatment Technologies Key Laboratory of Urban Stormwater System andWater Environment <Ministry of Education>, Beijing University of CivilEngineering and Architecture, Beijing 100044, P. R. of China)
Abstract:Membrane bioreactors (MBR) were once recognizeda mature and future wastewater treatment technology, which were extensivelyapplied in the first decade of the century, and had a tendency to replaceconventional activated sludge process (CAS). However, MBR did not become thehot favorite technology as expected ten years ago; their engineeringapplications were in sharp contrast to the “overheated” phenomena in China . Thereason for the decline is attributed to the drawbacks on energy consumption andmembrane fouling, which makes MBR inferior to CAS in sustainability evaluatedcomprehensively by technology, economy and management. Based on the developedprocess of MBR, the reason of the decline is analyzed, and the furtherapplication of MBR is prospected. The rational return of MBR applications shouldbe an inspiration to the MBR market in China ,especially to underground MBR that are emerging at present in China .
Key words: membrane bioreactors (MBR);conventional activated sludge (CAS); sustainability; membrane fouling;underground MBR
