MBR工艺全球应用现状及趋势分析【博业·体育登录入口】

概要：膜生物反应器（MBR）曾被指出是一项成熟期并代表未来的污水处理技术，在21世纪初十年中取得空前应用于，并一度有代替传统活性污泥工艺（CAS）之趋势。然而， MBR工程应用于数量近年在全球市场急剧下降，与其在中国市场大大加剧的“冷像”构成鲜明对比。

毕竟，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较为颇高CAS，有悖可持续发展的全球理念。基于MBR发展历程，分析衰败原因，展望未来应用于。

MBR工程应用于在全球范围内已理性重返，对短路的中国市场不应是一种救赎，尤其是对中国目前蓬勃发展的地下式MBR。作者简介：郝晓地（1960-），男，山西柳林人,博士，教授，专门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干氮除磷技术、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）。

1发展历程MBR工艺概念最先源自美国。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融合用作污水处理领域；尽管当初处置规模只有14m3/d，但却是是MBR工艺的雏形。MBR工艺发展初期皆为侧流式工艺，即膜过滤系统独立国家于生物反应池之外，污泥必须通过循环泵转往至生物反应池内。循环泵不会特MBR工艺运营能耗，加之当时膜分离技术发展缓慢、膜组件价格昂贵，导致当时MBR多正处于实验室小试或中试水平，并没取得大规模实际应用于。

20世纪70年代—80年代，MBR大体上仍正处于研发阶段。在这期间，国土面积狭小，水资源紧缺的日本政府启动了“水兴起90年规划”科研项目，在高层建筑中将MBR工艺用作污水返用系统用于，仅有1983年—1987年间之后有13家公司使用MBR工艺处置楼宇污水，必要推展了MBR技术发展。

1989年水龙头式MBR工艺首次引进生物处置系统，将膜过滤系统置放生物反应池内部，中止外侧流式循环泵，使处置装置显得更为灵活，平均值耗电也从早期的5kW·h/m3降到2kW·h/m3。内置式膜组件的经常出现关上了MBR工程应用于的大门，渐渐沦为主流应用于工艺向全球推展。20世纪90年代之后，随着新型膜材料经常出现，MBR工艺运营获得更进一步平稳，能耗也更进一步减少。

加拿大Zenon公司先后发售有界管式和浸泡式中空纤维膜组件，日本Kubota公司研制出平板式水龙头膜组件，北美、欧洲和日本争相创建了小型MBR项目用作市政污水和工业废水处置。20世纪90年代中期，日本有数39座使用MBR工艺的污水处理厂，仅次于处置规模平均500m3/d，同时有100多处高层建筑使用MBR工艺展开污水处理后回用。1997年，英国在Porlock创建了当时世界上规模仅次于（2000m3/d）的MBR污水处理厂，随后于1999年又在Dorset竣工了处置规模为13000m3/d的MBR污水处理厂。

转入21世纪后，随着膜分离技术、装配结构和设备生产变革、以及各国对污水处理废气标准的放宽，MBR工艺很快受到世界各国的注目，特别是在中国获得了十分普遍的应用于，堪称异军突起。2应用于趋势2.1 单体处置规模减小MBR工艺首度应用于污水处理时因外置膜过滤系统能耗过低而呼吸困难用作大型市政污水处理项目，仅有应用于小型工业或家庭污水处理（500m3/d）。随着低能耗内置的水龙头式MBR工艺经常出现，MBR运营能耗减少，致其处置规模渐渐减小，多达1000m3/d的工程应用于在1995年—2000年间已开始经常出现。膜分离技术繁盛的日本于2005年竣工第一个大型MBR市政污水处理工程，处置规模约4200m3/d；2008年西班牙竣工当时欧洲规模仅次于的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 污水处理厂为北美仅次于MBR工程应用于，规模约7.3×104m3/d；北京温榆河污水处理厂规模更高约10×104m3/d。

从2008年起，MBR工艺随长年运营优化、膜技术水平提升、膜组件成本减少，应用于规模今非昔比，超强20×104m3/d的工程应用于在世界范围开始激增（闻表格1）。其中，坐落于瑞典斯德哥尔摩的Henriksdal污水处理厂将于2018年已完成MBR升级改建并投放运营，其处置规模超过86.4×104m3/d，将沦为世界MBR工程应用于中的“巨无霸”。

已运营的北京槐房污水再造处理厂，处置规模也约60×104m3/d，是当今世界MBR实际应用于的“大哥大”。所有这一切主要得益于膜价格的大幅度减少，目前膜市场均价已从20世纪90年代最低时的400美元/m2降到目前的50美元/m2以下。表格1 世界范围大型MBR应用于项目国际权威MBR应用于网对世界范围内近20年来700余座大型 MBR污水处理厂应用于情况展开了大幅统计资料，并绘制了如图1右图的MBR工程应用于趋势图。

2.2应用于增长速度锐减图1 1996年—2017年世界范围MBR工程应用于数量趋势Fig.1 Application trends of MBR installations in the world between 1999 and 2017转入21世纪，MBR技术首先在北美和欧洲取得注目，追加项目也都集中于在这两个区域。随后，亚洲和其它地区（主要为澳洲、北非）很快第一时间。MBR工程应用于在2009年—2012年间超过鼎盛时期；随后之后开始回升，以后近两年应用于数量只有鼎盛时期的10%。

MBR应用于快速增长衰败是全球范围内的，欧洲和北美经历了21世纪最初十年“恋情”后忽然“爱情”，追加项目数量骤减，以至于2009年后亚洲沦为MBR技术应用于的主力，2012年后全球大型MBR项目主要集中于在中国境内。MBR市场快速增长上升亦可以从市场全球年填充增长率(CAGR)和市场总额显现出，CAGR可以反映某一产业快速增长的潜力和预期。2008年MBR工艺正处于鼎盛时期，全球水务市场分析师曾悲观地预测国际MBR市场到2018年CAGR为22.4%，到2018年全球MBR市场价值总额预计超过34.4亿美元。

但是，英国BBC Research近期报告表明，2014年全球MBR市场总额为4.257亿美元，到2019年预计仅有超过7.777亿美元，年CAGR仅有为12.8%，这与2008年预测差距太远。BBC Research同时也得出了全球各大洲MBR市场CAGR预测，如图2右图。

图2表明，2014年后亚太地区MBR市场年填充增长率低于欧洲和北美。融合图1数据由此可知，2014年后世界MBR市场快速增长主要由亚太地区引领，这其中，中国地区增长量对亚太地区总快速增长具有意味著的份额贡献。图2 2014年—2019年世界MBR预计年填充增长率(CAGR)Fig.2 Compound annual growth rate (CAGR) of MBR installations predicted by BBC Research between 2014 and 20193衰败原因3.1运营成本高MBR工艺低运营成本主要容许了其广泛应用。

低运营成本从投资伊始之后开始反映；除膜组件仍然便宜（与CAS二沉池比起）外，较高的自动化运营水平也容许其广泛应用。我国市政污水处理应用于MBR（规模1×104m3/d）技术经济数据表明，MBR投资成本为2500~5000元/m3（不含土建、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值2200元/m3投资水平。

超过与MBR完全相同入水水质情况下，CAS工艺必须减少三级过滤器系统（如砂筛）；即使如此，MBR投资仍然比CAS低10%~30%。MBR的高能耗主要有两方面原因：（1）膜污染或阻塞造成通量上升，保持设计通量就必需冷却；（2）曝气池因生物量低（MLSS8000mg/L）而必须保持较高溶解氧浓度（DO=3~4mg/L），也必须为减慢膜污染而减小曝气量。

冷却保持膜通量和曝气是MBR高能耗的主要原因，占到总能耗的40%~50%，其中，膜池内曝气能耗大约占到总能耗的30%~40%。经半个世纪发展，通过转变曝气方式使曝气能耗已明显减少，导致MBR工艺能耗亦深感减少，已从最初5kW?h/m3降至目前平均值2kW?h/m3水平。表格2总结了一些国家应用于MBR工艺能耗情况。与CAS工艺平均值能耗0.30kW?h/m3比起，MBR工艺能耗要高达60%~900%。

于是以因能耗问题让膜生产大国的日本暂停了对大型市政MBR项目审核。于是，日本2013年后著手开始研发新的MBR技术，目的将其能耗掌控在≤0.4 kW?h/m3。表格2 世界各国MBR项目平均值能耗Table2 Average energy consumption of MBR installations in the world3.2膜污染与通量上升尽管膜污染及其掌控和清除早已从技术层面做到了大量有益工作，但并没彻底解决问题这一问题，膜污染现象终归是不会再次发生的。

为保持长时间过滤器通量，通过在线（维护性）清除和离线（恢复性）化学清除虽然不会减低膜污染问题，但是，膜清除不会延长膜的使用寿命，而经常替换膜组件又不会减少运营成本。此外，膜通量问题也日益引发人们注目。在处置水量波动较小情况下，膜组件通量可靠性经不起时间考验。污水处理厂入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工艺长时间运营不会产生较小影响。

MBR膜组件不存在一个无限大通量，如果入水流量多达无限大通量或者因为膜污染造成膜通量上升，远超过通量部分污水就无法通过膜过滤处置。常规处置办法是减少一个流量调节池或者用于可用膜，或做到溢流处置，但这不会减少投资成本和运营费用。

在实际运营中，一般来说是MBR刚运营前几年膜通量会若然，但随时间推移膜污染现象经常出现不会造成通量上升。为此，在水量波动较小地区，自由选择MBR工艺时必须尤其慎重。3.3标准化的缺陷目前，膜生产厂商众多，膜产品种类亦多样。各厂商皆有自己数据库和设计规范，但并没构成一个统一的行业标准和规范，造成有所不同生产厂规格型号、外形尺寸各不相同，彼此之间相容。

设备缺少标准化给设计和订购首先带给困难，应用于时一旦经常出现必须替换膜组件时，标准化缺陷带给的劣势更加引人注目；换品牌意味新的设计膜系统，减少运营成本。即使同一品牌膜组件先后两种型号也经常不相容；2008年德国R?dingen项替换膜组件时就经常出现了这种情况，被迫新的设计膜系统。

此外，缺少一条龙标准化作业服务经常造成膜供应商与施工方僵化，在加装过程膜组件损毁现象比比皆是。膜市场标准化已引发人们推崇，日本早在2012年之后正式成立专家委员会，就MBR标准化问题展开辩论；欧盟资助的“加快城市污水净化膜发展（AMEDEUS）”项目中也还包括了MBR标准化建设。

市场标准化终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。4展望未来虽然MBR工艺具备入水水质和占地面积方面两大优势，但是，综合技术、经济、管理等综合因素，MBR已被证实为不可持续工艺。

只有在土地、空间受到严苛容许的情况下，MBR方能表明其独有优势。否则，CAS+砂筛将比其具备综合竞争力。荷兰Varsseveld污水处理厂MBR示范性项目运营八年后已自由选择拆毁，取而代之CAS+砂滤；荷兰仅有的几座MBR也相继被全部拆毁。然而，坐落于瑞典斯德哥尔摩的MBR“巨无霸”Henriksdal项目却更有着人们的眼球，它将沦为世界上规模仅次于的MBR污水处理厂。

这一可观工程将要运营并不意味著MBR将再度造就其应用于的热潮。这一工程的自由选择重点放到应付北欧寒冷冬季经常经常出现的低温、积雪、结冰等相当严重问题，欲考虑到将此工程放到斯德哥尔摩市中心一地下岩洞内实行。仅限于岩石结构空间狭小，同时为符合欧盟“波罗的海计划（BSAP）”入水水质和不断扩大处置规模之必须，项目只是不得已自由选择了MBR工艺展开升级改建。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可以获取持续平稳的优质入水，合适用于反渗透原水，且可以省却常规反渗透之前所需的微滤/有界（MF/UF），综合能耗比起于CAS工艺再行特三级处置还节省0.13 kW?h/m3，且可以减少土地用于成本。因此，在极为缺水和寸土寸金的新加坡，MBR或许比CAS具备应用于优势。

类似于新加坡情况也经常出现在一些缺水的海湾国家再造水项目上，况且这些国家油比水“淑女”，“以油换水”在这些国家具备显著优势。与上述国家类似应用于情况比起，我国大规模应用于MBR技术的理由或许并不充份，尤其是近年经常出现的地下式MBR。毫无疑问，土地、空间极为紧缺、便宜的一些大、中城市，迫不得已应用于MBR无可厚非。

但是，将MBR作为未来污水处理技术发展方向，后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）显然有一点厘清。对于我国发展中的地下式MBR更加要甚轻，却是它不是一个可持续的工艺。5结语除中国外，MBR工艺在全球应用于急剧下降并非无意间现象，高能耗与膜污染让其身负不可持续之名。

如果MBR这两个引人注目弊端无法在未来获得根本性解决问题，其工程应用于很难维系。只有在一些特定情况（土地极为短缺、空间十分受限、相当严重缺水、水比油贵）下，应用于MBR才有可能具备被动自由选择优势。即使在这样一些特定情况下，MBR也不是唯一自由选择，比如，好氧颗粒污泥技术就比它具备显著优势。

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