新膜法能否系統性解決城市治水的經濟性問題？
來源： 作者E20環境平臺 綠茵陳
黑臭水體督察、環保斷面督察考核、汛期考核和管網提質增效等成為當前城市水環境所面臨的突出問題和公共管理壓力源頭。產業界、學術界重視這些問題，紛紛開展相關工作，到底能夠指望哪些技術手段？
E20水網固廢網曾發表了文章《再談MBR：破局的金鑰匙，“333”還有多遠？》，文中提到隨著膜材料和膜應用技術取得的巨大進步，“333”目標正在實現，那么在這場城市治水的艱苦戰役中，顛覆性膜技術能否攜存量污水處理設施打一個“翻身仗”呢？
我國城市污水處理設施依然脆弱，溢流污染等壓力大
在“2022(第二十屆)水業戰略論壇”上，中規院生態市政院院長王家卓以“基于韌性城市理念的城市水環境系統構建策略思考”為主題進行分享，他表示，近年來，我國城市污水處理廠建設取得了巨大進展，但整體仍處于較為脆弱的平衡中，主要體現在冗余度不夠、抗干擾能力較差、總體韌性不足等方面，大量污水處理廠仍處于高負荷運行，雨天抗干擾能力差。
事實上，經過持續多年的努力，我國很多城市的污水處理率已經超過90%，旱季水環境得到了根本改善，實現了“水清岸綠、魚翔淺底”。但是，每到雨季，雨污混合的大量溢流使水環境“一夜回到解放前”，使水環境治理效益大打折扣，已成為很多城市棘手的治水難題。
2022年5月生態環境部發布《關于加強2022年汛期水環境監管工作通知》，《通知》指出，近年來，全國水環境質量持續改善，但旱季“藏污納垢”、雨季“零存整取”等問題突出，部分地區環境基礎設施存在明顯短板，部分斷面汛期污染強度長期居高不下，城鄉面源污染正在上升為制約水環境持續改善的主要矛盾。
此外，環保斷面和環境容量所面臨的壓力進一步傳導為污水處理設施的提量和提標的壓力，污水資源化的再生水回用率等要求也是地方政府和水務部門不容易解決的難題。
復雜問題難以擺脫顧此失彼的困境
作為城市治水的痛點和難點，雨季溢流污染的治理并非易事，涉及到基礎設施改造、排水體系管控、城市規劃、產業導向等諸多方面，治理思路的確定牽一發而動全身。
在“2022（第二十屆）水業戰略論壇”上，中國人民大學低碳水環境技術研究中心主任王洪臣提到，無論合流制還是分流制，設計不合理或建設標準過低，都會產生嚴重溢流污染。根據受納水體要求合理確定截流倍數是建設合流制排水系統的關鍵，有關標準規范建議采用2～5倍，這就要求建設足夠容量的調蓄設施，污水處理廠也需要有足夠的能力冗余。
對于溢流污染，常見的解決方案包括分流制改造、調蓄池建設和海綿城市建設等。但對于一座中等城市而言，完全采用以上的解決方案并達到較為滿意的效果，至少需要短期百億級的投資。而在當前疫情背景下，地方政府普遍財力“捉襟見肘”，難以保證所需的資金投入。此外，無論分流制改造、海綿城市建設還是調蓄池建設，都會涉及到征地、動拆遷等一系列協調工作量大的工作，實施難度大、建設周期長。這就存在著系統工程建設的長期性與水環境治理當下短期壓力之間的矛盾，“遠水解不了近渴”。
此外，CSO快速處理設施也是針對雨季溢流污染的手段之一，具有投資省、占地小、啟動快的優點。但CSO快速處理設施一般主要以物化處理工藝為主，對SS、TP具有較好的去除效果，而對于COD、氨氮、TN這些主要依靠生化處理去除的污染物則去除效果有限，出水難以滿足城鎮污水排放標準，在當前尚未出臺特別的雨季排放標準以及環保汛期考核的壓力之下，僅采用物化處理工藝的CSO快速處理設施只可作為污水處理的預處理單元。
提升存量污水處理廠能力，高性能超濾MBR的新機遇
那么，是否還可以像以前那樣大建新的污水處理廠呢？眾所周知，污水廠和配套管網的實施的將會是筆巨大投資，此外還面臨著新建污水廠的選址、征地、動拆遷等一系列難點。
最重要的是，我們在污水處理領域已經不是一窮二白，我們可以試著把目標轉到現有的存量污水廠，挖潛現有存量污水廠的處理能力，就地提升其雨季處理量，理論上這是個投資省、見效快的高性價比方案。
清華大學環境學院王凱軍教授曾提到我國污水處理系統現狀，面對城市接近100%的污水處理率和國內嚴峻的溢流污染情況，污水處理普遍存在能力冗余（低COD）的國情，國內的解決思路應該不同于歐美國家一級或一級強化處理的思路，而是應該充分利用已建成的城市污水基礎設施。這樣污水處理廠進水濃度低反而是一個優勢，從簡單的污水處理設計原理可知，如果濃度降低了一倍，就意味著流量可以提高一倍。我們可以把壞事變成好事來解決溢流污染問題。
國內大部分城市污水處理廠的實際進水濃度低于設計進水濃度，雨季會更低，這樣客觀上讓生化池在雨季處理旱流污水量的兩倍甚至更高的流量成為可能。解決了生化池雨季能力問題后，對于傳統A2O工藝要再看二沉池，主要制約因素是二沉池的雨季流量負荷瓶頸。
關于污水處理廠流量的理論在更新，相關標準也在跟進。2021年10月開始實施的國家標準《室外排水設計標準》，污水處理廠的污水量變化系數相比上一版標準有較大增加，例如10萬噸/天污水廠的流量總變化系數從1.3提升到了1.5。
看來提升末端污水處理廠的峰值處理能力，是城市污水處理設施進化始終繞不開的點。但問題在于如何實現？
今年6月，E20水網固廢網曾發表了《解決溢流污染，應該學學《火星救援》》一文，文中提到用工程思維（工程師思維）解決溢流污染這個棘手的環境問題。工程思維就是以資源有限、條件不足、約束限制為前提，去實現目標。設想一座已建成的污水處理廠，是否可以在不新增用地的前提下，以最小的投資成本和最短的實施周期實現現有旱季處理能力4倍的雨季峰值處理能力呢？
這里我們提些實際應用場景作為啟發。
第一類場景是常用的采用MBR膜法對傳統A2O或氧化溝工藝污水廠，進行產能翻倍并同步提標的解決方案。
即只需要將原有二沉池改造成膜池，生化池容無需增加，輔助其他少量配套工程措施情況下，就可實現無新增用地前提下的污水廠處理能力翻倍和出水標準從一級B或一級A提升至準Ⅳ類水標準，同步實現擴能和提標的雙目標。類似這樣的案例非常多見，已經成為MBR工藝用于存量污水廠擴能和提標改造的利器，但現有用戶抱怨較多的，是傳統微濾MBR膜的運行成本過高且維護較麻煩的問題。
第二類場景以德國Nordkanal污水廠為例。
該廠服務的是合流制排水系統，污水廠的旱季處理規模約2萬噸/天，雨季最大處理規模約4.5萬噸/天，采用的是MBR工藝。MBR膜為平均孔徑40nm的小孔徑超濾膜，該廠MBR超濾膜已使用13年未進行過更換，膜仍具備雨季膜通量超過40LMH的運行能力。
結合上述兩類應用場景，我們以工程思維進行思考，如何對一座處理規模5萬噸/天采用傳統A2O工藝的出水標準一級B的污水廠進行改造，以更好的方式提升其效能，讓它能夠適應新的環境要求。
我們可以將二沉池改造成膜池，并安裝孔徑30~40nm的高通量、長壽命的超濾MBR膜，并把生化池內的傳統曝氣器更換為節能型曝氣器，以達到改造后的膜工藝噸水綜合成本與原傳統工藝基本持平的“333”目標。同時由于高性能超濾膜具有非常好的雨季流量彈性（化解了微濾膜較難實現的彈性峰值流量問題），可實現40~55LMH的雨季峰值高通量運行。這樣，原5萬噸/天的傳統工藝污水廠，改造后旱季時處理能力為10萬噸/天，而在雨季低進水濃度時處理能力最高可達20萬噸/天，這是個非常有吸引力的解決方案。
上海市城市建設設計研究總院總工程師、上海城市雨洪管理工程技術研究中心主任朱浩川表示，在不新增用地、不建設調蓄設施的情況下，高通量、長壽命的超濾膜MBR工藝的應用以及低成本的運行方式，可減少溢流污染，對城市水環境的改善具有重要價值。
此外，膜的出水直接達到了高標準再生水的水質標準，一不小心又解決了城市再生水利用率和污水資源化的問題，高性能超濾MBR的確大有可為。
站在高質量發展角度再看“膜”
我們繼續放大視野，站在城市全局進行思考，看看會有什么不一樣。
清華大學環境學院教授胡洪營認為“高效率”和“可持續”是高質量發展的核心，建立區域水生態循環利用系統是水務行業高質量發展的有效路徑。
以“高效率”和“可持續”為尺度，重新審視和梳理問題，不局限原有的認知框架，可能會帶來不一樣的效果。
按前述膜法水處理技術在不新增用地前提下實現已有污水廠原位的同步擴能和提標，實現污水廠旱季處理能力是原先的2倍，雨季峰值處理能力是原先旱季平均處理能力的4倍，并且是在未建設調蓄池和管網少投入或不投入的前提下，還同步推進了城市再生水利用率和污水資源化。
此外，30~40nm超濾膜對于包括微塑料在內的新興污染物和新冠病毒在內的水中病毒、細菌有著非常高的攔截效率，提高了出水生物安全性，污水廠真正成為了城市“第二水源地”，這才是真正意義上的一舉多得。
關于業內人士所關注的MBR工藝污水廠的運行成本，《再談MBR：破局的金鑰匙，“333”還有多遠？》一文中提到隨著膜材料和膜應用技術取得的巨大進步，“333”目標正在實現，“膜三貴”的痛點得到化解，用戶會得到與傳統工藝綜合運行成本相當的膜產品和膜技術工藝。世浦泰、碧水源等膜技術廠商都對此均表示樂觀。
世浦泰總工程師白海龍表示，小孔徑（孔徑30~40nm）、超高孔隙率、均勻性好的超濾膜技術取得了顛覆性的突破，以及膜應用技術的創新，使得MBR膜可持續的高通量、長壽命和低能耗得以實現。這就讓MBR工藝獲得了新生，原有優勢繼續強化，原有痛點得到解決，量變引發質變，并創造出新的應用模式和應用場景
由此，我們預期高性能超濾MBR膜技術極有可能在這一輪城市污水治理和提標的戰役中勝出。
中國市政工程華北設計研究總院上海分院副院長張力總結到，一是土地的高效集約化利用，基本無須為污水處理設施新增用地而煩惱；二是管網和土建投資成本的大幅節約，僅使用少量資金就可以達到預期效果；三是實施難度低、建設周期短；四是水污染治理和污水資源化需求得到同步解決；五是老城區雨污分流難點和溢流污染痛點的自動化解；六是新興污染物和生物安全性方面的額外好處。從多個角度而言，它都是因顛覆式膜技術創新所帶來的“高效率、低成本”的解決方案，有利于建立區域水生態循環利用系統，打造“可持續”的水資源系統。
白海龍還提到，技術進步使得效率大幅提升，一旦突破了關鍵“閾值”，就有可能顛覆傳統的商業模式和認知框架，引發價值體系的重新配置，并產生全新的服務和解決方案。我們依稀看到了水務行業即將重演其它行業的轉型案例，如太陽能電池發電平價上網，導致了傳統燃煤電廠的轉型；鋰電池電動汽車低成本的沖擊，導致了傳統燃油車制造商的轉型。
2022（第二十屆）水業戰略論壇上，E20研究院執行院長薛濤做了題為《22年水業戰略論壇薛濤：三生萬物，再談“再生水”》的主題發言，其對“水十條”、“污水處理提質增效”，“污水資源化”三大政策文件影響“十四五”水務行業的發展做了深度分析，從公共管理、技術和商業三大維度來分析各政策的效果，并提到資金的有限性和治理的緊迫性會引發治理時序的問題，最終反饋到具體的技術選擇，典型的在斷面達標和CSO溢流控制上，全面的雨污分流和海綿城市的建設在資金和時間上與當前治理要求存在不匹配。
也正如薛濤所說，環保市場一定是在一個高壓的公共管理壓力下，來自技術和商業模式相互交融中產生的創新，在這樣的突破中，底部兩要素的合并力還會向上反彈。在當前行業正要進入高質量發展的下半場之際，在政府財政和生態環境的雙重壓力之下，技術創新是否會引發商業模式和公共管理的變革呢？這是很值得期待的。
算筆經濟賬
我們以一個有一定規模的城市為例算筆經濟賬，看一看顛覆式膜技術（后簡稱新膜法）對城市治水可能帶來的影響和改變。
某地級市常住人口約600萬人，目前該市污水處理廠總處理規模約200萬噸/天，該市治水的需求及痛點如下：
由于城市發展、新產業導入和污水收集率增加，該市未來10年預計污水總量會增加至300萬噸/天，需要新增100萬噸/天污水處理能力，其中30萬噸/天位于新區；
根據城市水環境容量和國控斷面的考核壓力，現有200萬噸/天處理規模中的50萬噸/天的污水處理廠出水標準需要從現有的一級A提升至準地表四類水標準；
根據污水資源化利用指導意見，該市的城市再生水利用率需要從現有的5%提升至25%；
該市有部分老城區仍采用截流式的合流式排水系統（占全市污水排放量的20%）且截流倍數較低，雨季溢流污染嚴重；
由于管網滲漏且地下水位較高，分流制系統污水管網雨季流量較大，雨季流量超出污水廠的處理能力造成溢流。
對此，傳統的解決方案按照慣性思維：實施嚴格的雨污分流、海綿城市建設、管網全部完善、調蓄池建設等，總投資需要400億元。面對理論上如此巨額的投資，而治理時間又不能太長，地方政府會面臨巨大的財政壓力。此外，如此巨大的工程會涉及非常多的協調面，以及選址、征地、拆遷、配套等，推進難度大、實施周期長。
圖1 傳統解決方案途徑
表1 傳統解決方案的工程投資
如果嘗試新膜法解決方案，情況會怎么樣呢？
首先，可實現原有污水廠不新增用地的原位擴能及提標，并同步實現高標準出水和污水資源化（出水符合再生水利用標準的水量規模從5%增加至近60%），同時減少了由于污水廠新址建設所帶來的配套污水管網的巨大投資。
再者，利用高性能超濾膜的強流量彈性，可實現污水廠雨季峰值流量是晴天流量的翻倍，有效控制雨季污水處理能力不足而普遍發生的溢流污染，減少老城區高昂的雨污分流改造和調蓄池建設等成本。
圖2 新膜法解決方案可實現的功能
表2 新膜法解決方案的工程投資
通過前面對比分析，采用新膜法方案該地級市可節省投資成本320億和節省用地面積1270畝。我們將新膜法解決方案與傳統解決方案相比的諸多優勢整理成下表：
圖3 新膜法解決方案對于傳統解決方案的比較優勢
結語
在重重壓力下，在高質量發展背景下，城市排水體制將會沿著新建到存量、集中到分布的路徑逐步演進，在這過程中技術力量和商業模式會相互融合促進，正如薛濤所說，在to G為主的中國環保市場中，成本依然是決定技術選擇路線成熟性的重要標志，而市場的力量永遠是決定性的力量。
顛覆性膜技術造就的新膜法，其機遇就在于功能強化的同時還能大幅節約成本，膜技術的不斷迭代和突飛猛進造就了新膜法方案的成本已經遠低于傳統解決方案的成本。在一個有著上百年歷史的傳統行業，被稱為水處理芯片的膜，讓我們看到了一絲高科技的曙光，不僅能有效解決城市治水的經濟性問題，還可能會改變行業業態。而此時此刻，在城市水治理領域很多關鍵需求和棘手痛點正擺在我們面前，高性能超濾MBR的新膜法有望成為復雜問題的解決者。
而對于城市治水領域的產業力量來說，這正是個行業上下游分工協作的好時機，共同開發巨大的市場，同時也將承擔環境治理的重要社會責任。
來源：中國水網
