IWA在2016年10月10日第十屆世界水大會上發(fā)布了專家組(IWA Specialist Groups, SGs)的最新報告Global Trends & Challenges in Water Science, Research and Management。這份報告的第一版于2012年出版，由IWA的25個專家組對其所在領(lǐng)域的新興熱點進行了總結(jié)。今年發(fā)布的最新版報告，延續(xù)了其對水行業(yè)不同領(lǐng)域最新話題和前沿趨勢的探討，參與報告編寫的專家組也上升到了36個，所關(guān)注的方面更加全面和深入。

這份報告包含38篇不限形式的簡報，每篇文章除了水科研和管理方面的愿景和挑戰(zhàn)之外，還有各種技術(shù)細節(jié)和綜合性的解決方案，可謂是融合了IWA專家組成員智慧和熱情的集體成果。IWA微信公眾號將用連載的方式向大家介紹幾個跟中國水處理現(xiàn)狀密切相關(guān)的熱點話題。本期要關(guān)注的話題是水處理中的膜技術(shù)。

水處理中的膜技術(shù)

膜市場概述膜技術(shù)已經(jīng)進入了飲用水和污水處理的每個角落，包括市政、工業(yè)、深度污水處理和回用以及海水淡化。膜技術(shù)為與全球氣候變化密切相關(guān)的水資源短缺問題提供了有效的解決方案，利用膜技術(shù)不但可以有效分離傳統(tǒng)飲用水源中的污染物，而且可以將處理非常規(guī)水資源(如海水、經(jīng)處理的污水)，使其能間接或直接用于飲用。這樣廣泛的應(yīng)用大大促進了膜技術(shù)在水處理市場的推廣。

過去十年，用于海水淡化的反滲透(RO)、用于飲用水處理的微濾/超濾膜(MF/UF)以及用于污水處理的膜生物反應(yīng)器(MBR)的年增長率分別為17%、20%和15%。出現(xiàn)這樣增長的原因在于，雖然與傳統(tǒng)的處理工藝相比膜技術(shù)的資本支出和運行成本并無太大差異，但膜技術(shù)的占地要求大大降低，化學(xué)品消耗更少，而且去除效果也更好。不可否認(rèn)的是膜技術(shù)的能耗相對較高，但研發(fā)的進展已大大改善了其能效表現(xiàn)。

2010年的膜市場表現(xiàn)強勁，但也存在著較大的具體領(lǐng)域和地區(qū)差異性。最熱門的是基于反滲透的海水淡化(SWRO)以及污水處理的MBR技術(shù)。目前世界最大的反滲透海水淡化廠是位于以色列的 Sorek 海水淡化廠，日處理規(guī)模高達 624,000 m3，而很多反滲透海水淡化廠日處理規(guī)模都在 100,000 m3以上。專家組成員對2016的市場態(tài)勢作出以下預(yù)估：

2016年的膜市場估值約32.5億美元，而這僅僅對是MF/UF/NF/RO膜的估值。


由于中水回用要求的增加、現(xiàn)有污水廠老化和提標(biāo)改造的需求、可用土地的限制以及工業(yè)用水量的提高，MBR技術(shù)的市場得到了成長的機會。在歐洲，GE水處理的Zenon中空纖維膜和Kubota久保田的平板膜是大型MBR污水廠最常用的膜供應(yīng)商，但是運用新概念膜組件的新公司也正在慢慢地進入市政和工業(yè)MBR的市場。我們可以預(yù)想到未來幾年這個市場指數(shù)式的增長和激烈的競爭。

下表顯示了MBR污水廠的規(guī)模的顯著增加，超過40個大型MBR項目的設(shè)計峰值超過100,000 m3/d。MBR在中國的發(fā)展尤為迅猛，到2015為止的總處理能力已經(jīng)達到7,500,000 m3/d。

挑戰(zhàn)和市場驅(qū)動因素

總的來說，膜技術(shù)大部分的研發(fā)工作還是針對膜污染的分析和控制上，這幾乎是所有種類的膜在長期運行后遇到的問題。MBR污水廠的高能耗問題跟膜污染密切相關(guān)，預(yù)計未來幾年的研發(fā)重心依舊會落在如何減低運行能耗和解決膜污染的問題上。

濃縮液的處置是另外一個挑戰(zhàn)，尤其是高壓納濾膜和反滲透膜系統(tǒng)。為了解決這個問題，最近幾年興起了膜蒸餾、正滲透和壓力延滯(pressure-retarded) 滲透膜的研究。

影響膜市場的因素有很多，包括了投資和運行成本的下降、更加嚴(yán)格的出水標(biāo)準(zhǔn)、地區(qū)性的水資源短缺、對膜技術(shù)信心的增強、系統(tǒng)占地面積小、高效的除鹽率，這些積極因素都會加速膜技術(shù)在世界各地的市場拓展。最新的需求來自油氣行業(yè)——頁巖氣壓裂(fracking)開采技術(shù)的興起引發(fā)了這個行業(yè)對膜技術(shù)的巨大興趣。

膜的標(biāo)準(zhǔn)化與新型產(chǎn)品研發(fā)

世界很多膜工廠都已經(jīng)對反滲透和納濾等高壓膜進行了標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，最常見的尺寸是8寸 x 40 寸 (200 mm x1000 mm)。但隨之反滲透/納濾水廠的規(guī)模不斷擴大，更大直徑的反滲透膜(16寸(400mm) 或 18寸 (450mm))也會出現(xiàn)在新的海水淡化廠設(shè)計中。

低壓膜的生產(chǎn)還沒標(biāo)準(zhǔn)化，這使得微濾/超濾項目變得有些復(fù)雜，這其中也包括了MBR污水廠的項目。非標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)可能會導(dǎo)致項目開發(fā)的時間延長，并最終導(dǎo)致成本的上升。但很多跡象表明這個情況將會得到改變，因為一些膜生產(chǎn)商已經(jīng)開始跟進微濾/超濾廠和MBR廠的售后服務(wù)市場。關(guān)于MBR的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的研究及建議，可以參考Amedeus European研究項目的報告。

對新一代膜產(chǎn)品的研發(fā)也在進行中。新型膜與各種納米材料相結(jié)合，例如Al2O3、TiO2、SiO2、沸石(zeolites)、碳納米管(carbonnanotubes)、銀納米粒子(silvernanoparticles)和其他能改善膜性能的材料。加入這些物質(zhì)的膜的通量更大、抗阻彈性更好，而且更耐生物腐蝕。結(jié)合了更多納米級別設(shè)計和控制的工藝最終將產(chǎn)出多功能的膜產(chǎn)品，不僅能夠去除水中的污染物，而且能完成主動性修復(fù)膜損壞、完成自身清洗、識別污染物等工作。

以CNT碳納米管為例，它的水運輸性能很高，能大大降低海水淡化中的能耗。但由于其高度選擇性和高昂的成本，實現(xiàn)CNT碳納米管工程應(yīng)用的路似乎還很漫長和艱巨。又譬如Al2O3納米粒子，它減低了胞外多聚物在膜表面的粘合性或吸附性，從而提高了膜的過濾性能，Maximous等研究人員曾用嵌有Al2O3納米粒子的PES超濾膜進行活性污泥的過濾。

結(jié)合群體猝滅效應(yīng)(quorum quenching)的納米材料則能使膜材料不再僅僅是一張簡單的物理濾紙，而是變得更具活性。有研究人員曾制備了附有?；D(zhuǎn)移酶的具有群體猝滅效應(yīng)的納濾膜，這種膜能能通過抑制胞外多聚物的釋出來防止生物污染。

總的來說，新型納米材料能促進更有針對性的膜產(chǎn)品研發(fā)，未來的一個挑戰(zhàn)是把這些膜應(yīng)用在基于自然驅(qū)動力而不是外界壓力的膜工藝中，例如正滲透或者膜蒸餾。

正滲透

正滲透是經(jīng)過過去幾年的發(fā)展，被視為是有望為海水淡化工藝帶來變革的技術(shù)。目前也有一些用于工業(yè)和市政領(lǐng)域的正滲透的應(yīng)用案例，包括污水處理、海水淡化、食品工業(yè)的濃縮液、頁巖氣開采的廢水以及緊急災(zāi)害等情況的凈水供應(yīng)等。

2008年，來自英國Guildford的Modern Water 公司在地中海直布羅陀建造了全世界第一個FO+RO海水淡化廠。自2009年5月起，該廠的出水已經(jīng)能供給到當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)。2009年的9月，該公司在阿曼蘇丹國的AlKhaluf建造了另一座基于同樣工藝但規(guī)模更大的海水淡化廠。


工作人員對已有的RO設(shè)備進行了對照實驗，一個配有FO預(yù)處理，一個則沒有。結(jié)果顯示配有FO預(yù)處理的調(diào)試結(jié)果比預(yù)期更好，尤其是抗污染的性能和出水質(zhì)量等關(guān)鍵指標(biāo)的表現(xiàn)。值得一提的是，盡管進水的海水質(zhì)量很差，但配有FO預(yù)處理的RO膜在長達一年的運行中都不需要對膜進行清洗或更換，而有使用FO預(yù)處理的RO膜每兩到四周就要進行清洗或者經(jīng)一年運行后進行更換。

這個試驗顯示了在預(yù)處理中應(yīng)用正滲透技術(shù)可以降低發(fā)生膜污染的機率。以外，正滲透海水淡化工藝的關(guān)鍵優(yōu)勢還包括：

(1) 能耗跟配備其他預(yù)處理工藝的反滲透工藝相比減少30%

(2) 抗氯性更好，對各種殺菌劑(biocides)有更好的兼容性

(3) 硼產(chǎn)量更低

(4) 跟傳統(tǒng)的反滲透工藝相比，適用性更高

正滲透工藝能否取得成功，取決于其膜的性能——如何該膜的內(nèi)外濃差極化最小化，以及如何將除鹽凈水從汲取液中高效分離。一個位于美國加州的FO膜制造商Porifera曾做過另一個比較試驗：用FO膜和UF膜作為RO海水淡化的預(yù)處理的兩種方式進行對比。得到的結(jié)果跟之前介紹的研究類似——使用FO的系統(tǒng)的膜污染情況更輕。當(dāng)用FO作為海水淡化的預(yù)處理工藝時，除了氯化鈉，可以選擇多樣化的汲取液來優(yōu)化工藝。

膜蒸餾膜蒸餾 (Membrane distillation)使用疏水性多孔膜，蒸汽通過擴散作用導(dǎo)入膜孔。實際上膜蒸餾的吸引之處在于其傳導(dǎo)原理和選擇性不同于依靠滲透壓的反滲透或者正滲透膜。

最近有研究報道使用膜蒸餾工藝來處理高濃度的含鹽原水，繼而改善RO系統(tǒng)和通過鹽結(jié)晶實現(xiàn)資源回收。另一個有趣的應(yīng)用是將膜蒸餾工藝和太陽能或者回收余熱相結(jié)合，使它變成一種永續(xù)工藝。這方面的工作涉及了新的膜組件的設(shè)計和研發(fā)和整合，以及其長期運行的膜污染情況的分析。正在進行這方面研究的國家包括了荷蘭、西班牙、突尼斯和新加坡。

結(jié)論和展望膜污染和能耗依舊是膜技術(shù)最大的挑戰(zhàn)，需要得到進一步的優(yōu)化和突破。但不可否認(rèn)，隨著其越加廣泛的應(yīng)用，膜工藝在技術(shù)和經(jīng)濟適用性上的競爭力都在逐步加強。影響膜技術(shù)快速發(fā)展的主要因素包括：

(1) 能源/資源短缺、氣候變化和人口快速增長帶來的多層面的全球問題

(2) 膜材料和膜組件的改良

(3) 運行的穩(wěn)定性，例如更好的抗污染性

除此以外，膜的持久性和壽命等問題，例如連續(xù)式MBR的壽命是否真的如生產(chǎn)商聲稱的長達20年，仍有待運行經(jīng)驗來驗證。

由于膜自身的性能特點，膜技術(shù)將會是解決當(dāng)今世界難題的核心技術(shù)之一。由聯(lián)合國推動的千年項目 (Millennium Project) 提出了15個全球性挑戰(zhàn)，膜技術(shù)將能為其中的五個提供巨大幫助：

可持續(xù)發(fā)展和氣候變化

水資源短缺和水質(zhì)問題

保持人口增長和資源可持續(xù)利用之間的平衡

減少新生和復(fù)發(fā)疾病與免疫微生物對人類健康的威脅

安全有效地滿足日益增長的能源需求

關(guān)于作者

Val S. Frenkel, CH2M, USA

Xia Huang, Tsinghua University, China

Kuo-Lun Tung , Chung Yuan Christian University, Chinese Taiwan

Franz Frechen, University of Kassel, Germany