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

這份報(bào)告包含38篇不限形式的簡(jiǎn)報(bào)，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(xì)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(hào)將用連載的方式向大家介紹幾個(gè)跟中國(guó)水處理現(xiàn)狀密切相關(guān)的熱點(diǎn)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(chǎng)概述膜技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了飲用水和污水處理的每個(gè)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(wèn)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(jìn)了膜技術(shù)在水處理市場(chǎng)的推廣。

過(guò)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(zhǎng)率分別為17%、20%和15%。出現(xiàn)這樣增長(zhǎng)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(yùn)行成本并無(wú)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(duì)較高，但研發(fā)的進(jìn)展已大大改善了其能效表現(xiàn)。

2010年的膜市場(chǎng)表現(xiàn)強(qiáng)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(dá) 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(duì)2016的市場(chǎng)態(tài)勢(shì)作出以下預(yù)估：

2016年的膜市場(chǎng)估值約32.5億美元，而這僅僅對(duì)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(chǎng)得到了成長(zhǎng)的機(jī)會(huì)。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(yùn)用新概念膜組件的新公司也正在慢慢地進(jìn)入市政和工業(yè)MBR的市場(chǎng)。我們可以預(yù)想到未來(lái)幾年這個(gè)市場(chǎng)指數(shù)式的增長(zhǎng)和激烈的競(jìng)爭(zhēng)。

下表顯示了MBR污水廠的規(guī)模的顯著增加，超過(guò)40個(gè)大型MBR項(xiàng)目的設(shè)計(jì)峰值超過(guò)100,000 m3/d。MBR在中國(guó)的發(fā)展尤為迅猛，到2015為止的總處理能力已經(jīng)達(dá)到7,500,000 m3/d。

挑戰(zhàn)和市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)因素

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

濃縮液的處置是另外一個(gè)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(gè)問(wèn)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(chǎng)的因素有很多，包括了投資和運(yùn)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(duì)膜技術(shù)信心的增強(qiáng)、系統(tǒng)占地面積小、高效的除鹽率，這些積極因素都會(huì)加速膜技術(shù)在世界各地的市場(chǎng)拓展。最新的需求來(lái)自油氣行業(yè)——頁(yè)巖氣壓裂(fracking)開(kāi)采技術(shù)的興起引發(fā)了這個(gè)行業(yè)對(duì)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(duì)反滲透和納濾等高壓膜進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，最常見(jiàn)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(kuò)大，更大直徑的反滲透膜(16寸(400mm) 或 18寸 (450mm))也會(huì)出現(xiàn)在新的海水淡化廠設(shè)計(jì)中。

低壓膜的生產(chǎn)還沒(méi)標(biāo)準(zhǔn)化，這使得微濾/超濾項(xiàng)目變得有些復(fù)雜，這其中也包括了MBR污水廠的項(xiàng)目。非標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)可能會(huì)導(dǎo)致項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的時(shí)間延長(zhǎng)，并最終導(dǎo)致成本的上升。但很多跡象表明這個(gè)情況將會(huì)得到改變，因?yàn)橐恍┠どa(chǎn)商已經(jīng)開(kāi)始跟進(jìn)微濾/超濾廠和MBR廠的售后服務(wù)市場(chǎng)。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(xiàng)目的報(bào)告。

對(duì)新一代膜產(chǎn)品的研發(fā)也在進(jìn)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(jí)別設(shè)計(jì)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(dòng)性修復(fù)膜損壞、完成自身清洗、識(shí)別污染物等工作。

以CNT碳納米管為例，它的水運(yùn)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(shí)現(xiàn)CNT碳納米管工程應(yīng)用的路似乎還很漫長(zhǎng)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(guò)濾性能，Maximous等研究人員曾用嵌有Al2O3納米粒子的PES超濾膜進(jìn)行活性污泥的過(guò)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(jiǎn)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(guò)抑制胞外多聚物的釋出來(lái)防止生物污染。

總的來(lái)說(shuō)，新型納米材料能促進(jìn)更有針對(duì)性的膜產(chǎn)品研發(fā)，未來(lái)的一個(gè)挑戰(zhàn)是把這些膜應(yīng)用在基于自然驅(qū)動(dòng)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(guò)過(guò)去幾年的發(fā)展，被視為是有望為海水淡化工藝帶來(lái)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(yè)巖氣開(kāi)采的廢水以及緊急災(zāi)害等情況的凈水供應(yīng)等。

2008年，來(lái)自英國(guó)Guildford的Modern Water 公司在地中海直布羅陀建造了全世界第一個(gè)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(guó)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(duì)已有的RO設(shè)備進(jìn)行了對(duì)照實(shí)驗(yàn)，一個(gè)配有FO預(yù)處理，一個(gè)則沒(méi)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(jìn)水的海水質(zhì)量很差，但配有FO預(yù)處理的RO膜在長(zhǎng)達(dá)一年的運(yùn)行中都不需要對(duì)膜進(jìn)行清洗或更換，而有使用FO預(yù)處理的RO膜每?jī)傻剿闹芫鸵M(jìn)行清洗或者經(jīng)一年運(yùn)行后進(jìn)行更換。

這個(gè)試驗(yàn)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(jī)率。以外，正滲透海水淡化工藝的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)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(duì)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(gè)位于美國(guó)加州的FO膜制造商Porifera曾做過(guò)另一個(gè)比較試驗(yàn)：用FO膜和UF膜作為RO海水淡化的預(yù)處理的兩種方式進(jìn)行對(duì)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(shí)，除了氯化鈉，可以選擇多樣化的汲取液來(lái)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(guò)擴(kuò)散作用導(dǎo)入膜孔。實(shí)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(bào)道使用膜蒸餾工藝來(lái)處理高濃度的含鹽原水，繼而改善RO系統(tǒng)和通過(guò)鹽結(jié)晶實(shí)現(xiàn)資源回收。另一個(gè)有趣的應(yīng)用是將膜蒸餾工藝和太陽(yáng)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(jì)和研發(fā)和整合，以及其長(zhǎng)期運(yùn)行的膜污染情況的分析。正在進(jìn)行這方面研究的國(guó)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(jìn)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(jì)適用性上的競(jìng)爭(zhēng)力都在逐步加強(qiáng)。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(zhǎng)帶來(lái)的多層面的全球問(wèn)題

(2) 膜材料和膜組件的改良

(3) 運(yùn)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(wèn)題，例如連續(xù)式MBR的壽命是否真的如生產(chǎn)商聲稱的長(zhǎng)達(dá)20年，仍有待運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

由于膜自身的性能特點(diǎn)，膜技術(shù)將會(huì)是解決當(dāng)今世界難題的核心技術(shù)之一。由聯(lián)合國(guó)推動(dòng)的千年項(xiàng)目 (Millennium Project) 提出了15個(gè)全球性挑戰(zhàn)，膜技術(shù)將能為其中的五個(gè)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(wèn)題

保持人口增長(zhǎng)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(duì)人類健康的威脅

安全有效地滿足日益增長(zhǎng)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