IWA在2016年10月10日第十屆世界水大會上發布了專家組(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域的新興熱點進行了總結。今年發布的最新版報告，延續了其對水行業不同領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之外，還有各種技術細節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狀密切相關的熱點話題。本期要關注的話題是水處理中的膜技術。

水處理中的膜技術

膜市場概述膜技術已經進入了飲用水和污水處理的每個角落，包括市政、工業、深度污水處理和回用以及海水淡化。膜技術為與全球氣候變化密切相關的水資源短缺問題提供了有效的解決方案，利用膜技術不但可以有效分離傳統飲用水源中的污染物，而且可以將處理非常規水資源(如海水、經處理的污水)，使其能間接或直接用于飲用。這樣廣泛的應用大大促進了膜技術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器(MBR)的年增長率分別為17%、20%和15%。出現這樣增長的原因在于，雖然與傳統的處理工藝相比膜技術的資本支出和運行成本并無太大差異，但膜技術的占地要求大大降低，化學品消耗更少，而且去除效果也更好。不可否認的是膜技術的能耗相對較高，但研發的進展已大大改善了其能效表現。

2010年的膜市場表現強勁，但也存在著較大的具體領域和地區差異性。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。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，日處理規模高達 624,000 m3，而很多反滲透海水淡化廠日處理規模都在 100,000 m3以上。專家組成員對2016的市場態勢作出以下預估：

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、現有污水廠老化和提標改造的需求、可用土地的限制以及工業用水量的提高，MBR技術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MBR的市場。我們可以預想到未來幾年這個市場指數式的增長和激烈的競爭。

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

挑戰和市場驅動因素

總的來說，膜技術大部分的研發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，預計未來幾年的研發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，尤其是高壓納濾膜和反滲透膜系統。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、更加嚴格的出水標準、地區性的水資源短缺、對膜技術信心的增強、系統占地面積小、高效的除鹽率，這些積極因素都會加速膜技術在世界各地的市場拓展。最新的需求來自油氣行業——頁巖氣壓裂(fracking)開采技術的興起引發了這個行業對膜技術的巨大興趣。

膜的標準化與新型產品研發

世界很多膜工廠都已經對反滲透和納濾等高壓膜進行了標準化生產，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))也會出現在新的海水淡化廠設計中。

低壓膜的生產還沒標準化，這使得微濾/超濾項目變得有些復雜，這其中也包括了MBR污水廠的項目。非標準化生產可能會導致項目開發的時間延長，并最終導致成本的上升。但很多跡象表明這個情況將會得到改變，因為一些膜生產商已經開始跟進微濾/超濾廠和MBR廠的售后服務市場。關于MBR的標準化生產的研究及建議，可以參考Amedeus European研究項目的報告。

對新一代膜產品的研發也在進行中。新型膜與各種納米材料相結合，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。加入這些物質的膜的通量更大、抗阻彈性更好，而且更耐生物腐蝕。結合了更多納米級別設計和控制的工藝最終將產出多功能的膜產品，不僅能夠去除水中的污染物，而且能完成主動性修復膜損壞、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CNT碳納米管工程應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。

結合群體猝滅效應(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酰基轉移酶的具有群體猝滅效應的納濾膜，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品研發，未來的一個挑戰是把這些膜應用在基于自然驅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

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

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，該廠的出水已經能供給到當地社區。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模更大的海水淡化廠。


工作人員對已有的RO設備進行了對照實驗，一個配有FO預處理，一個則沒有。結果顯示配有FO預處理的調試結果比預期更好，尤其是抗污染的性能和出水質量等關鍵指標的表現。值得一提的是，盡管進水的海水質量很差，但配有FO預處理的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預處理的RO膜每兩到四周就要進行清洗或者經一年運行后進行更換。

這個試驗顯示了在預處理中應用正滲透技術可以降低發生膜污染的機率。以外，正滲透海水淡化工藝的關鍵優勢還包括：

(1) 能耗跟配備其他預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) 硼產量更低

(4) 跟傳統的反滲透工藝相比，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海水淡化的預處理的兩種方式進行對比。得到的結果跟之前介紹的研究類似——使用FO的系統的膜污染情況更輕。當用FO作為海水淡化的預處理工藝時，除了氯化鈉，可以選擇多樣化的汲取液來優化工藝。

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入膜孔。實際上膜蒸餾的吸引之處在于其傳導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系統和通過鹽結晶實現資源回收。另一個有趣的應用是將膜蒸餾工藝和太陽能或者回收余熱相結合，使它變成一種永續工藝。這方面的工作涉及了新的膜組件的設計和研發和整合，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。

結論和展望膜污染和能耗依舊是膜技術最大的挑戰，需要得到進一步的優化和突破。但不可否認，隨著其越加廣泛的應用，膜工藝在技術和經濟適用性上的競爭力都在逐步加強。影響膜技術快速發展的主要因素包括：

(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，例如連續式MBR的壽命是否真的如生產商聲稱的長達20年，仍有待運行經驗來驗證。

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

可持續發展和氣候變化

水資源短缺和水質問題

保持人口增長和資源可持續利用之間的平衡

減少新生和復發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