行業(yè)動態(tài) | 中國工程院院士侯立安：新膜處理抗生素污染水要解決“卡脖子”難題
抗生素是目前國際上廣泛關注的四類新污染物之一。抗生素污染了水，應該用什么方法來治理？我們認為，目前膜法處理是一種比較好的處理抗生素污染水的技術。”中國工程院院士、國家新污染物治理專家委員會副主任侯立安在第18屆POPs論壇上“新膜處理抗生素污染水卡脖子技術難題及對策”主題報告中如是說。
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傳統(tǒng)膜技術需要“一條龍”創(chuàng)新
抗生素是日常生活中的常見物質，而其在制備中及服用后卻可能產生一些污染。我國是全球最大的抗生素生產國和出口國，每年有超50%的抗生素產量被用于動物促生長劑和獸類疾病預防�？股氐母呦牧客瑫r也導致其高排放量。數(shù)據(jù)顯示，僅在2010年—2020年間，常見的80種獸藥抗生素排放量高達23110噸—40850噸/年。
水體是抗生素的主要載體，超90%的抗生素會通過點源或非點源方式進入自然水體。且水體中抗生素分布區(qū)域廣，在我國各大流域均監(jiān)測到抗生素的存在。
“實際上，抗生素污染水治理涉及很多工藝，如吸附法、生物法、高級氧化法等，各有千秋，都有一定的處理和凈化作用，并隨著科研技術的進步而變化。”據(jù)侯立安介紹，很多專家認為膜法是本世紀最有前途的水處理技術。這項技術在我國很多領域已得到廣泛研究和投入，特別是制備技術、應用工藝，以及膜法廢物的后處理。
上世紀60年代，我國使用國外的膜技術。經過幾十年的努力，我國第一代科學家實現(xiàn)了從0到1的突破。海水淡化是世界公認的解決淡水短缺的最佳解決方案之一。過去，我們利用膜技術開展海水淡化，解決工業(yè)用水問題，然而我國海水淡化的核心處理單元——膜是進口的；80—90年代，科學家解決了這一問題，扭轉此類膜依賴進口的局面；90年代，我國膜產業(yè)進入快速發(fā)展階段，初步形成完備的膜工業(yè)體系，膜工業(yè)正式進入快速成長期。
如今，我國膜工業(yè)已融入全球市場，從過去的跟跑到并跑，再到實現(xiàn)領跑。“也可以說，在今后相當一段時間，特別是新污染物治理的膜技術進入了一個黃金發(fā)展期。但同時，膜法抗生素處理也存在或將要遇到一些‘卡脖子’問題。”侯立安說，傳統(tǒng)的膜通過微濾、超濾、納濾、反滲透技術，已經在水處理上發(fā)揮了重要作用，每年的應用量都在提高，使用范圍也在擴大，但它或多或少還存在一些問題。
首先是膜的機理研究，比如，傳統(tǒng)的膜納濾分離機制不夠清晰。新膜在業(yè)內還沒有形成統(tǒng)一的定義和認識，其機理研究更加滯后；從應用性能上說，膜法水處理技術存在滲透性和選擇性的“蹺蹺板”效應，二者不可兼得，要兼得，難度非常大，不突破它，就是應用的必然障礙；另外，還有膜的污染問題，過去膜法水處理最大的問題在于成品較貴，即處理水水價較高。而水價涉及千家萬戶和全體股民，我們能做的，就是在使用膜技術時盡最大可能規(guī)避、減緩膜污染，延長膜的使用壽命。
傳統(tǒng)的膜面臨這些問題，我們如何應對？侯立安在報告中指出，再遵循過去的制膜、用膜方式，重復老路走不通了，新路就在創(chuàng)新上。未來，膜技術從制備的機理研究到應用、再到廢膜回收的“一條龍”都需要創(chuàng)新，這對抗生素包括新污染物總體的控制和處理，都將是非常好的技術工藝之一。
02
新膜處理抗生素污染尚存技術難題
“目前，我國針對新膜材料分離機理和制備工藝尚未完全形成實質性突破，新膜材料基礎結構設計能力薄弱，高性能、低成本新膜材料的規(guī)模化制備關鍵技術仍有待加強。”侯立安說。
美國對中國芯片“卡脖子”不是新鮮的話題。
據(jù)侯立安介紹，事實上，芯片制造很多道工藝都要用到高純水，作為芯片制造的基礎資源，水的問題不解決，芯片很難造出來。國際上能夠解決高純水制備問題的技術就是膜法水處理。目前，全球只有3家企業(yè)可以制造這樣的高端膜，我國就有一家，另外兩家企業(yè)在美國。
“要解決芯片用水問題，這種高端膜的使用非常關鍵。但在高端膜制備的材料方面，我們也還有所欠缺的，如果連原材料都沒有或者材料不合格，后續(xù)也是無稽之談�，F(xiàn)有部分國產膜材料的產品性能與國外產品相比仍有差距，膜產品規(guī)格不全，有待進一步提高和擴展。”侯立安說。
另一方面，健康中國已經上升為國家戰(zhàn)略，建設健康中國，保障健康飲水尤為關鍵。侯立安表示，健康飲水的要點在于，讓水既符合國家管控的污染物標準限制，又要含有對人體有益的健康物質，如鈣、鎂等人體所需的其他礦物質。這些原水中本身就有的物質，我們不能通過膜處理將其去除，而應最大限度地保留，這就要求膜有很強的選擇性。從某種程度上講，這也是一項卡脖子技術。
侯立安還提到，膜從制備到應用，包括機理的研究和后處理，初步估算可能涉及7、8個一級學科，十幾個二級學科，有材料、有環(huán)境、有健康、醫(yī)學等等學科，隔行如隔山，每個專業(yè)都在考慮自己專業(yè)的問題，專業(yè)之間的協(xié)調、工藝的優(yōu)化由誰來統(tǒng)籌，如何解決這一問題是一個系統(tǒng)工程，這也需要我們做大量的工作。
此外，膜法特別是海水淡化還涉及膜濾濃縮液的處理問題。濃縮液禁止排海，必須自行消化或處理掉，要實現(xiàn)近零排放。處理抗生素的廢水也存在同樣的問題，膜濃縮到一定程度后必須要蒸發(fā)或采用其他工藝來處理，甚至將之固化等，這也是一個很大的技術瓶頸。
類似的問題是膜組件的修復。膜經過一段時間使用后效能下降，實現(xiàn)不了處理目標后應如何處置？侯立安表示，傳統(tǒng)做法是直接遺棄，但這一做法并不可取。同樣的，處理抗生素的膜遺棄后，很可能從一般廢物升級成危廢，所以要將之合理處置、循環(huán)利用，這一體系也需進一步加強。
03
加強關鍵技術研究突破卡脖子難題
在侯立安看來，要突破膜領域的卡脖子難題，首先加強膜分離機理研究及其應用，用理論來指導工程實踐。同時，強化新型材料的開發(fā)，加快形成膜業(yè)的新質生產力，逐步解決原材料被“卡”問題。
“我們要從原材料層面進一步下功夫，目標就是選擇低碳、綠色的新材料，對它進行開發(fā)應用，制備成新膜。另外，用人工智能識別具有潛力的膜材料。在這方面，需要重新設計一些新膜的組件來提升抗生素的處理水平以及能源利用效率，把新一代信息技術融入進去，加強工作開展。”侯立安說。
侯立安介紹，納米技術在水處理領域已產生深遠影響，推進納米功能材料在膜分離、高級氧化吸附等去除技術中的應用，能夠實現(xiàn)對水中抗生素的高效去除，縮短去除工藝的運行時間。我們應重視納米材料在抗生素污染水治理中的作用，但也要特別注意它的生物安全性，在這方面下功夫趕超世界。
還需注意膜的抗污染能力的強化。研究表明，兩性離子膜對于帶正負電荷的污染物均表現(xiàn)出優(yōu)異的耐污染性能，由于兩性離子結構層含有自由水合層，在耐污染性得到提高的同時通量和截留率也有一定提高。通常污水處理的膜使用時長3年或者稍久，經過這種膜改性，可以使用5年或者更長的時間。
“但不能忽略一個問題，就是改性膜的制備難度不能過大，要在不改變膜制備工藝的前提下，加上一點新東西就能讓其發(fā)揮有效作用。另外膜技術也要進行工藝組合，比如將光催化、Fenton氧化等高級氧化工藝與膜技術結合，可高效降解水中抗生素。”侯立安說。
同時，也要關注退役膜組件的處理問題，這包含兩個方面，一是反滲透膜失效了，可以集中處理之后用于超濾或納濾，二是納濾膜用完后可再回收進行低溫熱解。在有氧的條件下，直接焚燒可能產生二噁英或VOCs，低溫熱解可以解決這一問題。
此外，在理念上，要實現(xiàn)從“被動安全”到“主動安全”的轉變，建設前瞻性的“智慧水廠”，提升水資源利用效率和安全保障水平，實現(xiàn)水廠工藝靈活化、管理智能化、水質多級化等目標。
原標題：《行業(yè)動態(tài) | 中國工程院院士侯立安：新膜處理抗生素污染水要解決“卡脖子”難題》
