IWA在2016年10月10日第十届世界水大会上发布了专家组(IWA Specialist Groups, SGs)的最新报告Global Trends & Challenges in Water Science, Research and Management。这份报告的第一版于2012年出版，由IWA的25个专家组对其所在领域的新兴热点进行了总结。今年发布的最新版报告，延续了其对水行业不同领域最新话题和前沿趋势的探讨，参与报告编写的专家组也上升到了36个，所关注的方面更加全面和深入。
这份报告包含38篇不限形式的简报，每篇文章除了水科研和管理方面的愿景和挑战之外，还有各种技术细节和综合性的解决方案，可谓是融合了IWA专家组成员智慧和热情的集体成果。IWA微信公众号将用连载的方式向大家介绍几个跟中国水处理现状密切相关的热点话题。本期要关注的话题是水处理中的膜技术。
水处理中的膜技术
膜市场概述
膜技术已经进入了饮用水和污水处理的每个角落，包括市政、工业、深度污水处理和回用以及海水淡化。膜技术为与全球气候变化密切相关的水资源短缺问题提供了有效的解决方案，利用膜技术不但可以有效分离传统饮用水源中的污染物，而且可以将处理非常规水资源(如海水、经处理的污水)，使其能间接或直接用于饮用。这样广泛的应用大大促进了膜技术在水处理市场的推广。
过去十年，用于海水淡化的反渗透(RO)、用于饮用水处理的微滤/超滤膜(MF/UF)以及用于污水处理的膜生物反应器(MBR)的年增长率分别为17%、20%和15%。出现这样增长的原因在于，虽然与传统的处理工艺相比膜技术的资本支出和运行成本并无太大差异，但膜技术的占地要求大大降低，化学品消耗更少，而且去除效果也更好。不可否认的是膜技术的能耗相对较高，但研发的进展已大大改善了其能效表现。
2010年的膜市场表现强劲，但也存在着较大的具体领域和地区差异性。最热门的是基于反渗透的海水淡化(SWRO)以及污水处理的MBR技术。目前世界最大的反渗透海水淡化厂是位于以色列的 Sorek 海水淡化厂，日处理规模高达 624,000 m3，而很多反渗透海水淡化厂日处理规模都在 100,000 m3以上。专家组成员对2016的市场态势作出以下预估：
2016年的膜市场估值约32.5亿美元，而这仅仅对是MF/UF/NF/RO膜的估值。
全球膜市场的预测，数据来源：Water & Wastewater International
由于中水回用要求的增加、现有污水厂老化和提标改造的需求、可用土地的限制以及工业用水量的提高，MBR技术的市场得到了成长的机会。在欧洲，GE水处理的Zenon中空纤维膜和Kubota久保田的平板膜是大型MBR污水厂最常用的膜供应商，但是运用新概念膜组件的新公司也正在慢慢地进入市政和工业MBR的市场。我们可以预想到未来几年这个市场指数式的增长和激烈的竞争。
下表显示了MBR污水厂的规模的显著增加，超过40个大型MBR项目的设计峰值超过100,000 m3/d。MBR在中国的发展尤为迅猛，到2015为止的总处理能力已经达到7,500,000 m3/d。
挑战和市场驱动因素
总的来说，膜技术大部分的研发工作还是针对膜污染的分析和控制上，这几乎是所有种类的膜在长期运行后遇到的问题。MBR污水厂的高能耗问题跟膜污染密切相关，预计未来几年的研发重心依旧会落在如何减低运行能耗和解决膜污染的问题上。
浓缩液的处置是另外一个挑战，尤其是高压纳滤膜和反渗透膜系统。为了解决这个问题，最近几年兴起了膜蒸馏、正渗透和压力延滞(pressure-retarded) 渗透膜的研究。
影响膜市场的因素有很多，包括了投资和运行成本的下降、更加严格的出水标准、地区性的水资源短缺、对膜技术信心的增强、系统占地面积小、高效的除盐率，这些积极因素都会加速膜技术在世界各地的市场拓展。最新的需求来自油气行业——页岩气压裂(fracking)开采技术的兴起引发了这个行业对膜技术的巨大兴趣。
膜的标准化与新型产品研发
世界很多膜工厂都已经对反渗透和纳滤等高压膜进行了标准化生产，最常见的尺寸是8寸 x 40 寸 (200 mm x1000 mm)。但随之反渗透/纳滤水厂的规模不断扩大，更大直径的反渗透膜(16寸(400mm) 或 18寸 (450mm))也会出现在新的海水淡化厂设计中。
低压膜的生产还没标准化，这使得微滤/超滤项目变得有些复杂，这其中也包括了MBR污水厂的项目。非标准化生产可能会导致项目开发的时间延长，并最终导致成本的上升。但很多迹象表明这个情况将会得到改变，因为一些膜生产商已经开始跟进微滤/超滤厂和MBR厂的售后服务市场。关于MBR的标准化生产的研究及建议，可以参考Amedeus European研究项目的报告。
对新一代膜产品的研发也在进行中。新型膜与各种纳米材料相结合，例如Al2O3、TiO2、SiO2、沸石(zeolites)、碳纳米管(carbonnanotubes)、银纳米粒子(silvernanoparticles)和其他能改善膜性能的材料。加入这些物质的膜的通量更大、抗阻弹性更好，而且更耐生物腐蚀。结合了更多纳米级别设计和控制的工艺最终将产出多功能的膜产品，不仅能够去除水中的污染物，而且能完成主动性修复膜损坏、完成自身清洗、识别污染物等工作。
以CNT碳纳米管为例，它的水运输性能很高，能大大降低海水淡化中的能耗。但由于其高度选择性和高昂的成本，实现CNT碳纳米管工程应用的路似乎还很漫长和艰巨。又譬如Al2O3纳米粒子，它减低了胞外多聚物在膜表面的粘合性或吸附性，从而提高了膜的过滤性能，Maximous等研究人员曾用嵌有Al2O3纳米粒子的PES超滤膜进行活性污泥的过滤。
结合群体猝灭效应(quorum quenching)的纳米材料则能使膜材料不再仅仅是一张简单的物理滤纸，而是变得更具活性。有研究人员曾制备了附有酰基转移酶的具有群体猝灭效应的纳滤膜，这种膜能能通过抑制胞外多聚物的释出来防止生物污染。
总的来说，新型纳米材料能促进更有针对性的膜产品研发，未来的一个挑战是把这些膜应用在基于自然驱动力而不是外界压力的膜工艺中，例如正渗透或者膜蒸馏。
正渗透
正渗透是经过过去几年的发展，被视为是有望为海水淡化工艺带来变革的技术。目前也有一些用于工业和市政领域的正渗透的应用案例，包括污水处理、海水淡化、食品工业的浓缩液、页岩气开采的废水以及紧急灾害等情况的净水供应等。
2008年，来自英国Guildford的Modern Water 公司在地中海直布罗陀建造了全世界第一个FO+RO海水淡化厂。自2009年5月起，该厂的出水已经能供给到当地社区。2009年的9月，该公司在阿曼苏丹国的AlKhaluf建造了另一座基于同样工艺但规模更大的海水淡化厂。
Al Khaluf海水淡化厂的全景图
工作人员对已有的RO设备进行了对照实验，一个配有FO预处理，一个则没有。结果显示配有FO预处理的调试结果比预期更好，尤其是抗污染的性能和出水质量等关键指标的表现。值得一提的是，尽管进水的海水质量很差，但配有FO预处理的RO膜在长达一年的运行中都不需要对膜进行清洗或更换，而有使用FO预处理的RO膜每两到四周就要进行清洗或者经一年运行后进行更换。
这个试验显示了在预处理中应用正渗透技术可以降低发生膜污染的机率。以外，正渗透海水淡化工艺的关键优势还包括：
(1) 能耗跟配备其他预处理工艺的反渗透工艺相比减少30%
(2) 抗氯性更好，对各种杀菌剂(biocides)有更好的兼容性
(3) 硼产量更低
(4) 跟传统的反渗透工艺相比，适用性更高
正渗透工艺能否取得成功，取决于其膜的性能——如何该膜的内外浓差极化最小化，以及如何将除盐净水从汲取液中高效分离。一个位于美国加州的FO膜制造商Porifera曾做过另一个比较试验：用FO膜和UF膜作为RO海水淡化的预处理的两种方式进行对比。得到的结果跟之前介绍的研究类似——使用FO的系统的膜污染情况更轻。当用FO作为海水淡化的预处理工艺时，除了氯化钠，可以选择多样化的汲取液来优化工艺。
膜蒸馏
膜蒸馏 (Membrane distillation)使用疏水性多孔膜，蒸汽通过扩散作用导入膜孔。实际上膜蒸馏的吸引之处在于其传导原理和选择性不同于依靠渗透压的反渗透或者正渗透膜。
最近有研究报道使用膜蒸馏工艺来处理高浓度的含盐原水，继而改善RO系统和通过盐结晶实现资源回收。另一个有趣的应用是将膜蒸馏工艺和太阳能或者回收余热相结合，使它变成一种永续工艺。这方面的工作涉及了新的膜组件的设计和研发和整合，以及其长期运行的膜污染情况的分析。正在进行这方面研究的国家包括了荷兰、西班牙、突尼斯和新加坡。
结论和展望
膜污染和能耗依旧是膜技术最大的挑战，需要得到进一步的优化和突破。但不可否认，随着其越加广泛的应用，膜工艺在技术和经济适用性上的竞争力都在逐步加强。影响膜技术快速发展的主要因素包括：
(1) 能源/资源短缺、气候变化和人口快速增长带来的多层面的全球问题
(2) 膜材料和膜组件的改良
(3) 运行的稳定性，例如更好的抗污染性
除此以外，膜的持久性和寿命等问题，例如连续式MBR的寿命是否真的如生产商声称的长达20年，仍有待运行经验来验证。
由于膜自身的性能特点，膜技术将会是解决当今世界难题的核心技术之一。由联合国推动的千年项目 (Millennium Project) 提出了15个全球性挑战，膜技术将能为其中的五个提供巨大帮助：
可持续发展和气候变化
水资源短缺和水质问题
保持人口增长和资源可持续利用之间的平衡
减少新生和复发疾病与免疫微生物对人类健康的威胁
安全有效地满足日益增长的能源需求
关于作者
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
原标题：IWA专家组最新报告《水科学、研究和管理的全球趋势和挑战》(2): 水处理中的膜技术
