行業(yè)動(dòng)態(tài) | 中國(guó)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(guó)際上廣泛關(guān)注的四類(lèi)新污染物之一�？股匚廴玖怂�，應(yīng)該用什么方法來(lái)治理？我們認(rèn)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(shù)。”中國(guó)工程院院士、國(guó)家新污染物治理專家委員會(huì)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(shù)難題及對(duì)策”主題報(bào)告中如是說(shuō)。
01
傳統(tǒng)膜技術(shù)需要“一條龍”創(chuàng)新
抗生素是日常生活中的常見(jiàn)物質(zhì)，而其在制備中及服用后卻可能產(chǎn)生一些污染。我國(guó)是全球最大的抗生素生產(chǎn)國(guó)和出口國(guó)，每年有超50%的抗生素產(chǎn)量被用于動(dòng)物促生長(zhǎng)劑和獸類(lèi)疾病預(yù)防�？股氐母呦牧客瑫r(shí)也導(dǎo)致其高排放量。數(shù)據(jù)顯示，僅在2010年—2020年間，常見(jiàn)的80種獸藥抗生素排放量高達(dá)23110噸—40850噸/年。
水體是抗生素的主要載體，超90%的抗生素會(huì)通過(guò)點(diǎn)源或非點(diǎn)源方式進(jìn)入自然水體。且水體中抗生素分布區(qū)域廣，在我國(guó)各大流域均監(jiān)測(cè)到抗生素的存在。
“實(shí)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(jí)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(shù)的進(jìn)步而變化。”據(jù)侯立安介紹，很多專家認(rèn)為膜法是本世紀(jì)最有前途的水處理技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)很多領(lǐng)域已得到廣泛研究和投入，特別是制備技術(shù)、應(yīng)用工藝，以及膜法廢物的后處理。
上世紀(jì)60年代，我國(guó)使用國(guó)外的膜技術(shù)。經(jīng)過(guò)幾十年的努力，我國(guó)第一代科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了從0到1的突破。海水淡化是世界公認(rèn)的解決淡水短缺的最佳解決方案之一。過(guò)去，我們利用膜技術(shù)開(kāi)展海水淡化，解決工業(yè)用水問(wèn)題，然而我國(guó)海水淡化的核心處理單元——膜是進(jìn)口的；80—90年代，科學(xué)家解決了這一問(wèn)題，扭轉(zhuǎn)此類(lèi)膜依賴進(jìn)口的局面；90年代，我國(guó)膜產(chǎn)業(yè)進(jìn)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(jìn)入快速成長(zhǎng)期。
如今，我國(guó)膜工業(yè)已融入全球市場(chǎng)，從過(guò)去的跟跑到并跑，再到實(shí)現(xiàn)領(lǐng)跑。“也可以說(shuō)，在今后相當(dāng)一段時(shí)間，特別是新污染物治理的膜技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)黃金發(fā)展期。但同時(shí)，膜法抗生素處理也存在或?qū)⒁龅揭恍?lsquo;卡脖子’問(wèn)題。”侯立安說(shuō)，傳統(tǒng)的膜通過(guò)微濾、超濾、納濾、反滲透技術(shù)，已經(jīng)在水處理上發(fā)揮了重要作用，每年的應(yīng)用量都在提高，使用范圍也在擴(kuò)大，但它或多或少還存在一些問(wèn)題。
首先是膜的機(jī)理研究，比如，傳統(tǒng)的膜納濾分離機(jī)制不夠清晰。新膜在業(yè)內(nèi)還沒(méi)有形成統(tǒng)一的定義和認(rèn)識(shí)，其機(jī)理研究更加滯后；從應(yīng)用性能上說(shuō)，膜法水處理技術(shù)存在滲透性和選擇性的“蹺蹺板”效應(yīng)，二者不可兼得，要兼得，難度非常大，不突破它，就是應(yīng)用的必然障礙；另外，還有膜的污染問(wèn)題，過(guò)去膜法水處理最大的問(wèn)題在于成品較貴，即處理水水價(jià)較高。而水價(jià)涉及千家萬(wàn)戶和全體股民，我們能做的，就是在使用膜技術(shù)時(shí)盡最大可能規(guī)避、減緩膜污染，延長(zhǎng)膜的使用壽命。
傳統(tǒng)的膜面臨這些問(wèn)題，我們?nèi)绾螒?yīng)對(duì)？侯立安在報(bào)告中指出，再遵循過(guò)去的制膜、用膜方式，重復(fù)老路走不通了，新路就在創(chuàng)新上。未來(lái)，膜技術(shù)從制備的機(jī)理研究到應(yīng)用、再到廢膜回收的“一條龍”都需要?jiǎng)?chuàng)新，這對(duì)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(shù)工藝之一。
02
新膜處理抗生素污染尚存技術(shù)難題
“目前，我國(guó)針對(duì)新膜材料分離機(jī)理和制備工藝尚未完全形成實(shí)質(zhì)性突破，新膜材料基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力薄弱，高性能、低成本新膜材料的規(guī)�；苽潢P(guān)鍵技術(shù)仍有待加強(qiáng)。”侯立安說(shuō)。
美國(guó)對(duì)中國(guó)芯片“卡脖子”不是新鮮的話題。
據(jù)侯立安介紹，事實(shí)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(chǔ)資源，水的問(wèn)題不解決，芯片很難造出來(lái)。國(guó)際上能夠解決高純水制備問(wèn)題的技術(shù)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(guó)就有一家，另外兩家企業(yè)在美國(guó)。
“要解決芯片用水問(wèn)題，這種高端膜的使用非常關(guān)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(méi)有或者材料不合格，后續(xù)也是無(wú)稽之談�，F(xiàn)有部分國(guó)產(chǎn)膜材料的產(chǎn)品性能與國(guó)外產(chǎn)品相比仍有差距，膜產(chǎn)品規(guī)格不全，有待進(jìn)一步提高和擴(kuò)展。”侯立安說(shuō)。
另一方面，健康中國(guó)已經(jīng)上升為國(guó)家戰(zhàn)略，建設(shè)健康中國(guó)，保障健康飲水尤為關(guān)鍵。侯立安表示，健康飲水的要點(diǎn)在于，讓水既符合國(guó)家管控的污染物標(biāo)準(zhǔn)限制，又要含有對(duì)人體有益的健康物質(zhì)，如鈣、鎂等人體所需的其他礦物質(zhì)。這些原水中本身就有的物質(zhì)，我們不能通過(guò)膜處理將其去除，而應(yīng)最大限度地保留，這就要求膜有很強(qiáng)的選擇性。從某種程度上講，這也是一項(xiàng)卡脖子技術(shù)。
侯立安還提到，膜從制備到應(yīng)用，包括機(jī)理的研究和后處理，初步估算可能涉及7、8個(gè)一級(jí)學(xué)科，十幾個(gè)二級(jí)學(xué)科，有材料、有環(huán)境、有健康、醫(yī)學(xué)等等學(xué)科，隔行如隔山，每個(gè)專業(yè)都在考慮自己專業(yè)的問(wèn)題，專業(yè)之間的協(xié)調(diào)、工藝的優(yōu)化由誰(shuí)來(lái)統(tǒng)籌，如何解決這一問(wèn)題是一個(gè)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(wèn)題。濃縮液禁止排海，必須自行消化或處理掉，要實(shí)現(xiàn)近零排放。處理抗生素的廢水也存在同樣的問(wèn)題，膜濃縮到一定程度后必須要蒸發(fā)或采用其他工藝來(lái)處理，甚至將之固化等，這也是一個(gè)很大的技術(shù)瓶頸。
類(lèi)似的問(wèn)題是膜組件的修復(fù)。膜經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使用后效能下降，實(shí)現(xiàn)不了處理目標(biāo)后應(yīng)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(jí)成危廢，所以要將之合理處置、循環(huán)利用，這一體系也需進(jìn)一步加強(qiáng)。
03
加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)研究突破卡脖子難題
在侯立安看來(lái)，要突破膜領(lǐng)域的卡脖子難題，首先加強(qiáng)膜分離機(jī)理研究及其應(yīng)用，用理論來(lái)指導(dǎo)工程實(shí)踐。同時(shí)，強(qiáng)化新型材料的開(kāi)發(fā)，加快形成膜業(yè)的新質(zhì)生產(chǎn)力，逐步解決原材料被“卡”問(wèn)題。
“我們要從原材料層面進(jìn)一步下功夫，目標(biāo)就是選擇低碳、綠色的新材料，對(duì)它進(jìn)行開(kāi)發(fā)應(yīng)用，制備成新膜。另外，用人工智能識(shí)別具有潛力的膜材料。在這方面，需要重新設(shè)計(jì)一些新膜的組件來(lái)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(shù)融入進(jìn)去，加強(qiáng)工作開(kāi)展。”侯立安說(shuō)。
侯立安介紹，納米技術(shù)在水處理領(lǐng)域已產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，推進(jìn)納米功能材料在膜分離、高級(jí)氧化吸附等去除技術(shù)中的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水中抗生素的高效去除，縮短去除工藝的運(yùn)行時(shí)間。我們應(yīng)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(qiáng)化。研究表明，兩性離子膜對(duì)于帶正負(fù)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(jié)構(gòu)層含有自由水合層，在耐污染性得到提高的同時(shí)通量和截留率也有一定提高。通常污水處理的膜使用時(shí)長(zhǎng)3年或者稍久，經(jīng)過(guò)這種膜改性，可以使用5年或者更長(zhǎng)的時(shí)間。
“但不能忽略一個(gè)問(wèn)題，就是改性膜的制備難度不能過(guò)大，要在不改變膜制備工藝的前提下，加上一點(diǎn)新東西就能讓其發(fā)揮有效作用。另外膜技術(shù)也要進(jìn)行工藝組合，比如將光催化、Fenton氧化等高級(jí)氧化工藝與膜技術(shù)結(jié)合，可高效降解水中抗生素。”侯立安說(shuō)。
同時(shí)，也要關(guān)注退役膜組件的處理問(wèn)題，這包含兩個(gè)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(jìn)行低溫?zé)峤�。在有氧的條件下，直接焚燒可能產(chǎn)生二噁英或VOCs，低溫?zé)峤饪梢越鉀Q這一問(wèn)題。
此外，在理念上，要實(shí)現(xiàn)從“被動(dòng)安全”到“主動(dòng)安全”的轉(zhuǎn)變，建設(shè)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(shí)現(xiàn)水廠工藝靈活化、管理智能化、水質(zhì)多級(jí)化等目標(biāo)。
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