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(guān)注的四類新污染物之一�？股匚廴玖怂�，應(yīng)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(shù)。”在日前舉行的第18屆POPs論壇上，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作“新膜處理抗生素污染水‘卡脖子’技術(shù)難題及對策”主題報告中如是說。
圖為中國工程院院士侯立安作主題報告。
傳統(tǒng)膜技術(shù)需要“一條龍”創(chuàng)新
我國是全球最大的抗生素生產(chǎn)國和出口國，僅在2010年—2020年，常見的80種獸藥抗生素排放量就高達23110噸/年—40850噸/年。其中，超90%的抗生素會通過點源或非點源方式進入自然水體。
“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，這些工藝隨著科研技術(shù)的進步而變化。”侯立安指出，“很多專家認為，膜法是本世紀最有前途的水處理技術(shù)。但膜法抗生素處理也存在或?qū)⒁龅揭恍?lsquo;卡脖子’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(nèi)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(yīng)用性能上說，膜法水處理技術(shù)存在滲透性和選擇性的“蹺蹺板”效應(yīng)，兩者不可兼得。“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，我們能做的，就是在使用膜技術(shù)時盡最大可能規(guī)避、減緩膜污染，延長膜的使用壽命。”侯立安說。
傳統(tǒng)的膜面臨這些問題，我們?nèi)绾螒?yīng)對？侯立安指出，再遵循過去的制膜、用膜方式，重復(fù)老路走不通了，新路就在創(chuàng)新上。未來，膜技術(shù)從制備的機理研究到應(yīng)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(shù)工藝。
新膜處理抗生素污染尚存技術(shù)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(zhì)性突破，新膜材料基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計能力薄弱，高性能、低成本新膜材料的規(guī)模化制備關(guān)鍵技術(shù)仍有待加強。”侯立安說。
據(jù)侯立安介紹，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(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(guān)鍵。但在高端膜制備的材料方面，我們還有所欠缺，如果連原材料都沒有或者材料不合格，后續(xù)就是無稽之談�，F(xiàn)有部分國產(chǎn)膜材料的產(chǎn)品性能與國外產(chǎn)品相比仍有差距，膜產(chǎn)品規(guī)格不全，有待進一步提高和擴展。”侯立安說。
另一方面，建設(shè)健康中國，保障健康飲水尤為關(guān)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標準限制，又要含有對人體有益的鈣、鎂等礦物質(zhì)。這就要求膜有很強的選擇性。
侯立安還提到，膜從制備到應(yīng)用，包括機理的研究和后處理，初步估算可能涉及七八個一級學科、十幾個二級學科，有材料、環(huán)境、健康、醫(yī)學等學科。“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(diào)、工藝的優(yōu)化由誰來統(tǒng)籌，這也需要我們做大量的工作。”
此外，用膜法進行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(shù)瓶頸。”侯立安說。
還有膜組件的修復(fù)問題。膜經(jīng)過一段時間使用后效能下降。侯立安表示，傳統(tǒng)做法是直接遺棄，但這一做法并不可取。“同樣地，處理抗生素的膜被遺棄后，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。”
加強關(guān)鍵技術(shù)研究突破“卡脖子”難題
在侯立安看來，要突破膜領(lǐng)域的“卡脖子”難題，首先要加強膜分離機理研究及其應(yīng)用，用理論來指導(dǎo)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(zhì)生產(chǎn)力，逐步解決原材料被“卡”的問題。
“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(yīng)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(shè)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(shù)融入進去。”侯立安說。
侯立安介紹說：“納米技術(shù)在水處理領(lǐng)域已產(chǎn)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(shù)中的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(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(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。”
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(jié)構(gòu)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。侯立安介紹說：“通常用于污水處理的膜使用時長為3年或者稍久，這種膜經(jīng)過改性，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(shù)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(shù)結(jié)合，可高效降解水中的抗生素。”侯立安說。
同時，侯立安指出，要關(guān)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以再回收進行低溫熱解。在有氧的條件下，直接焚燒可能產(chǎn)生二惡英或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(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，實現(xiàn)水廠工藝靈活化、管理智能化、水質(zhì)多級化等目標。
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原標題：《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》
