王志偉，戴若彬，張星冉，文越，陳妹，李佳藝

(同濟大學(xué) a.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院；b.先進膜技術(shù)研究中心，上海 200092)

污水處理與再生利用是全球應(yīng)對水資源危機、控制水體污染的重要途徑[1-3]。膜法污水處理技術(shù)由于具有出水水質(zhì)好、固液分離效率高、占地面積小等優(yōu)點[4-6]，已成為污水處理與再生利用的主流技術(shù)之一[7-8]，得到了廣泛研究與關(guān)注。據(jù)《中國水處理行業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究報告》，中國膜產(chǎn)業(yè)以每年20%以上的增長率快速發(fā)展。預(yù)計2021年中國膜工業(yè)產(chǎn)值將達到3 300億元以上，帶動相關(guān)膜技術(shù)工程總投資逾1萬億元。

當(dāng)前，水環(huán)境功能質(zhì)量提升的需求驅(qū)動著高標準處理技術(shù)的持續(xù)應(yīng)用，為膜法污水處理技術(shù)帶來了快速發(fā)展機遇。但另一方面，碳達峰、碳中和導(dǎo)向下，污水深度處理與再生利用領(lǐng)域“呼喚”綠色低碳技術(shù)，給膜法污水處理技術(shù)帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。高標準處理與碳達峰、碳中和的交織倒逼污水處理技術(shù)創(chuàng)新與綠色發(fā)展。因而，如何在高標準、綠色低耗的要求下實現(xiàn)膜法污水處理關(guān)鍵理論與技術(shù)創(chuàng)新，支撐膜法污水處理技術(shù)未來可持續(xù)發(fā)展，是膜技術(shù)領(lǐng)域亟需關(guān)注和思考的問題。

本文基于過去10余年膜法污水處理技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用進展，圍繞高性能膜材料制備、膜技術(shù)/工藝的功能拓展、膜的可持續(xù)利用以及膜工藝創(chuàng)新發(fā)展等4個方面綜述了膜法污水處理技術(shù)相關(guān)研究與應(yīng)用動態(tài)。在此基礎(chǔ)上對未來膜法污水處理技術(shù)發(fā)展趨勢與重點方向進行分析和研判，提出膜法污水處理技術(shù)需要攻關(guān)的重點方向，以推動膜法污水處理技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。

1 膜法污水處理技術(shù)相關(guān)研究與應(yīng)用動態(tài)

在過去10余年，膜法污水處理技術(shù)得到了快速發(fā)展和應(yīng)用。一方面，膜法污水處理技術(shù)研究呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展態(tài)勢。膜法污水處理技術(shù)集中在膜基礎(chǔ)理論、新型膜材料、膜污染及其控制、膜清洗、膜工藝等方面開展了大量研究(圖1)，同時，呈現(xiàn)出與材料、化學(xué)、生物等學(xué)科深度交叉融合的特征，創(chuàng)新性成果不斷涌現(xiàn)。另一方面，膜法污水處理技術(shù)得到了快速規(guī)?；こ虘?yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計[9]，目前，中國膜生物反應(yīng)器污水處理工程(≥1萬m3/d規(guī)模工程)累計處理規(guī)模超過2 000萬m3/d。據(jù)《中國水處理行業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究報告》估算，工業(yè)廢水膜法處理工程累計處理規(guī)模逾3 600萬m3/d。中國一躍成為膜法污水處理技術(shù)研究最為活躍、應(yīng)用市場最為廣闊的國家。膜法污水處理技術(shù)在市政污水處理、工業(yè)廢水處理等領(lǐng)域扮演著重要角色。

圖1 近10年膜法污水處理技術(shù)研究熱圖(基于Web of Science近10年發(fā)表論文數(shù)據(jù)統(tǒng)計繪制)

1.1 高性能膜材料制備

圖2 高性能膜材料研究示意圖

1.1.1 抗有機污染與抗生物污染膜材料 抗污染膜材料研制在過去10余年快速發(fā)展。表面涂覆/接枝、功能材料摻雜/共混等抗污染改性方法得到了廣泛研究[15-17]。近年來，借鑒自然界中生物的功能、結(jié)構(gòu)和過程實現(xiàn)抗污染改性，通過仿生和生物啟發(fā)方法獲得具有抗污染物黏附、滋生的抗污表面是抗污染膜材料研制的熱點(圖2和表1)，如受細胞膜非對稱結(jié)構(gòu)啟發(fā)的表面偏析法[18]、受荷葉效應(yīng)啟發(fā)的自清潔光滑抗污表面[19]、受沙漠昆蟲皮膚啟發(fā)構(gòu)建的親疏水梯度表面[20]等。以受荷葉和魚鰓結(jié)構(gòu)啟發(fā)的多級結(jié)構(gòu)PP膜制備為例，通過誘導(dǎo)微/納米SiO2在膜界面上有序生長，能夠有效增加膜表面湍流度、減低膜表面成核傾向，實現(xiàn)高滲透通量下(23.0 kg/(m2·h))長期抗污染、抗?jié)櫇裥Ч鸞21]。此外，污染物與膜面的作用機制研究也為抗污染膜材料制備指明了方向。在官能團與污染物相互作用研究中發(fā)現(xiàn)，-COOH雖然親水、且?guī)ж撾?在污水處理近中性pH值范圍內(nèi))，但在實際污染中由于與無機離子絡(luò)合以及與污染物的氧橋作用，并沒有表現(xiàn)出優(yōu)異的抗污染性能[22]；而如果用無機離子將-COOH遮蔽，膜的抗污染性能則恢復(fù)[23]，利用Ca2+屏蔽TFC膜面的-COOH可對海藻酸鈉提升約50%的抗污染效率[23]。此外，與-COOH相比，含有-OH官能團的膜面展現(xiàn)出更加優(yōu)異的抗污染性能[24]。

表1 仿生和生物啟發(fā)抗污染膜制備進展

1.1.2 不斷突破水通量和截留率相互制約的高性能膜材料 水通量和截留率之間的制衡關(guān)系(Trade-off)嚴重制約了膜材料的性能提升(圖3(a))，也是膜法污水處理膜材料所面臨的共性問題，如何打破這一Trade-off現(xiàn)象是目前國際上的研究前沿和熱點。Tan等[42]在Science上發(fā)文報道，通過在水相中添加大分子的聚乙烯醇去結(jié)合水相哌嗪(PIP)單體，能調(diào)控水相單體擴散的速率，從而形成表面具有圖靈結(jié)構(gòu)的聚酰胺薄膜復(fù)合(TFC)NF膜，水通量得到大幅提高，鹽截留率保持穩(wěn)定(圖3(b))。此外，近期Ma等[43]研究發(fā)現(xiàn)，界面聚合過程中，界面局部溢出的納米氣泡(通常是CO2)會對反應(yīng)有顯著影響，是RO膜峰谷結(jié)構(gòu)的主要致因，通過調(diào)控納米氣泡的形成，能顯著提升TFC膜的分離性能。

另外，通過在界面聚合過程中引入納米顆粒，制備薄膜納米復(fù)合(TFN)聚酰胺膜，能在增加膜水滲透性的同時維持膜的鹽截留率，也可解決傳統(tǒng)TFC膜水滲透率和鹽截留率的Trade-off問題(圖3(d)、(e))[52-54]。一般而言，TFN膜制備的關(guān)鍵是納米顆粒的均勻分布，若納米顆粒分散不佳而團聚，易使膜產(chǎn)生缺陷，制約TFN膜的分離性能。近些年，隨著新型納米材料的不斷研發(fā)，為TFN膜的發(fā)展注入了新的動力[55-56]。如源于細胞膜的水通道蛋白，其理論水通量比商業(yè)RO膜高2～3個數(shù)量級，且對溶質(zhì)(包括H+)的截留率接近100%[57-59]。另外的一些合成通道或多孔材料也被用于合成高性能膜，如自組裝人工水通道[60]、碳納米管[61-63]、金屬有機框架化合物(MOFs)[64-67]、氧化石墨烯[68-70]、二硫化鉬納米片[71-72]等，其自身強大的過水性能有望大幅削減膜法水回用能耗[73]。

圖3 突破水通量和截留率相互制約的高性能膜材料與過水機制

1.1.3 利用納米水通道調(diào)控膜的性能 對于具有孔道的納米材料，其內(nèi)部傳質(zhì)特性與聚酰胺膜完全不同[74]。以碳納米管為例，在碳納米管中，隨著水分子持續(xù)充滿碳納米管，會在管內(nèi)形成連續(xù)的一維水分子單鏈，而碳納米管內(nèi)表面是非極性的，水分子與管壁之間幾乎無摩擦作用力，因此水分子可以快速滑過碳納米管[75]，且另有研究[76]發(fā)現(xiàn)，隨著碳納米管直徑的減小，水分子的滑移距離成倍增加。可見，若能使多孔納米材料的孔道作為膜的主要過水通道，能顯著提升膜的水通量。并且，當(dāng)納米材料孔道成為膜的主要過水通道時，膜對污染物的選擇性將取決于納米材料的孔道性質(zhì)，即通過適當(dāng)選取納米材料能定制膜的選擇性。

Dai等[77]在界面聚合制備過程中原位引入親水多孔的金屬有機框架材料MIL-101(Cr)，構(gòu)建了親水納米水通道內(nèi)嵌的TFN聚酰胺NF膜。通過多種鹽截留、納米材料與膜表面電位、金納米顆粒過濾與透射電子顯微鏡(TEM)截面表征等手段，證明MIL-101(Cr)的親水通道主導(dǎo)了整體膜的傳質(zhì)。親水多孔納米材料的引入使其水通量相較于傳統(tǒng)NF膜提升了130%，且同時提升了其對疏水內(nèi)分泌干擾物的截留率，有效提升了其對水/內(nèi)分泌干擾物的選擇性，在污水處理與回用領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。進一步地，在MIL-101(Cr)納米水通道的配位不飽和金屬中心接枝了乙二胺，使其具有外部羧基、內(nèi)部氨基的雙電性結(jié)構(gòu)[78]。雙電性納米水通道也能主導(dǎo)TFN膜的分離性能，改性膜對荷正電和荷負電藥物(PhACs)均有優(yōu)異的去除效果。納米水通道外側(cè)的羧基對負電PhACs的排斥能高于內(nèi)部孔道的氨基，而對正電PhACs的排斥能主要由孔道內(nèi)的氨基貢獻。

此外，納米水通道不僅可通過納米材料內(nèi)部孔道來構(gòu)造，非多孔納米材料也能在聚酰胺層內(nèi)形成納米水通道。通過在基膜上預(yù)先負載親水的銀納米顆粒，在界面聚合過程中，親水銀納米顆粒附近能吸附一層水相薄層，油相單體均苯三甲酰氯(TMC)在其附近易發(fā)生水解，從而在界面聚合過程中于銀納米顆粒和聚酰胺層之間形成納米級的空腔，即納米水通道[79]。銀納米顆粒周圍的納米水通道能顯著提升RO膜的水通量和對氯化鈉、硼和微污染物的截留效果。不過，若納米顆粒是疏水的，則難以在其周圍和聚酰胺之間形成納米水通道[80]，因此，若欲在聚酰胺膜內(nèi)形成納米水通道，多孔的疏水/親水納米材料或無孔的親水納米材料均在選用之內(nèi)。

1.1.4 基于影像組學(xué)和人工智能的膜材料3D打印 傳統(tǒng)的膜材料制備方法通?；诶碚撏茰y和經(jīng)驗觀察，難以實現(xiàn)其精準設(shè)計，近些年興起的3D打印技術(shù)為膜材料未來的精準設(shè)計提供了廣闊空間。3D打印是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過程序控制來進行材料精細制造的技術(shù)，有望在膜材料制造和人工智能之間搭建重要橋梁。

膜材料精準設(shè)計的前提是對膜材料構(gòu)效關(guān)系具有深入的理解并建立可靠的物理、數(shù)學(xué)模型關(guān)系。例如，基于TEM圖像三維重構(gòu)能獲得聚酰胺膜皮層結(jié)構(gòu)的精細三維結(jié)構(gòu)，通過反應(yīng)條件控制等能解析聚酰胺層表面結(jié)構(gòu)與其過水性能的關(guān)聯(lián)[81]；采用金納米顆粒過濾聯(lián)合TEM能可視化膜截留層上的有效過水位點[82]；抑或進行嚴格的單因素變量試驗，探究膜內(nèi)單一結(jié)構(gòu)的改變(如基膜的孔徑)與膜過水、截留性能的關(guān)系[44]。

膜材料精準設(shè)計的基礎(chǔ)是正確選擇底層化合物。通過現(xiàn)有化合物及其對應(yīng)的膜材料性能訓(xùn)練機器學(xué)習(xí)算法，能預(yù)測、篩選可打破分離膜性能上限的化合物[83]，同時，機器學(xué)習(xí)也能用于指導(dǎo)RO膜等其他膜材料的設(shè)計[84]。不過，目前在機器學(xué)習(xí)中用于訓(xùn)練的案例大多是實際的經(jīng)驗案例，在利用其優(yōu)化一種膜材料前仍需進行大量的前期學(xué)習(xí)案例積累。未來，待分子模擬的手段更加成熟、精度更高后，可將分子模擬的結(jié)果用于機器學(xué)習(xí)算法的訓(xùn)練，從而實現(xiàn)膜材料制備底層化合物的高效篩選。總之，通過深度學(xué)習(xí)算法對高性能復(fù)合膜材料的頂層設(shè)計，有望實現(xiàn)對高性能膜材料創(chuàng)新的智能化控制。

膜材料精準設(shè)計的實施關(guān)鍵是3D打印設(shè)備的精度及方法。目前市面上的3D打印主要是運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料來逐層打印構(gòu)造物體，商業(yè)化精度最高限制在微米級[85]。由此可知，目前用傳統(tǒng)3D打印思路僅能精準設(shè)計微米級別的膜材料，例如，Lv等[86]用含有納米二氧化硅的聚二甲硅氧烷墨水打印多孔微濾膜，其孔徑為370 μm，水通量為23 700 L/(m2·h)，油水分離效率為99.6%。此外，聚砜也可用于微米級別膜材料的3D打印，由此制備得到的超疏水膜(水接觸角161°)對正己烷/水的分離效率可達99%[87]。對于納米級別的膜材料，需要進一步提高3D打印精度[88]，或者轉(zhuǎn)換思路，采用其他3D打印策略進行材料結(jié)構(gòu)構(gòu)筑。香港大學(xué)湯初陽教授和美國康涅狄格大學(xué)McCutcheon課題組先后提出采用電噴涂反應(yīng)單體的手段從納米級別精確調(diào)控聚酰胺層的結(jié)構(gòu)[89-90]，從而實現(xiàn)聚酰胺RO膜在納米尺度下的3D打印構(gòu)筑，為未來膜材料在納米尺度下的精細設(shè)計提供了借鑒。

1.2 膜技術(shù)/工藝的功能拓展

圖4 膜技術(shù)/工藝的功能拓展示意圖

1.2.1 膜生物耦合集成高標準處理工藝 在膜法污水處理中，最常見的膜功能拓展仍是與生物法耦合，如膜生物反應(yīng)器(MBR)技術(shù)?；谖⑸锏拇x特性，與微生物耦合能賦予膜分離體系一定的微污染物降解性能[92]。在MBR技術(shù)研究領(lǐng)域，中國在反應(yīng)器設(shè)計、運行優(yōu)化、膜污染機理、膜污染控制等方面取得了豐碩成果[93-94]，為MBR技術(shù)在污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論與技術(shù)支持。目前，有關(guān)MBR設(shè)計已經(jīng)納入新修訂的《室外排水設(shè)計標準》(GB 50014—2021)，為進一步規(guī)范MBR工藝設(shè)計提供了標準依據(jù)。

為進一步保障工藝出水質(zhì)量，在市政污水深度處理與回用中，MBR常和高壓膜聯(lián)用。其中，MBR發(fā)揮預(yù)處理的功能，而高壓膜實現(xiàn)污水的深度處理?，F(xiàn)有研究[95]表明，與傳統(tǒng)活性污泥法——MF分置式預(yù)處理相比，MBR作為預(yù)處理能使后續(xù)高壓膜得到更為穩(wěn)定的出水水質(zhì)，且高壓膜運行膜通量提高了30%。在高壓膜的選擇上，相比于NF，RO雖然理論上出水各類物質(zhì)去除率更高，但存在過度凈化的風(fēng)險，使其產(chǎn)水作為飲用水之前可能還需額外添加礦物質(zhì)。此外，由于RO對鹽去除率顯著高于常規(guī)NF，使RO膜兩側(cè)滲透壓差較大，于熱力學(xué)角度限制了RO的最低能耗[17]。可見，在污水處理與回用中，基于鹽截留率低、微污染物截留效率高的選擇性NF膜[96]，采用MBR-NF串聯(lián)體系是保障污水處理品質(zhì)和效率的有效手段。

圖5 膜分離耦合電催化強化污染物降解、病毒滅活與膜原位清洗示意圖

除針對性去除小分子難降解有機污染物外，EMF還能與工業(yè)廢水中某些污染物產(chǎn)生“聯(lián)動”，達到自強化催化的效果。Li等[102]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用EMF處理含銅絡(luò)合物(Cu-EDTA)的模擬工業(yè)廢水時，利用陽極生成的·OH攻擊穩(wěn)定的銅絡(luò)合物會生成具有催化活性的降解中間體，中間體進一步與陰極產(chǎn)生的H2O2發(fā)生類芬頓反應(yīng)生成大量·OH，誘導(dǎo)形成鏈式自強化破絡(luò)過程，同時，中間體和銅離子在陰極導(dǎo)電膜發(fā)生還原沉淀，進而實現(xiàn)銅回收。此外，由于系統(tǒng)的鏈式反應(yīng)特征，EMF系統(tǒng)能耗顯著低于文獻中處理相同重金屬絡(luò)合物廢水的其他方法的能耗。由此可見，EMF系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)城市污水中微污染物的去除，也能在一些工業(yè)廢水處理中發(fā)揮突出的處理效果。

膜的功能復(fù)合設(shè)計不局限于電化學(xué)，耦合光催化、酶催化等亦是較為熱門的研究方向[103-104]。例如，Ni等[105]將CdS/MIL-101(Cr)負載于PVDF膜上構(gòu)建了光催化膜，在可見光照射下，通過光催化作用產(chǎn)生活性物種(·OH、e-以及h+)原位清洗膜面污染物并局部殺菌，從而實現(xiàn)CdS/MIL-101(Cr)光催化PVDF膜在MBR中的長效運行；Lee等[106]將群感效應(yīng)猝滅酶固定在膜上，利用其對微生物群感效應(yīng)的抑制，從而顯著延長了膜在MBR中的清洗周期。此外，也有研究發(fā)現(xiàn)，在膜上針對性負載催化酶，能實現(xiàn)對水中微污染物的催化降解[107]。

1.2.4 膜生物耦合技術(shù)的新發(fā)展 目前對MBR整體研究偏向于工程上的工藝組合。未來隨著生物技術(shù)發(fā)展，膜生物耦合技術(shù)將實現(xiàn)功能的更大突破。例如，從合成生物學(xué)角度，可考慮采用模塊化的合成生物學(xué)策略對MBR中關(guān)鍵微生物的核心代謝路徑進行系統(tǒng)的優(yōu)化與重構(gòu)[112]，從源頭優(yōu)化MBR對污染物的降解性能，并利用MBR長泥齡的特性實現(xiàn)對目標微生物菌群的富集。此外，還可考慮對膜表面的優(yōu)勢污染菌群進行基因重構(gòu)[113]：例如，插入綠膿桿菌las群感系統(tǒng)基因片段，借助LasI/LasR蛋白的表達及信號分子反饋機制，實現(xiàn)污染生物膜生長自控；引入枯草桿菌的bNos基因片段，通過樹膠醛糖誘導(dǎo)基因表達生成NO合成蛋白Nos，分泌NO，控制膜污染；在bNos基因片段連續(xù)放射性土壤桿菌的環(huán)氧化物酶合成基因，使細菌分泌環(huán)氧化物水解酶，降解環(huán)氧氯丙烷。

1.3 膜的可持續(xù)利用

圖6 污水處理與回用膜材料可持續(xù)使用路徑探討

報廢膜的再生循環(huán)利用可分為3類：1)報廢高壓膜的“降級”再生；2)報廢低壓膜的“升級”再生；3)報廢高壓膜或低壓膜的“平級”再生。國際上環(huán)境、材料領(lǐng)域的科學(xué)家已經(jīng)開始嘗試在經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砗髮髲U的RO/NF膜降級為NF/UF膜。例如，利用聚酰胺不耐次氯酸鈉清洗的特性，采用自由氯攻擊法直接降級再生報廢RO膜，當(dāng)采用6 200 mg·L-1·h的次氯酸鈉濃度時，能將報廢RO膜降級再生為NF膜，而當(dāng)清洗強度達300 000 mg·L-1·h時，則能將報廢RO膜的聚酰胺層完全剝離，從而將報廢RO膜降級再生為UF膜[120]。受次氯酸鈉攻擊后的報廢RO膜也可用作膜曝氣生物膜反應(yīng)器中的氣膜，膜的氣體滲透率可通過自由氯濃度和攻擊時間控制[121]。此外，還有研究者[119]提出，在自由氯攻擊后通過層層組裝法再生制備NF膜。

1.4 膜工藝低耗綠色發(fā)展

隨著膜材料性能不斷提升、膜組件迭代升級、膜污染機理認識深化、膜污染控制技術(shù)發(fā)展以及工藝運行優(yōu)化，膜法污水處理工藝運行能耗快速降低，其技術(shù)經(jīng)濟性能不斷提升。以膜生物反應(yīng)器技術(shù)為例，十年前的水處理能耗在0.6～0.7 kWh/m3，而目前其處理能耗降至0.4 kWh/m3以下(國際上運行能耗最低可以達到0.3 kWh/m3以下)，膜生物反應(yīng)器技術(shù)在污水高標準處理領(lǐng)域展現(xiàn)了非常大的競爭力。

與此同時，在資源能源短缺以及碳達峰、碳中和的大背景下，研究者們[124-125]開發(fā)出諸多新型低耗MBR工藝，包括厭氧MBR(AnMBR)、厭氧氨氧化MBR等新型組合MBR工藝，以實現(xiàn)膜工藝的低耗綠色發(fā)展。在捕獲市政污水中碳源的前提下，構(gòu)建主流污水AnMBR處理技術(shù)是一種綠色處理工藝[126]。運行溫度是AnMBR處理市政污水效果面臨的一大挑戰(zhàn)，在低溫下(<20 ℃)，厭氧微生物代謝活性會顯著降低，影響反應(yīng)器處理效能[127]。不過，隨著技術(shù)革新(如接種耐寒微生物、優(yōu)化反應(yīng)器構(gòu)型等)，研究者們[128-129]逐漸挖掘出了AnMBR在低溫下的處理潛力。此外，溶解性甲烷收集問題也是市政污水處理AnMBR的一大難點，在市政污水低有機物濃度的進水下，產(chǎn)生的甲烷相當(dāng)一部分會溶解在水中，隨出水流失，在30 ℃左右時，約有>40%的甲烷隨出水流失，且溫度越低，流失越嚴重[130]，此時甲烷作為溫室氣體會對環(huán)境產(chǎn)生不利影響。Li等[131]基于氟化二氧化硅納米顆粒構(gòu)建了超疏液表面的微孔膜，在15、25、35 ℃下均能實現(xiàn)甲烷飽和進水中90%以上甲烷的回收。

此外，可從削減MBR中膜成本、降低抽吸壓力等方面降低系統(tǒng)能耗，如采用大孔廉價材料(如滌綸網(wǎng)、尼龍網(wǎng)等)，利用微生物、膠體等污染物在其上生長形成動態(tài)膜，利用泥餅層進行過濾。由于動態(tài)膜的高滲透性，其抽吸所需能耗低于傳統(tǒng)的MF膜[132]。據(jù)報道[133]，處理垃圾滲濾液時，在低能耗情況下,中試厭氧動態(tài)膜生物反應(yīng)器(AnDMBR)對13 000 mg/L COD的進水去除率能達62.2%，有機負荷達4.87 kg COD/(m3·d)，甲烷產(chǎn)率平均為0.34 L/g COD去除。同時，動態(tài)膜的污泥持留性能可以與傳統(tǒng)MF膜相比擬，故可考慮利用DMBR培養(yǎng)長世代周期的微生物菌群。此外，AnDMBR也可用于污泥的處理，由于膜污染原因，傳統(tǒng)基于MF或UF的AnMBR很難用于污泥的處理，而AnDMBR通過固體停留時間和水力停留時間的分離，可實現(xiàn)污泥的同步厭氧消化和濃縮，實現(xiàn)揮發(fā)性固體消解率和沼氣產(chǎn)率的顯著提升[134]。

除傳統(tǒng)MBR技術(shù)的節(jié)能降耗外，正滲透等新型膜分離技術(shù)的涌現(xiàn)，也為膜工藝綠色低耗發(fā)展注入了新動力。正滲透技術(shù)曾在脫鹽領(lǐng)域被寄予厚望，但由于汲取液再生能耗等問題逐漸淡出人們視線。不過，在污水處理領(lǐng)域，正滲透技術(shù)仍具有較大潛力[135]。采用肥料作為汲取液的正滲透過程[136]能以低能耗的方式濃縮污水，稀釋后的汲取液無需再生，可直接用于灌溉，而濃縮后的污水可采用厭氧生物法進行低耗處理。為進一步簡化該工藝流程，可將正滲透膜與厭氧生物法直接耦合，構(gòu)建厭氧正滲透膜生物反應(yīng)器，對污水進行綠色低耗處理[137]。此外，膜法污水處理的能耗還能在“供給側(cè)”進行改革，如采用可再生能源驅(qū)動膜法污水處理過程，包括太陽能、風(fēng)能等，目前文獻中已有采用太陽能驅(qū)動的膜蒸餾用于污水低耗綠色處理[138]。

2 未來可持續(xù)發(fā)展的思考與展望

在環(huán)境功能質(zhì)量提升、碳達峰、碳中和的背景下，膜法污水處理應(yīng)向多功能拓展、選擇性分離、定制化分離和綠色化發(fā)展方向持續(xù)邁進。生物、信息、材料、人工智能、3D打印等科技的快速發(fā)展為膜法污水處理技術(shù)革新帶來無限可能，未來需要進一步強化膜法污水處理技術(shù)綠色發(fā)展思維，堅持技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動，強化學(xué)科交叉融合，從而支撐構(gòu)建高品質(zhì)出水、工藝過程低碳排的膜法污水處理技術(shù)。

1)多功能拓展。將膜與電催化、光催化、酶催化、先進生物處理技術(shù)等耦合，可在分離基礎(chǔ)上賦予膜技術(shù)污染物轉(zhuǎn)化、降解功能，從而拓寬膜分離應(yīng)用領(lǐng)域與應(yīng)用范圍。膜體內(nèi)具有發(fā)達的微納米級別通道，在膜孔限域空間內(nèi)引入非均相催化劑，從而構(gòu)建納米限域強化的高效膜反應(yīng)器，實現(xiàn)水中污染物的快速去除，是目前膜分離多功能拓展的研究熱點。而將納米限域膜反應(yīng)器用于實際污水處理時，膜內(nèi)部污染對膜孔內(nèi)反應(yīng)位點的屏蔽效應(yīng)是納米限域催化膜實際應(yīng)用需要解決的問題。合成生物學(xué)、基因編輯等生物科技的快速發(fā)展為膜生物反應(yīng)器技術(shù)的迭代升級提供了強有力的技術(shù)支持，尤其是在特定場合的應(yīng)用(如典型工業(yè)廢水處理、污染物定向資源化等)可能是未來重點發(fā)展的方向。

2)選擇性分離。膜的選擇性是衡量膜材料先進程度、技術(shù)競爭力的一個重要指標，尤其是在水和廢水的高標準處理方面。以RO膜為例，目前商用膜對水中小分子微污染物的截留效果仍然有限；在集成電路行業(yè)水循環(huán)利用方面，現(xiàn)有高壓膜分離精度仍然不能滿足水中污染物去除要求，往往需要流程很長的制水過程；在特定污染物資源回收方面，往往要求膜的選擇性超出現(xiàn)有商用膜的性能。因此，在特定應(yīng)用場合，對水質(zhì)的高標準要求驅(qū)使膜的選擇性仍需不斷提升。然而高選擇性又帶來對膜過濾性能的影響，水通量和截留率之間的制衡關(guān)系(Trade-off)仍是未來高壓膜發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)[74]，也是未來研究需要持續(xù)突破的重點。

3)定制化分離。在實際污水處理中，面臨著分離的多樣化需求。實際污水處理時往往存在特定的、更具有經(jīng)濟性的分離精度要求。如紡織染整行業(yè)的染鹽分離、能夠選擇性透過Ca2+、Mg2+的納濾過程、特定污染物富集回收等，其并非要求膜具有很高的選擇性，而是要求膜具備高效分離特定污染物的“定制化”功能。例如，揮發(fā)性脂肪酸(VFA)是厭氧生物處理(非甲烷化)的另一重要生物質(zhì)資源，基于膜法的NF、滲透汽化和膜蒸餾技術(shù)均具有回收VFA的潛力，但如何進行污水中VFA膜材料的定制化設(shè)計以實現(xiàn)VFA的定制化高效分離即是膜分離材料制備需要考慮的問題。通過膜結(jié)構(gòu)微納米級別的精細調(diào)控，設(shè)計選擇性NF膜對水中微污染物進行有效去除，同時讓Ca2+、Mg2+等離子透過NF膜，是目前水處理NF膜材料的研究前沿。此外，針對特種廢水的處理，研發(fā)特種膜材料，實現(xiàn)經(jīng)濟高效分離處理也屬于“定制化”分離的研究范疇。

4)綠色化發(fā)展。膜法污水處理技術(shù)的綠色發(fā)展應(yīng)打破傳統(tǒng)僅關(guān)注節(jié)能降耗的單一視角，系統(tǒng)考慮整體膜法污水處理工藝流程的碳排放、膜材料的環(huán)境影響等。總體而言，膜法污水處理技術(shù)的綠色發(fā)展依賴于工藝節(jié)能降耗、再生水循環(huán)利用、污染物資源化能源化、膜材料的循環(huán)利用等幾個方面。在工藝層面，膜分離技術(shù)在污染物富集方面具有廣泛應(yīng)用潛力(尤其是低濃度市政污水)，可以為污染物的資源能源轉(zhuǎn)化提供有力的技術(shù)支撐[139-140]。此外，膜的選擇性分離、定制化分離可以在特定物質(zhì)的資源回收方面發(fā)揮重要作用(如典型工業(yè)廢水處理)，也是膜法污水處理技術(shù)綠色發(fā)展的重要方向。在膜材料層面，如何通過低成本的手段使膜具有優(yōu)異的抗污染性能是膜材料長效使用的關(guān)鍵，同時也是降低膜材料全生命周期環(huán)境影響的重要手段。與此同時，尋找綠色替代性材料也是膜材料研發(fā)的方向之一。而對于膜材料的“末端處理”，如何綠色低碳地循環(huán)利用報廢膜材料，對“壽命終點”的膜材料進行延壽處理，是降低膜材料碳排放的重要途徑。

5)智慧化運維。膜法污水處理系統(tǒng)的智能化運行管理技術(shù)是未來的重點研究方向之一。研究基于人工智能的多源數(shù)據(jù)融合的精準化運管技術(shù)，建立膜污染與膜運行的可視化監(jiān)測與信息化模擬系統(tǒng)，構(gòu)建復(fù)雜應(yīng)用場景下的運管策略，降低膜法污水處理系統(tǒng)能耗，提升系統(tǒng)運行效能，是推進膜法污水處理技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。

3 結(jié)論