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中国工程院院士侯立安:新膜处理抗生素污染水要解决“卡脖子”难题
中国环境APP / 时间:2024-06-05 11:14:14

北极星水处理网6月4日讯:抗生素是目前国际上广泛关注的四类新污染物之一。抗生素污染了水,应该用什么方法来治理?我们认为,目前膜法处理是一种比较好的处理抗生素污染水的技术。”5月17日,在第18届POPs论坛上,中国工程院院士、国家新污染物治理专家委员会副主任侯立安在“新膜处理抗生素污染水卡脖子技术难题及对策”主题报告中如是说。

传统膜技术需要“一条龙”创新

抗生素是日常生活中的常见物质,而其在制备中及服用后却可能产生一些污染。我国是全球最大的抗生素生产国和出口国,每年有超50%的抗生素产量被用于动物促生长剂和兽类疾病预防。抗生素的高消耗量同时也导致其高排放量。数据显示,仅在2010年—2020年间,常见的80种兽药抗生素排放量高达23110吨—40850吨/年。

水体是抗生素的主要载体,超90%的抗生素会通过点源或非点源方式进入自然水体。且水体中抗生素分布区域广,在我国各大流域均监测到抗生素的存在。

“实际上,抗生素污染水治理涉及很多工艺,如吸附法、生物法、高级氧化法等,各有千秋,都有一定的处理和净化作用,并随着科研技术的进步而变化。”据侯立安介绍,很多专家认为膜法是本世纪最有前途的水处理技术。这项技术在我国很多领域已得到广泛研究和投入,特别是制备技术、应用工艺,以及膜法废物的后处理。

上世纪60年代,我国使用国外的膜技术。经过几十年的努力,我国第一代科学家实现了从0到1的突破。海水淡化是世界公认的解决淡水短缺的最佳解决方案之一。过去,我们利用膜技术开展海水淡化,解决工业用水问题,然而我国海水淡化的核心处理单元——膜是进口的;80—90年代,科学家解决了这一问题,扭转此类膜依赖进口的局面;90年代,我国膜产业进入快速发展阶段,初步形成完备的膜工业体系,膜工业正式进入快速成长期。

如今,我国膜工业已融入全球市场,从过去的跟跑到并跑,再到实现领跑。“也可以说,在今后相当一段时间,特别是新污染物治理的膜技术进入了一个黄金发展期。但同时,膜法抗生素处理也存在或将要遇到一些‘卡脖子’问题。”侯立安说,传统的膜通过微滤、超滤、纳滤、反渗透技术,已经在水处理上发挥了重要作用,每年的应用量都在提高,使用范围也在扩大,但它或多或少还存在一些问题。

首先是膜的机理研究,比如,传统的膜纳滤分离机制不够清晰。新膜在业内还没有形成统一的定义和认识,其机理研究更加滞后;从应用性能上说,膜法水处理技术存在渗透性和选择性的“跷跷板”效应,二者不可兼得,要兼得,难度非常大,不突破它,就是应用的必然障碍;另外,还有膜的污染问题,过去膜法水处理最大的问题在于成品较贵,即处理水水价较高。而水价涉及千家万户和全体股民,我们能做的,就是在使用膜技术时尽最大可能规避、减缓膜污染,延长膜的使用寿命。

传统的膜面临这些问题,我们如何应对?侯立安在报告中指出,再遵循过去的制膜、用膜方式,重复老路走不通了,新路就在创新上。未来,膜技术从制备的机理研究到应用、再到废膜回收的“一条龙”都需要创新,这对抗生素包括新污染物总体的控制和处理,都将是非常好的技术工艺之一。

新膜处理抗生素污染尚存技术难题

“目前,我国针对新膜材料分离机理和制备工艺尚未完全形成实质性突破,新膜材料基础结构设计能力薄弱,高性能、低成本新膜材料的规模化制备关键技术仍有待加强。”侯立安说。

美国对中国芯片“卡脖子”不是新鲜的话题。

据侯立安介绍,事实上,芯片制造很多道工艺都要用到高纯水,作为芯片制造的基础资源,水的问题不解决,芯片很难造出来。国际上能够解决高纯水制备问题的技术就是膜法水处理。目前,全球只有3家企业可以制造这样的高端膜,我国就有一家,另外两家企业在美国。

“要解决芯片用水问题,这种高端膜的使用非常关键。但在高端膜制备的材料方面,我们也还有所欠缺的,如果连原材料都没有或者材料不合格,后续也是无稽之谈。现有部分国产膜材料的产品性能与国外产品相比仍有差距,膜产品规格不全,有待进一步提高和扩展。”侯立安说。

另一方面,健康中国已经上升为国家战略,建设健康中国,保障健康饮水尤为关键。侯立安表示,健康饮水的要点在于,让水既符合国家管控的污染物标准限制,又要含有对人体有益的健康物质,如钙、镁等人体所需的其他矿物质。这些原水中本身就有的物质,我们不能通过膜处理将其去除,而应最大限度地保留,这就要求膜有很强的选择性。从某种程度上讲,这也是一项卡脖子技术。

侯立安还提到,膜从制备到应用,包括机理的研究和后处理,初步估算可能涉及7、8个一级学科,十几个二级学科,有材料、有环境、有健康、医学等等学科,隔行如隔山,每个专业都在考虑自己专业的问题,专业之间的协调、工艺的优化由谁来统筹,如何解决这一问题是一个系统工程,这也需要我们做大量的工作。

此外,膜法特别是海水淡化还涉及膜滤浓缩液的处理问题。浓缩液禁止排海,必须自行消化或处理掉,要实现近零排放。处理抗生素的废水也存在同样的问题,膜浓缩到一定程度后必须要蒸发或采用其他工艺来处理,甚至将之固化等,这也是一个很大的技术瓶颈。

类似的问题是膜组件的修复。膜经过一段时间使用后效能下降,实现不了处理目标后应如何处置?侯立安表示,传统做法是直接遗弃,但这一做法并不可取。同样的,处理抗生素的膜遗弃后,很可能从一般废物升级成危废,所以要将之合理处置、循环利用,这一体系也需进一步加强。

加强关键技术研究突破卡脖子难题

在侯立安看来,要突破膜领域的卡脖子难题,首先加强膜分离机理研究及其应用,用理论来指导工程实践。同时,强化新型材料的开发,加快形成膜业的新质生产力,逐步解决原材料被“卡”问题。

“我们要从原材料层面进一步下功夫,目标就是选择低碳、绿色的新材料,对它进行开发应用,制备成新膜。另外,用人工智能识别具有潜力的膜材料。在这方面,需要重新设计一些新膜的组件来提升抗生素的处理水平以及能源利用效率,把新一代信息技术融入进去,加强工作开展。”侯立安说。

侯立安介绍,纳米技术在水处理领域已产生深远影响,推进纳米功能材料在膜分离、高级氧化吸附等去除技术中的应用,能够实现对水中抗生素的高效去除,缩短去除工艺的运行时间。我们应重视纳米材料在抗生素污染水治理中的作用,但也要特别注意它的生物安全性,在这方面下功夫赶超世界。

还需注意膜的抗污染能力的强化。研究表明,两性离子膜对于带正负电荷的污染物均表现出优异的耐污染性能,由于两性离子结构层含有自由水合层,在耐污染性得到提高的同时通量和截留率也有一定提高。通常污水处理的膜使用时长3年或者稍久,经过这种膜改性,可以使用5年或者更长的时间。

“但不能忽略一个问题,就是改性膜的制备难度不能过大,要在不改变膜制备工艺的前提下,加上一点新东西就能让其发挥有效作用。另外膜技术也要进行工艺组合,比如将光催化、Fenton氧化等高级氧化工艺与膜技术结合,可高效降解水中抗生素。”侯立安说。

同时,也要关注退役膜组件的处理问题,这包含两个方面,一是反渗透膜失效了,可以集中处理之后用于超滤或纳滤,二是纳滤膜用完后可再回收进行低温热解。在有氧的条件下,直接焚烧可能产生二噁英或VOCs,低温热解可以解决这一问题。

此外,在理念上,要实现从“被动安全”到“主动安全”的转变,建设前瞻性的“智慧水厂”,提升水资源利用效率和安全保障水平,实现水厂工艺灵活化、管理智能化、水质多级化等目标。