饮用水是人类生存的基本需求, 饮用水安全事关民众健康和国家安全, 历来受到我国高度重视。2015年发布的《水污染防治行动计划》 (简称“水十条”) 明确提出:到2020年全国水环境质量得到阶段性改善, 饮用水安全保障水平持续提升。然而, 当前我国饮用水安全形势仍然比较严峻, 饮用水安全事件时有发生, 如2014年兰州发生自来水苯超标事件、2015年河北新河县城区发生地下水污染事件、2016年江西新余突发水污染事件等。饮用水安全问题仍是公众关注的焦点之一。

　　 反渗透作为近年迅速发展的一项净水技术, 它是通过压力驱动水分子透过致密的反渗透膜, 从而实现溶液分离。理论上, 只有水能够通过反渗透膜, 从而确保产水免遭污染, 因此反渗透技术是保障饮用水安全的有效途径之一。另外, 反渗透技术具有无相变, 设备简单, 占地面积少等优点, 已被广泛地应用于改善饮用水水质、拓展饮用水水源和保障应急供水中。

　　 长期的城乡二元体制导致我国饮用水安全工程建设形成重城镇、轻农村的格局, 因此, 我国农村饮用水安全面临更大挑战。

　　 “十二五”期间, 国家多部门联合制定并积极实施《全国农村饮水安全工程“十二五”规划》, 农村饮用水安全工作取得了很大成就, 但农村发展相对落后, 人口分散, 供水设施总体上依然薄弱, 饮用水安全保障任务仍十分艰巨。

　　 (1) 农村水质型缺水问题日益突出。我国农村人口分布密度较小, 取水相对容易, 但由于水环境污染以及部分地区自然水质较差等原因, 使得水质型缺水已成为农村饮用水安全的主要威胁。农村水体污染的主要来源是农业面源污染、生活污水和工业点源污染。农村每年施用大量农药、化肥, 其利用率分别为35.2%和36.6%^[1], 比发达国家低15%~20%, 低效的农药、化肥利用率是造成水体农业面源污染的重要原因。据统计, 2014年全国废水中COD排放总量为2 294.6万t, 其中农业源COD排放总量为1 102.4万t, 占比为48.0%^[1]。据测算, 全国农村每年产生的生活污水约90亿m^3[2], 但对生活污水进行处理的行政村比例约为10.0%^[1], 大部分生活污水未经处理直接排放, 导致农村水体水质急剧下降。另外, 农村企业具有布局分散、规模小、经营方式落后等特点, 生产过程中产生的废水未经处理直接排向河沟, 严重污染周边地区的水环境。一些地区由于自然地理原因, 高氟水、高砷水等广泛存在, 严重影响农村饮用水的质量。全国农村饮用高氟水的人口达6 189余万, 主要分布在河南、山东、内蒙古等地;饮用高砷水人口为46万人, 主要分布在山西、内蒙古、新疆等地^[3]。

　　 (2) 农村饮水安全工程投入不足。近年来, 我国逐渐重视农村饮水安全工程建设。2015年实际完成农村饮水安全工程总投资397亿元, 建成集中式供水工程5.38万处、分散式供水工程12.87万处, 解决了6 434万农村居民和农村学校师生的饮水安全问题^[1], 但仍难以彻底解决我国农村饮用水安全问题。目前, 我国很多地区的农村供水投入不足, 基础设施滞后, 难以应付与日倶增的农村水体污染。2015年国家统计局统计结果表明, 我国农村地区饮用水经过集中净化处理自然村比例仅为46.7%;贫困农村地区40.8%的农户没有管道设施, 仅33.1%的农户使用经过净化处理的自来水, 40.7%的农户使用逐级保护的井水和泉水, 17%的农户使用不受保护的井水和泉水^[4]。

　　 我国城镇化进程快速推进, 城镇人口迅速增长, 从2005~2015年, 我国城镇化率由43%增加到56.1%^[5]。人口福利在给我国经济快速增长提供便利的同时, 也给我国城镇饮用水安全带来了巨大的压力。同时, 我国传统的城镇化发展模式也造成了一些环境污染, 加剧了城镇化发展和饮用水安全的矛盾。

　　 (1) 城镇水量型缺水问题突出。我国水资源总量较丰富, 约为2.8万亿m^3[6], 但人均水资源占有量仅为世界平均水平的1/4;城镇地区人口集中, 水资源更加紧张, 全国600多个城市中有400多个属于“严重缺水”或“缺水”;京津冀人均水资源约286m³, 远低于国际公认的“极度缺水”标准 (500m³/人) ^[7]。

　　 (2) 二次供水饱受诟病。近年来随着城镇建设的快速发展和高层建筑数量的不断增多, 二次供水已经非常普遍。在我国一些大城市二次供水 (主要指生活用水部分) 覆盖面积占到城市面积的60%以上, 供水量占城市供水总量的50%以上^[8]。然而, 我国对二次供水的重视和研究不足, 影响了城镇饮用水安全。统计显示, 我国很多城镇市政供水水质合格率在95%以上, 甚至达到100%, 但是居民区水质合格率却很多低于75%^[8]。对近年来全国范围内超过100个城市的8万多个样品中的二次供水水质调研结果表明, 从2005年以来, 二次供水水质虽有逐步改善的趋势, 但不合格率总体维持在20%~30%^[8]。

　　 我国虽已初步构建了饮用水安全保障技术体系, 但仍有待进一步完善^[9]。一方面, 重大污染事件风险源的识别与监控缺少完整、系统、规范的技术体系。近年来, 非传统安全威胁增强, 给饮用水安全保障带来挑战。然而, 当前我国饮用水安全保障主要侧重于病源微生物、重金属和有机污染物等传统污染物, 针对新型污染物防控、突发事件预防和应急处理能力有待加强。另一方面, 传统净水工艺面临挑战。饮用水水质新标准颁布之后, 水质指标由原标准的35项增至106项, 这给传统水厂处理工艺的达标供水带来新的挑战。

　　 反渗透技术能够有效地去除水体污染物, 可从水质、水量和应急供水等多方面保障我国的饮用水安全。

　　 通常, 我们认为反渗透膜的膜孔径在1nm以下, 能够有效地去除水中的溶解盐类、胶体、微生物、有机物等, 从而可以保证饮用水的安全。

　　 盐分是健康饮用水的重要成分, 但盐分过高的水不宜饮用, 例如沿海地区的海水和内陆地区的苦咸水。此外, 二价离子浓度过高会造成水体高硬度, 硬水容易引起结石等病变;氟、砷等有毒、有害离子也容易造成人体内脏器官的病变和损坏^[10]。反渗透技术能够有效地去除盐分和硬度, 研究表明, 大部分商业化反渗透膜对高氟水、高砷水中氟、砷的去除率均可达95%以上^[11,12]。

　　 水体中的有机物浓度虽低, 但成分复杂, 对人体健康有潜在的危害。反渗透技术有助于实现水体痕迹有机物的去除, 从而保障饮用水的安全。研究表明, 反渗透技术能够有效去除小分子有机物, 如乳化剂^[13]、烷基酚聚氧乙烯酸^[14]等。另外, 反渗透技术对非挥发可溶性有机碳^[15]、总有机碳^[16]和可同化有机碳^[17]的去除也相当彻底。Li等^[18]研究了反渗透膜对水中四环素的去除效果, 结果发现反渗透膜除了能截留水中四环素, 还能通过膜表面吸附部分四环素。Radjenovic'等^[19]综述了利用反渗透技术去除饮用水中药物的影响因素, 认为反渗透技术是去除水体中药物污染物的理想方法。

　　 微生物是农村饮用水和城市二次供水中比较常见和广泛存在的超标项目, 主要包括原生动物类和细菌类。反渗透膜对各种微生物具有非常高的脱除率, 可达99.9%以上^[20]。

　　 地球海水储量约13.5亿km³, 为海水淡化提供了稳定可靠的水源, 因此海水淡化被看作是解决世界性缺水的重要策略之一。我国是海洋大国, 拥有1.8万km的海岸线, 为开展海水淡化提供了便利的地理条件。2011年, 我国首个自主设计并由国内企业总承包的最大的膜法海水淡化工程在河北曹妃甸建成投产, 标志我国膜法海水淡化工程技术能力迈上新台阶^[21]。截至2015年底, 全国反渗透海水淡化产水规模654 535m³/d^[22], 极大地缓解了我国沿海地区饮用水不足的问题。目前, 以反渗透技术为核心的膜法海水淡化工艺取得了重要进展, 在已建成的海水淡化装机容量中, 反渗透法占64.88%, 所占比例最高^[22];多膜集成工艺成为发展膜法海水淡化技术的重要内容。

　　 预处理是反渗透海水淡化工艺的重要环节, 直接影响反渗透膜的寿命和过程稳定性。刘耀璘等^[23]采用混凝-微滤作为反渗透海水淡化的预处理, 基本上满足反渗透膜的进水要求;张曌等^[24]开展了超滤-反渗透双膜法处理渤海湾海水的研究, 试验发现, 超滤出水水质良好, SDI值稳定在3.2左右, 浊度低于0.09 NTU, 完全满足反渗透进水要求;反渗透产水可作为饮用水;刘彦涛等^[25]通过对超滤-反渗透组合工艺处理渤海湾海水的研究得到了相似的结论, 这表明超滤-反渗透双膜集成工艺具有良好的稳定性;苏保卫等^[26]认为纳滤膜技术作为预处理可以降低海水的硬度、总固溶物及有机物的含量, 减少后续工艺中的结垢与污染, 提高水回收率, 有望进一步降低海水淡化成本;Hassan等^[27]进行的纳滤-反渗透 (NF-RO) 集成海水淡化试验表明, 与无纳滤预处理的反渗透过程相比, NF-RO过程的水回收率在4.0MPa压力下为48%, 为前者的3倍;在5.6 MPa压力下约为50%, 为前者的2倍。因此, 纳滤预处理可较大幅度降低操作压力, 提高水回收率。针对NF-RO工艺第一级脱盐率不高和第二级操作压力较大的问题, 周栋等^[28]提出高效纳滤-低压反渗透 (HRNF-LPRO) 集成工艺用于海水淡化, 结果表明, 两种膜在2.6 MPa、1.4MPa条件下可去除海水中99.84%的盐分, 产水能耗仅为3.264kW·h/m³, 明显降低制水成本。

　　 我国苦咸水分布面积达160万km², 占全国国土面积的16.7%, 总量约为200亿m³/年;然而, 我国每年用于生产淡水的苦咸水只有10.66亿m³, 仅占可开发苦咸水总量的4.99%^[29]。苦咸水的脱盐产水是对淡水资源的重要补充, 是缓解我国内陆地区水资源危机的有效办法。鉴于反渗透技术优良的脱盐效果, 它已逐渐成为苦咸水淡化的首选技术。在苦咸水处理工艺设计上, 反渗透可与其他技术灵活组合, 从而适用于不同盐度的苦咸水。

　　 针对浊度、总硬度、硫酸盐、溶解性固体超标的原水, 甘肃庆阳市反渗透苦咸水淡化工程采用V型滤池过滤预处理和反渗透深度处理, 产水与预处理后的苦咸水进行勾兑, 回收率达到85%以上, 出水达到饮用水水质标准, 形成3.8万m³/d的生产规模^[30]。针对原水含盐量在4 010~4 500mg/L的情况, 孙巍等^[31]将超滤和反渗透联用处理苦咸水, 经超滤预处理和反渗透脱盐, COD_Mn、总硬度、Cl^-的去除率分别达到了95%、98%、97%以上, 脱盐率也达到97%以上。针对海岛山塘水在季节交替产生的淡咸水交替的问题, 周志军等^[32]设计了超滤-反渗透并联装置, 超滤适用于春夏丰水期的淡水净化, 反渗透适用于秋冬枯水期的咸水纯化, 既保证供水质量, 还降低运行成本。针对钱塘江潮汐咸水体, Bi等^[33]将超滤、纳滤和反渗透集成用于处理周期性变化的潮汐水, 超滤作为整个系统的预处理工艺, 可以在淡水期使用;纳滤除去咸水中的大部分盐, 可以在咸水期使用;反渗透作为最后一个环节, 可以从较高盐度的咸水进一步回收淡水;在保证产水达标的情况下, 整个系统的回收率可达到90%~95%。

　　 我国雨水年平均总量超过6万亿m³, 大部分雨水流失, 雨水利用率不到1%^[6]。雨水作为丰富的淡水资源, 处理过程比较简单, 合理开发利用对提高供水量具有重要的实际意义。反渗透可作为雨水的深度处理工艺, 能够保障雨水利用的安全性。以悉尼奥运会雨水处理和利用系统为例, 雨水经收集后先经自然生物处理, 再经膜系统处理, 最后加氯消毒产水回用^[34]。其中, 反渗透技术主要用于除盐, 以保持水中具有较低的盐分。此外, 反渗透技术能确保处理后的雨水达到生活用水的标准。新加坡非常重视反渗透技术在雨水利用中的应用, 公用事业管理部门对城市雨水的储存进行规划, 陆续建成17个蓄水池和1个雨水收集池, 总库容量接近1亿m³, 积蓄的雨水经过以反渗透为核心的工艺处理后, 可作为生活用水, 供给水量占城市总供水量的30%^[35]。

　　 近年来, 我国的废污水排放量持续增加, 2015年废污水排放量达38亿m³, 部分农村面源废水和工业废水未经处理就被直接排放, 这不仅严重污染环境, 还造成资源浪费。如能将这些废水进行深度处理, 便可开辟为新的稳定水源。目前, 由于废污水种类繁多、成分复杂, 导致单一的膜技术并不能完全解决各种废污水处理问题, 但反渗透技术已成为膜法再生水深度处理工艺的核心技术, 在处理电镀废水^[36]、印染废水^[37]和造纸废水^[38]等方面均有相应的研究和工程实例, 既减少了大量废污水的排放, 又节省了大量地下水、自来水, 间接支援了饮用水安全。

　　 针对封闭空间中的生活污水, 黄志等^[39]构建了一种水下航行器舱室内污水处理及回用的装置, 以膜生物反应器和反渗透装置为核心, 试验表明:尽管系统进水水质、流量变化较大, 但经各级系统处理后, 浊度和洗涤剂去除率为100%, COD和NH₃-N去除率均可达99.9%, 出水水质达到回用标准。

　　 非常规污染物直接关系到饮用水安全和民众健康, 需要更严格的处理, 反渗透被认为是最有效的处理方法之一^[40]。针对饮用水中自然放射性含量偏高的问题, Monta1a等^[41]开展了一项中试研究, 对比超滤、反渗透和电渗析三种工艺对自然放射性的处理效果, 结果表明:反渗透的去除效果最佳, 可有效去除95%的总α活度和93%的总β活度。

　　 当发生强降雨等较大自然灾害时, 供水系统容易受到水源污染、管道破裂、污水渗漏等威胁, 导致水中有机物、重金属、微生物等污染物超标, 严重影响饮用水安全。近年来, 我国城市水源地突发性污染事件时有发生, 建立和完善应急供水系统对保障饮用水安全和维护社会稳定具有重要的现实意义。然而, 应急供水面临水源污染成分复杂、处理时间紧迫、设备操作方便等要求, 常规净水技术难以满足应急供水需要, 反渗透技术在应急供水中的应用越来越受关注。

　　 针对核电站事故中附近居民的生活饮用水可能被放射性核素污染这个问题, 周星星等^[42]开展反渗透技术在核电站事故应急供水中的应用研究, 结果表明, 反渗透工艺在去除模拟废水中的放射性核素中表现出良好的稳定性。其中, Co²⁺、Cs⁺、Sr²⁺含量对反渗透膜的去除效果几乎没有影响;随着膜前压力的增大, 反渗透膜对3种离子的截留率均变大;在碱性条件下, 膜对核素的截留效果更好。

　　 针对突发性事故引起的高浓度有机物污染饮用水这个问题, 何忠等^[43]研究了反渗透膜工艺对苯系物、三氯乙烯等有机物的去除效果。试验表明, 渗透膜工艺对微量苯系物、三氯乙烯的去除率均在95%以上, 对较高浓度有机物的去除率达到99%以上, 出水有机物浓度远低于饮用水水质标准限值, 可有效确保突发性事故中的饮用水安全。

　　 近年的研究不但重视反渗透技术在应急供水中的应用性研究, 还开始注重反渗透法应急供水设备的开发。例如, 美国设计的反渗透膜法应急供水淡化与净化设备包括反渗透在内的多种模块, 易于运送与安装, 可适应于高浊度水、海水、核污染水、生化污染水等^[44]。针对突发性雨洪灾害的应急供水需要, 本团队设计了一套基于超滤和低压反渗透膜工艺的双膜集成设备^[45], 动力系统采用车载移动式汽柴油发电机, 提高应急使用的灵活性和机动性;预处理采用适合短时操作的多介质过滤器和较长操作时间的多介质过滤器+超滤两种方式;整个反渗透系统采用PLC自动控制, 操作简便, 快捷高效。该装置处理雨水、坑道污水的产水水质达到国家饮用水水质标准, 接近日常制水成本。

　　 我国越来越重视饮用水安全, 这是发展反渗透技术的重要机遇, 同时也对反渗透技术提出更高要求。为了推动反渗透技术在饮用水安全保障中更广泛的应用, 还有如下问题有待深入研究。

　　 根据世界卫生组织 (WHO) 的建议, 成人每天摄入硼的最大量为0.16mg/kg, 过多摄入会导致恶心、头疼、腹泻、肾坏死, 甚至死亡^[46]。降低水体中硼的含量是保障饮用水安全的一个重要环节。然而, 反渗透膜对硼的去除效果并不理想, 在常规海水淡化过程中反渗透膜的除硼效率约为80%。研究发现, pH<7时, 硼主要以硼酸分子的形式存在, 无电荷, 分子半径较小, 反渗透膜对其截留性较差;pH>7时, 硼主要以B (OH) ^4-形式存在, 带负电, 离子半径较大, 反渗透膜对其截留性较高^[47]。可见, 反渗透膜在碱性条件下具有较高的除硼效率。如果要将硼的浓度降至0.2mg/L, pH需要被调至加9.9以上^[48], 但此时会增加二价盐在膜表面结垢的风险。

　　 多级反渗透工艺有望解决这一问题。首先, 选择在一般条件下去除大部分二价盐和小部分硼, 然后在偏碱性条件下去除大部分的硼, 从而避免结垢风险。经过多级反渗透处理之后, 水体中硼的浓度可降至0.5 mg/L, 符合WHO的饮用水安全标准^[49]。此外, 将反渗透技术与混凝、吸附、离子交换、萃取等技术耦合也是除硼的有效手段^[50], 但这些技术和工艺仍难满足实际工作需要。因此, 开发高效率、低成本的除硼技术是推动反渗透技术在海水淡化领域应用的一个重要研究方向。

　　 纯净水能否长期作为饮用水源是一个有争议的话题。大多数研究者认为, 选择性地保留一部分有益离子是非常有必要的。例如, 可以通过再矿化技术或与干净海水共混实现饮用水的矿化^[51]。显然, 这将增加反渗透处理的工艺流程和投资成本。因此, 选择性地保留部分有益离子将成为健康饮水的研究方向之一。

　　 高通量、高截留率、高抗污染性是开发高性能反渗透膜的重要研究目标和内容。目前, 制备高通量、高截留率反渗透膜的一个有效途径是在膜中添加带有孔道的纳米物质或者直接利用这些材料制膜, 比如碳纳米管^[52]、沸石^[53]、石墨烯^[54]等纳米材料;另一个途径是根据仿生学原理, 在反渗透膜中添加水通道蛋白^[55]。这些方法能够在一定程度上打破trade-off的困扰, 显著提高反渗透膜的分离性能, 但离实际的应用需要还有一定的距离^[56]。提高反渗透膜抗污染性的主要方法包括抗污染膜材料的筛选, 膜制备过程的优化、后期改性等^[57]。当前, 开发高性能反渗透膜是推动反渗透技术发展的核心任务之一。

　　 由于浓差极化的影响和处理对象的多样性, 优良的反渗透膜并不意味着优良的系统性能;而且, 单一的反渗透技术难以完全保证饮用水的绝对安全。为了降低浓差极化的影响和满足处理对象的多样性, 需要更合理、多样的膜组件设计, 膜集成工艺开发等。