综述：面向增强城市气候韧性的可持续膜技术研究

《Membranes》：Sustainable Membrane Technologies for Enhancing Urban Climate Resilience Andreea Loredana Rhazzali, Elena Simina Lakatos, Ráhel Portik-Szabó, Elena Cristina Hossu, Lucian-Ionel Cioca and Alina Moldovan

　　

废水排放量持续增长与水资源短缺日益加剧，推动了对经济可行且可持续解决方案的需求，以实现安全的城市水回用并增强气候韧性。联合国可持续发展目标(SDG6)及欧盟水回用法规等政策框架均强调，再生水必须满足严格的环境与公共健康标准。相比之下，传统生物处理工艺无法完全去除多种新兴污染物，凸显了对先进处理技术的迫切需求，这类技术需能够持续产出高质量的再生水。在此背景下，本综述探讨了微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)、反渗透(RO)、正渗透(FO)等膜技术及膜生物反应器(MBR)在保障城市环境供水安全、增强城市气候韧性（涵盖分散式系统与高阶再生需求）方面的作用。文章同时讨论了膜基解决方案对可持续冷却系统与热应激缓解的贡献，以及膜技术与绿色基础设施、适应气候的自然解决方案的集成路径。技术性能与经济可行性受膜污染、清洗需求和能耗的共同制约，因此全生命周期与运行优化对长期可持续性至关重要。多项案例研究与欧盟资助项目表明，在合理的治理与设计框架下，膜基方案可实现可靠的再生水供应、提升水安全，并助力城市水管理的循环经济发展。本研究基于同行评议的开放获取文献展开分析，可能存在一定的选择偏倚。

1. 引言

水资源短缺是全球性挑战，污染与资源管理不善进一步加剧了这一问题。与此同时，全球人口增长与工业活动扩张大幅提升了废水产生量。低质水源（包括废水、城市地下水与雨水）的回用可缓解淡水短缺，但安全回用需依赖有效的处理工艺以去除化学与生物污染物。城市作为人口最密集的人工环境，其在全球人口分布中的占比持续扩大，预计到2030年全球60%以上人口将居住在城市中。城市化引发的环境变化常导致环境退化并增加人类健康风险。快速城市化、气候变化与自然资源压力使可持续城市水管理成为紧迫议题。由于城市用水量最高，保障可靠且可持续的供水需要对整个城市水循环实施综合管理。先进技术在提升用水效率、引导负责任消费模式、维持复杂城市生态系统水质方面发挥着关键作用。对于灌溉非食用作物、城市清洁等非高品质回用场景，混凝、沉淀、过滤、生物处理与消毒等传统工艺通常已足够；而对于工业回用、饮用水回用等高品质再生水需求，则需采用先进膜技术，相关技术经济分析已证实其在能耗与性能上的优势。研究表明，自然解决方案(NBS)可促进城市社会创新，加速可持续发展转型，这类方案正越来越多地被用于恢复城市生态过程，并为增强城市韧性提供新的基础设施路径。近年来，城市规划者与政策制定者的关注推动了对其多重效益的系统评估与科学验证需求。国际与欧洲政策框架均大力支持安全水回用。联合国可持续发展目标6强调到2030年实现综合水资源管理与全球安全水回用的推广。欧盟水回用法规则明确了保护公共健康与环境的最低水质要求，同时促进循环经济实践。这些框架指出，传统生物处理工艺不足以去除药物、激素、农药与个人护理产品等新兴污染物，而膜基系统与膜生物反应器对营养物、有机物、病原体与微量污染物均表现出高去除效率。全球范围内，气候变化、人口增长与低效的水管理已导致约11亿人无法获得安全饮用水，25亿人缺乏充足卫生设施，仅欧洲就约有4100万人受影响。这些挑战加速了膜技术的普及，驱动力包括水质下降、法规趋严、高品质饮用水需求增长以及危险环境污染物增多。因此，先进膜技术是应对水不安全、提升可持续性的关键路径，可支撑水净化、生态保护、可持续城市发展及循环经济目标的实现。为此，本文系统综述了面向城市气候韧性的可持续膜技术，围绕四个核心研究问题展开：膜技术如何增强城市气候韧性；膜过滤系统在回用、分散式处理与雨水管理中的应用；膜基解决方案在可持续冷却与热应激缓解中的作用；膜技术与绿色基础设施及自然解决方案的集成路径。

2. 研究方法：数据来源与分析方法

为全面理解膜技术对城市气候韧性的贡献，研究采用系统性文献综述法，遵循PRISMA规范。方法学以Web of Science数据库为核心数据源，通过主题检索（“膜”AND“城市”）共获取2165条记录。随后通过发表年份（2000–2025）、语言（英语）、访问类型（开放获取）与文献类型（同行评议论文与综述）进行筛选，保留758篇相关文献导入VOSviewer（1.6.20版）进行关键词共现分析，设定最小出现频次为2，最终从434个关键词中筛选出59个高频关键词，识别出核心研究主题集群。为进一步契合城市气候韧性目标，检索策略增加“气候”“废水”“冷却”“基础设施”“自然解决方案”等主题词，将文献集缩小至342篇，经摘要相关性评估与期刊影响因子筛选（IF>4），最终选取60篇文献进行定性分析。分析框架包含语境分析与内容分析两个维度：语境分析聚焦膜基方案在城市环境中的扩散时空特征；内容分析围绕技术发展、水回用、冷却系统与绿色基础设施三大应用领域，结合挑战与机遇，评估其与城市气候适应策略及欧洲政策框架的契合度。

3. 结果

3.1 语境分析

城市气候适应与韧性已成为膜技术应用的突出研究主题。现有研究系统阐述了膜基方案如何提升城市系统应对热浪、缺水、强降雨与水质下降的能力，同时也揭示了阻碍其广泛集成应用的多重限制与结构性壁垒。时间维度上，相关研究在过去十年显著增长，反映出学界与实践界对膜技术增强城市气候韧性的关注度持续上升。空间维度上，研究成果覆盖欧洲、美洲与亚洲，与这些区域的高度城市化压力、气候风险及对可持续水能系统的需求高度吻合，体现了膜技术在全球城市气候适应中的普遍适用性。

3.2 内容分析

内容分析围绕四大主题展开，系统梳理了微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)、反渗透(RO)、正渗透(FO)及膜生物反应器(MBR)的应用场景与性能影响因素。

3.2.1 城市气候挑战与适应需求

极端天气的频率与强度上升正在重塑城市气候，热浪、暴雨、洪涝、风暴与干旱等灾害暴露度显著增加。城市化通过改变大气条件、排放与土地利用放大了这些风险，引发城市热岛效应、风型改变与地表能量平衡破坏。城市热岛是最显著的气候影响之一，其强度随城市化程度升高而增加，植被减少、覆被变化与人为热排放共同推高气温，导致极端高温频发、能源需求上升、空气质量恶化与健康风险加剧。长期观测显示，城市热岛强度以约0.021°C/年的速率增长，叠加夜间降温受阻、风速降低与植被丧失，进一步削弱了自然冷却机制。水资源短缺与水质下降是另一平行挑战，二级处理后残留的溶解性有机物(DOM)成为回用的主要障碍，因此需采用超滤(UF)与反渗透(RO)等先进膜技术以降低风险。在欧洲，近半数国家约70%的人口已受水压力影响，半干旱沿海与高密度城市区域尤为严重，且预计随气候变化进一步加剧，亟需《水框架指令》倡导的综合水管理路径。

3.2.2 面向水回用的膜技术

本节聚焦不同膜技术对城市气候韧性的具体支撑作用。反渗透(RO)利用孔径小于1nm的半透膜，在压力驱动下分离水与溶解矿物质及有机物，是全球工业、民用与科研领域低成本高产水品质的核心技术。纳滤(NF)兼具高水通量与强截留能力，适用于脱盐与废水处理，其选择性介于RO与UF之间，可实现部分软化与特定离子分离，但对分子量接近截留阈值（约200–1000Da）的微污染物去除效果受分子电荷、pH、疏水性及膜表面电荷共同影响。微滤(MF)与超滤(UF)均为压力驱动工艺，MF孔径为0.1–5μm，UF为0.01–0.1μm，其中陶瓷MF因成本高正探索粉煤灰等可持续原料，UF则凭借稳定的出水水质（浊度低于0.1NTU，颗粒去除率达99.9%）与低能耗特性，广泛应用于饮用水处理、雨水与雪融水处理。正渗透(FO)利用浓度梯度驱动水分子跨膜迁移，操作压力低且膜污染可逆性较好，但汲取液回收通常需耦合RO或NF工艺。膜生物反应器(MBR)将生物降解与膜分离集成，可在紧凑模块化系统中稳定产出高品质出水，对抗生素、病原体与微量污染物去除效率高，新型气升式侧流MBR与直接污泥过滤设计进一步降低了占地与安装复杂度，适配分散式部署。膜光生物反应器(MPBR)则在MBR基础上引入光合微生物，配合预处理可实现50%以上的氮磷去除。

案例研究显示，RO在实现近饮用水级水质时表现最优，但对硼的去除有限且需严格预处理控污；低压膜系统在分散式回用中占主导，UF的运行稳定性显著优于MF，重力驱动UF系统可实现低能耗雨水回用；混合工艺如FO-RO、MBR-臭氧组合可进一步提升微污染物与微塑料去除率；循环经济视角下，退役RO膜可升级为类UF或类NF膜用于三级处理，降低处置成本与能耗。

3.2.3 面向城市热缓解的膜基冷却系统

膜基半直接蒸发冷却(MSDEC)是一种低能耗建筑空调替代方案，利用聚合物中空纤维膜的蒸汽选择性透过特性，在实现显热冷却的同时防止液滴夹带与微生物污染，内部挡板设计可提升湿球效率达32%。与传统蒸汽压缩制冷相比，膜基除湿冷却系统可大幅降低建筑能耗，例如结合氯化锂液体除湿剂与膜蒸发冷却的系统，在夏季工况下可实现9.7°C的送风温降，且主要依赖低品位热能驱动，性能系数(COP)可达33.2。陶瓷微滤(CMF)与氢氧化钙软化联用可有效控制再生水冷却系统中的结垢问题，维持稳定通量。空气隙膜蒸馏(AGMD)作为热驱动分离技术，可利用75–95°C的低品位热源（如太阳能、废热），实现最高5.69kg/m²的蒸汽通量，适合集成于可再生能源驱动的分布式冷却系统。

3.2.4 绿色基础设施与自然解决方案

绿色基础设施(GI)与自然解决方案(NBS)（如公园、绿屋顶、城市森林）通过蒸发、遮阴与表面辐射调节微气候，缓解热岛与洪涝风险，但其出水通常无法直接满足饮用水安全标准，需与工程系统耦合。技术-生态集成路径将膜系统与生物过滤结合，例如经超滤预处理的雨水可用于公园灌溉与湿地补给，支撑“海绵城市”策略下的多元回用。人工湿地(CW)作为最成熟的NBS，对灰水中化学需氧量(COD)、氮磷与粪大肠菌群的去除率分别可达89%、70–86%与94–98%，但仍需膜过滤作为末端保障以满足回用标准。超滤膜可有效处理污染雪融水与雨水，产水水质达到非饮用回用标准，降低对受纳水体的污染负荷。

3.2.5 分散式废水处理

分散式废水处理是集中式系统的高效补充，膜技术凭借模块化特性可灵活适配从单体建筑到社区尺度的应用。膜生物反应器(MBR)对灰水的COD去除率超过96%，且抗负荷波动能力强；厌氧膜生物反应器(AnMBR)通过取消曝气并将有机物转化为甲烷，能耗仅为传统好氧MBR的1/10，具备显著的碳减排潜力。人工湿地(CW)则凭借低建设与运维成本、操作简单等优势，在温暖地区与小城镇分散处理中广泛应用，但寒冷地区需扩大占地以保障效能。

4. 讨论

4.1 膜技术的环境、技术、经济与治理约束

膜技术的规模化应用受多维度因素制约：技术上，NF存在渗透性与截留率的权衡难题，RO能耗高且易受盐与生物污染，FO的汲取液回收增加系统复杂度，膜污染则是全类型工艺共有的核心挑战，有机污染、无机结垢与生物附着会导致通量不可逆下降，频繁的化学清洗进一步推高成本与环境负荷。经济上，全生命周期运维成本通常是初始投资的3–6倍，小规模系统尤为显著。治理层面，欧盟《城市废水处理指令》要求2040/2045年前实现万吨级以上厂站的能源中和，但再生水成本仍高于常规水源，且监管碎片化、融资机制缺失与公众接受度不足普遍延缓项目落地。

4.2 膜技术与城市韧性战略的集成

分散式膜系统可降低对集中式基础设施的依赖，提升供水灵活性。例如“城市水中心”概念通过重力驱动膜过滤与砂/活性炭联用，稳定产出用于灌溉、冷却与地下水补给的再生水。治理框架的有效性直接影响技术推广，荷兰与德国的集成许可制度优于南欧国家的碎片化监管。城市规划工具（如双管网、强制灰水回用法规）与数据决策支持系统可进一步强化技术落地的适配性。欧盟LIFE GREEN SEWER等项目验证了FO–RO、AnMBR与UF集成系统在降低能耗与污染物方面的实际效能，为政策落地提供了实证支撑。

5. 结论

综述证实，膜技术是应对城市废水增长与水资源短缺的核心手段，可弥补传统生物处理对微污染物的去除短板，保障病原体控制与出水稳定性，支撑分散式回用与城市水循环韧性。膜基冷却系统为缓解热岛效应提供了低能耗路径，而绿色基础设施的效能发挥也依赖膜技术提供可控的再生水源。然而，膜污染、清洗需求、能耗与运维成本仍是长期可持续性的主要制约，需通过抗污染膜材料开发、全生命周期评估与风险管控加以优化。未来研究应聚焦于适配气候适应性混合系统的技术方案，并在政策层面强化跨部门协调与数据驱动规划，以实现膜技术对城市气候韧性的最大化贡献。