饮用水安全的先进膜技术：一项生物医学工程范围综述

《Sustainable Chemistry One World》：Advanced Membrane Technologies for Drinking-Water Safety: A Biomedical Engineering Scoping Review

　　

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  本范围综述梳理了膜技术在保障饮用水安全和降低暴露风险方面的应用。
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  膜的性能取决于运行条件、原水水质和系统规模。
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  微滤和超滤在水处理工艺中主要提供颗粒物和微生物屏障。
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  纳滤和反渗透更适合去除溶解性离子、重金属、全氟和多氟烷（PFAS）以及微污染物。
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  膜污染、能耗、浓水管理以及经济可行性限制了膜技术的可持续现场应用。

引言

获取安全的饮用水是环境、公共卫生和生物医学工程领域的重要议题，因为受污染的水是病原体、有毒重金属、持久性有机污染物和抗微生物药物抗性决定因子的直接暴露途径。世界卫生组织和世界卫生/联合国儿童基金会近期的报告显示，仍有数十亿人无法获得安全管理的饮用水服务，许多水源仍面临粪便和化学污染的风险 [1]、[2]、[3]。微生物污染与腹泻病及其他介水感染相关 [1]、[5]、[53]、[54]，而长期暴露于砷、镉和铅则与神经、发育、肾脏及致癌效应相关 [3]、[6]、[7]。因此，饮用水处理不仅应根据污染物去除效率进行评估，还应考虑其在家庭、医疗机构、学校及弱势社区中降低暴露风险的能力。

饮用水安全还面临新兴污染物群组的挑战，这些污染物具有截然不同的物理化学和生物特性。全氟和多氟烷（PFAS）是一类持久性化学物质，与多种暴露途径相关 [9]、[10]；药物残留和内分泌干扰物存在于水环境中，在低浓度下仍可能具有生物学意义 [11]、[12]；微塑料和纳米塑料以不同尺寸和组成的颗粒形式存在 [13]、[14]；而抗生素抗性基因（ARGs）则引发了对抗微生物药物耐药性在环境中传播的担忧 [15]、[16]。这些污染物不应被视为单一类别，因为它们在分子大小、电荷、溶解性、持久性、生物活性及可处理性方面存在差异。因此，处理技术的选择必须与目标污染物的特性和所选技术的分离机制相匹配 [19]、[20]、[24]。

可持续发展目标6强调了安全、灵活且可持续的污水处理系统的必要性 [4]。传统处理工艺仍然不可或缺，但没有任何单一的传统工艺能够去除所有类别的污染物。氯化消毒可提供残余消毒效果，但无法去除许多溶解性重金属、PFAS、药物或颗粒污染物。砂滤可降低浊度和部分微生物负荷，但对许多溶解性污染物的处理能力有限，而煮沸可灭活敏感微生物但无法去除溶解性化学物质 [1]、[3]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。化学消毒在特定的源水处理条件下还可能导致受监管及新兴消毒副产物的产生 [17]、[18]。这些局限性促使采用处理工艺组合，根据原水水质、污染物类型和处理目标选择互补工艺 [19]、[20]、[24]。

膜技术包括微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO）、电渗析（ED）、膜生物反应器（MBR）以及混合膜系统 [19]、[20]、[24]。MF和UF是压力驱动的多孔过程，主要通过尺寸排阻、孔道阻塞和饼层截留作用保留悬浮固体、原生动物、细菌、胶体及部分病毒相关颗粒 [20]、[21]、[29]、[30]、[31]。NF将尺寸排阻与电荷或唐南排阻相结合，尤其适用于二价离子、天然有机物及特定的有机微污染物 [21]、[22]、[25]。RO利用致密选择层和溶液-扩散传质机制来截留盐分、重金属及许多低分子量有机污染物 [20]、[23]、[24]、[28]。ED通过离子交换膜传运带电物种，而MBR则将生物降解与膜分离相结合 [19]、[20]、[36]、[37]、[38]。

仅凭去除率无法对这些技术进行排名。报告的性能取决于膜材料、孔径或分子量截留值、进水组成、污染物浓度、运行压力或电压、回收率、通量、预处理、膜污染程度及研究规模 [25]、[26]、[27]、[28]、[32]、[33]、[34]、[35]、[39]、[40]、[41]、[42]。MF和UF可提供有效的颗粒物和微生物屏障，但通常对溶解性污染物的处理能力有限 [29]、[30]、[31]。NF和RO对许多溶解性离子、PFAS和有机微污染物具有较强的截留能力，但其性能会随膜电荷、溶质特性、进水化学组成、压力、回收率和膜污染程度而变化 [25]、[28]、[32]、[33]、[34]、[35]。ED主要适用于带电污染物，而MBR的性能取决于生物活性、水力停留时间、污泥特性和膜污染控制 [19]、[20]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]。因此，技术选择必须在污染物截留与能耗、回收率、浓水产生、膜污染、维护及运行能力之间取得平衡。

现场级和终端应用表明，当膜正确选择、运行和维护时，膜系统可以改善微生物和化学水质 [28]、[29]、[31]、[32]。然而，水质改善不应自动被解读为疾病发病率降低的证据。关于腹泻病减少、住院率下降、医疗机构相关感染减少或社区疾病负担降低的主张需要流行病学证据，并考虑环境卫生、卫生行为、源水水质、家庭储存、残余消毒、维护和用户依从性 [8]、[53]、[54]。因此，膜更适宜被描述为综合水安全体系中的暴露风险降低屏障，而非公共卫生结果改善的独立保证。

运行局限性也影响着膜处理的可持续性。颗粒沉积、有机物污染、生物膜形成、结垢和浓度极化会降低通量、增加压力需求、改变截留行为并提高清洗或膜更换成本 [39]、[40]、[41]、[42]。能耗对RO和高压NF系统尤为重要，且会随原水盐度、运行压力、回收率、膜渗透性和系统设计而变化 [26]、[43]、[44]、[46]。NF和RO还会产生浓水，其中被截留的盐分、重金属、PFAS及其他持久性污染物会不断积累而非被降解，从而产生额外的处理和处置需求 [26]、[45]、[46]。在分散式和资源受限的环境中，实施还可能受到资本成本、能源供应、维护要求、技术能力和配套基础设施的限制 [43]、[44]、[46]。

文献中的一个核心空白在于工程性能与健康导向证据的有限整合。膜研究和综述主要报告截留率、渗透性、通量衰减、膜污染、能耗、浓水管理以及经济性能 [24]、[26]、[27]、[28]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]。相比之下，公共卫生综述评估水质干预措施和疾病结局，但很少区分各种膜机制的贡献 [53]、[54]。现有证据因此分散在膜材料、海水淡化、膜污染、特定污染物处理和健康干预研究等领域。亟需关键性综合研究，将膜机制和运行条件与暴露风险降低联系起来，同时避免将工程性能作为疾病预防的直接证据。

在此背景下，本综述从生物医学工程的角度评估了先进膜技术在保障饮用水安全方面的应用。研究重点包括MF、UF、NF、RO、ED、MBR及相关混合系统。目标包括：(i) 综合膜基饮用水处理的最新进展；(ii) 批判性比较主要膜类别的分离机制、优势、局限性和污染物去除性能；(iii) 考察膜特性、进水特征、运行条件、膜污染及研究规模如何影响报告的性能；(iv) 评估膜系统对暴露风险降低和预防性水安全管理的贡献；以及 (v) 识别影响可持续采用的技术、社会经济和实施障碍。

章节摘要

方法

本叙述性范围综述梳理了与饮用水安全相关的膜技术、污染物类别、运行条件及实施背景。叙述性综合比较了分离机制、运行权衡以及工程性能与暴露风险降低之间的关系 [47]、[48]、[49]、[50]、[51]。未进行荟萃分析，因为所纳入的研究在膜材料、孔径或分子量

研究选择与特征

文献检索在Scopus、PubMed、ScienceDirect和Web of Science数据库中共识别出462条记录。经筛选后，保留了127篇文献进行综合。所纳入的研究涵盖压力驱动、电力驱动、生物集成及混合膜系统。大多数出版物报告了工程结果，包括污染物截留、对数减少值、通量、膜污染行为、能耗及运行稳定性。直接测量公共卫生

结论

饮用水处理的膜选择应根据污染物和具体情况而定。MF和UF最适合作为颗粒物和微生物屏障，而NF和RO对许多溶解性污染物具有更强的截留能力。ED主要适用于带电物种，而MBR将生物降解与膜分离相结合。仅凭去除率百分比无法可靠地对这些技术进行排名，因为报告的性能取决于膜材料、孔

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