污水處理膜產業(yè)發(fā)展趨勢
發(fā)布時間：2023-7-25 11:15:37 來源：北極星環(huán)保網 作者：
近些年，北京、天津、山西、巢湖流域、太湖地區(qū)、大清河領域等地標陸續(xù)出臺，部分敏感地區(qū)的污水處理排放標準從過去的一級A達到了準四類、甚至三類標準，為應對不斷提升的水質標準，多樣性的膜技術組合工藝將得到越來越多的應用。其中，以雙膜法技術為代表的多種膜組合工藝能充分發(fā)揮各自技術的優(yōu)勢，彌補單獨使用的不足，使廢水深度處理得以再生，是未來發(fā)展的新方向。 01 膜分類及特點 膜是一種具有選擇性透過功能的薄層物質，可以特定的形式限制和促使兩側流體中各種物質的遷移。而膜分離是以外界能量或化學勢差作為推動力，利用分離膜的選擇透過功能而實現對混合物中不同物質進行分離、純化和濃縮的過程。 ◆根據膜的材料進行分類，可分為有機膜（有機聚合物）和無機膜（金屬膜、陶瓷膜、玻璃膜等）。有機膜易于制備，成本較低，而無機膜耐熱性和化學穩(wěn)定性好、力學性能突出、抗微生物、使用壽命長，但成型難度大，成本高。 ◆根據分離機制對膜進行分類，可分為利用篩分機制（即根據污染物尺寸進行分離）的多孔膜，和利用擴散原理（即根據溶液的滲透壓進行分離）的無孔致密膜，無孔致密膜也稱為擴散膜。多孔膜有固定的孔， 包括微濾膜、超濾膜和納濾膜，根據膜的孔徑可分為大孔（孔徑>50nm）、中孔（孔徑范圍 2-50nm）、微孔（孔徑<2nm）。無孔致密膜包括納濾膜和反滲透膜。 從膜形態(tài)看，目前超濾、微濾多使用中空纖維膜， 反滲透、納濾多為卷式膜。 02 膜產值 近20年是我國膜產業(yè)的高速增長期。近20年，全球膜產業(yè)（包括膜元件、膜組件、膜裝備、膜工程等）總產值穩(wěn)健增長。至2017年底，全球膜產值已達1050億美元，而我國膜產業(yè)的總產值約為2000億人民幣， 我國膜產業(yè)占全球膜產業(yè)產值比重從1999年的1.7%提升到了2017年的27%以上。 從結構看，隨著海水淡化、苦咸水軟化、超純水制備以及對微量污染物去除需求的逐年增加，反滲透膜在膜市場中占比也隨之增大，全球RO 膜銷售占比從2005年48.4%提高到2013年的55.3%。與此同時，UF\MF膜市場占比有所下降。 未來隨著膜技術在工業(yè)污水、市政污水、市政飲用水、民用凈水等領域的應用增加，膜產業(yè)仍將快速發(fā)展，而與RO膜相比，NF膜性質介于超濾和反滲透之間，具有低操作壓力、低運行成本、高通量、極性小分子選擇性截留等優(yōu)點，未來應用占比有望提升。 03 分離膜性能及技術 分離膜的性能由膜材料和制膜工藝條件決定。膜產品的相關性能指標主要有分離透過性能、物理性能和化學性能三大類。 ◆分離透過性能包括：產水量、水通量、純水透過率、截留分子質量、截留率、脫鹽率、回收率、最大孔徑、平均孔徑、孔徑分布、孔隙率、氣密性及完整性等。 ◆膜物理性能有：結構性能(外觀、膜面積、膜厚、膜絲內外徑)、機械性能(拉伸強度、爆破強度、彎曲強度、柔潤指數、斷裂伸長率)、電性能(荷電性、Zeta電位)、親水性及耐熱性(最高操作溫度)等。 ◆膜化學性能有：化學穩(wěn)定性(化學相容性)、耐氧化性(短時余氯耐受限度、過氧化氫耐受限度)、耐酸堿性(運行及清洗 pH 范圍)及耐污染性能等。 因此膜材料的技術難點主要在于膜材料的研發(fā)與膜制備工藝的選擇與過程控制。尤其膜的制備工藝對分離膜的性能十分重要，同樣的材料，由于不同的制作工藝和控制條件，其性能會有很大差異。 以非溶劑相轉化法（NIPS）制備工藝為例，膜制造流程大體可分為六個階段： 1）高分子材料溶于溶劑中，加入添加劑，制成鑄膜液； 2）鑄膜液通過流延或紡絲制成平板、管狀或中空纖維； 3）使膜中溶劑部分蒸發(fā)； 4）將膜浸在對高分子是非溶劑的液體中，液相的膜變凝膠固化； 5）進行熱處理； 6）膜的預壓處理。 超濾(UF)和微濾(MF)膜技術較為成熟，整體看國內外產品性能差距較小，已基本實現國產化。UF/MF 膜廣泛用于水處理行業(yè)、生物醫(yī)藥制備過程和食品飲料行業(yè)等。 國內現有 UF/MF膜制造廠商數百家，龍頭企業(yè)都擁有自己獨特的制膜材料配方和成套裝備知識產權。與國外水平相比，我國相轉化法生產的高分子MF/UF膜性能與國外同類產品性能基本一致，控制拉伸生產的聚乙烯、聚丙烯等MF/UF膜，雖然生產工藝和質量還有待提高，但以其價廉、耐溶劑等優(yōu)點在不斷拓展市場，陶瓷膜等無機微濾膜技術水平與國外的差距逐漸縮小，部分產品達到國際先進水平。 在超濾膜市場的高端領域，電子工業(yè)用超純水、電泳漆回收、制藥、酶制劑等目前仍有國外產品占據主導地位，國產膜因價格低廉占據中、低端的水凈化市場。 中國已成RO膜最大市場，進口替代正當時。目前，中國市場RO膜產品的銷售總額約為全球銷售額30%—35%，市場規(guī)模躍居世界首位。國外RO膜產品占據市場主導地位，其中美國陶氏化學、日本東麗、海德能公司占據了70%左右市場份額，國內RO膜生產廠家正迎頭趕上，產能性能與穩(wěn)定性與國外頭部企業(yè)的差距正逐漸縮小，預期未來3-5年內，國內RO膜的國產化率將有明顯改善。 納濾膜尚未實現進口替代。納濾(NF)膜分離機理為篩分和溶解擴散并存，同時又具有電荷排斥效應，對材料研發(fā)及工藝控制的要求較高。納濾膜的主要特點是對二價離子、功能性糖、小分子色素、多肽等物質的截留性能高于98，而對于一些單價離子、小分子酸堿、醇等有30-80的透過性能，應用較多的行業(yè)主要是苦咸水軟化、海水淡化脫鹽、飲用水、中水、食品飲料等。 由于我國對納濾膜的研究起步較晚，納濾膜原材料仍依賴進口，納濾膜產品與國外仍有較大差距，國產化納濾膜生產廠商僅有個位數，且性能不穩(wěn)定，抗污染能力差，使用壽命不如陶氏等國際企業(yè)。 隨著我國納濾膜制備和生產工藝的研發(fā)投入不斷增加，納濾膜技術的工程應用不斷推廣，納濾膜技術在我國擁有良好的發(fā)展前景。 04 膜法水處理 城鎮(zhèn)污水處理和城鎮(zhèn)供水是膜法水處理技術的主要應用場所。大部分膜法城鎮(zhèn)供水廠采用微濾膜，部分出水指標較高的水廠同時使用微濾和反滲透膜，納濾水廠近幾年也呈增長態(tài)勢。 絕大多數膜法城鎮(zhèn)污水處理廠使用MBR技術。從數據看，市政大規(guī)模MBR應用和膜法市政水廠的規(guī)模變化與整個膜法水處理行業(yè)產值的變化趨勢高度一致，可以認為MBR 膜技術的應用在膜法水處理產值的快速增長中起到了主導作用。 水處理分為一級處理、二級處理和深度處理。一級處理的主要目的是去除懸浮狀態(tài)固體，常采用物理法，對于BOD5的去除率一般在20%-30%；二級處理的目的是進一步去除污水中膠體和溶解性污染物，常使用生物法，BOD5的去除率在90%以上；深度處理以達到更高的處理與排放要求或污水回用為目的。 膜法技術通常用于處理二級處理活性污泥出水，或者將膜處理系統(tǒng)直接置于生化池，即膜生物反應器(MBR)，代替原有二沉池、絮凝沉淀池等環(huán)節(jié)。 與傳統(tǒng)的污水處理技術相比，MBR 技術具有五大方面的優(yōu)點： 1）出水水質優(yōu)：MBR技術出水水質優(yōu)且穩(wěn)定，懸浮物和濁度接近于零。在難降解有機物去除、消毒和生態(tài)穩(wěn)定性等方面與傳統(tǒng)工藝比較有一定優(yōu)勢； 2）占地面積?。篗BR反應器內能維持高濃度的微生物，處置裝置容積負荷高，與傳統(tǒng)生物工藝相比占地面積大大減少，這也是目前部分市政污水項目選擇MBR的重要原因。 3）耐水質沖擊能力強：由于膜的高效截留作用，可使微生物完全截留在生物反應器內，有利于增殖緩慢的微生物在反應器中截留、生長、繁殖，使得系統(tǒng)耐水質沖擊能力得以提高； 4）剩余污泥少：系統(tǒng)在高容積負荷、低污泥負荷和長泥齡的條件下運行，污泥產率低，可降低污泥處理的費用； 5）啟動方便：系統(tǒng)為各種微生物的停留和繁殖創(chuàng)造了生長條件，豐富了反應器中的微生物相，縮短了馴化周期，從而使MBR可以在短期內啟動運行。 但MBR技術在推廣應用過程中也面臨能耗高、成本高、管理要求高、剩余污泥難處理等難題。從經濟性方面看，MBR技術的投資費用較高。據統(tǒng)計，所有市政污水處理廠的平均噸水總投資費用約2200元，而MBR噸水總投資費用為2100-7000元，平均約3800元，直接工程費用為2000-4500元（包括土建、安裝、膜系統(tǒng)和設備），投資費用的差異與應用領域、項目建設時期、膜組件廠商、結構形式等均有較大關系。 通過對比同地區(qū)同時期同規(guī)模不同技術路線的三個污水處理廠，分別采用MBR工藝（A工藝）、二級生物處理+濾布濾池（B工藝）、二級生物處理+UF（C工藝），可以看到，MBR的土建費用略低，但膜組件投資較高，其他配套設備投資也略高，但考慮到MBR技術的出水水質更優(yōu)以及相關征地費用較小，MBR技術與傳統(tǒng)技術的投資費用差距將大幅縮小。 從運行成本看，MBR工藝的直接運行成本在0.5-0.9元/m3，比傳統(tǒng)工藝高約0.15元/m3，加上膜折舊費要高出0.4元/m3，可見MBR技術的能耗和運行成本較高。 未來隨著水質要求的不斷提升，技術工藝的不斷成熟改進、膜制造成本不斷下降，膜法水處理的應用占比有望進一步提升。 05 膜企業(yè)成長路徑 企業(yè)并購是國際環(huán)保巨頭成長的必經之路，這在全球膜法水處理市場的表現尤為明顯。 國際知名的膜制造商，大多都是多元化的大型企業(yè)，膜業(yè)務只是其多元化戰(zhàn)略下的一個事業(yè)部。各大公司拓展業(yè)務領域進入水處理或膜制造行業(yè)，然后通過收購已有公司和業(yè)務來獲得市場份額和品類技術的補全。 我國的膜產業(yè)由于起步較晚，發(fā)展階段與海外所處不同，膜企業(yè)的規(guī)模普遍較小。我國的膜企業(yè)技術來源多為留學歸國人員自主研發(fā)，學校研究院、實驗室等產業(yè)研究成果轉化或外部成熟技術引入。2001 年國家推出膜產業(yè)化政策，膜產業(yè)的發(fā)展伴隨著環(huán)保工程的爆發(fā)，膜材料、系統(tǒng)初創(chuàng)企業(yè)借助產業(yè)鏈延伸進入到環(huán)保工程與運營領域。 借鑒海外的發(fā)展經驗，我國的膜企業(yè)在生產工藝和材料研發(fā)上仍有較大提升空間，膜企業(yè)未來仍需要進行持續(xù)的研發(fā)投入。而大型化工企業(yè)進行高端膜材料研發(fā)具有先天優(yōu)勢： ◆2019年萬華化學投資5.1億元萬華工業(yè)園區(qū)內投資設立膜工廠項目，總生產能力為619萬平方米/年，其中RO膜：300萬平方米/年；NF膜：60萬平方米/年；UF膜：50萬平方米/年；中空纖維膜：100萬平方米/年；MF膜：100萬平方米/年；改性分離膜：9萬平方米/年。 ◆中化國際投資約9.7億元在寧波象山經濟開發(fā)區(qū)建設年產22萬支反滲透膜工廠。預計項目將于今年年底或明年投產。 國內膜材料的市場空間較小，國內的膜制造企業(yè)若不能通過產業(yè)鏈的延伸做大做強，突破自身的市值瓶頸，持續(xù)投入研發(fā)構建護城河，則當前領先的技術優(yōu)勢未來或有被趕超風險，遠期或難逃被諸如萬華、中化等大型集團并購整合的命運。 國內膜元件市場空間較小，只做上游的膜材料企業(yè)將面臨較低的市值天花板，膜企業(yè)要做大做強， 需要從元件、系統(tǒng)向工程、運營領域拓展，延伸到廣闊的應用市場方能突破市值天花板。 因此，膜企業(yè)的核心競爭力在于既要在系統(tǒng)裝備擁有制造或集成方面的技術優(yōu)勢、又要有工程經驗和運營能力，方能持續(xù)研發(fā)創(chuàng)新，拓展新的應用和業(yè)務領域，實現市值天花板的不斷突破。