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污水资源回用中膜技术的发展历程及未来走向

关注:日期:2018-05-11

2000年初,污水处理行业重心开始转向水质的提高,对膜技术的需求迅速增加。行业巨头美国通用电气于2006年花费7.6亿美元收购Zenon Environment Inc.,获得其微滤/超滤膜技术,进军污水处理市场,十年间占据全球最大的MBR市场份额,并于2017年9月以32亿欧元将其水处理业务出售给SUEZ。而中国最大的MBR供应商碧水源集团,从2001年创立之初,便牢牢把握膜技术发展趋势,2006年投资建立亚洲最大膜基地——“碧水源膜技术创新产业园”,通过不断的技术创新实现了企业的高速发展,从创立到上市,仅用了十年时间。近几年,随着全球污水资源化理念的普及,概念水厂的提出,污水处理技术迎来了又一次革新和转型,在这场革新中,膜技术将依然是关键。

膜技术发展概述

自1784年人类发现渗透现象,膜技术历经近两个世纪的缓慢发展,直到20世纪50年代,Hassler第一次提出将膜应用于脱盐,随着材料科学的发展,膜技术在水处理领域实现了“技术爆炸”。膜生物反应器(MBR)和反渗透(RO)工艺在全球迅速崛起,微滤膜取代二沉池,反渗透法逐渐取代传统热法成为海水淡化主流工艺。

然而,在经历了近30年的发展之后,膜技术遇到了瓶颈,膜污染、运行成本和膜寿命等问题凸显。2014年,荷兰首座工业规模MBR市政污水处理厂在运行8年后选择关闭,引起了行业内的震动,成本和运营成为业界关注的焦点,技术创新迫在眉睫。

同时,各国对污水处理的理念已经发生了转变,污水处理厂从传统意义上的耗能大户,向资源回收站转变,水处理企业也从原来能源的消耗者向资源的生产者转型。在这个大的趋势下,什么样的膜技术才能满足需求?也许是每一位膜技术从业者需要思考的问题。


膜技术应用三大领域

市政污水处理-膜生物反应器(MBR)工艺

微滤膜(MF)和超滤膜(UF)被成功广泛应用于MBR市政污水处理工艺中,膜孔径在0.02-0.4 µm之间,膜材料以PVDF为主,膜构型主要采用中空纤维膜或平板膜。据统计,截止到2017年我国万吨级以上的MBR市政污水处理厂200多座,预计到2018年底,我国投入运行的MBR系统累计处理能力高达1400万吨/天,随着提标改造的不断深入,这个数字仍在迅速增长。MBR市场供应商主要包括SUEZ、三菱、碧水源、旭化成、天津膜天膜等。过去十年,以碧水源为代表的中国企业注重自主研发,突破少数发达国家的技术壁垒,已掌握最先进的MBR膜材料制备方法,截至2016年2月,碧水源共有10万吨/天及以上的MBR工程项目24个,成为拥有全球最大MBR工程项目数量最多的公司。


海水淡化脱盐

反渗透膜(RO)被应用于污水深度处理、脱盐、工业水回用等工艺中。孔径范围在0.1-1 nm之间,膜材料以醋酸纤维素、聚酰胺等为主。反渗透海水淡化工艺能源效率比蒸馏过程提高一个数量级,如今,反渗透工艺提供着0.38亿吨/天的淡水,大约占据全球海水淡化市场份额的60%(其市场份额还在提升,并将逐渐取代热法)。据“国际工程科技发展战略高端论坛”报告指出,截至2015年底,我国已建成海水淡化工程121个,海水淡化产能为100.88万吨/天,过去4年的复合增长率为9.21%。随着膜材料成本及工艺改进,反渗透海水淡化水成本已由8元/m³下降至平均5元/m³。反渗透膜供应商包括陶氏化学、西门子、东丽、海德能、津膜科技等。

工业污水深度处理

在工业污水深度处理工艺中,针对不同的污水类型,常常将生化工艺与膜分离过程耦合,以达到提高微生物活性,改善出水水质的目的。神华鄂尔多斯煤直接液化污水深度处理项目工艺为A/O+MBR+UF+RO。该工艺A/O-MBR对COD进行了强化处理,大幅降低了后续回用处理工艺中膜的有机物污染程度,保证了后期膜处理系统在保持较高回收率的前提下的长期稳定运行。针对项目场地小的特点,深度处理回用系统采用双膜法工艺,双膜法工艺流程简单、结构紧凑、占地面积小、自动化程度高、操作简便,无需投加大量化学药品。


膜技术发展驱动力

膜技术在我国迅速发展的主要驱动力有三个:环境压力、政策驱动、及市场需求。

环境压力

环境污染,水资源短缺是全人类所面临的问题,中国尤甚。2017年由水利部发布的《2016年中国水资源公报》中指出,虽然2016年全国用水总量较2015年略有下降,用水效率提升,用水结构优化,水质状况总体有所好转。但是与2015年相比2016年全国供水总量为6040.2亿立方米,较2015年减少63.0亿立方米。其中,地表水源供水量减少57.1亿立方米,地下水源供水量减少12.2亿立方米,其他水源供水量增加6.3亿立方米。自然水体供水量的减少,预示着我国未来对水资源回用的需求会进一步增加。

政策驱动

相比较欧洲、北美等国家污水排放标准,我国排放标准更高,监管更加严格。“水十条”,“十三五”计划,工业污水零排放等政策的不断提出,使得膜技术市场在未来10-20年仍将维持高速发展势头。钱易院士曾于2016年凤凰国际智库举办的2016全球热点观察展望“十三五”论坛中指出,对比日本以往的经验,我国的水污染治理尚需30年的时间,还有很长的一段路要走。“十三五”期间高性能分离膜将受益于政策支持,相信水处理行业对创新型膜技术的需求仍居高不下。

市场需求

我国污水排放量之大,水资源短缺压力之重,决定了必将更加依赖于膜技术这种高效的污水处理方式。根据GEP Research《水处理膜行业市场分析报告》2017年调查显示,2000-2017年9月,中国共有膜技术相关专利数(包括发明、实用新型和外观)24340项(按照公开日数量)。随着膜材料及工艺运行成本的逐步降低,膜技术将更具经济性。2016年中国水处理膜行业市场规模为600亿元,同比增长17.6%,其中膜产品规模为190亿元,同比增长18.75%,膜工程市场规模为410亿元,同比增长17.14%。工业污水处理因为其污水的特殊性,选择合适的处理工艺尤为重要,技术难点更加突出,是创新膜技术需求的主要应用领域。同时,近几年水处理市场正在朝农村地区发展,未来五年,分散式污水处理系统需求会不断增大,该市场中需要占地更小、更易安装操作的系统,作为中国最大的膜供应商,碧水源正在开拓该市场。


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