中國工業水處理的最近二十年 RO膜開啟了中國膜法水處理的先河
我國的高分子膜法水處理的規模化工業應用是在80年代中后期從反滲透（RO）膜開始的。最早多用于半導體，電子行業的超純水用途。隨著反滲透的應用領域迅速擴展到火力發電廠鍋爐補給水的初級脫鹽，應用規模開始突破單套反滲透裝置產水量200噸/小時。我最早接觸到反滲透膜在國內的工業應用項目是在90年代初，當時我在日本的膜廠家日東電工公司（該公司于1987年收購了美國海德能公司）工作，經常回國參加技術交流與產品推廣。那時參觀過的較為大型的終端用戶有無錫華晶半導體廠，上海石洞口電廠，上海楊樹浦電廠，天津軍糧城電廠等，那時美國杜邦公司B-9，B-10中空纖維反滲透在國內有過幾個大型業績，但后來逐漸被預處理要求較低的卷式反滲透膜取代了。卷式反滲透膜中，直到90年代中期，國內還有一些使用醋酸纖維素（CA）材質的大型反滲透項目。記得鄭州熱電廠的CA膜是當時國內使用壽命使用壽命最長（7年），運行效果最好的大型CA膜案例之一，本刊主編苗偉先生當時就在此廠任職水處理車間主任。92年我直接參與過西安渭河電廠海德能CA膜項目的銷售工作，但CA膜最終還是被操作壓力較低，脫鹽率較高的聚酰胺（PA）復合膜代替了。90年的深圳賽格日立顯像管廠超純水系統是日東電工/海德能公司在中國最早的PA復合反滲透膜大型項目，當時此膜的采用還得到了后來成為工程院院士的國內膜專家高叢堦先生的大力推薦。直到90年代中期，反滲透的主要競爭技術為傳統的離子交換樹脂和80年代后期興起的使用離子交換膜的電滲析技術。當時國內電廠水處理專家們討論離子交換和反滲透技術比較的成本損益平衡點選在了進水含鹽量(TDS)800-1000毫克/升,隨著膜成本的下降與膜技術的進步，21世紀始，國內進水含鹽量在100-200毫克/升的許多項目也都選擇了反滲透。除了工業純水制備外，國內很早就開始了苦鹽水脫鹽和污水處理的反滲透應用。從90年起我參與過日東電工/海德能和上海工業用水中心合作，開展上海金山石化污水處理反滲透項目中試，與中科院生態環境中心在北京燕山石化污水反滲透中試和新疆塔里木油田從高鹽度苦咸水制取生活用水等項目。經過多年的各方努力，反滲透的普及確實給國內水處理帶來了巨大的技術進步。現在國內的海水及苦咸水淡化，各行各業的純水制造和廢水脫鹽回用都已普遍使用反滲透技術，單項工程應用規模也已突破日產純水20萬噸。除了脫鹽率99%以上的RO膜外，主要注重除硬及部分脫鹽的納濾（NF）膜也開始在國內工業水處理市場占據一席之地。目前國內RO/NF膜應用的最大市場仍是以下兩個領域：一是大型鍋爐補給水及循環冷卻水處理，二是市政及工業污水回用脫鹽處理。市政供水領域的RO/NF應用還沒有取得重大突破。另外國外一些國家RO膜已占據海水淡化領域的很大市場，由于種種原因，我國的市場發展還不盡人意，雖然國內海水淡化大部分使用RO工藝，單套RO裝置日產水量也突破萬噸級規模，但目前全國海水淡化裝置制水能力總量也只有區區日產百萬噸左右，與我國淡水資源開發需求和海洋大國的地位很不相符。海水淡化也是少數幾個沒有達到“十一五”國家發展目標的領域之一。相信今后十年，我國沿海地區的海水淡化事業會迎來規模發展期，RO膜和與之配套的各種膜技術會因此大獲收益。
UF/MF/MBR膜的興起標志著進入膜法水處理時代
相對于RO/NF膜的主要功能是去除水中溶解性雜質，即膜脫鹽，超濾（UF）、微濾（MF）和屬于同一膜種的膜生物反應器MBR膜的主要功能是去除水中的非溶解性雜質，即膜過濾。顯而易見，從水處理市場應用規律與規模上講，制造凈水的UF/MF/MBR等過濾膜的市場需求要遠大于制造純水的RO/NF膜。何況RO/NF系統的前處理工藝也已經越來越多的采用UF/MF/MBR過濾膜。膜過濾的競爭技術是以石英砂為代表的傳統濾材過濾技術，只有膜過濾與傳統濾材過濾相比，取得明顯的技術及市場競爭優勢，膜過濾才能實現規模化市場應用并成為水處理主流技術之一，才標志著中國進入膜法水處理時代。膜法水處理的黎明期是用于高純水和飲用純水，發展期是工業純水和回用再生水，而膜產業的明天是得市政者得天下，贏污水者贏未來。
上世紀80年代，國內壓力式UF膜和MF膜開始用于中小型水凈化處理，90年代MBR開始用于地埋式污水處理裝置。97年我在東莞虎門自來水廠見到的日產一萬噸MF系統是國內最早的國產膜法水廠之一，該系統使用東莞新紀元公司自制的PE燒結管式膜。進入21世紀以后，UF，MF及MBR膜開始大規模進入工業及市政水處理，在管式，平板，卷式與中空絲等4種主要水處理膜組件形式中，與RO膜是卷式膜占主要市場不同，UF/MF/MBR膜是中空絲膜組件的市場最大。UF/MF膜用于復雜給水和生化處理后污水的RO前處理取得了很大成功，形成了后來稱為“雙膜法”的膜集成水處理工藝。2002年建成的天津泰達開發區污水廠的壓力式MF+RO系統是國內最早的雙膜法大型市政再生水項目之一。天津后續幾個大型污水廠大都使用了壓力式或浸沒式UF＋RO工藝生產再生水。現在不僅雙膜法在國內十分普及，還出現了越來越多的由（UF/MBR）、(RO/NF)加上電除鹽膜（EDI）構成的“全膜法”工藝，可直接從污水生產高純水。此外僅用UF或MBR的“單膜過濾”系統近幾年發展更為迅速。現在日產水10萬噸以上的UF或MBR大型市政污水處理廠和UF市政供水廠在國內已建成近百個項目，如日產水55萬噸的北京清河再生水廠就分別采用了浸沒式UF，內壓式UF，外壓式UF和MBR等4種膜過濾工藝。北京已經開始建設堪稱世界級的日產水100萬噸UF再生水廠和日產50萬噸UF供水廠，我國的膜法水處理規模已經進入世界前列。
在膜法水處理市場，無論是壓力式還是浸沒式膜組件，近年來MF膜逐漸被分離性能更高的UF膜所取代。而UF膜細分市場，傳統的聚砜（PS），聚醚砜（PES）制成的內壓式UF膜還保持增長態勢，但近幾年國內市場也開始明顯轉向聚偏氟乙烯（PVDF）外壓膜，其原因大致有以下三點：一是外壓膜的膜表面積更大，單位膜面積的成本低，二是PVDF膜的柔韌性和抗氧化性更好，三是近年興起的熱致相轉換（TIPS）制膜法的膜絲強度更高。特別是處理水質更為惡劣，對膜絲要求更為苛刻的浸沒式UF和MBR膜組件，絕大部分膜廠家的膜材質幾乎都從聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）拉伸多孔微濾膜等轉向PVDF。
為大幅提高膜絲強度，浸沒式膜絲還出現了在內襯編織管外側涂覆PVDF的加襯膜。這兩年，國內膜廠家還在國際上率先推出在中空膜絲壁內直接加入幾根化纖的“砼式膜”,“中襯膜”。另一方面，海南立升公司世界首創的廉價的聚乙烯（PVC）材質的內壓及浸沒式超濾膜在國內外建立了包括臺灣高雄30萬噸水廠在內的很多成功案例，在世界膜發展史上樹立了中國膜的一面旗幟。與RO膜國內工業市場仍被美國，日本膜公司壟斷有所不同，國產的UF，MBR膜成長迅速，已成功用于國內許多堪稱為世界級的超大型項目，總量上已經開始占據市場優勢。北京碧水源，天津膜天等國內膜廠家也實現了創業板上市。
國內膜市場的發展
截止上世紀90年代，國內膜法水處理工程市場活躍著許多外國公司，占據了相當的國內市場份額。進入21世紀以來，國內工程公司成長迅速，還涌現了一批上市企業。目前不僅奪取了九成以上的國內工程市場份額，也開始在國外承建大型膜法水處理工程。這一優勢還在不斷擴大，除大型半導體超純水，高難廢水回用等少數領域和特定國外投資項目外，即便是知名的外國工程公司今后在國內一般膜法水處理項目上拿到訂單已越來越困難。但水處理用膜產品市場方面，在目前充分國際化，市場化的國內市場上，國產膜還沒有占據優勢地位。特別是國內應用最早，產品成熟度最高的卷式RO膜。80年代后半
期已經出現國產RO膜，起步并不算晚。91年我曾在杭州無線電廠參觀過杭州水處理中心建設的首套國產反滲透膜5噸/小時超純水裝置。由于卷式RO膜制造技術與投資規模門檻較高，美國產品早期形成的世界壟斷，致使全世界工業卷式反滲透膜的外形尺寸高度統
一，且均為美國規格。絕大部分廠家的膜元件長度均為40英寸（1m），直徑則有4英寸，8英寸和16英寸三種。16英寸雖已面市幾年，但市場普及速度遠未達到預期。在主力的8英寸膜市場，在目前50-55萬支/年的國內市場容量中，以陶氏，海德能，東麗，GE，熊津,科式為代表的外國品牌還是占據了85%以上的份額，即8英寸工業用膜市場，國內還是處于呼喚國產品牌的時期。但在技術要求稍低，品牌效應較弱的4英寸膜市場則情況大有不同。在目前25-30萬支/年的國內市場容量中，以時代沃頓公司為代表的國產品牌已基本占據半壁江山，且還有大量國產4英寸膜遠銷國外。此外在2.5英寸以下的家用/商用膜市場方面，數百萬支/年的國產反滲透膜在整個亞洲市場已逐漸占據優勢地位。
隨著水資源問題愈發成為關注焦點和環保產業的快速發展，近幾年新一輪水處理膜產品的投資熱潮正在興起。以RO膜為例，除了已在中國打拼多年的十幾家外國反滲透膜廠家（含管式，中空，碟管，平板等卷式以外的組件形式）仍處于此消彼長的激烈競爭態勢外，還有5-6家新興的外國膜廠家正在進入國內市場。國內RO膜廠家，除知名的貴陽時代沃頓和杭州北斗星公司外，長沙，汕頭，北京等地的國內膜企業也開始陸續投產，包擴一些上市企業在內的國內公司也在準備進軍反滲透膜制造市場。目前正在建設和宣布開始建設的國內反滲透膜廠家已有十幾家。預計今后幾年內，國內RO/NF膜的市場競爭格局會發生明顯變化。
UF,MF，MBR膜產品方面，由于適用水質范圍和應用領域遠比RO寬泛得多，還沒有一種產品可以包打天下。對于UF/MF/MBR膜，無論是膜材質及制膜機理，膜及膜組件形式，還是系統集成和應用技術都還處于日新月異的大發展時期，技術創新的廣度與速度遠高于RO膜。雖然在各細分產品市場都各有幾個國際及國內知名品牌，但還遠沒有形成市場壟斷。國內的UF/MF/MBR膜廠家除規模較大的十幾家外，總數已經超過200家，新的企業還在不斷涌現，這種“千帆竟發，百舸爭流”的市場繁榮和競爭格局還會持續相當長的時間。
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