污水處理膜產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)
近些年，北京、天津、山西、巢湖流域、太湖地區(qū)、大清河領(lǐng)域等地標(biāo)陸續(xù)出臺(tái)，部分敏感地區(qū)的污水處理排放標(biāo)準(zhǔn)從過(guò)去的一級(jí)A達(dá)到了準(zhǔn)四類(lèi)、甚至三類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，為應(yīng)對(duì)不斷提升的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，多樣性的膜技術(shù)組合工藝將得到越來(lái)越多的應(yīng)用。其中，以雙膜法技術(shù)為代表的多種膜組合工藝能充分發(fā)揮各自技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)單獨(dú)使用的不足，使廢水深度處理得以再生，是未來(lái)發(fā)展的新方向。
01 膜分類(lèi)及特點(diǎn)
膜是一種具有選擇性透過(guò)功能的薄層物質(zhì)，可以特定的形式限制和促使兩側(cè)流體中各種物質(zhì)的遷移。而膜分離是以外界能量或化學(xué)勢(shì)差作為推動(dòng)力，利用分離膜的選擇透過(guò)功能而實(shí)現(xiàn)對(duì)混合物中不同物質(zhì)進(jìn)行分離、純化和濃縮的過(guò)程。
◆根據(jù)膜的材料進(jìn)行分類(lèi)，可分為有機(jī)膜（有機(jī)聚合物）和無(wú)機(jī)膜（金屬膜、陶瓷膜、玻璃膜等）。有機(jī)膜易于制備，成本較低，而無(wú)機(jī)膜耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性好、力學(xué)性能突出、抗微生物、使用壽命長(zhǎng)，但成型難度大，成本高。
◆根據(jù)分離機(jī)制對(duì)膜進(jìn)行分類(lèi)，可分為利用篩分機(jī)制（即根據(jù)污染物尺寸進(jìn)行分離）的多孔膜，和利用擴(kuò)散原理（即根據(jù)溶液的滲透壓進(jìn)行分離）的無(wú)孔致密膜，無(wú)孔致密膜也稱為擴(kuò)散膜。多孔膜有固定的孔， 包括微濾膜、超濾膜和納濾膜，根據(jù)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(wú)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。
膜過(guò)程及其特點(diǎn)
資料來(lái)源：《膜分離材料應(yīng)用基礎(chǔ)》
02 膜產(chǎn)值
近20年是我國(guó)膜產(chǎn)業(yè)的高速增長(zhǎng)期。近20年，全球膜產(chǎn)業(yè)（包括膜元件、膜組件、膜裝備、膜工程等）總產(chǎn)值穩(wěn)健增長(zhǎng)。至2017年底，全球膜產(chǎn)值已達(dá)1050億美元，而我國(guó)膜產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值約為2000億人民幣， 我國(guó)膜產(chǎn)業(yè)占全球膜產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重從1999年的1.7%提升到了2017年的27%以上。
從結(jié)構(gòu)看，隨著海水淡化、苦咸水軟化、超純水制備以及對(duì)微量污染物去除需求的逐年增加，反滲透膜在膜市場(chǎng)中占比也隨之增大，全球RO 膜銷(xiāo)售占比從2005年48.4%提高到2013年的55.3%。與此同時(shí)，UF\MF膜市場(chǎng)占比有所下降。
未來(lái)隨著膜技術(shù)在工業(yè)污水、市政污水、市政飲用水、民用凈水等領(lǐng)域的應(yīng)用增加，膜產(chǎn)業(yè)仍將快速發(fā)展，而與RO膜相比，NF膜性質(zhì)介于超濾和反滲透之間，具有低操作壓力、低運(yùn)行成本、高通量、極性小分子選擇性截留等優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)應(yīng)用占比有望提升。
全球膜產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值增長(zhǎng)情況
國(guó)內(nèi)膜產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值增長(zhǎng)情況
03 分離膜性能及技術(shù)
分離膜的性能由膜材料和制膜工藝條件決定。膜產(chǎn)品的相關(guān)性能指標(biāo)主要有分離透過(guò)性能、物理性能和化學(xué)性能三大類(lèi)。
◆分離透過(guò)性能包括：產(chǎn)水量、水通量、純水透過(guò)率、截留分子質(zhì)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(jié)構(gòu)性能(外觀、膜面積、膜厚、膜絲內(nèi)外徑)、機(jī)械性能(拉伸強(qiáng)度、爆破強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、柔潤(rùn)指數(shù)、斷裂伸長(zhǎng)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(xué)性能有：化學(xué)穩(wěn)定性(化學(xué)相容性)、耐氧化性(短時(shí)余氯耐受限度、過(guò)氧化氫耐受限度)、耐酸堿性(運(yùn)行及清洗 pH 范圍)及耐污染性能等。
膜的不同性能相互制約，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)綜合考慮膜的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境項(xiàng)目具體要求，選擇性能合適的分離膜。
判斷膜質(zhì)量的性能指標(biāo)
因此膜材料的技術(shù)難點(diǎn)主要在于膜材料的研發(fā)與膜制備工藝的選擇與過(guò)程控制。尤其膜的制備工藝對(duì)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(huì)有很大差異。
以非溶劑相轉(zhuǎn)化法（NIPS）制備工藝為例，膜制造流程大體可分為六個(gè)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(guò)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(duì)高分子是非溶劑的液體中，液相的膜變凝膠固化；
5）進(jìn)行熱處理；
6）膜的預(yù)壓處理。
超濾(UF)和微濾(MF)膜技術(shù)較為成熟，整體看國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品性能差距較小，已基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。UF/MF 膜廣泛用于水處理行業(yè)、生物醫(yī)藥制備過(guò)程和食品飲料行業(yè)等。
國(guó)內(nèi)現(xiàn)有 UF/MF膜制造廠商數(shù)百家，龍頭企業(yè)都擁有自己獨(dú)特的制膜材料配方和成套裝備知識(shí)產(chǎn)權(quán)。與國(guó)外水平相比，我國(guó)相轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)的高分子MF/UF膜性能與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品性能基本一致，控制拉伸生產(chǎn)的聚乙烯、聚丙烯等MF/UF膜，雖然生產(chǎn)工藝和質(zhì)量還有待提高，但以其價(jià)廉、耐溶劑等優(yōu)點(diǎn)在不斷拓展市場(chǎng)，陶瓷膜等無(wú)機(jī)微濾膜技術(shù)水平與國(guó)外的差距逐漸縮小，部分產(chǎn)品達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
在超濾膜市場(chǎng)的高端領(lǐng)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(guó)外產(chǎn)品占據(jù)主導(dǎo)地位，國(guó)產(chǎn)膜因價(jià)格低廉占據(jù)中、低端的水凈化市場(chǎng)。
中國(guó)已成RO膜最大市場(chǎng)，進(jìn)口替代正當(dāng)時(shí)。目前，中國(guó)市場(chǎng)RO膜產(chǎn)品的銷(xiāo)售總額約為全球銷(xiāo)售額30%—35%，市場(chǎng)規(guī)模躍居世界首位。國(guó)外RO膜產(chǎn)品占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位，其中美國(guó)陶氏化學(xué)、日本東麗、海德能公司占據(jù)了70%左右市場(chǎng)份額，國(guó)內(nèi)RO膜生產(chǎn)廠家正迎頭趕上，產(chǎn)能性能與穩(wěn)定性與國(guó)外頭部企業(yè)的差距正逐漸縮小，預(yù)期未來(lái)3-5年內(nèi)，國(guó)內(nèi)RO膜的國(guó)產(chǎn)化率將有明顯改善。
納濾膜尚未實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代。納濾(NF)膜分離機(jī)理為篩分和溶解擴(kuò)散并存，同時(shí)又具有電荷排斥效應(yīng)，對(duì)材料研發(fā)及工藝控制的要求較高。納濾膜的主要特點(diǎn)是對(duì)二價(jià)離子、功能性糖、小分子色素、多肽等物質(zhì)的截留性能高于98，而對(duì)于一些單價(jià)離子、小分子酸堿、醇等有30-80的透過(guò)性能，應(yīng)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(guó)對(duì)納濾膜的研究起步較晚，納濾膜原材料仍依賴進(jìn)口，納濾膜產(chǎn)品與國(guó)外仍有較大差距，國(guó)產(chǎn)化納濾膜生產(chǎn)廠商僅有個(gè)位數(shù)，且性能不穩(wěn)定，抗污染能力差，使用壽命不如陶氏等國(guó)際企業(yè)。
隨著我國(guó)納濾膜制備和生產(chǎn)工藝的研發(fā)投入不斷增加，納濾膜技術(shù)的工程應(yīng)用不斷推廣，納濾膜技術(shù)在我國(guó)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(shù)的主要應(yīng)用場(chǎng)所。大部分膜法城鎮(zhèn)供水廠采用微濾膜，部分出水指標(biāo)較高的水廠同時(shí)使用微濾和反滲透膜，納濾水廠近幾年也呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。
絕大多數(shù)膜法城鎮(zhèn)污水處理廠使用MBR技術(shù)。從數(shù)據(jù)看，市政大規(guī)模MBR應(yīng)用和膜法市政水廠的規(guī)模變化與整個(gè)膜法水處理行業(yè)產(chǎn)值的變化趨勢(shì)高度一致，可以認(rèn)為MBR 膜技術(shù)的應(yīng)用在膜法水處理產(chǎn)值的快速增長(zhǎng)中起到了主導(dǎo)作用。
水處理分為一級(jí)處理、二級(jí)處理和深度處理。一級(jí)處理的主要目的是去除懸浮狀態(tài)固體，常采用物理法，對(duì)于BOD5的去除率一般在20%-30%；二級(jí)處理的目的是進(jìn)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(dá)到更高的處理與排放要求或污水回用為目的。
膜法技術(shù)通常用于處理二級(jí)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(yīng)器(MBR)，代替原有二沉池、絮凝沉淀池等環(huán)節(jié)。
MBR工藝與傳統(tǒng)活性污泥法
與傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)相比，MBR 技術(shù)具有五大方面的優(yōu)點(diǎn)：
1）出水水質(zhì)優(yōu)：MBR技術(shù)出水水質(zhì)優(yōu)且穩(wěn)定，懸浮物和濁度接近于零。在難降解有機(jī)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(shì)；
2）占地面積�。篗BR反應(yīng)器內(nèi)能維持高濃度的微生物，處置裝置容積負(fù)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(xiàng)目選擇MBR的重要原因。
3）耐水質(zhì)沖擊能力強(qiáng)：由于膜的高效截留作用，可使微生物完全截留在生物反應(yīng)器內(nèi)，有利于增殖緩慢的微生物在反應(yīng)器中截留、生長(zhǎng)、繁殖，使得系統(tǒng)耐水質(zhì)沖擊能力得以提高；
4）剩余污泥少：系統(tǒng)在高容積負(fù)荷、低污泥負(fù)荷和長(zhǎng)泥齡的條件下運(yùn)行，污泥產(chǎn)率低，可降低污泥處理的費(fèi)用；
5）啟動(dòng)方便：系統(tǒng)為各種微生物的停留和繁殖創(chuàng)造了生長(zhǎng)條件，豐富了反應(yīng)器中的微生物相，縮短了馴化周期，從而使MBR可以在短期內(nèi)啟動(dòng)運(yùn)行。
MBR技術(shù)與活性污泥法的優(yōu)劣勢(shì)比較
但MBR技術(shù)在推廣應(yīng)用過(guò)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(jīng)濟(jì)性方面看，MBR技術(shù)的投資費(fèi)用較高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，所有市政污水處理廠的平均噸水總投資費(fèi)用約2200元，而MBR噸水總投資費(fèi)用為2100-7000元，平均約3800元，直接工程費(fèi)用為2000-4500元（包括土建、安裝、膜系統(tǒng)和設(shè)備），投資費(fèi)用的差異與應(yīng)用領(lǐng)域、項(xiàng)目建設(shè)時(shí)期、膜組件廠商、結(jié)構(gòu)形式等均有較大關(guān)系。
通過(guò)對(duì)比同地區(qū)同時(shí)期同規(guī)模不同技術(shù)路線的三個(gè)污水處理廠，分別采用MBR工藝（A工藝）、二級(jí)生物處理+濾布濾池（B工藝）、二級(jí)生物處理+UF（C工藝），可以看到，MBR的土建費(fèi)用略低，但膜組件投資較高，其他配套設(shè)備投資也略高，但考慮到MBR技術(shù)的出水水質(zhì)更優(yōu)以及相關(guān)征地費(fèi)用較小，MBR技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的投資費(fèi)用差距將大幅縮小。
從運(yùn)行成本看，MBR工藝的直接運(yùn)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(fèi)要高出0.4元/m3，可見(jiàn)MBR技術(shù)的能耗和運(yùn)行成本較高。
未來(lái)隨著水質(zhì)要求的不斷提升，技術(shù)工藝的不斷成熟改進(jìn)、膜制造成本不斷下降，膜法水處理的應(yīng)用占比有望進(jìn)一步提升。
05 膜企業(yè)成長(zhǎng)路徑
企業(yè)并購(gòu)是國(guó)際環(huán)保巨頭成長(zhǎng)的必經(jīng)之路，這在全球膜法水處理市場(chǎng)的表現(xiàn)尤為明顯。
國(guó)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(wù)只是其多元化戰(zhàn)略下的一個(gè)事業(yè)部。各大公司拓展業(yè)務(wù)領(lǐng)域進(jìn)入水處理或膜制造行業(yè)，然后通過(guò)收購(gòu)已有公司和業(yè)務(wù)來(lái)獲得市場(chǎng)份額和品類(lèi)技術(shù)的補(bǔ)全。
我國(guó)的膜產(chǎn)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(guó)的膜企業(yè)技術(shù)來(lái)源多為留學(xué)歸國(guó)人員自主研發(fā)，學(xué)校研究院、實(shí)驗(yàn)室等產(chǎn)業(yè)研究成果轉(zhuǎn)化或外部成熟技術(shù)引入。2001 年國(guó)家推出膜產(chǎn)業(yè)化政策，膜產(chǎn)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(chǎn)業(yè)鏈延伸進(jìn)入到環(huán)保工程與運(yùn)營(yíng)領(lǐng)域。
借鑒海外的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)的膜企業(yè)在生產(chǎn)工藝和材料研發(fā)上仍有較大提升空間，膜企業(yè)未來(lái)仍需要進(jìn)行持續(xù)的研發(fā)投入。而大型化工企業(yè)進(jìn)行高端膜材料研發(fā)具有先天優(yōu)勢(shì)：
◆2019年萬(wàn)華化學(xué)投資5.1億元萬(wàn)華工業(yè)園區(qū)內(nèi)投資設(shè)立膜工廠項(xiàng)目，總生產(chǎn)能力為619萬(wàn)平方米/年，其中RO膜：300萬(wàn)平方米/年；NF膜：60萬(wàn)平方米/年；UF膜：50萬(wàn)平方米/年；中空纖維膜：100萬(wàn)平方米/年；MF膜：100萬(wàn)平方米/年；改性分離膜：9萬(wàn)平方米/年。
◆中化國(guó)際投資約9.7億元在寧波象山經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)建設(shè)年產(chǎn)22萬(wàn)支反滲透膜工廠。預(yù)計(jì)項(xiàng)目將于今年年底或明年投產(chǎn)。
國(guó)內(nèi)膜材料的市場(chǎng)空間較小，國(guó)內(nèi)的膜制造企業(yè)若不能通過(guò)產(chǎn)業(yè)鏈的延伸做大做強(qiáng)，突破自身的市值瓶頸，持續(xù)投入研發(fā)構(gòu)建護(hù)城河，則當(dāng)前領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢(shì)未來(lái)或有被趕超風(fēng)險(xiǎn)，遠(yuǎn)期或難逃被諸如萬(wàn)華、中化等大型集團(tuán)并購(gòu)整合的命運(yùn)。
國(guó)內(nèi)膜主要上市公司比較
國(guó)內(nèi)膜元件市場(chǎng)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(qiáng)， 需要從元件、系統(tǒng)向工程、運(yùn)營(yíng)領(lǐng)域拓展，延伸到廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)方能突破市值天花板。
因此，膜企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力在于既要在系統(tǒng)裝備擁有制造或集成方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、又要有工程經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)能力，方能持續(xù)研發(fā)創(chuàng)新，拓展新的應(yīng)用和業(yè)務(wù)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)市值天花板的不斷突破。
參考資料：
wind；
中國(guó)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)；
《膜分離材料應(yīng)用基礎(chǔ)》；
《中國(guó)水處理行業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告》；
《現(xiàn)代膜技術(shù)與制膜工藝實(shí)例》
