污水資源回用中膜技術的發展歷程及未來走向
- 2000年初，污水處理行業重心開始轉向水質的提高，對膜技術的需求迅速增加。行業巨頭美國通用電氣于2006年花費7.6億美元收購Zenon Environment Inc.，獲得其微濾/超濾膜技術，進軍污水處理市場，十年間占據全球最大的MBR市場份額，并于2017年9月以32億歐元將其水處理業務出售給SUEZ。而中國最大的MBR供應商碧水源集團，從2001年創立之初，便牢牢把握膜技術發展趨勢，2006年投資建立亞洲最大膜基地——“碧水源膜技術創新產業園”，通過不斷的技術創新實現了企業的高速發展，從創立到上市，僅用了十年時間。近幾年，隨著全球污水資源化理念的普及，概念水廠的提出，污水處理技術迎來了又一次革新和轉型，在這場革新中，膜技術將依然是關鍵。
膜技術發展概述
自1784年人類發現滲透現象，膜技術歷經近兩個世紀的緩慢發展，直到20世紀50年代，Hassler第一次提出將膜應用于脫鹽，隨著材料科學的發展，膜技術在水處理領域實現了“技術爆炸”。膜生物反應器(MBR)和反滲透(RO)工藝在全球迅速崛起，微濾膜取代二沉池，反滲透法逐漸取代傳統熱法成為海水淡化主流工藝。
然而，在經歷了近30年的發展之后，膜技術遇到了瓶頸，膜污染、運行成本和膜壽命等問題凸顯。2014年，荷蘭首座工業規模MBR市政污水處理廠在運行8年后選擇關閉，引起了行業內的震動，成本和運營成為業界關注的焦點，技術創新迫在眉睫。
同時，各國對污水處理的理念已經發生了轉變，污水處理廠從傳統意義上的耗能大戶，向資源回收站轉變，水處理企業也從原來能源的消耗者向資源的生產者轉型。在這個大的趨勢下，什么樣的膜技術才能滿足需求?也許是每一位膜技術從業者需要思考的問題。
膜技術應用三大領域
市政污水處理-膜生物反應器(MBR)工藝
微濾膜(MF)和超濾膜(UF)被成功廣泛應用于MBR市政污水處理工藝中，膜孔徑在0.02-0.4 µm之間，膜材料以PVDF為主，膜構型主要采用中空纖維膜或平板膜。據統計，截止到2017年我國萬噸級以上的MBR市政污水處理廠200多座，預計到2018年底，我國投入運行的MBR系統累計處理能力高達1400萬噸/天，隨著提標改造的不斷深入，這個數字仍在迅速增長。MBR市場供應商主要包括SUEZ、三菱、碧水源、旭化成、天津膜天膜等。過去十年，以碧水源為代表的中國企業注重自主研發，突破少數發達國家的技術壁壘，已掌握最先進的MBR膜材料制備方法，截至2016年2月，碧水源共有10萬噸/天及以上的MBR工程項目24個，成為擁有全球最大MBR工程項目數量最多的公司。
海水淡化脫鹽
反滲透膜(RO)被應用于污水深度處理、脫鹽、工業水回用等工藝中。孔徑范圍在0.1-1 nm之間，膜材料以醋酸纖維素、聚酰胺等為主。反滲透海水淡化工藝能源效率比蒸餾過程提高一個數量級，如今，反滲透工藝提供著0.38億噸/天的淡水，大約占據全球海水淡化市場份額的60%(其市場份額還在提升，并將逐漸取代熱法)。據“國際工程科技發展戰略高端論壇”報告指出，截至2015年底，我國已建成海水淡化工程121個，海水淡化產能為100.88萬噸/天，過去4年的復合增長率為9.21%。隨著膜材料成本及工藝改進，反滲透海水淡化水成本已由8元/m³下降至平均5元/m³。反滲透膜供應商包括陶氏化學、西門子、東麗、海德能、津膜科技等。
工業污水深度處理
在工業污水深度處理工藝中，針對不同的污水類型，常常將生化工藝與膜分離過程耦合，以達到提高微生物活性，改善出水水質的目的。神華鄂爾多斯煤直接液化污水深度處理項目工藝為A/O+MBR+UF+RO。該工藝A/O-MBR對COD進行了強化處理，大幅降低了后續回用處理工藝中膜的有機物污染程度，保證了后期膜處理系統在保持較高回收率的前提下的長期穩定運行。針對項目場地小的特點，深度處理回用系統采用雙膜法工藝，雙膜法工藝流程簡單、結構緊湊、占地面積小、自動化程度高、操作簡便，無需投加大量化學藥品。
膜技術發展驅動力
膜技術在我國迅速發展的主要驅動力有三個：環境壓力、政策驅動、及市場需求。
環境壓力
環境污染，水資源短缺是全人類所面臨的問題，中國尤甚。2017年由水利部發布的《2016年中國水資源公報》中指出，雖然2016年全國用水總量較2015年略有下降，用水效率提升，用水結構優化，水質狀況總體有所好轉。但是與2015年相比2016年全國供水總量為6040.2億立方米，較2015年減少63.0億立方米。其中，地表水源供水量減少57.1億立方米，地下水源供水量減少12.2億立方米，其他水源供水量增加6.3億立方米。自然水體供水量的減少，預示著我國未來對水資源回用的需求會進一步增加。
政策驅動
相比較歐洲、北美等國家污水排放標準，我國排放標準更高，監管更加嚴格。“水十條”，“十三五”計劃，工業污水零排放等政策的不斷提出，使得膜技術市場在未來10-20年仍將維持高速發展勢頭。錢易院士曾于2016年鳳凰國際智庫舉辦的2016全球熱點觀察展望“十三五”論壇中指出，對比日本以往的經驗，我國的水污染治理尚需30年的時間，還有很長的一段路要走。“十三五”期間高性能分離膜將受益于政策支持，相信水處理行業對創新型膜技術的需求仍居高不下。
市場需求
我國污水排放量之大，水資源短缺壓力之重，決定了必將更加依賴于膜技術這種高效的污水處理方式。根據GEP Research《水處理膜行業市場分析報告》2017年調查顯示，2000-2017年9月，中國共有膜技術相關專利數(包括發明、實用新型和外觀)24340項(按照公開日數量)。隨著膜材料及工藝運行成本的逐步降低，膜技術將更具經濟性。2016年中國水處理膜行業市場規模為600億元，同比增長17.6%，其中膜產品規模為190億元，同比增長18.75%，膜工程市場規模為410億元，同比增長17.14%。工業污水處理因為其污水的特殊性，選擇合適的處理工藝尤為重要，技術難點更加突出，是創新膜技術需求的主要應用領域。同時，近幾年水處理市場正在朝農村地區發展，未來五年，分散式污水處理系統需求會不斷增大，該市場中需要占地更小、更易安裝操作的系統，作為中國最大的膜供應商，碧水源正在開拓該市場。
未來技術走向
節能降耗及污水資源化必將成為全球水務市場的發展方向，也是我國水處理企業技術創新的需求所在。為此，篩選出以下幾項有發展潛力的細分技術和值得關注的海外技術企業。
實現同時硝化反硝化的膜曝氣生物膜反應器(MABR)
技術創新 ★★★★ 值得關注 ★★★★★
原理：在MABR工藝中，膜不再僅僅作為過濾介質，更作為微孔曝氣和生物膜生長載體。空氣通過膜孔逐漸向水體擴散，通過對曝氣量的控制，膜表面附著生物膜，靠近膜表面的微生物形成好氧區，遠離膜表面接觸水體的一側由于沒有氧氣形成厭氧區，中間形成缺氧區，實現同時硝化反硝化。
優勢：無需氣泡曝氣;資源利用率30-50%;高有機負荷;降低剩余污泥~50%;降低運行成本~30%;降低投資成本達80%等;占地小，易組裝。在大型市政項目升級改造、高濃度有機廢水處理、分布式處理等領域有極大優勢。
可關注企業
作為過去5年GE水處理力推的創新技術Zeelung MABR，為SUEZ在污水資源化領域帶來了活力。GE最早推出商業化應用的MABR，膜材料為有機聚合物中空纖維膜，膜絲非常細，有效膜面積大，全球已有多個商業化應用案例。
2012年成立于愛爾蘭。在MABR膜材料、水力條件及運行成本等方面做了非常大的改進。 Oxymem采用有機硅作為膜材料，極大提高膜材料的強度，第4代產品氧氣傳質速率達到12g O2/m².d，高于Zeelung MABR，未來發展勢頭強勁，其背后的戰略投資機構Dow Venture Capital (陶氏風險投資)，預計會提供大規模商業化布局的有效支撐和退出途徑。對于中國市場，其商務總監表示，中國水務市場非常大，Oxymem希望能夠在中國找到戰略合作伙伴。
于澳交所上市的MABR技術公司Fluence，采用卷式平板膜，可降低能耗達75%，近幾年發展非常迅速。Fluence 的前身為以色列Emefcy 和美國RWL Water，兩公司于2017年7月合并為如今的Fluence Corporation. 2017年11月，Fluence 將目光鎖定于中國分布式污水處理市場，和河南清水源達成戰略合作關系，在中國市場獲得了第一筆農村分布式污水處理市場的訂單。2018年3月，通過合作伙伴江蘇金梓環境， 公司再度獲得貴州省貞豐縣1000噸/立方米的污水處理設備提訂單，此項目完成后，將成為中國貴州省貞豐縣最大的農村污水項目的一部分。
實現低成本污水資源化的FO與RO耦合工藝
技術創新 ★★★★★ 值得關注 ★★★★
原理：正滲透利用濃鹽水滲透壓，使污水側中的水分子透過正滲透膜進入鹽側，達到水和污染物分離的效果，再將鹽水通過反滲透脫鹽，實現水資源回收。
優勢：正滲透工藝無需外界壓力，有效截留污水中有機污染物，同時減少RO的膜污染，極大降低能耗，延長膜壽命。其工程應用技術難點集中于汲取液的選擇和回用，屬于前沿技術，目前尚未大范圍推廣應用，適用于工業污水處理領域。杭州水處理中心在“十二五”期間承擔的國家科技支撐計劃課題“正滲透海水淡化關鍵技術研究與示范”于近日成功驗收，建成目前世界上最大的500噸/天的正滲透海水淡化工程。
可關注企業
為解決汲取液的技術難點，該公司采用兩相汲取液，低溫時汲取液滲透壓可達21 MPa，作為正滲透驅動力。后利用廢熱加熱使其氣化，可轉換鹽變成氣體二氧化碳和TMA(三甲胺)，實現汲取液和清水分離，同時氣化的汲取液進入再生罐，循環利用。 此前，Forward Water在加拿大安大略省密西沙加市建立一個小型試點項目，來驗證在工業應用上的可行性。2017年11月，公司獲得了來自加拿大聯邦政府和石油重鎮阿爾伯塔省100萬加元的資助，用于加快其水處理技術的商業化。
實現能源自給的厭氧MBR(AnMBR)工藝
技術創新 ★★★ 值得關注 ★★★★
原理：將厭氧技術與膜分離結合，有利于厭氧菌生長，提高出水水質，在處理污水的同時回收生物沼氣能源。
2010年美國工程院院士McCarty在環境領域頂級期刊ES&T發表了一篇關于厭氧MBR處理市政污水實現能源自給、資源綜合利用的文章，引起了世界范圍的研究熱潮。該技術早在1978年便被提出，然而由于膜污染問題一直沒有得到大規模應用。但是在污水資源化的理念下，該技術在市政及工業污水處理中均有廣闊的應用前景。目前該技術在高濃度有機廢水處理領域(如食品、啤酒工業廢水)有較多工程應用，市場主要被各大水務巨頭瓜分，其中包括SUEZ、Pentair、ADI Systems等。
可關注企業
成立于1966年，致力于工業污水處理及脫鹽工藝，注重能源和資源回收，擁有豐富的膜技術創新及工程經驗。其分置式厭氧MBR技術應用于食品飲料、釀酒等工業，回收甲烷和清潔水。該技術在2013年阿姆斯特丹舉行的國際水周獲得Aquatech創新獎。
ADI-AnMBR工藝自2000年便應用于大型水處理工程，擁有20多年工程經驗，是厭氧MBR技術領導者，為全球35個國家客戶提供可靠解決方案。該技術成功用于美國某食品工廠污水處理，處理量475 m³/d，進水COD 39 g/L，去除率高達99.3%，甲烷產量5,660 m³/d，同時節省運行成本達50%。2017年7月美國污水處理企業Evoqua Water Technologies并購ADI Systems，將其業務拓展至工業污水領域，11月，Evoqua于納斯達克證券交易所上市。
實現零排放的膜蒸餾技術
技術創新 ★★★★ 值得關注 ★★★★★
原理：膜蒸餾是通過蒸汽壓差(溫差)驅動水蒸氣通過疏水微孔膜，再冷凝成純水的過程。
優勢：膜蒸餾技術理論上有100%截留率;操作溫度低、可利用廢熱;操作壓力低;設備投資少等，幾乎不存在膜污染問題，使用壽命長。常規海水脫鹽系統的回收率小于40%-50%，通過這一耦合過程，可以處理反滲透海水淡化后的高含鹽水，可將高含鹽水排放量減少到30%，實現水和能量資源的高效利用。
可關注企業
加拿大創新技術企業，獲得2017年GWI零排放技術創新獎，采用中空纖維膜的真空膜蒸餾技術，水回收率可達97%，相比傳統熱法可降低80%能耗。適用于采礦廢水、RO濃縮液、苦咸水等高鹽廢水處理。
成立于1999年，有近30年的經驗，擁有納米技術改造的無孔通水膜材料，其膜蒸餾技術NanoClear™可處理含鹽10-16%和COD大于120,000mg/L的高鹽高有機廢水，無需前處理，水回收率>90%，膜通量可長期維持在12-15 L/m²˙h, 為同類膜蒸餾技術的3倍。
Dais的CEO Tim Tangredi告訴我們：“創新型膜技術驅動著新產品的研發。我們的Aqualyte™復合膜已成功用于節能空氣凈化，在工業污水處理領域，也已在中國15個地區通過測試驗證，顯示出其相比較超濾/反滲透膜系統，更好的抗污染性能和更高的脫鹽率。Dais公司將于2018年在中國開始NanoClear™系統單元的生產。”
膜法沼氣提純技術
技術創新 ★★★ 值得關注 ★★★★★
原理：氣體分離膜利用高分子膜對不同氣體的選擇透過性不同，將氣體分離的技術。將膜技術用于沼氣純化，是污水資源化不可或缺的部分。
可關注企業
成立于2002年的EnviTec公司覆蓋沼氣生產的整個價值鏈，包括沼氣工程和沼氣提純工廠的規劃、交鑰匙建設和調試及運營管理。作為全球沼氣行業領導者，該公司在全球范圍內由其設計并建造的沼氣工程超過600個，總裝機容量達到420兆瓦，業務遍布德國、意大利、英國、法國、日本、美國等數十個國家，在沼氣領域擁有多項專利技術。
2017年6月，EnviTec旗下公司與北京安威特科技有限公司成立合資公司“恩威泰科環能(北京)科技有限公司”;2017年8月，四川宏吉投資有限公司與恩威泰科環能簽署深度戰略合作協議，共同推進沼氣技術在中國的落地應用。
原標題:污水資源回用中膜技術的發展歷程及未來走向
