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污水处理膜产业发展趋势

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  • 来源:华西证券

近些年,北京、天津、山西、巢湖流域、太湖地区、大清河领域等地标陆续出台,部分敏感地区的污水处理排放标准从过去的一级A达到了准四类、甚至三类标准,为应对不断提升的水质标准,多样性的膜技术组合工艺将得到越来越多的应用。其中,以双膜法技术为代表的多种膜组合工艺能充分发挥各自技术的优势,弥补单独使用的不足,使废水深度处理得以再生,是未来发展的新方向。

一 膜分类及特点

膜是一种具有选择性透过功能的薄层物质,可以特定的形式限制和促使两侧流体中各种物质的迁移。而膜分离是以外界能量或化学势差作为推动力,利用分离膜的选择透过功能而实现对混合物中不同物质进行分离、纯化和浓缩的过程。

◆根据膜的材料进行分类,可分为有机膜(有机聚合物)和无机膜(金属膜、陶瓷膜、玻璃膜等)。有机膜易于制备,成本较低,而无机膜耐热性和化学稳定性好、力学性能突出、抗微生物、使用寿命长,但成型难度大,成本高。

◆根据分离机制对膜进行分类,可分为利用筛分机制(即根据污染物尺寸进行分离)的多孔膜,和利用扩散原理(即根据溶液的渗透压进行分离)的无孔致密膜,无孔致密膜也称为扩散膜。多孔膜有固定的孔, 包括微滤膜、超滤膜和纳滤膜,根据膜的孔径可分为大孔(孔径>50nm)、中孔(孔径范围 2-50nm)、微孔(孔径<2nm)。无孔致密膜包括纳滤膜和反渗透膜。

从膜形态看,目前超滤、微滤多使用中空纤维膜, 反渗透、纳滤多为卷式膜。

膜过程及其特点

二 膜产值

近20年是我国膜产业的高速增长期。近20年,全球膜产业(包括膜元件、膜组件、膜装备、膜工程等)总产值稳健增长。至2017年底,全球膜产值已达1050亿美元,而我国膜产业的总产值约为2000亿人民币, 我国膜产业占全球膜产业产值比重从1999年的1.7%提升到了2017年的27%以上。

从结构看,随着海水淡化、苦咸水软化、超纯水制备以及对微量污染物去除需求的逐年增加,反渗透膜在膜市场中占比也随之增大,全球RO 膜销售占比从2005年48.4%提高到2013年的55.3%。与此同时,UF\MF膜市场占比有所下降。

未来随着膜技术在工业污水、市政污水、市政饮用水、民用净水等领域的应用增加,膜产业仍将快速发展,而与RO膜相比,NF膜性质介于超滤和反渗透之间,具有低操作压力、低运行成本、高通量、极性小分子选择性截留等优点,未来应用占比有望提升。

全球膜产业产值增长情况

国内膜产业产值增长情况

三 分离膜性能及技术

分离膜的性能由膜材料和制膜工艺条件决定。膜产品的相关性能指标主要有分离透过性能、物理性能和化学性能三大类。

◆分离透过性能包括:产水量、水通量、纯水透过率、截留分子质量、截留率、脱盐率、回收率、最大孔径、平均孔径、孔径分布、孔隙率、气密性及完整性等。

◆膜物理性能有:结构性能(外观、膜面积、膜厚、膜丝内外径)、机械性能(拉伸强度、爆破强度、弯曲强度、柔润指数、断裂伸长率)、电性能(荷电性、Zeta电位)、亲水性及耐热性(最高操作温度)等。

◆膜化学性能有:化学稳定性(化学相容性)、耐氧化性(短时余氯耐受限度、过氧化氢耐受限度)、耐酸碱性(运行及清洗 pH 范围)及耐污染性能等。

膜的不同性能相互制约,在实际应用中应当综合考虑膜的经济性和环境项目具体要求,选择性能合适的分离膜。

判断膜质量的性能指标

因此膜材料的技术难点主要在于膜材料的研发与膜制备工艺的选择与过程控制。尤其膜的制备工艺对分离膜的性能十分重要,同样的材料,由于不同的制作工艺和控制条件,其性能会有很大差异。

以非溶剂相转化法(NIPS)制备工艺为例,膜制造流程大体可分为六个阶段:

1)高分子材料溶于溶剂中,加入添加剂,制成铸膜液;

2)铸膜液通过流延或纺丝制成平板、管状或中空纤维;

3)使膜中溶剂部分蒸发;

4)将膜浸在对高分子是非溶剂的液体中,液相的膜变凝胶固化;

5)进行热处理;

6)膜的预压处理。

超滤(UF)和微滤(MF)膜技术较为成熟,整体看国内外产品性能差距较小,已基本实现国产化。UF/MF 膜广泛用于水处理行业、生物医药制备过程和食品饮料行业等。

国内现有 UF/MF膜制造厂商数百家,龙头企业都拥有自己独特的制膜材料配方和成套装备知识产权。与国外水平相比,我国相转化法生产的高分子MF/UF膜性能与国外同类产品性能基本一致,控制拉伸生产的聚乙烯、聚丙烯等MF/UF膜,虽然生产工艺和质量还有待提高,但以其价廉、耐溶剂等优点在不断拓展市场,陶瓷膜等无机微滤膜技术水平与国外的差距逐渐缩小,部分产品达到国际先进水平。

在超滤膜市场的高端领域,电子工业用超纯水、电泳漆回收、制药、酶制剂等目前仍有国外产品占据主导地位,国产膜因价格低廉占据中、低端的水净化市场。

中国已成RO膜最大市场,进口替代正当时。目前,中国市场RO膜产品的销售总额约为全球销售额30%—35%,市场规模跃居世界首位。国外RO膜产品占据市场主导地位,其中美国陶氏化学、日本东丽、海德能公司占据了70%左右市场份额,国内RO膜生产厂家正迎头赶上,产能性能与稳定性与国外头部企业的差距正逐渐缩小,预期未来3-5年内,国内RO膜的国产化率将有明显改善。

纳滤膜尚未实现进口替代。纳滤(NF)膜分离机理为筛分和溶解扩散并存,同时又具有电荷排斥效应,对材料研发及工艺控制的要求较高。纳滤膜的主要特点是对二价离子、功能性糖、小分子色素、多肽等物质的截留性能高于98,而对于一些单价离子、小分子酸碱、醇等有30-80的透过性能,应用较多的行业主要是苦咸水软化、海水淡化脱盐、饮用水、中水、食品饮料等。

由于我国对纳滤膜的研究起步较晚,纳滤膜原材料仍依赖进口,纳滤膜产品与国外仍有较大差距,国产化纳滤膜生产厂商仅有个位数,且性能不稳定,抗污染能力差,使用寿命不如陶氏等国际企业。

随着我国纳滤膜制备和生产工艺的研发投入不断增加,纳滤膜技术的工程应用不断推广,纳滤膜技术在我国拥有良好的发展前景。

四 膜法水处理

城镇污水处理和城镇供水是膜法水处理技术的主要应用场所。大部分膜法城镇供水厂采用微滤膜,部分出水指标较高的水厂同时使用微滤和反渗透膜,纳滤水厂近几年也呈增长态势。

绝大多数膜法城镇污水处理厂使用MBR技术。从数据看,市政大规模MBR应用和膜法市政水厂的规模变化与整个膜法水处理行业产值的变化趋势高度一致,可以认为MBR 膜技术的应用在膜法水处理产值的快速增长中起到了主导作用。

水处理分为一级处理、二级处理和深度处理。一级处理的主要目的是去除悬浮状态固体,常采用物理法,对于BOD5的去除率一般在20%-30%;二级处理的目的是进一步去除污水中胶体和溶解性污染物,常使用生物法,BOD5的去除率在90%以上;深度处理以达到更高的处理与排放要求或污水回用为目的。

膜法技术通常用于处理二级处理活性污泥出水,或者将膜处理系统直接置于生化池,即膜生物反应器(MBR),代替原有二沉池、絮凝沉淀池等环节。

MBR工艺与传统活性污泥法

与传统的污水处理技术相比,MBR 技术具有五大方面的优点:

1)出水水质优:MBR技术出水水质优且稳定,悬浮物和浊度接近于零。在难降解有机物去除、消毒和生态稳定性等方面与传统工艺比较有一定优势;

2)占地面积小:MBR反应器内能维持高浓度的微生物,处置装置容积负荷高,与传统生物工艺相比占地面积大大减少,这也是目前部分市政污水项目选择MBR的重要原因。

3)耐水质冲击能力强:由于膜的高效截留作用,可使微生物完全截留在生物反应器内,有利于增殖缓慢的微生物在反应器中截留、生长、繁殖,使得系统耐水质冲击能力得以提高;

4)剩余污泥少:系统在高容积负荷、低污泥负荷和长泥龄的条件下运行,污泥产率低,可降低污泥处理的费用;

5)启动方便:系统为各种微生物的停留和繁殖创造了生长条件,丰富了反应器中的微生物相,缩短了驯化周期,从而使MBR可以在短期内启动运行。

MBR技术与活性污泥法的优劣势比较

但MBR技术在推广应用过程中也面临能耗高、成本高、管理要求高、剩余污泥难处理等难题。从经济性方面看,MBR技术的投资费用较高。据统计,所有市政污水处理厂的平均吨水总投资费用约2200元,而MBR吨水总投资费用为2100-7000元,平均约3800元,直接工程费用为2000-4500元(包括土建、安装、膜系统和设备),投资费用的差异与应用领域、项目建设时期、膜组件厂商、结构形式等均有较大关系。

通过对比同地区同时期同规模不同技术路线的三个污水处理厂,分别采用MBR工艺(A工艺)、二级生物处理+滤布滤池(B工艺)、二级生物处理+UF(C工艺),可以看到,MBR的土建费用略低,但膜组件投资较高,其他配套设备投资也略高,但考虑到MBR技术的出水水质更优以及相关征地费用较小,MBR技术与传统技术的投资费用差距将大幅缩小。

从运行成本看,MBR工艺的直接运行成本在0.5-0.9元/m3,比传统工艺高约0.15元/m3,加上膜折旧费要高出0.4元/m3,可见MBR技术的能耗和运行成本较高。

未来随着水质要求的不断提升,技术工艺的不断成熟改进、膜制造成本不断下降,膜法水处理的应用占比有望进一步提升。

五 膜企业成长路径

企业并购是国际环保巨头成长的必经之路,这在全球膜法水处理市场的表现尤为明显。

国际知名的膜制造商,大多都是多元化的大型企业,膜业务只是其多元化战略下的一个事业部。各大公司拓展业务领域进入水处理或膜制造行业,然后通过收购已有公司和业务来获得市场份额和品类技术的补全。

我国的膜产业由于起步较晚,发展阶段与海外所处不同,膜企业的规模普遍较小。我国的膜企业技术来源多为留学归国人员自主研发,学校研究院、实验室等产业研究成果转化或外部成熟技术引入。2001 年国家推出膜产业化政策,膜产业的发展伴随着环保工程的爆发,膜材料、系统初创企业借助产业链延伸进入到环保工程与运营领域。

借鉴海外的发展经验,我国的膜企业在生产工艺和材料研发上仍有较大提升空间,膜企业未来仍需要进行持续的研发投入。而大型化工企业进行高端膜材料研发具有先天优势:

◆2019年万华化学投资5.1亿元万华工业园区内投资设立膜工厂项目,总生产能力为619万平方米/年,其中RO膜:300万平方米/年;NF膜:60万平方米/年;UF膜:50万平方米/年;中空纤维膜:100万平方米/年;MF膜:100万平方米/年;改性分离膜:9万平方米/年。

◆中化国际投资约9.7亿元在宁波象山经济开发区建设年产22万支反渗透膜工厂。预计项目将于今年年底或明年投产。

国内膜材料的市场空间较小,国内的膜制造企业若不能通过产业链的延伸做大做强,突破自身的市值瓶颈,持续投入研发构建护城河,则当前领先的技术优势未来或有被赶超风险,远期或难逃被诸如万华、中化等大型集团并购整合的命运。

国内膜主要上市公司比较

国内膜元件市场空间较小,只做上游的膜材料企业将面临较低的市值天花板,膜企业要做大做强, 需要从元件、系统向工程、运营领域拓展,延伸到广阔的应用市场方能突破市值天花板。

因此,膜企业的核心竞争力在于既要在系统装备拥有制造或集成方面的技术优势、又要有工程经验和运营能力,方能持续研发创新,拓展新的应用和业务领域,实现市值天花板的不断突破。