污水資源回用中膜技術(shù)的發(fā)展歷程及未來走向
- 2000年初，污水處理行業(yè)重心開始轉(zhuǎn)向水質(zhì)的提高，對(duì)膜技術(shù)的需求迅速增加。行業(yè)巨頭美國通用電氣于2006年花費(fèi)7.6億美元收購Zenon Environment Inc.，獲得其微濾/超濾膜技術(shù)，進(jìn)軍污水處理市場(chǎng)，十年間占據(jù)全球最大的MBR市場(chǎng)份額，并于2017年9月以32億歐元將其水處理業(yè)務(wù)出售給SUEZ。而中國最大的MBR供應(yīng)商碧水源集團(tuán)，從2001年創(chuàng)立之初，便牢牢把握膜技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，2006年投資建立亞洲最大膜基地——“碧水源膜技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)園”，通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了企業(yè)的高速發(fā)展，從創(chuàng)立到上市，僅用了十年時(shí)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(shù)迎來了又一次革新和轉(zhuǎn)型，在這場(chǎng)革新中，膜技術(shù)將依然是關(guān)鍵。
膜技術(shù)發(fā)展概述
自1784年人類發(fā)現(xiàn)滲透現(xiàn)象，膜技術(shù)歷經(jīng)近兩個(gè)世紀(jì)的緩慢發(fā)展，直到20世紀(jì)50年代，Hassler第一次提出將膜應(yīng)用于脫鹽，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，膜技術(shù)在水處理領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了“技術(shù)爆炸”。膜生物反應(yīng)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(tǒng)熱法成為海水淡化主流工藝。
然而，在經(jīng)歷了近30年的發(fā)展之后，膜技術(shù)遇到了瓶頸，膜污染、運(yùn)行成本和膜壽命等問題凸顯。2014年，荷蘭首座工業(yè)規(guī)模MBR市政污水處理廠在運(yùn)行8年后選擇關(guān)閉，引起了行業(yè)內(nèi)的震動(dòng)，成本和運(yùn)營成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)，技術(shù)創(chuàng)新迫在眉睫。
同時(shí)，各國對(duì)污水處理的理念已經(jīng)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，污水處理廠從傳統(tǒng)意義上的耗能大戶，向資源回收站轉(zhuǎn)變，水處理企業(yè)也從原來能源的消耗者向資源的生產(chǎn)者轉(zhuǎn)型。在這個(gè)大的趨勢(shì)下，什么樣的膜技術(shù)才能滿足需求?也許是每一位膜技術(shù)從業(yè)者需要思考的問題。
膜技術(shù)應(yīng)用三大領(lǐng)域
市政污水處理-膜生物反應(yīng)器(MBR)工藝
微濾膜(MF)和超濾膜(UF)被成功廣泛應(yīng)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(gòu)型主要采用中空纖維膜或平板膜。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2017年我國萬噸級(jí)以上的MBR市政污水處理廠200多座，預(yù)計(jì)到2018年底，我國投入運(yùn)行的MBR系統(tǒng)累計(jì)處理能力高達(dá)1400萬噸/天，隨著提標(biāo)改造的不斷深入，這個(gè)數(shù)字仍在迅速增長(zhǎng)。MBR市場(chǎng)供應(yīng)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(yè)注重自主研發(fā)，突破少數(shù)發(fā)達(dá)國家的技術(shù)壁壘，已掌握最先進(jìn)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(xiàng)目24個(gè)，成為擁有全球最大MBR工程項(xiàng)目數(shù)量最多的公司。
海水淡化脫鹽
反滲透膜(RO)被應(yīng)用于污水深度處理、脫鹽、工業(yè)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(gè)數(shù)量級(jí)，如今，反滲透工藝提供著0.38億噸/天的淡水，大約占據(jù)全球海水淡化市場(chǎng)份額的60%(其市場(chǎng)份額還在提升，并將逐漸取代熱法)。據(jù)“國際工程科技發(fā)展戰(zhàn)略高端論壇”報(bào)告指出，截至2015年底，我國已建成海水淡化工程121個(gè)，海水淡化產(chǎn)能為100.88萬噸/天，過去4年的復(fù)合增長(zhǎng)率為9.21%。隨著膜材料成本及工藝改進(jìn)，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(yīng)商包括陶氏化學(xué)、西門子、東麗、海德能、津膜科技等。
工業(yè)污水深度處理
在工業(yè)污水深度處理工藝中，針對(duì)不同的污水類型，常常將生化工藝與膜分離過程耦合，以達(dá)到提高微生物活性，改善出水水質(zhì)的目的。神華鄂爾多斯煤直接液化污水深度處理項(xiàng)目工藝為A/O+MBR+UF+RO。該工藝A/O-MBR對(duì)COD進(jìn)行了強(qiáng)化處理，大幅降低了后續(xù)回用處理工藝中膜的有機(jī)物污染程度，保證了后期膜處理系統(tǒng)在保持較高回收率的前提下的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)項(xiàng)目場(chǎng)地小的特點(diǎn)，深度處理回用系統(tǒng)采用雙膜法工藝，雙膜法工藝流程簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)便，無需投加大量化學(xué)藥品。
膜技術(shù)發(fā)展驅(qū)動(dòng)力
膜技術(shù)在我國迅速發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力有三個(gè)：環(huán)境壓力、政策驅(qū)動(dòng)、及市場(chǎng)需求。
環(huán)境壓力
環(huán)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(fā)布的《2016年中國水資源公報(bào)》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(jié)構(gòu)優(yōu)化，水質(zhì)狀況總體有所好轉(zhuǎn)。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(yù)示著我國未來對(duì)水資源回用的需求會(huì)進(jìn)一步增加。
政策驅(qū)動(dòng)
相比較歐洲、北美等國家污水排放標(biāo)準(zhǔn)，我國排放標(biāo)準(zhǔn)更高，監(jiān)管更加嚴(yán)格。“水十條”，“十三五”計(jì)劃，工業(yè)污水零排放等政策的不斷提出，使得膜技術(shù)市場(chǎng)在未來10-20年仍將維持高速發(fā)展勢(shì)頭。錢易院士曾于2016年鳳凰國際智庫舉辦的2016全球熱點(diǎn)觀察展望“十三五”論壇中指出，對(duì)比日本以往的經(jīng)驗(yàn)，我國的水污染治理尚需30年的時(shí)間，還有很長(zhǎng)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(yè)對(duì)創(chuàng)新型膜技術(shù)的需求仍居高不下。
市場(chǎng)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(shù)這種高效的污水處理方式。根據(jù)GEP Research《水處理膜行業(yè)市場(chǎng)分析報(bào)告》2017年調(diào)查顯示，2000-2017年9月，中國共有膜技術(shù)相關(guān)專利數(shù)(包括發(fā)明、實(shí)用新型和外觀)24340項(xiàng)(按照公開日數(shù)量)。隨著膜材料及工藝運(yùn)行成本的逐步降低，膜技術(shù)將更具經(jīng)濟(jì)性。2016年中國水處理膜行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模為600億元，同比增長(zhǎng)17.6%，其中膜產(chǎn)品規(guī)模為190億元，同比增長(zhǎng)18.75%，膜工程市場(chǎng)規(guī)模為410億元，同比增長(zhǎng)17.14%。工業(yè)污水處理因?yàn)槠湮鬯奶厥庑�，選擇合適的處理工藝尤為重要，技術(shù)難點(diǎn)更加突出，是創(chuàng)新膜技術(shù)需求的主要應(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí)，近幾年水處理市場(chǎng)正在朝農(nóng)村地區(qū)發(fā)展，未來五年，分散式污水處理系統(tǒng)需求會(huì)不斷增大，該市場(chǎng)中需要占地更小、更易安裝操作的系統(tǒng)，作為中國最大的膜供應(yīng)商，碧水源正在開拓該市場(chǎng)。
未來技術(shù)走向
節(jié)能降耗及污水資源化必將成為全球水務(wù)市場(chǎng)的發(fā)展方向，也是我國水處理企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的需求所在。為此，篩選出以下幾項(xiàng)有發(fā)展?jié)摿Φ募?xì)分技術(shù)和值得關(guān)注的海外技術(shù)企業(yè)。
實(shí)現(xiàn)同時(shí)硝化反硝化的膜曝氣生物膜反應(yīng)器(MABR)
技術(shù)創(chuàng)新 ★★★★ 值得關(guān)注 ★★★★★
原理：在MABR工藝中，膜不再僅僅作為過濾介質(zhì)，更作為微孔曝氣和生物膜生長(zhǎng)載體�？諝馔ㄟ^膜孔逐漸向水體擴(kuò)散，通過對(duì)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(qū)，遠(yuǎn)離膜表面接觸水體的一側(cè)由于沒有氧氣形成厭氧區(qū)，中間形成缺氧區(qū)，實(shí)現(xiàn)同時(shí)硝化反硝化。
優(yōu)勢(shì)：無需氣泡曝氣;資源利用率30-50%;高有機(jī)負(fù)荷;降低剩余污泥~50%;降低運(yùn)行成本~30%;降低投資成本達(dá)80%等;占地小，易組裝。在大型市政項(xiàng)目升級(jí)改造、高濃度有機(jī)廢水處理、分布式處理等領(lǐng)域有極大優(yōu)勢(shì)。
可關(guān)注企業(yè)
作為過去5年GE水處理力推的創(chuàng)新技術(shù)Zeelung MABR，為SUEZ在污水資源化領(lǐng)域帶來了活力。GE最早推出商業(yè)化應(yīng)用的MABR，膜材料為有機(jī)聚合物中空纖維膜，膜絲非常細(xì)，有效膜面積大，全球已有多個(gè)商業(yè)化應(yīng)用案例。
2012年成立于愛爾蘭。在MABR膜材料、水力條件及運(yùn)行成本等方面做了非常大的改進(jìn)。 Oxymem采用有機(jī)硅作為膜材料，極大提高膜材料的強(qiáng)度，第4代產(chǎn)品氧氣傳質(zhì)速率達(dá)到12g O2/m².d，高于Zeelung MABR，未來發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，其背后的戰(zhàn)略投資機(jī)構(gòu)Dow Venture Capital (陶氏風(fēng)險(xiǎn)投資)，預(yù)計(jì)會(huì)提供大規(guī)模商業(yè)化布局的有效支撐和退出途徑。對(duì)于中國市場(chǎng)，其商務(wù)總監(jiān)表示，中國水務(wù)市場(chǎng)非常大，Oxymem希望能夠在中國找到戰(zhàn)略合作伙伴。
于澳交所上市的MABR技術(shù)公司Fluence，采用卷式平板膜，可降低能耗達(dá)75%，近幾年發(fā)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，F(xiàn)luence 將目光鎖定于中國分布式污水處理市場(chǎng)，和河南清水源達(dá)成戰(zhàn)略合作關(guān)系，在中國市場(chǎng)獲得了第一筆農(nóng)村分布式污水處理市場(chǎng)的訂單。2018年3月，通過合作伙伴江蘇金梓環(huán)境， 公司再度獲得貴州省貞豐縣1000噸/立方米的污水處理設(shè)備提訂單，此項(xiàng)目完成后，將成為中國貴州省貞豐縣最大的農(nóng)村污水項(xiàng)目的一部分。
實(shí)現(xiàn)低成本污水資源化的FO與RO耦合工藝
技術(shù)創(chuàng)新 ★★★★★ 值得關(guān)注 ★★★★
原理：正滲透利用濃鹽水滲透壓，使污水側(cè)中的水分子透過正滲透膜進(jìn)入鹽側(cè)，達(dá)到水和污染物分離的效果，再將鹽水通過反滲透脫鹽，實(shí)現(xiàn)水資源回收。
優(yōu)勢(shì)：正滲透工藝無需外界壓力，有效截留污水中有機(jī)污染物，同時(shí)減少RO的膜污染，極大降低能耗，延長(zhǎng)膜壽命。其工程應(yīng)用技術(shù)難點(diǎn)集中于汲取液的選擇和回用，屬于前沿技術(shù)，目前尚未大范圍推廣應(yīng)用，適用于工業(yè)污水處理領(lǐng)域。杭州水處理中心在“十二五”期間承擔(dān)的國家科技支撐計(jì)劃課題“正滲透海水淡化關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”于近日成功驗(yàn)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(guān)注企業(yè)
為解決汲取液的技術(shù)難點(diǎn)，該公司采用兩相汲取液，低溫時(shí)汲取液滲透壓可達(dá)21 MPa，作為正滲透驅(qū)動(dòng)力。后利用廢熱加熱使其氣化，可轉(zhuǎn)換鹽變成氣體二氧化碳和TMA(三甲胺)，實(shí)現(xiàn)汲取液和清水分離，同時(shí)氣化的汲取液進(jìn)入再生罐，循環(huán)利用。 此前，F(xiàn)orward Water在加拿大安大略省密西沙加市建立一個(gè)小型試點(diǎn)項(xiàng)目，來驗(yàn)證在工業(yè)應(yīng)用上的可行性。2017年11月，公司獲得了來自加拿大聯(lián)邦政府和石油重鎮(zhèn)阿爾伯塔省100萬加元的資助，用于加快其水處理技術(shù)的商業(yè)化。
實(shí)現(xiàn)能源自給的厭氧MBR(AnMBR)工藝
技術(shù)創(chuàng)新 ★★★ 值得關(guān)注 ★★★★
原理：將厭氧技術(shù)與膜分離結(jié)合，有利于厭氧菌生長(zhǎng)，提高出水水質(zhì)，在處理污水的同時(shí)回收生物沼氣能源。
2010年美國工程院院士McCarty在環(huán)境領(lǐng)域頂級(jí)期刊ES&T發(fā)表了一篇關(guān)于厭氧MBR處理市政污水實(shí)現(xiàn)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(shù)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(guī)模應(yīng)用。但是在污水資源化的理念下，該技術(shù)在市政及工業(yè)污水處理中均有廣闊的應(yīng)用前景。目前該技術(shù)在高濃度有機(jī)廢水處理領(lǐng)域(如食品、啤酒工業(yè)廢水)有較多工程應(yīng)用，市場(chǎng)主要被各大水務(wù)巨頭瓜分，其中包括SUEZ、Pentair、ADI Systems等。
可關(guān)注企業(yè)
成立于1966年，致力于工業(yè)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(shù)創(chuàng)新及工程經(jīng)驗(yàn)。其分置式厭氧MBR技術(shù)應(yīng)用于食品飲料、釀酒等工業(yè)，回收甲烷和清潔水。該技術(shù)在2013年阿姆斯特丹舉行的國際水周獲得Aquatech創(chuàng)新獎(jiǎng)。
ADI-AnMBR工藝自2000年便應(yīng)用于大型水處理工程，擁有20多年工程經(jīng)驗(yàn)，是厭氧MBR技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，為全球35個(gè)國家客戶提供可靠解決方案。該技術(shù)成功用于美國某食品工廠污水處理，處理量475 m³/d，進(jìn)水COD 39 g/L，去除率高達(dá)99.3%，甲烷產(chǎn)量5,660 m³/d，同時(shí)節(jié)省運(yùn)行成本達(dá)50%。2017年7月美國污水處理企業(yè)Evoqua Water Technologies并購ADI Systems，將其業(yè)務(wù)拓展至工業(yè)污水領(lǐng)域，11月，Evoqua于納斯達(dá)克證券交易所上市。
實(shí)現(xiàn)零排放的膜蒸餾技術(shù)
技術(shù)創(chuàng)新 ★★★★ 值得關(guān)注 ★★★★★
原理：膜蒸餾是通過蒸汽壓差(溫差)驅(qū)動(dòng)水蒸氣通過疏水微孔膜，再冷凝成純水的過程。
優(yōu)勢(shì)：膜蒸餾技術(shù)理論上有100%截留率;操作溫度低、可利用廢熱;操作壓力低;設(shè)備投資少等，幾乎不存在膜污染問題，使用壽命長(zhǎng)。常規(guī)海水脫鹽系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)水和能量資源的高效利用。
可關(guān)注企業(yè)
加拿大創(chuàng)新技術(shù)企業(yè)，獲得2017年GWI零排放技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)，采用中空纖維膜的真空膜蒸餾技術(shù)，水回收率可達(dá)97%，相比傳統(tǒng)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(jīng)驗(yàn)，擁有納米技術(shù)改造的無孔通水膜材料，其膜蒸餾技術(shù)NanoClear™可處理含鹽10-16%和COD大于120,000mg/L的高鹽高有機(jī)廢水，無需前處理，水回收率>90%，膜通量可長(zhǎng)期維持在12-15 L/m²˙h, 為同類膜蒸餾技術(shù)的3倍。
Dais的CEO Tim Tangredi告訴我們：“創(chuàng)新型膜技術(shù)驅(qū)動(dòng)著新產(chǎn)品的研發(fā)。我們的Aqualyte™復(fù)合膜已成功用于節(jié)能空氣凈化，在工業(yè)污水處理領(lǐng)域，也已在中國15個(gè)地區(qū)通過測(cè)試驗(yàn)證，顯示出其相比較超濾/反滲透膜系統(tǒng)，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(tǒng)單元的生產(chǎn)。”
膜法沼氣提純技術(shù)
技術(shù)創(chuàng)新 ★★★ 值得關(guān)注 ★★★★★
原理：氣體分離膜利用高分子膜對(duì)不同氣體的選擇透過性不同，將氣體分離的技術(shù)。將膜技術(shù)用于沼氣純化，是污水資源化不可或缺的部分。
可關(guān)注企業(yè)
成立于2002年的EnviTec公司覆蓋沼氣生產(chǎn)的整個(gè)價(jià)值鏈，包括沼氣工程和沼氣提純工廠的規(guī)劃、交鑰匙建設(shè)和調(diào)試及運(yùn)營管理。作為全球沼氣行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，該公司在全球范圍內(nèi)由其設(shè)計(jì)并建造的沼氣工程超過600個(gè)，總裝機(jī)容量達(dá)到420兆瓦，業(yè)務(wù)遍布德國、意大利、英國、法國、日本、美國等數(shù)十個(gè)國家，在沼氣領(lǐng)域擁有多項(xiàng)專利技術(shù)。
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(huán)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(huán)能簽署深度戰(zhàn)略合作協(xié)議，共同推進(jìn)沼氣技術(shù)在中國的落地應(yīng)用。
原標(biāo)題:污水資源回用中膜技術(shù)的發(fā)展歷程及未來走向
