污水资源回用中膜技术的发展历程及未来走向
- 2000年初，污水处理行业重心开始转向水质的提高，对膜技术的需求迅速增加。行业巨头美国通用电气于2006年花费7.6亿美元收购Zenon Environment Inc.，获得其微滤/超滤膜技术，进军污水处理市场，十年间占据全球最大的MBR市场份额，并于2017年9月以32亿欧元将其水处理业务出售给SUEZ。而中国最大的MBR供应商碧水源集团，从2001年创立之初，便牢牢把握膜技术发展趋势，2006年投资建立亚洲最大膜基地——“碧水源膜技术创新产业园”，通过不断的技术创新实现了企业的高速发展，从创立到上市，仅用了十年时间。近几年，随着全球污水资源化理念的普及，概念水厂的提出，污水处理技术迎来了又一次革新和转型，在这场革新中，膜技术将依然是关键。
膜技术发展概述
自1784年人类发现渗透现象，膜技术历经近两个世纪的缓慢发展，直到20世纪50年代，Hassler第一次提出将膜应用于脱盐，随着材料科学的发展，膜技术在水处理领域实现了“技术爆炸”。膜生物反应器(MBR)和反渗透(RO)工艺在全球迅速崛起，微滤膜取代二沉池，反渗透法逐渐取代传统热法成为海水淡化主流工艺。
然而，在经历了近30年的发展之后，膜技术遇到了瓶颈，膜污染、运行成本和膜寿命等问题凸显。2014年，荷兰首座工业规模MBR市政污水处理厂在运行8年后选择关闭，引起了行业内的震动，成本和运营成为业界关注的焦点，技术创新迫在眉睫。
同时，各国对污水处理的理念已经发生了转变，污水处理厂从传统意义上的耗能大户，向资源回收站转变，水处理企业也从原来能源的消耗者向资源的生产者转型。在这个大的趋势下，什么样的膜技术才能满足需求?也许是每一位膜技术从业者需要思考的问题。
膜技术应用三大领域
市政污水处理-膜生物反应器(MBR)工艺
微滤膜(MF)和超滤膜(UF)被成功广泛应用于MBR市政污水处理工艺中，膜孔径在0.02-0.4 µm之间，膜材料以PVDF为主，膜构型主要采用中空纤维膜或平板膜。据统计，截止到2017年我国万吨级以上的MBR市政污水处理厂200多座，预计到2018年底，我国投入运行的MBR系统累计处理能力高达1400万吨/天，随着提标改造的不断深入，这个数字仍在迅速增长。MBR市场供应商主要包括SUEZ、三菱、碧水源、旭化成、天津膜天膜等。过去十年，以碧水源为代表的中国企业注重自主研发，突破少数发达国家的技术壁垒，已掌握最先进的MBR膜材料制备方法，截至2016年2月，碧水源共有10万吨/天及以上的MBR工程项目24个，成为拥有全球最大MBR工程项目数量最多的公司。
海水淡化脱盐
反渗透膜(RO)被应用于污水深度处理、脱盐、工业水回用等工艺中。孔径范围在0.1-1 nm之间，膜材料以醋酸纤维素、聚酰胺等为主。反渗透海水淡化工艺能源效率比蒸馏过程提高一个数量级，如今，反渗透工艺提供着0.38亿吨/天的淡水，大约占据全球海水淡化市场份额的60%(其市场份额还在提升，并将逐渐取代热法)。据“国际工程科技发展战略高端论坛”报告指出，截至2015年底，我国已建成海水淡化工程121个，海水淡化产能为100.88万吨/天，过去4年的复合增长率为9.21%。随着膜材料成本及工艺改进，反渗透海水淡化水成本已由8元/m³下降至平均5元/m³。反渗透膜供应商包括陶氏化学、西门子、东丽、海德能、津膜科技等。
工业污水深度处理
在工业污水深度处理工艺中，针对不同的污水类型，常常将生化工艺与膜分离过程耦合，以达到提高微生物活性，改善出水水质的目的。神华鄂尔多斯煤直接液化污水深度处理项目工艺为A/O+MBR+UF+RO。该工艺A/O-MBR对COD进行了强化处理，大幅降低了后续回用处理工艺中膜的有机物污染程度，保证了后期膜处理系统在保持较高回收率的前提下的长期稳定运行。针对项目场地小的特点，深度处理回用系统采用双膜法工艺，双膜法工艺流程简单、结构紧凑、占地面积小、自动化程度高、操作简便，无需投加大量化学药品。
膜技术发展驱动力
膜技术在我国迅速发展的主要驱动力有三个：环境压力、政策驱动、及市场需求。
环境压力
环境污染，水资源短缺是全人类所面临的问题，中国尤甚。2017年由水利部发布的《2016年中国水资源公报》中指出，虽然2016年全国用水总量较2015年略有下降，用水效率提升，用水结构优化，水质状况总体有所好转。但是与2015年相比2016年全国供水总量为6040.2亿立方米，较2015年减少63.0亿立方米。其中，地表水源供水量减少57.1亿立方米，地下水源供水量减少12.2亿立方米，其他水源供水量增加6.3亿立方米。自然水体供水量的减少，预示着我国未来对水资源回用的需求会进一步增加。
政策驱动
相比较欧洲、北美等国家污水排放标准，我国排放标准更高，监管更加严格。“水十条”，“十三五”计划，工业污水零排放等政策的不断提出，使得膜技术市场在未来10-20年仍将维持高速发展势头。钱易院士曾于2016年凤凰国际智库举办的2016全球热点观察展望“十三五”论坛中指出，对比日本以往的经验，我国的水污染治理尚需30年的时间，还有很长的一段路要走。“十三五”期间高性能分离膜将受益于政策支持，相信水处理行业对创新型膜技术的需求仍居高不下。
市场需求
我国污水排放量之大，水资源短缺压力之重，决定了必将更加依赖于膜技术这种高效的污水处理方式。根据GEP Research《水处理膜行业市场分析报告》2017年调查显示，2000-2017年9月，中国共有膜技术相关专利数(包括发明、实用新型和外观)24340项(按照公开日数量)。随着膜材料及工艺运行成本的逐步降低，膜技术将更具经济性。2016年中国水处理膜行业市场规模为600亿元，同比增长17.6%，其中膜产品规模为190亿元，同比增长18.75%，膜工程市场规模为410亿元，同比增长17.14%。工业污水处理因为其污水的特殊性，选择合适的处理工艺尤为重要，技术难点更加突出，是创新膜技术需求的主要应用领域。同时，近几年水处理市场正在朝农村地区发展，未来五年，分散式污水处理系统需求会不断增大，该市场中需要占地更小、更易安装操作的系统，作为中国最大的膜供应商，碧水源正在开拓该市场。
未来技术走向
节能降耗及污水资源化必将成为全球水务市场的发展方向，也是我国水处理企业技术创新的需求所在。为此，筛选出以下几项有发展潜力的细分技术和值得关注的海外技术企业。
实现同时硝化反硝化的膜曝气生物膜反应器(MABR)
技术创新 ★★★★ 值得关注 ★★★★★
原理：在MABR工艺中，膜不再仅仅作为过滤介质，更作为微孔曝气和生物膜生长载体。空气通过膜孔逐渐向水体扩散，通过对曝气量的控制，膜表面附着生物膜，靠近膜表面的微生物形成好氧区，远离膜表面接触水体的一侧由于没有氧气形成厌氧区，中间形成缺氧区，实现同时硝化反硝化。
优势：无需气泡曝气;资源利用率30-50%;高有机负荷;降低剩余污泥~50%;降低运行成本~30%;降低投资成本达80%等;占地小，易组装。在大型市政项目升级改造、高浓度有机废水处理、分布式处理等领域有极大优势。
可关注企业
作为过去5年GE水处理力推的创新技术Zeelung MABR，为SUEZ在污水资源化领域带来了活力。GE最早推出商业化应用的MABR，膜材料为有机聚合物中空纤维膜，膜丝非常细，有效膜面积大，全球已有多个商业化应用案例。
2012年成立于爱尔兰。在MABR膜材料、水力条件及运行成本等方面做了非常大的改进。 Oxymem采用有机硅作为膜材料，极大提高膜材料的强度，第4代产品氧气传质速率达到12g O2/m².d，高于Zeelung MABR，未来发展势头强劲，其背后的战略投资机构Dow Venture Capital (陶氏风险投资)，预计会提供大规模商业化布局的有效支撑和退出途径。对于中国市场，其商务总监表示，中国水务市场非常大，Oxymem希望能够在中国找到战略合作伙伴。
于澳交所上市的MABR技术公司Fluence，采用卷式平板膜，可降低能耗达75%，近几年发展非常迅速。Fluence 的前身为以色列Emefcy 和美国RWL Water，两公司于2017年7月合并为如今的Fluence Corporation. 2017年11月，Fluence 将目光锁定于中国分布式污水处理市场，和河南清水源达成战略合作关系，在中国市场获得了第一笔农村分布式污水处理市场的订单。2018年3月，通过合作伙伴江苏金梓环境， 公司再度获得贵州省贞丰县1000吨/立方米的污水处理设备提订单，此项目完成后，将成为中国贵州省贞丰县最大的农村污水项目的一部分。
实现低成本污水资源化的FO与RO耦合工艺
技术创新 ★★★★★ 值得关注 ★★★★
原理：正渗透利用浓盐水渗透压，使污水侧中的水分子透过正渗透膜进入盐侧，达到水和污染物分离的效果，再将盐水通过反渗透脱盐，实现水资源回收。
优势：正渗透工艺无需外界压力，有效截留污水中有机污染物，同时减少RO的膜污染，极大降低能耗，延长膜寿命。其工程应用技术难点集中于汲取液的选择和回用，属于前沿技术，目前尚未大范围推广应用，适用于工业污水处理领域。杭州水处理中心在“十二五”期间承担的国家科技支撑计划课题“正渗透海水淡化关键技术研究与示范”于近日成功验收，建成目前世界上最大的500吨/天的正渗透海水淡化工程。
可关注企业
为解决汲取液的技术难点，该公司采用两相汲取液，低温时汲取液渗透压可达21 MPa，作为正渗透驱动力。后利用废热加热使其气化，可转换盐变成气体二氧化碳和TMA(三甲胺)，实现汲取液和清水分离，同时气化的汲取液进入再生罐，循环利用。 此前，Forward Water在加拿大安大略省密西沙加市建立一个小型试点项目，来验证在工业应用上的可行性。2017年11月，公司获得了来自加拿大联邦政府和石油重镇阿尔伯塔省100万加元的资助，用于加快其水处理技术的商业化。
实现能源自给的厌氧MBR(AnMBR)工艺
技术创新 ★★★ 值得关注 ★★★★
原理：将厌氧技术与膜分离结合，有利于厌氧菌生长，提高出水水质，在处理污水的同时回收生物沼气能源。
2010年美国工程院院士McCarty在环境领域顶级期刊ES&T发表了一篇关于厌氧MBR处理市政污水实现能源自给、资源综合利用的文章，引起了世界范围的研究热潮。该技术早在1978年便被提出，然而由于膜污染问题一直没有得到大规模应用。但是在污水资源化的理念下，该技术在市政及工业污水处理中均有广阔的应用前景。目前该技术在高浓度有机废水处理领域(如食品、啤酒工业废水)有较多工程应用，市场主要被各大水务巨头瓜分，其中包括SUEZ、Pentair、ADI Systems等。
可关注企业
成立于1966年，致力于工业污水处理及脱盐工艺，注重能源和资源回收，拥有丰富的膜技术创新及工程经验。其分置式厌氧MBR技术应用于食品饮料、酿酒等工业，回收甲烷和清洁水。该技术在2013年阿姆斯特丹举行的国际水周获得Aquatech创新奖。
ADI-AnMBR工艺自2000年便应用于大型水处理工程，拥有20多年工程经验，是厌氧MBR技术领导者，为全球35个国家客户提供可靠解决方案。该技术成功用于美国某食品工厂污水处理，处理量475 m³/d，进水COD 39 g/L，去除率高达99.3%，甲烷产量5,660 m³/d，同时节省运行成本达50%。2017年7月美国污水处理企业Evoqua Water Technologies并购ADI Systems，将其业务拓展至工业污水领域，11月，Evoqua于纳斯达克证券交易所上市。
实现零排放的膜蒸馏技术
技术创新 ★★★★ 值得关注 ★★★★★
原理：膜蒸馏是通过蒸汽压差(温差)驱动水蒸气通过疏水微孔膜，再冷凝成纯水的过程。
优势：膜蒸馏技术理论上有100%截留率;操作温度低、可利用废热;操作压力低;设备投资少等，几乎不存在膜污染问题，使用寿命长。常规海水脱盐系统的回收率小于40%-50%，通过这一耦合过程，可以处理反渗透海水淡化后的高含盐水，可将高含盐水排放量减少到30%，实现水和能量资源的高效利用。
可关注企业
加拿大创新技术企业，获得2017年GWI零排放技术创新奖，采用中空纤维膜的真空膜蒸馏技术，水回收率可达97%，相比传统热法可降低80%能耗。适用于采矿废水、RO浓缩液、苦咸水等高盐废水处理。
成立于1999年，有近30年的经验，拥有纳米技术改造的无孔通水膜材料，其膜蒸馏技术NanoClear™可处理含盐10-16%和COD大于120,000mg/L的高盐高有机废水，无需前处理，水回收率>90%，膜通量可长期维持在12-15 L/m²˙h, 为同类膜蒸馏技术的3倍。
Dais的CEO Tim Tangredi告诉我们：“创新型膜技术驱动着新产品的研发。我们的Aqualyte™复合膜已成功用于节能空气净化，在工业污水处理领域，也已在中国15个地区通过测试验证，显示出其相比较超滤/反渗透膜系统，更好的抗污染性能和更高的脱盐率。Dais公司将于2018年在中国开始NanoClear™系统单元的生产。”
膜法沼气提纯技术
技术创新 ★★★ 值得关注 ★★★★★
原理：气体分离膜利用高分子膜对不同气体的选择透过性不同，将气体分离的技术。将膜技术用于沼气纯化，是污水资源化不可或缺的部分。
可关注企业
成立于2002年的EnviTec公司覆盖沼气生产的整个价值链，包括沼气工程和沼气提纯工厂的规划、交钥匙建设和调试及运营管理。作为全球沼气行业领导者，该公司在全球范围内由其设计并建造的沼气工程超过600个，总装机容量达到420兆瓦，业务遍布德国、意大利、英国、法国、日本、美国等数十个国家，在沼气领域拥有多项专利技术。
2017年6月，EnviTec旗下公司与北京安威特科技有限公司成立合资公司“恩威泰科环能(北京)科技有限公司”;2017年8月，四川宏吉投资有限公司与恩威泰科环能签署深度战略合作协议，共同推进沼气技术在中国的落地应用。
原标题:污水资源回用中膜技术的发展历程及未来走向
