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污水处理行业再生水回用膜技术的发展历程及未来走向

  据宇墨Umore微信公众平台2018年5月11日讯 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。

 

污水处理行业再生水回用膜技术的发展历程及未来走向


  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0.02~0.4μm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。

 

污水处理行业再生水回用膜技术的发展历程及未来走向污水处理行业再生水回用膜技术的发展历程及未来走向


  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0.1~1nm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/立方米下降至平均5元/立方米。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。

 

污水处理行业再生水回用膜技术的发展历程及未来走向


  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)
  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
  ◆ SUEZ

 

污水处理行业再生水回用膜技术的发展历程及未来走向


  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。
  ◆ Oxymem

 

污水处理行业再生水回用膜技术的发展历程及未来走向


  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/平方米·日,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。
  ◆ Fluence

 

污水处理行业再生水回用膜技术的发展历程及未来走向


  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
  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
  ◆ Forward Water Technologies

 

污水处理行业再生水回用膜技术的发展历程及未来走向


  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21MPa,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
  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。

 

AnMBR系统资源回收示意图

AnMBR系统资源回收示意图


  可关注企业
  ◆ Pentair

 

污水处理行业再生水回用膜技术的发展历程及未来走向


  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 Systems 污水处理行业再生水回用膜技术的发展历程及未来走向


  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立方米/日,进水COD 39g/L,去除率高达99.3%,甲烷产量5660立方米/日,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
  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。
 

膜蒸馏技术原理示意图

膜蒸馏技术原理示意图


  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
  ◆ KMX
 

污水处理行业再生水回用膜技术的发展历程及未来走向


  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。
  ◆ Dais Analytic Corporation
 

污水处理行业再生水回用膜技术的发展历程及未来走向


  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120000mg/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升/平方米·小时, 为同类膜蒸馏技术的3倍。
  Dais的CEO蒂姆·唐雷迪(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
  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
  ◆ EnviTec Biogas AG
 

污水处理行业再生水回用膜技术的发展历程及未来走向污水处理行业再生水回用膜技术的发展历程及未来走向


  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。

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