膜法水处理行业分析报告.docx

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膜法水处理行业分析报告

2014年膜法水处理行业分析报告

2014年12月

一、膜和膜组件

1、膜的定义和分类

膜，是指分隔两相或两部分的屏障，能以特定形式截留和传递物质，可以是固态、液态或其组合，中性或荷电的，厚度从几微米到几百微米。

膜分离是以对组分具有选择性透过功能的膜为分离介质，通过在膜两侧施加推动力，使原料中的膜组分选择性的优先透过膜，从而达到混合物分离，并实现产物的提取、浓缩，纯化等目的的分离过程。

过滤式膜分离（超滤、微滤、纳滤、反渗透和气体渗透）指的是利用组分分子的大小和性质差别所表现出透过膜的速率差别，达到组分的分离。

膜的种类很多，普通来说可以根据膜材料、膜表面结构、膜断面结构等进行分类。

根据膜材料的不同，分为天然膜和合成膜两大类。

天然膜主要为生物膜，生物膜按其来源又分为有生命膜（如动物膀胱、肠衣）和无生命膜，无生命膜即由磷脂形成的脂质体和小泡，在药物分离中日益受到重视。

合成膜包括无机膜（金属、硅酸盐、玻璃等）和有机高分子莫。

无机膜耐热性和化学性稳定性好，但成本较高，有机高分子膜易于制备，但在有机溶剂中溶胀，由无机材料和有机高分子材料构成的膜具有两者的优点。

按膜表面结构的不同，分为多孔膜和非多孔膜。

多孔膜指结构较疏松的膜，如微滤膜和大多数的超滤膜，非多孔膜指结构紧密的膜，孔径在1nm以下，主要用于气体分离、渗透汽化等。

按膜断面结构不同分为非对称膜和对称膜。

非对称膜，指膜的横断面呈不同的层次结构，即从皮层到底层存在膜孔径的梯度分布，反之，为对称膜，如大多数微滤膜和核孔膜。

根据膜孔径（截留分子质量）的不同，可分为微滤膜（UF）、超滤膜（MF）、纳滤膜（NF）和反渗透膜（RO）。

4种膜的透过机制基本相同，都是以压力差为推动力的膜过程，其主要差别在于被分离物颗粒或分子大小和所采用的膜的结构与性能。

微滤膜（MF）：

可单独使用，去除胶体、微粒、细菌等物质，也可做其他膜的预处理。

膜的孔径范围为0.1-10微米，多采用对称微孔膜。

主要材料为有机材料有纤维素酯类，聚矾，聚丙烯等。

超滤膜（UF）：

要使用微滤膜进行预处理，可截留水中颗粒悬浮物、细菌、原生动物孢囊虫等微生物，病毒，蛋白质，酶，多糖分子物质。

孔径为2-50纳米，属于非对称多孔膜。

主要材料为纤维素类、聚砜、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈。

纳滤膜（NF）：

要使用微滤、超滤进行预处理，对二价、多价离子和相对分子质量在200-1000之间的有机物有较高的脱除率。

最大应用领域是饮用水软化和有机物脱除，可以去除三氯甲烷、痕量除草剂、杀虫剂、重金属、天然有机物、水质硬度、硫酸盐。

孔径为1-2纳米，属于非对称膜、复合膜。

主要材料为聚酰胺，聚乙烯醇，磺化聚砜，磺化聚醚砜，醋酸纤维素，聚丙烯。

反渗透膜（RO）：

要使用微滤、超滤进行预处理，只允许溶剂分子通过，盐、氨基酸等小分子被截留。

50%用于苦咸水和海水淡化，40%用于电子工业、制造业和发电厂的纯水制备，剩余10%用于废水处理和生物食品的加工分离。

孔径为0.1-1纳米，属于非对称膜、复合膜。

材料主要是碳酸纤维素和芳香聚酰胺两大系列。

不同的膜材料具有不同的化学稳定性、热稳定性、机械性能和亲和性能，对于不同的分离体系，利用不用材料制备的分离膜可以取得较好的效果。

理论上，任何聚合物都能制备膜，但仅有少数材料适用于膜分离，其中最常见的包括聚偏氟乙烯（PVDF）、聚醚砜（PES）、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）。

采用特定的制备技术，均可将其制成膜材料，并具有理想的物理特性和化学耐受力。

但这几种材料均为疏水性材料，使得他们过滤时易被生物反应器料液中疏水性物质污染，因此，有必要对膜表面的基础物质进行修饰改性以形成亲水性膜表面。

常用的改性方法包括化学氧化、有机化学反应、等离子处理或移植等。

所以改性工艺、利用聚合物制备膜和膜组件的方法是相关企业的商业机密，其生产方法存在技术壁垒。

2、膜组器的分类和应用

从制膜过程得到的膜仅仅是具有选择性透过功能的材料，绝大多数情况下膜材料并不能直接应用于分离工程，而需要将一定面积的膜装填到某种开放或封闭的壳体空间内构造成一定形式和结构的单元，即膜组件。

获得优异性能的分离膜，只是膜分离技术的必要条件之一，膜材料性能在膜分离技术的实现还必须以合理膜组件为载体。

在膜分离工业装置中，根据生产规模的需要，一般可设置数个乃至数千个膜组件。

膜组件可以有多种形式，它们均根据两种膜构型设计而成：

1）管式构型；2）平板式构型。

常见的管式构型包括管式（tubes）膜组件、毛细管（capillary）膜组件、中空纤维（hollow-fibers）膜组件；而常见的平板式构型包括板框式（plateandframe）膜组件、卷绕式（spiralwound）膜组件和垫套式膜组件等。

（1）板式膜组件

板框式也称平板式，它是由许多板和框（plateandframe）堆积组装在一起而得名，其外观类似普通的板框式压滤机（filterpress）。

它是膜分离历史上最早问世的一种膜组件形式。

板框式构造比较简单，且可单独更换膜片；可作为试验机，将各种膜样品同时安装在一起进行性能检测。

其流道的断面积较大，压降较小，线速度可达1~5m/s，且不易被纤维屑等异物堵塞；为促进膜组件内的湍流效果，不少厂家将原液导流板的表面设计成各式凹凸或波纹结构或在膜面配置筛网等物。

（2）卷式膜组件

螺旋卷式（简称卷式）膜组件的结构是由中间为多孔支撑材料，两边是膜的“双层结构”装配组成的。

其中三个边沿被密封而粘结成膜袋状，另一个开放的边沿与一根多孔中心产品水（液）收集管连接，在膜袋外部的原水侧再垫一层网眼型间隔材料（隔网），也就是把膜~多孔支撑体~膜~原水侧隔网依次叠合，绕中心集水管紧密地卷在一起，形成一个膜元件，再装进圆柱型压力容器里，构成一个螺旋卷式膜组件。

卷式膜组器结构紧凑，单位体积内的有效面积大（830~1660m2/m3），缺点是当原液中含有悬浮固体时使用有困难；透过侧的支撑材料较难满足要求，不易密封，同时膜组件的制作工艺复杂、要求高，尤其是用于高压操作时难度更大。

（3）管式膜组件

所谓圆管式膜是指在圆筒状支撑体的内侧或外侧刮制上一层半透膜而得到的圆管形分离膜，再将一定数量的这种膜管以一定方式联成一体而组成，其外形状极类似于列管式换热器。

管式膜组件的优点是：

流动状态好，流速易控制；安装、拆卸、换膜和维修均较方便；能处理含有悬浮固体的溶液；机械杂质清除比较容易；合适的流动状态可减少浓差极化和污染。

而管式膜组件的缺点是：

与平板膜比较，管膜的制备条件较难控制；单位体积内有效膜面积小；管口的密封也比较困难；价钱较贵。

（4）中空纤维式膜

中空纤维式膜是一种极细的空心膜管，其本身不需要支撑材料即可耐受很高的压力，它实际是一根厚壁的环柱体，纤维的外径有的细如人发，约为50~200μm，内径为25~42μm。

中空纤维膜组件的特点是：

1）可耐高压；2）单位体积内的有效膜表面积比率高；3）寿命较长（可达5年）；4）可做成一种效率高、成本低、体积小和重量轻的膜分离装置；5）不足之处是中空纤维膜的制作技术复杂，管板制作也较困难，同时不能处理含悬浮固体的料液（原水）。

一种性能良好的膜组件应达到以下要求：

对膜性能提供足够的机械支撑，并可使高压原料液和低压透过液严格分开；

在能耗最小的条件下，使原料液在膜面上流动状态均匀合理，以减少浓差极化；

具有尽可能高的装填密度（单位体积的膜组件中填充膜的有效面积），并使膜的安装和更换方便；

装置牢固、安全可靠、价格低廉和易维护。

几种膜组件各有特点，在实际应用中，往往根据自身需要选择适合的膜组件。

二、膜水处理法的主要应用

膜水处理法应用领域非常广泛，主要包括自来水给水、污水处理、中水回用和海水淡化等等。

1、自来水给水

（1）市政给水—自来水水质提标

2006年出台的《生活饮用水卫生标准》与国际饮用水标准全面接轨，检测项目增加至106项，新标准对水质要求大大提高。

传统自来水处理工艺很难达到新标准的要求，无法有效去除贾地鞭毛虫和隐孢子虫，浊度去除率低，原水水质变化时难以保证稳定的产水水质，水中有机物、氨氮超标，难以去除毒性污染物及藻类。

为了保证产水量，可采用传统工艺+超滤的方法进行处理，通过在原有自来水厂工艺的基础上，增加超滤系统，有效去除“两虫”和其他杂质，产水水质稳定，是能够达到饮用水新标准的最经济的处理方案。

当以地表水为水源时，针对其水质特点，我们可以选择絮凝加药+絮凝沉淀池+过滤器做为超滤的前处理。

当以地下水为水源时，可直接采用过滤器作为超滤的前处理。

国家对于饮水的民生工程，在近几年的关注程度非常高，支持的力度也非常大；除了城镇的自来水，还包括农村饮水，而农村改水是从中央到地方都有配套专项政策在推动，使用超滤解决农村的安全饮用水问题，既能获得无细菌、无微生物、无杂质的饮用水，且在设备投入成本低、自动化实现简单、产水水质稳定等绝对的优势。

（2）工业给水

工业给水主要分为两类：

锅炉补给水和电子超纯水。

锅炉补给水：

要求硬度低，而且溶氧量、固体含量和有机物含量均很低。

工业锅炉补给水的原水常来源于地表水、地下水，沿海及缺水的地区还常以海水为补给水源。

反渗透（RO）系统已被这类行业广泛应用，由于原水水质多有不同，地表水、地下水的净化及海水淡化前处理是保证反渗透系统的入水质量，是确保工业用水稳定的关键。

超滤能够有效的将产水浊度控制在反渗透要求的范围内，UF+RO的双膜法已广泛应用在电力等行业中。

膜法不但能够有效解决锅炉补给水问题，同时结合膜法特点可循环利用工业生产中的循环排污水。

电子超纯水：

主要为半导体材料、器件、印刷电路板和集成电路、超纯材料和超纯化学试剂等高科技精微产品，对用水水质要求极高。

超纯水，既将水中的导电介质几乎完全去除，又将水中不离解的胶体物质、气体及有机物均去除至很低程度的水。

在水资源紧缺的今天，超滤的应用，使得以：

超滤——反渗透——EDI——抛光床，为主流处理流程的高纯水处理，可以以更差的水源作为进水，极大扩大了原水的选择范围，在节约了水资源方面有重要意义。

2、污水处理

（1）市政污水

市政污水主要来源为生活污水，是人们在日常生活活动中产生的废水，主要是生活废料和人的排泄物，其中包括厨房洗涤、淋浴、洗衣等的废水以及冲洗厕所等的污水。

水质相对比较稳定，但浑浊、深色且具有恶臭，呈微碱性，氮磷含量高，一般不含有毒物质，同时生活污水很适合各种微生物的繁殖，因此常含有大量的细菌（包括病原菌）病毒和寄生虫卵。

随着环境问题的日益恶化，城市污水处理厂排放标准将日趋严格，部分城市新建、扩建城市污水处理厂排水标准需严格执行“一级A标”，已建成的城市污水处理厂需按照“一级B标”进行改造。

排水标准的提升将带来新的市场和发展机遇。

以膜技术为代表的MBR污水处理技术，在再生水、污水厂升级改造中，都将面临广阔的市场需求。

在市政领域，自2006年起万吨以上规模项目投入运行以来，近5年时间，采用MBR工艺的日处理万吨以上规模项目，已建成运行的19个，在建的6个，拟建的9个。

这些项目主要分布在北京、太湖流域（无锡）、广州、云南等地区，湖北、黑龙江等地零星地有一些项目。

很明显，这与地方政府的要求和地方财政实力有很大关系。

在北京等水资源短缺地区，采用MBR主要出于污水回用的目的，项目占比约40%；而在无锡、广州、云南，则主要出于减排目的，占比约60%。

（2）工业废水

目前膜法水处理技术在环境过程中的应用，主要是超滤、反渗透、渗析和电渗析等方法用于处理各工业废水。

超滤技术因其操作压力低、能耗低、通量大、分离效率高，可以回收和回用有用物质和水，特别是通量大的特点，使得超滤成为废水处理工程采用的主要膜分离技术。

含原油