歐洲膜技術的研究與應用

陳亞楠，于淼，沈志鵬，鄭祥*

1.中國人民大學環(huán)境學院，北京 100872

2.中國人民大學圖書館，北京 100872

歐洲大部分國家，由于國土面積狹小，地面水體徑流較短而導致水體自凈能力較差，水生生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，易受污染［1］。且歐洲國家的淡水資源總量同許多國家相比均屬于嚴重缺水型(表1)，遠低于世界人均淡水資源量(6 122.6 m3)。而地下水的過度開采和長期的干旱少雨使整個歐洲國家面臨更加頻繁和嚴重的干旱［2］。2009年以來的數(shù)據表明，占歐洲人口18%的9 個歐洲國家(比利時、保加利亞、塞浦路斯、德國、意大利、前南斯拉夫的馬其頓共和國、馬耳他、西班牙和英國)被認為用水極度緊張［3］。

表1 歐洲主要缺水國家人均淡水資源量［4］Table 1 Water resources average amount per capita in some European water-scarce nations

歐洲國家的市政污水(含生活污水與工業(yè)廢水)量大、成分相對穩(wěn)定、季節(jié)性差異較小且易于收集，因此將城市污水作為第二水源，進行深度處理與回用，以達到污水資源化的目的是目前歐洲各國廢水處理業(yè)的發(fā)展趨勢。膜系統(tǒng)由于占地面積小，且出水水質好［5］，被越來越多的歐洲國家用于市政污水與工業(yè)廢水的處理，有關膜的研究也日益增多。我國人均淡水資源量也僅有2 813 m3，是世界人均淡水資源量的1/3，高效的水處理技術，尤其是膜技術對緩解我國的用水緊張狀況至關重要。因此，了解歐洲國家膜技術的研究與應用現(xiàn)狀，借鑒其發(fā)展經驗，對我國膜技術的應用有重要的指導作用。

1 當前歐洲膜研究概況

1.1 研究概況

利用Web of Knowledge 平臺的Analyze Results工具對1993—2013年被SCI 數(shù)據庫收錄的關于膜技術的文獻進行計量分析(圖1)發(fā)現(xiàn)，該期間SCI 共收錄主題為反滲透(reverseosmos 或reverse osmos)、納濾(nanofiltrate 或“nano filtrate”)、超濾(ultrafiltrat 或“ultra filtrat”)和微濾(microfiltrat 或“micro filtrat”)4 種膜過程的論文34 188 篇，共來自136 個國家和地區(qū)。論文發(fā)表量＞1 000 篇的有美國、中國、法國、德國、日本、英國、加拿大、西班牙、韓國、意大利、荷蘭等11 個國家，歐洲國家與美國的論文發(fā)表量所占份額較大(圖1(a))。歐洲國家中法國、德國、意大利、西班牙、英國、荷蘭等6 個國家的論文發(fā)表量占歐洲國家論文發(fā)表總量的67%(圖1(b))。

圖1 膜技術論文發(fā)表量文獻統(tǒng)計(1993—2013年)Fig.1 Literature statistics of public papers about membrane technology (1993-2013)

從國家/地區(qū)論文發(fā)表量年度變化來看，歐洲國家多年來發(fā)表的論文數(shù)量穩(wěn)中有升，且占據主要地位。從1993年的559 篇飛速增長至2013年的1 109篇(圖2)。從論文引用情況看，英國、法國、德國論文的總被引頻次、篇均被引頻次和H 指數(shù)均僅低于美國，而領先于其他國家。以英國為例，其論文發(fā)表量僅為日本的75.6%和中國的42.0%，但被引頻次與中國和日本兩國的統(tǒng)計值接近。

圖2 國家/地區(qū)論文發(fā)表量年度變化(1993—2013年)Fig.2 Annual change of paper number in different countries/regions (1993-2013)

1.2 研究機構實力比較

在論文發(fā)表量排名前20 的研究機構中，歐洲國家占據6 個，其中法國和荷蘭各2 個，意大利、比利時各1 個。圖3 顯示論文發(fā)表量排名前10 位國家的研究機構數(shù)，其中，法國和德國發(fā)表SCI 論文的研究機構均超過1 000 個，說明膜技術在這2 個國家已得到廣泛的研究。

2 歐洲及我國膜技術應用狀況

2.1 主要膜技術概況［6］

歐洲膜市場市值在10 億美元以上，其中在醫(yī)藥和生物技術方面的應用最多，其次為食品和飲料。德國是膜生產用機械設備制造大國，也是該地區(qū)最大的膜市場，約占歐洲膜市場總額的30%。

圖3 論文發(fā)表量排名前10 位國家發(fā)表論文的研究機構數(shù)(1993—2013年)Fig.3 Numbers of researcher institutions published paper in countries on the top ten list(1993-2013)

微濾(MF)/超濾(UF)占歐洲整個膜市場份額的50% ～60%，在化工過程的分離與精制，廢水的凈化處理及膜生物反應器中應用廣泛。歐洲整個膜市場中，微濾膜占主導地位，約占其銷售總額的46%，其次是超濾膜，約占銷售總額的23%。2006年的統(tǒng)計數(shù)據表明，歐洲應用MF/UF 膜的地域占MF/UF 膜全球應用地域的19%，僅次于美洲與環(huán)太平洋國家。隨著各種行業(yè)，尤其是制藥工業(yè)各項標準的日益嚴格，微濾膜將會有更大的發(fā)展空間。反滲透膜和納濾膜共占整個膜市場份額的17%，電滲析為11%。近年來納濾膜得到了很快的發(fā)展，但與微濾、超濾和反滲透膜相比，納濾膜在歐洲總銷售額中所占比例仍較小。

2.2 膜技術在污、廢水處理中的應用

早在20 世紀90年代歐洲就已經開展了污水深度處理與回用的普及，膜生物反應器(MBR)開始應用于歐洲的工業(yè)廢水處理也是在20 世紀90年代初期［7］。1996年膜生物反應器開始應用于城市污水的處理。2002—2005年的3年間，歐洲MBR 污水處理工程的數(shù)量以70 個/a 以上的速度增加，其中工業(yè)廢水MBR 處理系統(tǒng)50 個/a 以上，城市污水MBR處理系統(tǒng)20 個/a 以上［8］。截至2010年，歐洲已有500 多個處理能力＞20 m3/d 的工業(yè)廢水處理工程投入運行，平均處理能力為180 m3/d(圖4)［8］。同歐洲國家相比，MBR 在中國的應用研究起步較晚，但由于中國對MBR 技術有比較迫切的需求及膜材料價格的穩(wěn)步下降，在中國城市污水的處理與回用中，MBR 已成為一種很有吸引力和競爭力的技術選擇，并已進入大規(guī)模商業(yè)化應用階段。密云污水處理廠再生水廠(45 000 m3/d)、內蒙古金橋污水處理廠(31 000 m3/d)、北京北小河污水處理廠(60 000 m3/d)和北京溫榆河污水處理廠(100 000 m3/d)等大型MBR 污水處理工程近幾年已相繼投入運行。據估計，中國今后5年內MBR 技術產業(yè)仍將以20% ～30%的年增長率高速發(fā)展。

圖4 歐洲MBR 工程數(shù)量Fig.4 Quantity of MBR engineering in European

與城市污水處理相比，MBR 在工業(yè)廢水處理中更有競爭力，現(xiàn)已成功應用于食品、啤酒、石化、屠宰、醫(yī)藥、垃圾滲瀝液等工業(yè)廢水的處理［9］。MBR既適用于難處理的工業(yè)廢水，也適用于以再利用為目標的廢水處理。垃圾滲瀝液和海運處理是MBR應用得相對較好的2 個部分。按照裝置數(shù)量計算，MBR 在歐洲各種工業(yè)廢水處理中應用的比例如圖5所示［6］。

圖5 MBR 在歐洲工業(yè)廢水處理各領域的應用情況Fig.5 Application of MBR in European industrial wastewater treatment

2005年，歐洲17 個國家有MBR 的應用，共有483 個MBR 工程應用案例，其中在德國的應用最多，共101 個MBR 處理設施，其次為意大利和英國，分別有84 和82 個MBR 處理設施［7］。到2008年，MBR 在歐洲的應用發(fā)展迅速，已由原來的17 個國家發(fā)展到24 個國家，MBR 工程應用達到801 個，增長了65.8%。其中MBR 工程應用增加最多的是意大利，增加到149 個，是歐洲應用MBR 最多的國家;其次是德國和英國，MBR 處理設施分別為132 和123 個［6］;而西班牙從原來的47 個MBR 處理設施增加到111 個［10］，這與西班牙日益嚴格的回用水水質標準密切相關［11］，西班牙現(xiàn)行的回用水水質標準(Royal Decree 1620/2007)甚至嚴于一些國際標準，而MBR 中豐富的功能菌群，顯著強化了對常規(guī)的氮磷等指標的去除效果［12］，提高了出水水質(圖6)。與歐洲國家相比，中國對于MBR 的需求更為迫切，市場潛力巨大。但在中國MBR 主要用于城市污水的處理與回用，其次為高濃度有機廢水及難降解工業(yè)廢水［13］。目前北京溫榆河污水處理廠、廣州京溪污水處理廠、湖北十堰神定污水處理廠、北京清河再生水廠二期工程等規(guī)模在10 萬m3/d 的MBR 污水處理工程已相繼投入運行［6］。在難降解有機物工業(yè)廢水方面，我國MBR 工程處理能力也已由原來的幾十t/d 提高到現(xiàn)在的數(shù)千t/d，甚至更高。廣東大亞灣石化區(qū)污水處理廠、鄂爾多斯羊絨集團廢水處理工程、中石化洛陽石化煉油污水處理工程等數(shù)十個污水處理設施的日處理能力均在萬t 以上［13］。

圖6 歐洲主要國家MBR 應用比例Fig.6 Applicational proportion of MBR in European major countries

縱觀歐洲主要國家MBR 發(fā)展應用歷程(表2)可以發(fā)現(xiàn)，意大利MBR 起步較早，且發(fā)展穩(wěn)定，而西班牙雖起步較晚，但發(fā)展迅猛，據估計，2005年西班牙的MBR 市場市值約13 億美元。MBR 技術在英國的市政污水及工業(yè)廢水領域均已有10年以上的運行經驗，故市場已相當成熟。由于歐盟立法嚴格和土地資源緊張，MBR 技術在意大利、德國、西班牙、英國等歐洲國家仍有很好的發(fā)展前景。

表2 歐洲主要國家MBR 應用發(fā)展概況［6］Table 2 Application and development situations of MBR in European major countries

圖7 歐洲大型市政MBR 水廠地域分布［2］(＞5 000 m3/d)Fig.7 Geographic distribution of large municipal administration MBR plants (＞5 000 m3/d)

隨著MBR 技術的進步，歐洲建立了越來越多的大型市政水廠。2005年，大多數(shù)歐洲國家的MBR 水廠的服務人口＞500 人。截至2008年，歐洲已建成32 座處理能力＞5 000 m3/d 的市政水廠［2］。圖7 為歐洲處理能力＞5 000 m3/d 的市政水廠的地域分布(截至2008年)。從圖7 可以看出，西班牙處理能力＞5 000 m3/d 的市政水廠所占比例最大，為8 座;其次是英國與德國，均為6 座。從其布局來看，大型MBR 市政水廠還集中于少數(shù)缺水的歐洲國家。

2.3 膜技術在海水、苦咸水淡化中的應用

圖8 歐洲的主要海水淡化廠分布［14-17］Fig.8 Distribution of desalination projects in Europe

從世界海水淡化市場來看，歐洲海水淡化約占13%。觀察歐洲海水淡化所采用的技術可以發(fā)現(xiàn)，1960—1985年以熱法為主，而1985—2007年間膜法海水淡化廠數(shù)量急劇增加，尤其在西班牙，采用反滲透的海水淡化廠較多，規(guī)模最大的產水量甚至達到百萬t/a。另外，地中海的氣候導致地中海沿岸淡水資源相對緊缺，因此歐洲的淡化廠主要分布在地中海沿岸。此外，德國、英國、荷蘭、法國等非地中海沿岸國家中，也有較多海水淡化的應用(圖8)。

盡管海水淡化的方法有很多種，目前能供大規(guī)模工業(yè)選用的方法仍然只有膜法和蒸餾法。膜法，尤其是反滲透法所占的比例最大(圖9)，納濾(NF)膜也有少量的應用［15-18］。

圖9 近年歐洲新增海水淡化項目情況［13-16］Fig.9 The new added desalination projects in Europe in recent years

歐洲國家中西班牙、英國、希臘、意大利、土耳其等海水淡化發(fā)展迅速。2007—2011年西班牙海水淡化項目數(shù)量由30 多個迅速增加到130 多個(圖10)。西班牙作為地中海區(qū)域比較干旱的國家，水資源相對不足，而歐盟把海水淡化作為區(qū)域政策重點，對地中海沿海成員國在海水淡化工程建設方面給予資金支持，并對西班牙的海水淡化工程項目提供了80%左右的資金支持。因此，西班牙積極開發(fā)淡化水，并成為歐洲最大的淡化技術使用國家。目前，西班牙在印度、中東和北美的淡化市場占據第一的位置，其淡化技術給數(shù)百萬人提供了清潔水源。

意大利屬于長期缺水的國家，其海水淡化主要集中于西西里島。西西里島面積較大，人口眾多，1970年就開始采用淡化技術。目前已有27 套淡化裝置，2008年產水量為13.5 萬t/d，占飲用水總量的15% ～20%。而英國的海水淡化應用較晚，氣候變化及人口膨脹所引起的淡水資源緊缺迫使其尋求海水淡化技術?？傮w來說，歐洲海水淡化市場發(fā)展迅速，但區(qū)域不平衡的特點也十分明顯，其與一個地區(qū)的水資源狀況、氣候條件、經濟發(fā)展水平及政府的政策扶持力度等因素都息息相關。

圖10 近年歐洲主要國家新增海水淡化項目數(shù)［14-17］Fig.10 The new added desalination projects in major countries of Europe in recent years

由于我國淡水資源貧乏，且時空分布不均，沿海尤其是北方沿海地區(qū)和海島水資源短缺問題異常嚴重。而海水淡化是穩(wěn)定的水資源增量技術，在保障水資源可持續(xù)利用方面具有重要意義。目前反滲透膜(RO)已憑借工程穩(wěn)定可靠與造水成本低廉的優(yōu)勢占據了我國海水淡化的主要市場份額(67%)。我國已建成的海水淡化工程能力已達到60 萬m3/d。規(guī)模在100 m3/d 的裝置40 套左右，擬建、在建工程處理能力約為90 萬m3/d。我國已建成16 個萬噸級以上的海水淡化工程，其中代表性工程包括浙江嵊山的海藻民用供水項目、天津的10 萬m3/d 海水淡化項目和東莞的咸苦水淡化項目等。而《國務院辦公廳關于加快發(fā)展海水淡化產業(yè)的意見》指出，2012—2015年，我國海水淡化能力應達到220 萬～260 萬m3/d。

2.4 市場競爭主體概況

在歐洲膜市場異?；钴S的情況下，市場競爭也日趨激烈。當前歐洲膜市場的競爭主體有西門子、瀅格、濱特爾、荷蘭諾芮特等，其中以德國的公司居多，如Berghof、Wehrle 和Huber(表3)。西門子作為工業(yè)和基礎設施行業(yè)的系統(tǒng)和解決方案集成商，以及工廠和項目的全球服務提供商，具有明顯的競爭優(yōu)勢，其不同辦公中心分工明確，各有所專。濱特爾(美國)是世界上最大的水處理設備制造公司，而瀅格、諾芮特及德國的Wehrle 都偏重于膜技術。德國的Berghof 和Huber 都主要經營膜組件，二者均具有多年膜制造經驗。

當前中國達到工業(yè)規(guī)模以上膜生產企業(yè)接近400 個，主要集中于華北(約100 個)與華東(約220個)地區(qū)，其中北京、上海、江蘇、深圳最多，而新疆、內蒙等西北地區(qū)則相對較少。企業(yè)規(guī)模普遍較小，目前我國300 億元的膜產業(yè)市場被上千個企業(yè)分割，產值過億的規(guī)模企業(yè)則很少。北京中關村的膜知名企業(yè)以內資特別是民營資本為主，而上海的膜知名企業(yè)以外資為主。在中國膜市場中，大部分市場份額被國外品牌占領。如用量最大，占膜行業(yè)市場份額56%的反滲透膜市場中，國外品牌占85% ～88%。但隨著我國反滲透技術的逐步成熟，反滲透國產品牌的市場占有率已由2005年的2% ～3%上升至2010年的13%以上，局部地區(qū)國產反滲透膜的應用率已達20% ～40%。在我國制造膜技術不斷創(chuàng)新的情況下，也涌現(xiàn)出了一批具有競爭力的膜企業(yè)，如立昇、坎普爾、特里高、時代沃頓等公司的膜產品與工程業(yè)績已遍布全球。

表3 膜市場競爭主體概況Table 3 The main competitional body membrane market

2.5 存在問題及發(fā)展前景

歐洲各國由于地理條件及人口的壓力對水資源的需求日益旺盛，其相關政策又為膜技術的應用提供了很好的契機，有關膜技術的研究也日益增多。但還存在以下問題:1)當前有關膜技術的研究主要集中于法國、德國、西班牙等歐洲少數(shù)國家;2)歐洲膜市場的競爭主體主要為德國的膜生產商，其他國家比例較小，與其應用范圍不符;3)當前歐洲膜市場主要在中歐和東歐國家，存在區(qū)域發(fā)展不平衡的問題。

當前歐洲的膜產業(yè)主要集中于MBR 與海水淡化，且近幾年增長勢頭迅猛。MBR 已經被歐洲許多國家認為是“最佳可利用技術”，且該技術在整個污水處理市場中有很強的競爭力，今后會逐漸向其他區(qū)域轉移，而轉移的驅動力主要是終端用戶［19］。近年澳大利亞、希臘、西班牙、英國在歐洲海水淡化市場所占份額日益擴大。市場競爭主體相對集中，新興力量不斷突起。市場的競爭、政策的扶持和日益嚴格的用水標準也為膜技術的應用提供了廣闊的空間。

3 對我國膜發(fā)展的啟示

中國膜產業(yè)經過50 多年的發(fā)展已逐漸走向成熟。膜產業(yè)總產值已從1993年的2 億元上升到2010年的300 億元［6］。2012年科學技術部印發(fā)的《高性能膜材料科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》指出，到2015年膜產業(yè)產值將達千億元的規(guī)模［20］。我國膜產業(yè)在最近15年得到了高速發(fā)展，但同歐洲、美國、日本等國家相比，還存在一定差距。因此，為保證我國膜市場的高速、有序發(fā)展，需要積極借鑒國外發(fā)展經驗。

(1)我國省份分布與歐洲國家分布類似，都存在數(shù)量多、經濟發(fā)展水平不一的特點。因此，需借鑒歐洲膜產業(yè)的發(fā)展規(guī)劃，通過經濟與技術的調節(jié)手段綜合協(xié)調各區(qū)域的發(fā)展。

(2)重視政策、標準的規(guī)范和導向作用。膜標準是膜產品進入市場的消費導向信息，是保證膜產品質量、規(guī)范膜行業(yè)市場的有力手段。而我國當前膜標準還存在很多漏洞與不足，需盡快形成合理的標準體系。

(3)提升膜企業(yè)競爭力，培育龍頭企業(yè)。當前西門子、諾芮特等歐洲膜供應商競爭力強，在全球范圍內都有較大市場份額。而我國膜企業(yè)普遍規(guī)模較小、研發(fā)能力弱、資金短缺，年產值億元以上的企業(yè)僅占4%，且大都有外資投入的背景。而膜企業(yè)的知名度直接影響到我國膜行業(yè)在國際市場的影響力，因此，急需通過政策與資金的扶持培育有影響力的膜企業(yè)。

4 結語

歐洲國家在淡水資源量極度匱乏的情況下，首先考慮將經膜技術處理的城市污水作為第二水源緩解對淡水資源的需求，該策略對我國有重要啟示。歐洲主要國家投入大量人力、物力進行膜技術的研究，為其技術的創(chuàng)新與更好地應用提供了有力保障。同時，政策的扶持與市場的競爭催生了一大批在世界膜市場中具有競爭力的膜企業(yè)，在國際市場中為其膜產業(yè)建立了良好的口碑。雖然我國膜產業(yè)發(fā)展迅速，但區(qū)域發(fā)展不平衡現(xiàn)象仍比較突出。當前膜企業(yè)存在門檻較低、規(guī)模小、競爭力弱的特點。因此，借鑒歐洲各國膜產業(yè)的發(fā)展與應用經驗，我國應加大對膜技術的科研投入，提高膜企業(yè)的研發(fā)能力，生產質量過關、性能優(yōu)良的膜產品，充分利用市場的競爭需求，同時加以政策扶持，加速我國膜企業(yè)在國際市場中的崛起，最終，依靠在國際市場中具有競爭力的膜企業(yè)帶動我國膜行業(yè)的整體發(fā)展。

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