产业观察 | 分离膜，分出碧水蓝天

原创： 冯玉仲 华夏幸福产业研究院

封面图片来源：Photo by Daniele Levis Pelusi on Unsplash

1 分离膜是什么？

膜技术是膜分离技术的简称，是通过人工材料(膜材料)实现不同介质分离的技术。膜分离是以对组分具有选择性透过功能的膜作为分离载体，通过在膜两侧施加一种或多种推动力，使原料中的组分选择性地优先透过膜，从而达到混合物分离，并使产物提取、浓缩、纯化等的一种新型分离过程。膜的分离精度主要取决于其过滤孔径大小，可分为微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)、反渗透(RO)膜。膜技术广泛用于环境、能源、电子、医药等各个方面。

图1 膜分离原理示意图

由于膜技术可以去除常规处理工艺难以去除的水污染物，在水处理领域的应用越发受到重视。不同种类的膜技术分别应用于不同的细分领域，主要包括市政污水处理及再生、自来水处理、工业水回用、海水淡化、家用净水器等领域。分离膜在水处理领域的应用是通过膜组件来实现的，所谓膜组件是将膜材料以某种形式组装在一个基本单元设备内，通过较小体积扩大膜面积和提高膜的工作效率的装置。安装膜组件的制作方式可以分为平板式、卷式、管式、中空纤维式四种。

2 膜法水处理有哪些不同方式？

膜法水处理的应用领域不同，其所采用的膜组件也不尽相同。例如，膜生物反应器(MBR)，其主要工艺原理是用超/微滤膜分离技术取代传统活性污泥法的二沉池和常规过滤单元，实现高效的固液分离和生物菌群的截留，经其处理后的出水可以直接达到高品质再生回用水标准。该组件多用于污水排放标准高的传统污水厂提标改造、扩建工程，或新建紧凑高效型的污水处理系统，也是市政污水处理领域的主要手段。

连续膜过滤(CMF)，是以中空纤维超/微滤膜组件为中心处理单元，配以特殊设计的管路、阀门、自清洗单元、加药单元和自控单元等，形成闭路连续操作系统，原水在一定压力下透过微滤/超滤膜进行过滤，达到物理分离净化的目的。

浸没式膜过滤(SMF)，是超低压中空纤维膜技术与连续膜过滤技术相结合而派生出来的一种新型的膜过滤处理工艺。它使用开放式中空纤维膜组件，将膜直接置于充满待处理水的膜池之中，通过泵的负压抽吸和大气压力，使水透过膜表面，从中空纤维膜内侧抽出，达到过滤净化的目的。

CMF和SMF主要用来处理相对清洁的水，如地表水、地下水、污水处理厂或预处理后尾水、海水淡化和纯水制备过程中反渗透(RO)膜组件的前处理水等。

双向流膜过滤(TWF)，是在膜分离过程中，通过对原水的进出方向进行周期性倒换，在分离过滤的同时，利用原水对污染较重的一端进行清洗，以保持膜的良好通透效果，达到持续稳定地进行原水分离净化的效果，该类组件主要应用在工业深度废水处理领域。

3 膜法水处理产业链

膜法水处理产业链主要包括膜材料的研发和制作、膜组件的制作、膜法水处理成套解决方案、膜法水处理运营和维护等。

图2 膜法水处理产业链示意图

产业链上游主要是膜材料、膜组件制作。主要包括反渗透、纳滤、超滤、微滤膜材料的制作以及中空纤维式膜组件、平板式膜组件、卷式和管式膜组件的制作。上游膜材料的性能和价格直接影响膜组件设备的性能、膜法水处理工艺的优化空间和水处理设施的投资成本与运营费用。膜材料/膜元件制作和研发在整条产业链中拥有更高的技术先进性和盈利性。

产业链中游主要是工程的技术设计、工艺设计、工程建设。主要包括膜生物反应器(MBR)、连续膜过滤系统(CMF)、浸没式膜过滤(SMF)和双向流膜过滤技术(TWF)的技术设计、工艺设计和工程建设施工。

产业链下游主要是水处理设施的运营、维护。主要涉及给水处理、污水处理、海水淡化、超纯水制作以及膜的清洗、更换等。

产业链上游的膜材料和组件制作约占整个水处理产业链50%以上的收入和利润；中游的技术设计等环节约占整个水处理产业链40%的收入和利润；下游的运营和维护约在10%左右。

4 膜技术创新格局

随着分离膜应用需求不断增加，膜市场的迅速扩大也带动了膜技术研究和创新的高速发展。反渗透膜和超滤膜是整个分离膜行业的研究热点领域，分离膜技术全球专利近20年呈现快速增长。近三年来，超滤膜专利已经占整个分离膜专利的28.6%，同时反渗透膜专利占整个分离膜技术专利更是高达35.7%。

图3 膜技术全球专利申请趋势对比分析

资料来源： 华夏幸福产业研究院

从膜技术专利分布区域来看，膜技术专利主要分布在中国、日本、美国、韩国及欧洲。中国以反渗透膜和超滤膜为主，日本、韩国以反渗透膜为主，美国和欧洲以离子交换膜为主。同时中国的反渗透膜技术专利主要分布在以广东为主的珠三角和以浙江、江苏为主的长三角区域。笔者认为，反渗透膜技术壁垒远高于超滤膜和其他类型分离膜，同时反渗透膜也属于寡头竞争格局，国产化率较低，故而近年来一直是分离膜研究的热点。

图4 膜技术专利分布国家和地区分析

资料来源： 华夏幸福产业研究院

图5 中国膜技术专利主要区域分布

资料来源： 华夏幸福产业研究院

5 分离膜产业未来预期

近年来，我国分离膜产业发展较快，未来竞争也将更加激烈，并呈现如下几个特点：

1) 膜材料成本逐渐下降

在当前市场，膜技术在污水处理行业推广应用面临最重要的制约因素是成本较高。随着膜技术研发和应用的不断推进，加上国产替代趋势愈发明显，膜材料及膜技术应用成本都趋于下降。膜材料价格不断下探，不仅拓宽了膜法水处理应用范围，膜产品在污水处理领域大规模应用将成为现实。

2) 膜法技术发展空间大

城镇污水处理和城镇供水是膜法水处理技术的主要应用场所，绝大多数膜法城镇污水处理厂使用MBR技术，大部分膜法城镇水厂采用微滤膜，部分出水指标较高的水厂同时使用反渗透膜。另外，未来在工业污水处理以及再生水领域，膜法技术也将有较大发展空间，预计2022年分离膜的市场将达到3600亿元。

3) 膜元件生产高端化

膜元件生产和研发一直是整个膜法水处理产业链的核心，占据利润金字塔顶端位置。目前低端膜市场国产化程度逐步升高，但由于技术壁垒下降，竞争趋于激烈，导致利润率逐步下降。反观高端膜市场，由于技术差距，大部分市场份额仍然被国际品牌占领，利润率维持在较高水平。高利润必将吸引更多企业进入，膜元件生产向高端发展是大势所趋。

4) 向全产业链延伸

膜法水处理产业链由膜元件研发和制作、膜组件制作、成套解决方案提供、运营和维护等几部分组成。由其中一点切入，向全产业链延伸，可以迅速扩大公司营业收入和利润总额，带来公司的高速成长，同时塑造品牌形象，提高抗风险能力，降低平均成本。因此，向全产业链延伸是行业发展的另一大趋势。

展望未来，分离膜技术在环保领域的应用日新月异，我国膜产业发展的更是如火如荼。除了在水处理领域，膜技术在大气治理等领域的应用空间也将越来越大。随着生态文明建设各项工作的逐步推进，分离膜技术和膜产业将成为我国经济发展重要的新动能，同时也将成为我国环境保护的重要手段。祝愿中国的膜产业发展越来越好！