反滲透純水技術的現狀、發展與研究

    近年來我國匯率穩定，關稅下調，國外膜廠商在國內市場上激烈的價格競爭，國內代理商價格水分的不斷擠出，配套產品的逐步國產化，均促使膜及其配套產品的市場價格及反滲透系統的工程造價一再下降。與此同時，我整體國力及企業購買力增強，個人消費水平提高，從另一方面促進了反滲透技術的廣泛普及，促進了直飲水、市政供水及各工業行業先后接受了反滲透技術及其產品，形成了各自行業技術進步的重要環節。進而對國內整體工業進步起到了一定的促進作用。

⑵ 反滲透膜產品 
    就反滲透膜的結構形式而言，中空膜、管式膜、板式膜的市場相對狹窄，致使美國杜邦公司(Du Pont)已經停止其中空膜的生產，日本東洋紡(Toyobo)的中空膜在國內的銷量也極其有限，而因卷式膜的預處理要求低、處理水源范圍寬、應用范圍廣泛、市場巨大，使卷式膜幾成反滲透膜的代名詞。在膜材料方面，由于醋酸纖維膜的工作壓力高、脫鹽率低等缺陷，已基本退出市場，低壓與超低壓芳香聚酰胺復合膜已成為市場的絕對主流。而膜產品的發展動向，是朝著低污染膜、正電荷膜、鈉濾膜等多品種多用途方向發展。

    海德能公司的低污染膜（LFC1、LFC3系列）具有較強的化學抗污染性能，是在原有的聚酰胺復合膜上再復合一層抗污染材料，使原來帶負電荷的膜表面呈電中性，同時提高其親水性，從而有效提高了膜的抗有機物污染能力。陶氏化學公司的低污染膜（BW30-FR系列）具有較強的物理抗污染性能，它提高膜表面的光滑度，加大膜元件進水隔網層厚度，使膜表面的紊流減小、流速加快，從而有效提高了膜的抗微生物污染能力。在地表水、中水、污水處理及其它溶液的濃縮、提純處理等方面，低污染膜具有獨特功效，自98年進入國內市場以來日益受到重視，普及速度很快。近年來出現的正電荷膜的膜表面帶有正電荷，可更有效的去除陽離子，用于第二級反滲透時，可有效提高全系統的脫鹽率，使之達到1μS / cm以下電導率的系統產水水質要求。納濾膜在嚴格意義上不屬于反滲透膜范疇，其膜材料品種繁多不僅限于芳香聚酰胺，膜的質量考核可以是病毒、細菌、胺氮、BOD等多種指標而不僅限于低脫鹽率，因此納濾膜的用途十分廣泛，有待大力開發。

⑶ 反滲透膜市場 
    在RO膜產品市場方面，美國海德能公司(Hydranautics / Nitto Denko)與美國陶氏化學公司(Dow Chemical / Filmtec)的膜產品占據了目前國內市場約80%，其余國外膜廠商，如美國Koch / Fluid System、Osmonics / Desal、Trisep、韓國世韓(csm / Saehan)、日本東麗(Toray)等公司共占據了約20%的市場。這一狀況表明，具有大規模生產能力的國際卷式膜廠商無一例外地登陸了國內市場，并占有一席之地。國內從60年代開始研制RO膜（中空、卷式），當時的技術發展幾與世界水平同步。隨后若干年中，國內水平逐步落后于國際水平，自80年代開始引進國外膜生產線。目前以葫蘆島玉柴北方膜工業有限公司為代表，尚有4～5家企業具有一定生產能力，但在國內膜市場中的占有率不足2 %。

    各類卷式膜的國內銷售額自1996至2001年約分別為200、500、800、1000、1500、2500萬美元，2002年的銷售額估計為3000萬美元。全球RO膜銷售額2001年約為5億美元，排除地區價差與品種價差，國內膜銷售數量約為全球銷售數量的10 %。2001年海德能公司率先在上海（松江）投資建廠生產卷式膜，產品已于2002年5月投入國內市場。相信其它國外膜廠商也將陸續在國內建廠。國內一些新興的膜生產企業也正在杭州、貴陽等地加緊建廠，其產品不久將面市。屆時國內膜市場將進一步擴大，競爭也將更加劇烈，而國內膜技術的相關下游產業將是最大的收益者。

⑷ 反滲透膜應用 
    在RO膜的應用領域中，投產于80年代的美國YUMA水廠（處理運河水），以其28萬噸的日處理水量仍保持在世界反滲透膜水處理工程規模之首。海水淡化是反滲透技術應用的重要領域之一，在全球范圍內生產規模超過10萬噸/每天的三項最大的海水淡化工程分別建于阿聯酋、沙特與西班牙，其中2002年剛投入運行的阿聯酋Fujairah水廠的處理能力高達14萬噸/每天。據不完全統計，目前全世界用反滲透技術生產的純水超過1,200萬噸/每天。相比之下，我國的生產總量及單項工程規模雖屬初級水平。但發展速度很快，市場潛力巨大。據保守估計，目前國內工業用產水量超過100m3/每小時的反滲透系統已超過200套。已建成的最大工程是滄州化工廠750m3/每小時的14,000ppm亞海水淡化工程，使用的是玉柴北方膜公司生產的國產膜。2002年在建的最大工程是上海寶山鋼廠與太原鋼廠的兩套2,000m3/hr級軋鋼用水系統。電力行業的最大項目是煙臺與大連的100m3/每小時電廠用水工程。桶裝、瓶裝水反滲透生產線產水量超過500m3/每天的已有十幾套，最大的為1,000m3/每天。預計近兩年內將在山東、大連出現日產萬噸的飲用水生產系統。由于經濟與地理等因素的影響，反滲透工程項目在山東省與大連地區較為集中。隨著我國北方地區干旱化的加劇及工業、民用對水量、水質要求的不斷提高，膜法海水淡化必然從現在的船用、島用為主向工業、市政領域發展，市場的潛力巨大。

⑸ 反滲透配套產品 
    與膜產品市場同步發展的是其配套產品市場。ARGO的阻垢劑、GRUNDFOS與DP的立式多級離心泵、PROCON與NOCCHI的葉片泵、CODELINE的膜壓力容器、AUTOTROL與FLACK的軟水器多路閥、PARK與STRUCTURE的玻璃鋼濾桶、BLUEWHITE與KING的面板式流量計等眾多國外配套產品，曾一度獨霸膜配套產品市場。在國內膜代理商及同類配套產品生產商的一致及不懈努力之下，上述膜配套產品逐步實現著國產化。目前產品質量基本過關，市場價格大幅下跌。部分產品還銷往美國等產品原產地，為本行業的發展開辟了一個嶄新的領域。
二、反滲透技術領域的發展
⑴ 企業的發展 
    反滲透技術相關的純水設備制造行業2001年度銷售收入估計已達到80億人民幣。標志著反滲透設備制造與純水制備行業成為國內高速持續發展行業的一員。在上海、北京、廣州、深圳、天津、杭州、湖州、西安等地均涌現出一批以RO膜技術為中心的產品代理、設備制造、工程安裝及配套產品生產的專業企業群。這一行業經過近十年的高速發展，已開始步入平穩發展期，盡管營業額還在快速增長，經營利潤的增長已趨緩定。目前全行業企業面臨的一個基本問題是在作好市場的同時，深入研究產品與技術，從集約化經營中尋求發展。

    面對如此巨大且持續發展的膜產品市場。面對入世壓力、與外企國內建廠的嚴峻形勢，我國膜生產行業的技術與材料國產化的步伐緩慢。玉柴集團收購北方膜工業有限公司之舉讓業內人士看到了光明，但要真正形成科研能力需企業的超常努力。而欲達到一定分額的市場占有率，尚需國人如同對待配套產品那樣給予足夠的信任與熱情。對設備制造業而言，設備制造企業及其配件制造廠商均缺乏有效的行業協會的組織協調，價格的無序競爭使行業的發展受到極大的限制。由于種種原因，業內企業除受到市場競爭的壓力之外，還受到內部頻繁分化的威脅，難于形成具有國際競爭力的行業旗艦式企業。而只有依靠旗艦式企業，國內的大型工程才不致輕易落入外資大型企業囊中，才能大舉進軍國外RO水處理工程與產品市場。

    此外，國內企業必然向韓國、臺灣的企業界學習，把我們在國內市場中練就的經營技能用到經濟較為落后國家的市場中去。將我們企業間拼死搏殺的戰場轉到外線去，使開拓國內市場的輝煌在較落后國家重演。而這一進程的速度快慢、成功與否，在很大程度上決定于行業主干企業群的形成與發展。

⑵ 產品與市場的發展 
    純水設備制造與配套產品制造行業近年內將形成兩大發展趨勢，其一是繼續完成產品的國產化，不斷提高產品質量，在國內完善銷售網絡與銷售機制，實現規模化生產；其二是借入世之勢將國產化產品大舉推向國際市場。小型葉片泵、軟水器多路閥及專用儀器儀表的國產化必然加速。國內多家企業生產的4英寸有縫與無縫不銹鋼制膜壓力容器、哈爾濱玻璃鋼研究所的4、8英寸玻璃鋼制膜壓力容器、無錫天河給排水設備廠與杭州南方特種泵廠的立式多級離心泵、西安復合材料研究所的玻璃鋼濾桶、北京超綸公司的精濾濾材等產品均已具備了進軍國際市場的技術水平。國內技術普及率很高的中空纖維超濾膜，其產量巨大、價格低廉、市場占有率極高，使國外產品望之卻步；但其品種單一，缺乏高質高檔產品。該情況如有改觀，大舉進入國際市場指日可待。我們的產品走出國門不僅是相關企業生存與發展的需要，而且被證明是完全可行的，重要的是我們的企業界應把目光更多的放到國際市場上去。美國、日本、歐洲市場上大陸產商品已比比皆是,僅差膜配套產品的加盟。
三、反滲透工程技術的研究與系統優化設計
⑴ 面臨的問題 
    與RO工程項目形成的波瀾壯闊的浪潮相比，國內RO工程技術的研究相對薄弱與滯后，存在著許多亟待解決的問題。重要問題之一是要有國內知識產權的包括預處理在內的RO系統設計軟件，從而使關于RO應用技術的分散研究成果形成產品，并直接服務于系統設計。業內人事所關心的另一個重要問題是RO系統的設計與運行優化。對這樣一個基本問題的深入分析與討論，并用于工程設計與系統運行實踐，可提高反滲透系統的設計與運行水平，進而產生巨大的經濟效益。

    目前，RO系統的設計大多依賴于國外膜廠商提供的設計軟件，這些軟件對系統設計給予了很大幫助，但實質上僅是一種膜系統設計方案的運行模擬環境，不能夠自動提供可行設計方案，更不具備優化設計的能力，也未涉及至關重要的預處理系統。對于廣大中小RO系統的設計人員而言，系統地掌握優化設計的思想及其技術的難度很大。一種較為實用的方法是，針對不同的原水水質條件、產水流量與產水水質等要求，研制出一整套RO系統設計優化方案譜系。中小系統設計人員僅需根據設計要求，在該譜系中查找相應的優化方案，并在其基礎上根據具體情況，用現有的設計軟件進行有限地修正與驗算，則可迅速得到實用的優化設計方案。

⑵ 系統優化設計 
    研制這一優化設計方案譜系的工作量雖然很大，但通過筆者及合作人員的初期嘗試，證明這一設想是可行的。這里僅給出該設想的基本構架，供有志于此方向者參考。

    一個完整的RO純水制備系統可劃分為預處理系統與膜系統兩大部分，每部分又可劃分為設計、運行、清洗三大內容。因此完整意義的系統優化包括：
    預處理工藝結構優化。 預處理運行參數優化。 預處理清洗工藝優化。
    膜系統工藝結構優化。 膜系統運行參數優化。 膜系統清洗工藝優化。
    各部分優化模塊的關系見圖1。這里的每一項均是針對特定局部系統的特定內容，以特定費用最低為目標的最優化問題。
 
    膜系統運行參數優化與預處理運行參數優化，旨在模擬各種可選的預處理與膜系統工藝結構的運行工況，以求得各工況對應的最低運行費用，其結果應分別是一族對應不同工藝結構的最低運行費用曲線。預處理清洗工藝優化與膜系統清洗工藝優化，旨在模擬預處理與膜系統中對應膜及各濾材的不同污染或結垢深度的清洗工藝，以求得各工藝對應的膜及各濾材更換與清洗的最低費用，其結果應分別是一族對應不同污染或結垢深度的更換與清洗的最低費用曲線。
預處理工藝結構優化模型可定性地表示為：
    優化目標：預處理系統投資、運行費。材料更換費、清洗費、水費之和的總費用最低。
    優化約束：膜系統給水流量、膜系統給水污染指數、有機物、微生物含量等水質指標。
    優化求解：預處理系統工藝結構。
    水質條件：反滲透系統原水的污染指數、無機鹽、有機物、微生物等水質指標。
    設定數值：預處理系統運行費、材料更換及清洗費、原水水價。
模型中的預處理系統運行費、材料更換及清洗費分別由預處理運行參數優化和預處理清洗工藝優化兩模型給出。該優化結果為以膜系統給水流量為自變量的預處理系統最低費用曲線，且附加以膜系統給水水質水平為自變量的修正系數曲線。

膜系統工藝結構優化模型可定性地表示為：
    優化目標：膜系統投資、運行費、膜更換費、清洗費、給水水費之和的總費用最低。
    優化約束：系統設計要求的膜系統產水量及產水水質指標。
    優化求解：膜系統工藝結構。膜系統回收率。
    水質條件：膜系統給水污染指數、有機物、微生物含量等水質指標。
    設定數值：膜系統運行費、膜更換及清洗費、系統給水水價.

    模型中的膜系統運行費、膜更換及清洗費分別由膜系統運行參數優化及膜系統清洗工藝優化兩模型給出；給水中污染指數、有機物、微生物含量等指標由預處理工藝結構優化模型給出；預處理工藝中如配置軟水器、錳砂濾器等去離子設備，則膜系統給水無機鹽分布還受預處理工藝配置的影響。該優化結果為以RO系統產水流量為自變量的膜系統最低費用曲線，且附加以膜系統產水水質水平為自變量的修正系數曲線。

    如以膜系統給水污染指數（SDI）代表膜系統給水的非無機鹽水質指標，則對應特定的RO系統產水流量要求與特定的RO系統原水無機鹽水質條件，膜系統總費用是SDI指標的單調增函數，預處理系統總費用是SDI指標的單調減函數。合成兩個單調函數曲線，則形成特定工程的RO系統總費用曲線。合成曲線的最低點對應系統的最低投資、運行、耗材、清洗總費用；該點也同時對應著預處理與膜系統的最優工藝結構、最優運行參數、最優耗材更換期、最優清洗工藝。這就是圖1中反滲透系統總體優化部分的實質內容。
四、結束語
    本文前面的部分是筆者幾年從事反滲透純水設備制造行業的所知所見及自身的一些感受，希望達到與同業間交流之目的。關于反滲透技術研究方面提出的觀點，既是從業的體會，也是近年來從事教學與科研的成果。但所列數學模型尚屬定性描述，具體的研究工作正在逐步展開，本文旨在與業內人士就此方向進行討論。  
參考文獻：
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⑷ 王從厚、國外膜工業發展概況[J]、膜科學與技術、2002、（2）：P65-72　
靖大為，男，1954.3出生，天津市人，工學碩士，天津大學電氣自動化學院畢業，天津城市建設學院熱能工程系，碩士生導師，高級工程師。

信息來源： 靖大為 宋京