欧洲膜技术的研究与应用

陈亚楠，于淼，沈志鹏，郑祥*

1.中国人民大学环境学院，北京 100872

2.中国人民大学图书馆，北京 100872

欧洲大部分国家，由于国土面积狭小，地面水体径流较短而导致水体自净能力较差，水生生态系统较为脆弱，易受污染［1］。且欧洲国家的淡水资源总量同许多国家相比均属于严重缺水型(表1)，远低于世界人均淡水资源量(6 122.6 m3)。而地下水的过度开采和长期的干旱少雨使整个欧洲国家面临更加频繁和严重的干旱［2］。2009年以来的数据表明，占欧洲人口18%的9 个欧洲国家(比利时、保加利亚、塞浦路斯、德国、意大利、前南斯拉夫的马其顿共和国、马耳他、西班牙和英国)被认为用水极度紧张［3］。

表1 欧洲主要缺水国家人均淡水资源量［4］Table 1 Water resources average amount per capita in some European water-scarce nations

欧洲国家的市政污水(含生活污水与工业废水)量大、成分相对稳定、季节性差异较小且易于收集，因此将城市污水作为第二水源，进行深度处理与回用，以达到污水资源化的目的是目前欧洲各国废水处理业的发展趋势。膜系统由于占地面积小，且出水水质好［5］，被越来越多的欧洲国家用于市政污水与工业废水的处理，有关膜的研究也日益增多。我国人均淡水资源量也仅有2 813 m3，是世界人均淡水资源量的1/3，高效的水处理技术，尤其是膜技术对缓解我国的用水紧张状况至关重要。因此，了解欧洲国家膜技术的研究与应用现状，借鉴其发展经验，对我国膜技术的应用有重要的指导作用。

1 当前欧洲膜研究概况

1.1 研究概况

利用Web of Knowledge 平台的Analyze Results工具对1993—2013年被SCI 数据库收录的关于膜技术的文献进行计量分析(图1)发现，该期间SCI 共收录主题为反渗透(reverseosmos 或reverse osmos)、纳滤(nanofiltrate 或“nano filtrate”)、超滤(ultrafiltrat 或“ultra filtrat”)和微滤(microfiltrat 或“micro filtrat”)4 种膜过程的论文34 188 篇，共来自136 个国家和地区。论文发表量＞1 000 篇的有美国、中国、法国、德国、日本、英国、加拿大、西班牙、韩国、意大利、荷兰等11 个国家，欧洲国家与美国的论文发表量所占份额较大(图1(a))。欧洲国家中法国、德国、意大利、西班牙、英国、荷兰等6 个国家的论文发表量占欧洲国家论文发表总量的67%(图1(b))。

图1 膜技术论文发表量文献统计(1993—2013年)Fig.1 Literature statistics of public papers about membrane technology (1993-2013)

从国家/地区论文发表量年度变化来看，欧洲国家多年来发表的论文数量稳中有升，且占据主要地位。从1993年的559 篇飞速增长至2013年的1 109篇(图2)。从论文引用情况看，英国、法国、德国论文的总被引频次、篇均被引频次和H 指数均仅低于美国，而领先于其他国家。以英国为例，其论文发表量仅为日本的75.6%和中国的42.0%，但被引频次与中国和日本两国的统计值接近。

图2 国家/地区论文发表量年度变化(1993—2013年)Fig.2 Annual change of paper number in different countries/regions (1993-2013)

1.2 研究机构实力比较

在论文发表量排名前20 的研究机构中，欧洲国家占据6 个，其中法国和荷兰各2 个，意大利、比利时各1 个。图3 显示论文发表量排名前10 位国家的研究机构数，其中，法国和德国发表SCI 论文的研究机构均超过1 000 个，说明膜技术在这2 个国家已得到广泛的研究。

2 欧洲及我国膜技术应用状况

2.1 主要膜技术概况［6］

欧洲膜市场市值在10 亿美元以上，其中在医药和生物技术方面的应用最多，其次为食品和饮料。德国是膜生产用机械设备制造大国，也是该地区最大的膜市场，约占欧洲膜市场总额的30%。

图3 论文发表量排名前10 位国家发表论文的研究机构数(1993—2013年)Fig.3 Numbers of researcher institutions published paper in countries on the top ten list(1993-2013)

微滤(MF)/超滤(UF)占欧洲整个膜市场份额的50% ～60%，在化工过程的分离与精制，废水的净化处理及膜生物反应器中应用广泛。欧洲整个膜市场中，微滤膜占主导地位，约占其销售总额的46%，其次是超滤膜，约占销售总额的23%。2006年的统计数据表明，欧洲应用MF/UF 膜的地域占MF/UF 膜全球应用地域的19%，仅次于美洲与环太平洋国家。随着各种行业，尤其是制药工业各项标准的日益严格，微滤膜将会有更大的发展空间。反渗透膜和纳滤膜共占整个膜市场份额的17%，电渗析为11%。近年来纳滤膜得到了很快的发展，但与微滤、超滤和反渗透膜相比，纳滤膜在欧洲总销售额中所占比例仍较小。

2.2 膜技术在污、废水处理中的应用

早在20 世纪90年代欧洲就已经开展了污水深度处理与回用的普及，膜生物反应器(MBR)开始应用于欧洲的工业废水处理也是在20 世纪90年代初期［7］。1996年膜生物反应器开始应用于城市污水的处理。2002—2005年的3年间，欧洲MBR 污水处理工程的数量以70 个/a 以上的速度增加，其中工业废水MBR 处理系统50 个/a 以上，城市污水MBR处理系统20 个/a 以上［8］。截至2010年，欧洲已有500 多个处理能力＞20 m3/d 的工业废水处理工程投入运行，平均处理能力为180 m3/d(图4)［8］。同欧洲国家相比，MBR 在中国的应用研究起步较晚，但由于中国对MBR 技术有比较迫切的需求及膜材料价格的稳步下降，在中国城市污水的处理与回用中，MBR 已成为一种很有吸引力和竞争力的技术选择，并已进入大规模商业化应用阶段。密云污水处理厂再生水厂(45 000 m3/d)、内蒙古金桥污水处理厂(31 000 m3/d)、北京北小河污水处理厂(60 000 m3/d)和北京温榆河污水处理厂(100 000 m3/d)等大型MBR 污水处理工程近几年已相继投入运行。据估计，中国今后5年内MBR 技术产业仍将以20% ～30%的年增长率高速发展。

图4 欧洲MBR 工程数量Fig.4 Quantity of MBR engineering in European

与城市污水处理相比，MBR 在工业废水处理中更有竞争力，现已成功应用于食品、啤酒、石化、屠宰、医药、垃圾渗沥液等工业废水的处理［9］。MBR既适用于难处理的工业废水，也适用于以再利用为目标的废水处理。垃圾渗沥液和海运处理是MBR应用得相对较好的2 个部分。按照装置数量计算，MBR 在欧洲各种工业废水处理中应用的比例如图5所示［6］。

图5 MBR 在欧洲工业废水处理各领域的应用情况Fig.5 Application of MBR in European industrial wastewater treatment

2005年，欧洲17 个国家有MBR 的应用，共有483 个MBR 工程应用案例，其中在德国的应用最多，共101 个MBR 处理设施，其次为意大利和英国，分别有84 和82 个MBR 处理设施［7］。到2008年，MBR 在欧洲的应用发展迅速，已由原来的17 个国家发展到24 个国家，MBR 工程应用达到801 个，增长了65.8%。其中MBR 工程应用增加最多的是意大利，增加到149 个，是欧洲应用MBR 最多的国家;其次是德国和英国，MBR 处理设施分别为132 和123 个［6］;而西班牙从原来的47 个MBR 处理设施增加到111 个［10］，这与西班牙日益严格的回用水水质标准密切相关［11］，西班牙现行的回用水水质标准(Royal Decree 1620/2007)甚至严于一些国际标准，而MBR 中丰富的功能菌群，显著强化了对常规的氮磷等指标的去除效果［12］，提高了出水水质(图6)。与欧洲国家相比，中国对于MBR 的需求更为迫切，市场潜力巨大。但在中国MBR 主要用于城市污水的处理与回用，其次为高浓度有机废水及难降解工业废水［13］。目前北京温榆河污水处理厂、广州京溪污水处理厂、湖北十堰神定污水处理厂、北京清河再生水厂二期工程等规模在10 万m3/d 的MBR 污水处理工程已相继投入运行［6］。在难降解有机物工业废水方面，我国MBR 工程处理能力也已由原来的几十t/d 提高到现在的数千t/d，甚至更高。广东大亚湾石化区污水处理厂、鄂尔多斯羊绒集团废水处理工程、中石化洛阳石化炼油污水处理工程等数十个污水处理设施的日处理能力均在万t 以上［13］。

图6 欧洲主要国家MBR 应用比例Fig.6 Applicational proportion of MBR in European major countries

纵观欧洲主要国家MBR 发展应用历程(表2)可以发现，意大利MBR 起步较早，且发展稳定，而西班牙虽起步较晚，但发展迅猛，据估计，2005年西班牙的MBR 市场市值约13 亿美元。MBR 技术在英国的市政污水及工业废水领域均已有10年以上的运行经验，故市场已相当成熟。由于欧盟立法严格和土地资源紧张，MBR 技术在意大利、德国、西班牙、英国等欧洲国家仍有很好的发展前景。

表2 欧洲主要国家MBR 应用发展概况［6］Table 2 Application and development situations of MBR in European major countries

图7 欧洲大型市政MBR 水厂地域分布［2］(＞5 000 m3/d)Fig.7 Geographic distribution of large municipal administration MBR plants (＞5 000 m3/d)

随着MBR 技术的进步，欧洲建立了越来越多的大型市政水厂。2005年，大多数欧洲国家的MBR 水厂的服务人口＞500 人。截至2008年，欧洲已建成32 座处理能力＞5 000 m3/d 的市政水厂［2］。图7 为欧洲处理能力＞5 000 m3/d 的市政水厂的地域分布(截至2008年)。从图7 可以看出，西班牙处理能力＞5 000 m3/d 的市政水厂所占比例最大，为8 座;其次是英国与德国，均为6 座。从其布局来看，大型MBR 市政水厂还集中于少数缺水的欧洲国家。

2.3 膜技术在海水、苦咸水淡化中的应用

图8 欧洲的主要海水淡化厂分布［14-17］Fig.8 Distribution of desalination projects in Europe

从世界海水淡化市场来看，欧洲海水淡化约占13%。观察欧洲海水淡化所采用的技术可以发现，1960—1985年以热法为主，而1985—2007年间膜法海水淡化厂数量急剧增加，尤其在西班牙，采用反渗透的海水淡化厂较多，规模最大的产水量甚至达到百万t/a。另外，地中海的气候导致地中海沿岸淡水资源相对紧缺，因此欧洲的淡化厂主要分布在地中海沿岸。此外，德国、英国、荷兰、法国等非地中海沿岸国家中，也有较多海水淡化的应用(图8)。

尽管海水淡化的方法有很多种，目前能供大规模工业选用的方法仍然只有膜法和蒸馏法。膜法，尤其是反渗透法所占的比例最大(图9)，纳滤(NF)膜也有少量的应用［15-18］。

图9 近年欧洲新增海水淡化项目情况［13-16］Fig.9 The new added desalination projects in Europe in recent years

欧洲国家中西班牙、英国、希腊、意大利、土耳其等海水淡化发展迅速。2007—2011年西班牙海水淡化项目数量由30 多个迅速增加到130 多个(图10)。西班牙作为地中海区域比较干旱的国家，水资源相对不足，而欧盟把海水淡化作为区域政策重点，对地中海沿海成员国在海水淡化工程建设方面给予资金支持，并对西班牙的海水淡化工程项目提供了80%左右的资金支持。因此，西班牙积极开发淡化水，并成为欧洲最大的淡化技术使用国家。目前，西班牙在印度、中东和北美的淡化市场占据第一的位置，其淡化技术给数百万人提供了清洁水源。

意大利属于长期缺水的国家，其海水淡化主要集中于西西里岛。西西里岛面积较大，人口众多，1970年就开始采用淡化技术。目前已有27 套淡化装置，2008年产水量为13.5 万t/d，占饮用水总量的15% ～20%。而英国的海水淡化应用较晚，气候变化及人口膨胀所引起的淡水资源紧缺迫使其寻求海水淡化技术。总体来说，欧洲海水淡化市场发展迅速，但区域不平衡的特点也十分明显，其与一个地区的水资源状况、气候条件、经济发展水平及政府的政策扶持力度等因素都息息相关。

图10 近年欧洲主要国家新增海水淡化项目数［14-17］Fig.10 The new added desalination projects in major countries of Europe in recent years

由于我国淡水资源贫乏，且时空分布不均，沿海尤其是北方沿海地区和海岛水资源短缺问题异常严重。而海水淡化是稳定的水资源增量技术，在保障水资源可持续利用方面具有重要意义。目前反渗透膜(RO)已凭借工程稳定可靠与造水成本低廉的优势占据了我国海水淡化的主要市场份额(67%)。我国已建成的海水淡化工程能力已达到60 万m3/d。规模在100 m3/d 的装置40 套左右，拟建、在建工程处理能力约为90 万m3/d。我国已建成16 个万吨级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项目、天津的10 万m3/d 海水淡化项目和东莞的咸苦水淡化项目等。而《国务院办公厅关于加快发展海水淡化产业的意见》指出，2012—2015年，我国海水淡化能力应达到220 万～260 万m3/d。

2.4 市场竞争主体概况

在欧洲膜市场异常活跃的情况下，市场竞争也日趋激烈。当前欧洲膜市场的竞争主体有西门子、滢格、滨特尔、荷兰诺芮特等，其中以德国的公司居多，如Berghof、Wehrle 和Huber(表3)。西门子作为工业和基础设施行业的系统和解决方案集成商，以及工厂和项目的全球服务提供商，具有明显的竞争优势，其不同办公中心分工明确，各有所专。滨特尔(美国)是世界上最大的水处理设备制造公司，而滢格、诺芮特及德国的Wehrle 都偏重于膜技术。德国的Berghof 和Huber 都主要经营膜组件，二者均具有多年膜制造经验。

当前中国达到工业规模以上膜生产企业接近400 个，主要集中于华北(约100 个)与华东(约220个)地区，其中北京、上海、江苏、深圳最多，而新疆、内蒙等西北地区则相对较少。企业规模普遍较小，目前我国300 亿元的膜产业市场被上千个企业分割，产值过亿的规模企业则很少。北京中关村的膜知名企业以内资特别是民营资本为主，而上海的膜知名企业以外资为主。在中国膜市场中，大部分市场份额被国外品牌占领。如用量最大，占膜行业市场份额56%的反渗透膜市场中，国外品牌占85% ～88%。但随着我国反渗透技术的逐步成熟，反渗透国产品牌的市场占有率已由2005年的2% ～3%上升至2010年的13%以上，局部地区国产反渗透膜的应用率已达20% ～40%。在我国制造膜技术不断创新的情况下，也涌现出了一批具有竞争力的膜企业，如立昇、坎普尔、特里高、时代沃顿等公司的膜产品与工程业绩已遍布全球。

表3 膜市场竞争主体概况Table 3 The main competitional body membrane market

2.5 存在问题及发展前景

欧洲各国由于地理条件及人口的压力对水资源的需求日益旺盛，其相关政策又为膜技术的应用提供了很好的契机，有关膜技术的研究也日益增多。但还存在以下问题:1)当前有关膜技术的研究主要集中于法国、德国、西班牙等欧洲少数国家;2)欧洲膜市场的竞争主体主要为德国的膜生产商，其他国家比例较小，与其应用范围不符;3)当前欧洲膜市场主要在中欧和东欧国家，存在区域发展不平衡的问题。

当前欧洲的膜产业主要集中于MBR 与海水淡化，且近几年增长势头迅猛。MBR 已经被欧洲许多国家认为是“最佳可利用技术”，且该技术在整个污水处理市场中有很强的竞争力，今后会逐渐向其他区域转移，而转移的驱动力主要是终端用户［19］。近年澳大利亚、希腊、西班牙、英国在欧洲海水淡化市场所占份额日益扩大。市场竞争主体相对集中，新兴力量不断突起。市场的竞争、政策的扶持和日益严格的用水标准也为膜技术的应用提供了广阔的空间。

3 对我国膜发展的启示

中国膜产业经过50 多年的发展已逐渐走向成熟。膜产业总产值已从1993年的2 亿元上升到2010年的300 亿元［6］。2012年科学技术部印发的《高性能膜材料科技发展“十二五”专项规划》指出，到2015年膜产业产值将达千亿元的规模［20］。我国膜产业在最近15年得到了高速发展，但同欧洲、美国、日本等国家相比，还存在一定差距。因此，为保证我国膜市场的高速、有序发展，需要积极借鉴国外发展经验。

(1)我国省份分布与欧洲国家分布类似，都存在数量多、经济发展水平不一的特点。因此，需借鉴欧洲膜产业的发展规划，通过经济与技术的调节手段综合协调各区域的发展。

(2)重视政策、标准的规范和导向作用。膜标准是膜产品进入市场的消费导向信息，是保证膜产品质量、规范膜行业市场的有力手段。而我国当前膜标准还存在很多漏洞与不足，需尽快形成合理的标准体系。

(3)提升膜企业竞争力，培育龙头企业。当前西门子、诺芮特等欧洲膜供应商竞争力强，在全球范围内都有较大市场份额。而我国膜企业普遍规模较小、研发能力弱、资金短缺，年产值亿元以上的企业仅占4%，且大都有外资投入的背景。而膜企业的知名度直接影响到我国膜行业在国际市场的影响力，因此，急需通过政策与资金的扶持培育有影响力的膜企业。

4 结语

欧洲国家在淡水资源量极度匮乏的情况下，首先考虑将经膜技术处理的城市污水作为第二水源缓解对淡水资源的需求，该策略对我国有重要启示。欧洲主要国家投入大量人力、物力进行膜技术的研究，为其技术的创新与更好地应用提供了有力保障。同时，政策的扶持与市场的竞争催生了一大批在世界膜市场中具有竞争力的膜企业，在国际市场中为其膜产业建立了良好的口碑。虽然我国膜产业发展迅速，但区域发展不平衡现象仍比较突出。当前膜企业存在门槛较低、规模小、竞争力弱的特点。因此，借鉴欧洲各国膜产业的发展与应用经验，我国应加大对膜技术的科研投入，提高膜企业的研发能力，生产质量过关、性能优良的膜产品，充分利用市场的竞争需求，同时加以政策扶持，加速我国膜企业在国际市场中的崛起，最终，依靠在国际市场中具有竞争力的膜企业带动我国膜行业的整体发展。

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