环保行业研究之膜法水处理行业发展分析


来自:诺津环保科技     发表于:2019-10-04 11:49:46     浏览:140次

从狭义上来讲,水处理一般指污水处理;从广义上看,水处理可以外延至给水处理、水务运营、污泥处理、中水回用、膜法水处理、海水淡化、黑臭水体治理、城市给排水规划、海绵城市等诸多概念。随着国民经济发展,居民环保意识增强,环保治理理念从“总量控制”向“质量控制”转变,我国水处理行业正在经历从“狭义水处理”向“广义水处理”的演进过程。

由于这种转变,市场的热点聚焦在“膜法水处理”、“海绵城市”、“污泥处理”和“黑臭水体治理”等专业化程度更高,更讲求治理效果的细分领域。本篇报告选取“膜法水处理”和“海绵城市”两个热点领域作为研究对象,对行业现状进行梳理。

由“狭义水处理”向“广义水处理”演进

膜法水处理相对于传统水处理方式具有能耗低、工艺简单、运行稳定和出水水质高等诸多优势,已经在很多领域获得推广应用。随着环保指导思想向“质量化”转变,污水排放指标趋严,预计膜法水处理行业仍将保持20%以上高速增长,年产值有望从2015年的850亿元,增长至“十三五”末的约2000亿元。

膜法水处理技术优势明显,应用领域广阔

膜是一种具有选择性分离功能的材料,形式可以是固态、液态或气态,存在于两流体之间或附着于支撑体或载体的微孔隙之上。膜分离技术是指以膜为分离介质,通过在膜两侧施加推动力(如浓度差,压力差或电位差),使原料侧组成成分选择性地通过,达到分离提纯作用的一种方法。

膜分离技术原理

膜法水资源化是膜分离技术的主要应用;膜法水资源化技术应用广泛

目前水处理是膜分离技术的主要应用领域,约占其市场份额的85%,另外15%应用于工业生产及其他领域。与传统技术相比,膜法水处理具有诸多优势:膜分离过程中不发生相变,能耗较低;在常温下进行,不消耗热能;不需要投加其他物质,不带入二次污染物,节省原材料和化学药品;分离和浓缩同时进行,可回收有价值的物质;分离装臵简单,操作容易,运行稳定,易于实现自动化控制;可达到更优质的出水水质等。

从产业应用来看,一般可以从制造材质、膜形状和孔径尺寸等维度对膜进行分类:

根据制造材质不同,膜可分为无机膜和有机膜。无机膜主要是陶瓷膜,玻璃膜,金属膜,其过滤精度较低,选择性较小;有机膜由高分子材料加工而成,如聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氯乙烯(PVC)、聚醚砜(PES)、聚砜(PS)、醋酸纤维素(CA)等,由于有机膜过滤精度较高,选择性大,广泛应用于水资源化领域与工业特种分离等领域。目前大型水处理方案中使用较多的为偏氟乙烯(PVDF)、聚醚砜(PES)材质制作的微滤/超滤膜元件,反渗透膜的制造材质多为醋酸纤维素(CA)等。

按照制造材质,对膜进行分类

根据不同形状,膜可以分为中空纤维膜、平板膜、管式膜和卷式膜。膜的形状是由制作和装配工艺决定的,中空纤维膜在水处理应用领域使用广泛,平板膜一般仅在水资源化领域中的部分工艺中使用,如部分膜生物反应器(MBR)中,管式膜则主要用于垃圾渗滤液处理和高固含量液体分离。

中空纤维膜在水处理中应用广泛;平板膜常用于膜生物反应器

按照孔径尺寸由大到小,可把膜分为微滤(Microfiltration,MF)膜,超滤(Ultrafiltration,UF)膜,纳滤膜(Nanofiltration,NF)和反渗透(ReverseOsmosis,RO)膜。过滤效果随孔径尺寸缩小层层递进,微滤膜可用来去除悬浮颗粒物,细菌,部分病毒和大尺寸胶体;超滤膜能够去除胶体,蛋白质,微生物和大分子有机物;而如果要去除溶解性盐和分子量大于100的有机物则需要使用反渗透膜。目前在水处理领域,应用较多的是超滤膜、微滤膜和反渗透膜。

膜过滤效果随孔径尺寸缩小层层递进

膜法水处理技术的发展趋势

膜的种类和功能繁多,其中纳滤膜、反渗透膜和无机膜将成为未来膜法水处理技术的重点发展方向,具备较大的发展潜力和商业价值:

反渗透膜:海水淡化和再生水回用作为缓解水资源供需矛盾的重要手段,产能规模将有大幅提升。作为这两类技术的重要组成部分,反渗透膜也将因此迎来市场空间的进一步释放。

无机膜:以陶瓷膜为代表的无机膜具备耐高温,化学性质稳定等诸多高分子膜材料所不具备的性能,将在生物与医药、化工、食品饮料等制造过程,以及钢铁废水、造纸废水、印染废水等特种水处理领域拥有广阔应用前景。

法律法规、产业政策、排放标准利好膜法水处理技术

2014年“新环保法”修订实施,2015年《水污染防治行动计划》(“水十条”)颁布,以及《水污染防治法(修订草案)》(征求意见稿)的发布,表明了国家持续推进水污染防治工作的决心,在顶层制度设计层面为水污染治理提供了方向性指导。“十三五”期间,水处理将由满足“总量”向追求“质量”迈进,这为以出水质量高,治水效果稳定为最大优势的膜法水处理技术发展提供了巨大想象空间。

国务院印发的“十二五”国家战略性新兴产业发展规划中指出“作为先进环保技术,要推进高效膜材料及组件的创新发展”,“作为重大环保技术装备及产品产业化示范工程,加快高性能膜材料的产业化”。膜分离技术以及膜法水处理行业是我国重点发展的行业,代表未来的产业发展方向,同时对经济发展有很大的带动和引领作用,是政府重点鼓励发展的行业。

2015年11月,《城镇污水处理厂污染物排放标准》(征求意见稿)发布,计划对2002年发布的“旧版标准”进行修订。此次征求意见稿提出“设置特别排放限值”“增加污染物控制项目”“收严部分污染物排放项目排放限值”等内容,从实施层面为污水处理设施进一步“提标改造”给予指导。由于传统水处理技术很难满足“新版标准”(征求意见稿)中“特别排放限值”的严苛要求,因而未来将有大量污水处理设施采用膜法技术进行升级改造,这为膜法水处理带来利好。

我国膜法水处理产业发展概况

经过50年的发展,中国分离膜产业已经逐渐从稚嫩走向成熟。最近15年是整个行业的高速增长期,行业总产值(指膜制品、膜组件、膜附属设备及相关工程的总值)从1993年2亿元上升至2015年的1000亿元,按占比85%计算,2015年膜法水处理行业产值为850亿。中国膜法水处理行业的发展经历了以下几个阶段:

1)实验室阶段(2001年之前):我国早在1967年就开始了反渗透膜的研制工作,1986年CA非对称反渗透膜实现产业化,1991年MBR技术传入中国,1998年第一个采用MBR工艺的中水回用装置在大连建成,处理量为200吨/天。这一阶段膜技术主要集中在大学和科研机构的实验室小试、中试阶段装置。

2)小型工程应用阶段(2001年至2006年):2001年国家推出膜产业化政策,膜法水处理工艺进入深入研究阶段,部分处理量为几百至几千吨/天的小型MBR污水处理工程开始建造,2004年慈溪杭州湾航丰水厂建成,成为第一个规模5万吨/天以上的膜法城镇供水项目。

3)规模化工程应用阶段(2006年至2011年):2005年国家推出的节能减排和污水资源化政策促进膜产业加速发展。以采用MBR工艺的北京密云4.5万吨/天再生水项目为代表的万吨级以上膜法污水处理装置陆续投运。这一阶段由于2008年北京奥运会和2007年无锡太湖蓝藻事件的催化剂作用,公众对水安全的重视程度显著提升,为膜法技术规模化推广奠定了基础。

4)全面推广阶段(2011年至今):国产膜材技术逐渐成熟,价格下降,同时伴随着环保标准日趋严格和民众环保意识增强,膜法技术在全国多地开始商业化应用,目前全国投运或在建的万吨级MBR城镇污水处理系统已达上百个。

中国膜法水处理发展历程

市政大规模MBR应用和膜法市政水厂的规模变化与整个膜法水处理行业产值的变化趋势高度一致,因此可以认为以上两类膜技术的应用在膜法水处理产值的快速增长中起到了主导作用。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。

市政大规模MBR应用和膜法市政水厂规模变化与膜法水处理行业产值变化趋势高度一致

膜材料/膜组件制作研发居产业链核心位置,多种商业模式并驾齐驱

膜法水处理产业链由膜材料研发和制作、膜组件制作、膜法水资源化成套解决方案、运营和维护组成。其中膜法水资源化整体解决方案又涵盖了工艺方案、投标、详细设计、系统集成、施工安装、系统试车、技术支持和售后服务等流程。其中,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。

膜法水资源化产业链

膜法水处理行业具有商业模式多样化的特点。由于较高的系统性和复杂性,水处理工程实施过程中,业主通常会委托综合实力较强的总承包方对整个工程中的全部或几个单元进行承包。对于其中技术性较强的膜法水处理单元,有时会采取单独分包的形式,以达到选择技术较为领先的提供商来保证工程质量的目的。

目前国内膜法水处理领域呈现出膜元件销售、膜组件销售、EP、EPC、BT、BOT、PPP、BOO等多种商业模式并存的局面。部分有实力的企业往往会从单纯的膜元件或膜组件生产销售模式向EPC、BOT以及PPP等综合性更强的商业模式发展,这样不但可以提高膜法水处理解决方案的整体性能,还可以加快企业成长速度,增加企业营收和利润。

膜法水处理市场情况:国外品牌占据高端市场,国内膜企两极分化明显

中国膜企与国际领先企业相比仍存在一定差距。近年来,由于市场需求增长迅猛,国际品牌纷纷进入中国,抢占市场。与国内企业相比,国际品牌在生产规模、技术优势、资本实力和管理理念方面具有相对优势。现阶段,国内膜法水处理行业的从业公司可以划分为国际领先企业,国内领先企业和国内小型企业三个梯队。

国际品牌在中国市场中主要扮演膜材料和膜元件供应商角色。通过这种经营方式,国外品牌将膜发水处理产业链中技术含量最高、利润最好的优质部分掌握在自己手中。而对于产业链下游的反应器制造,工程实施等技术含量和利润率相对较低的部分,国际品牌往往不参与,由中国公司进行配套和组装。

膜材料和膜元件制作研发在产业链中居核心地位,处于利润金字塔顶端。以津膜科技为例,膜产品销售业务的毛利率一直处于较高位置,远高于膜工程业务。

以津膜科技为例,膜产品销售毛利率远高于膜工程业务

近年来在超率/微滤膜领域,国内涌现出天津膜天膜、海南立昇、山东招金膜天等一批实力较强的生产企业。凭借价格优势,国内品牌市场占有率不断提升,目前国产超滤微滤膜元件市场占有率已达60%以上。与此同时,在反渗透膜领域,国内生产企业也已打破国际品牌的长期垄断局面,应用案例日益增多,目前市场占有率已达15%以上,代表企业是时代沃顿。

根据中国膜工业协会预测,到“十三五”末,国产微滤/超滤膜市场占有率有望达到80%,国产反渗透膜市场占有率有望提升至30%-50%。“十三五”期间将会出现新一轮“国产替代”浪潮,这将为中国膜企业提供额外的发展空间。

国内微滤/超滤膜元件市场中以日本旭化成、美国海能得等为代表的国际公司占据约40%市场份额,剩余市场由国内厂商瓜分。相对来说国外品牌膜元件在截留量、通量、使用寿命等关键指标上仍然具有一定技术优势,占据高端市场。近几年,随着对于技术壁垒的突破,国内膜企业技术进步迅速,与国外膜在品质上的差距不断缩小,市场占有率迅速提升。同时也由于市场竞争日趋激烈,低端超滤/微滤膜元件价格不断下滑,利润率持续下降。

超滤微滤膜市场竞争激烈

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