反滲透純水技術的現(xiàn)狀、發(fā)展與研究

    近年來我國匯率穩(wěn)定，關稅下調(diào)，國外膜廠商在國內(nèi)市場上激烈的價格競爭，國內(nèi)代理商價格水分的不斷擠出，配套產(chǎn)品的逐步國產(chǎn)化，均促使膜及其配套產(chǎn)品的市場價格及反滲透系統(tǒng)的工程造價一再下降。與此同時，我整體國力及企業(yè)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(yè)行業(yè)先后接受了反滲透技術及其產(chǎn)品，形成了各自行業(yè)技術進步的重要環(huán)節(jié)。進而對國內(nèi)整體工業(yè)進步起到了一定的促進作用。

⑵ 反滲透膜產(chǎn)品 
    就反滲透膜的結(jié)構(gòu)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(jīng)停止其中空膜的生產(chǎn)，日本東洋紡(Toyobo)的中空膜在國內(nèi)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(chǎn)品的發(fā)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(fā)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(wǎng)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(nèi)市場以來日益受到重視，普及速度很快。近年來出現(xiàn)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(tǒng)的脫鹽率，使之達到1μS / cm以下電導率的系統(tǒng)產(chǎn)水水質(zhì)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(zhì)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(fā)。

⑶ 反滲透膜市場 
    在RO膜產(chǎn)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(chǎn)品占據(jù)了目前國內(nèi)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(jù)了約20%的市場。這一狀況表明，具有大規(guī)模生產(chǎn)能力的國際卷式膜廠商無一例外地登陸了國內(nèi)市場，并占有一席之地。國內(nèi)從60年代開始研制RO膜（中空、卷式），當時的技術發(fā)展幾與世界水平同步。隨后若干年中，國內(nèi)水平逐步落后于國際水平，自80年代開始引進國外膜生產(chǎn)線。目前以葫蘆島玉柴北方膜工業(yè)有限公司為代表，尚有4～5家企業(yè)具有一定生產(chǎn)能力，但在國內(nèi)膜市場中的占有率不足2 %。

    各類卷式膜的國內(nèi)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(qū)價差與品種價差，國內(nèi)膜銷售數(shù)量約為全球銷售數(shù)量的10 %。2001年海德能公司率先在上海（松江）投資建廠生產(chǎn)卷式膜，產(chǎn)品已于2002年5月投入國內(nèi)市場。相信其它國外膜廠商也將陸續(xù)在國內(nèi)建廠。國內(nèi)一些新興的膜生產(chǎn)企業(yè)也正在杭州、貴陽等地加緊建廠，其產(chǎn)品不久將面市。屆時國內(nèi)膜市場將進一步擴大，競爭也將更加劇烈，而國內(nèi)膜技術的相關下游產(chǎn)業(yè)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(chǎn)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(guī)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(nèi)生產(chǎn)規(guī)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(lián)酋、沙特與西班牙，其中2002年剛投入運行的阿聯(lián)酋Fujairah水廠的處理能力高達14萬噸/每天。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全世界用反滲透技術生產(chǎn)的純水超過1,200萬噸/每天。相比之下，我國的生產(chǎn)總量及單項工程規(guī)模雖屬初級水平。但發(fā)展速度很快，市場潛力巨大。據(jù)保守估計，目前國內(nèi)工業(yè)用產(chǎn)水量超過100m3/每小時的反滲透系統(tǒng)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(chǎn)的國產(chǎn)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(tǒng)。電力行業(yè)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(chǎn)線產(chǎn)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(nèi)將在山東、大連出現(xiàn)日產(chǎn)萬噸的飲用水生產(chǎn)系統(tǒng)。由于經(jīng)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(qū)較為集中。隨著我國北方地區(qū)干旱化的加劇及工業(yè)、民用對水量、水質(zhì)要求的不斷提高，膜法海水淡化必然從現(xiàn)在的船用、島用為主向工業(yè)、市政領域發(fā)展，市場的潛力巨大。

⑸ 反滲透配套產(chǎn)品 
    與膜產(chǎn)品市場同步發(fā)展的是其配套產(chǎn)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(chǎn)品，曾一度獨霸膜配套產(chǎn)品市場。在國內(nèi)膜代理商及同類配套產(chǎn)品生產(chǎn)商的一致及不懈努力之下，上述膜配套產(chǎn)品逐步實現(xiàn)著國產(chǎn)化。目前產(chǎn)品質(zhì)量基本過關，市場價格大幅下跌。部分產(chǎn)品還銷往美國等產(chǎn)品原產(chǎn)地，為本行業(yè)的發(fā)展開辟了一個嶄新的領域。
二、反滲透技術領域的發(fā)展
⑴ 企業(yè)的發(fā)展 
    反滲透技術相關的純水設備制造行業(yè)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(yè)成為國內(nèi)高速持續(xù)發(fā)展行業(yè)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(xiàn)出一批以RO膜技術為中心的產(chǎn)品代理、設備制造、工程安裝及配套產(chǎn)品生產(chǎn)的專業(yè)企業(yè)群。這一行業(yè)經(jīng)過近十年的高速發(fā)展，已開始步入平穩(wěn)發(fā)展期，盡管營業(yè)額還在快速增長，經(jīng)營利潤的增長已趨緩定。目前全行業(yè)企業(yè)面臨的一個基本問題是在作好市場的同時，深入研究產(chǎn)品與技術，從集約化經(jīng)營中尋求發(fā)展。

    面對如此巨大且持續(xù)發(fā)展的膜產(chǎn)品市場。面對入世壓力、與外企國內(nèi)建廠的嚴峻形勢，我國膜生產(chǎn)行業(yè)的技術與材料國產(chǎn)化的步伐緩慢。玉柴集團收購北方膜工業(yè)有限公司之舉讓業(yè)內(nèi)人士看到了光明，但要真正形成科研能力需企業(yè)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(chǎn)品那樣給予足夠的信任與熱情。對設備制造業(yè)而言，設備制造企業(yè)及其配件制造廠商均缺乏有效的行業(yè)協(xié)會的組織協(xié)調(diào)，價格的無序競爭使行業(yè)的發(fā)展受到極大的限制。由于種種原因，業(yè)內(nèi)企業(yè)除受到市場競爭的壓力之外，還受到內(nèi)部頻繁分化的威脅，難于形成具有國際競爭力的行業(yè)旗艦式企業(yè)。而只有依靠旗艦式企業(yè)，國內(nèi)的大型工程才不致輕易落入外資大型企業(yè)囊中，才能大舉進軍國外RO水處理工程與產(chǎn)品市場。

    此外，國內(nèi)企業(yè)必然向韓國、臺灣的企業(yè)界學習，把我們在國內(nèi)市場中練就的經(jīng)營技能用到經(jīng)濟較為落后國家的市場中去。將我們企業(yè)間拼死搏殺的戰(zhàn)場轉(zhuǎn)到外線去，使開拓國內(nèi)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(yè)主干企業(yè)群的形成與發(fā)展。

⑵ 產(chǎn)品與市場的發(fā)展 
    純水設備制造與配套產(chǎn)品制造行業(yè)近年內(nèi)將形成兩大發(fā)展趨勢，其一是繼續(xù)完成產(chǎn)品的國產(chǎn)化，不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量，在國內(nèi)完善銷售網(wǎng)絡與銷售機制，實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)；其二是借入世之勢將國產(chǎn)化產(chǎn)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(chǎn)化必然加速。國內(nèi)多家企業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)品均已具備了進軍國際市場的技術水平。國內(nèi)技術普及率很高的中空纖維超濾膜，其產(chǎn)量巨大、價格低廉、市場占有率極高，使國外產(chǎn)品望之卻步；但其品種單一，缺乏高質(zhì)高檔產(chǎn)品。該情況如有改觀，大舉進入國際市場指日可待。我們的產(chǎn)品走出國門不僅是相關企業(yè)生存與發(fā)展的需要，而且被證明是完全可行的，重要的是我們的企業(yè)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(chǎn)商品已比比皆是,僅差膜配套產(chǎn)品的加盟。
三、反滲透工程技術的研究與系統(tǒng)優(yōu)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(nèi)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(nèi)知識產(chǎn)權(quán)的包括預處理在內(nèi)的RO系統(tǒng)設計軟件，從而使關于RO應用技術的分散研究成果形成產(chǎn)品，并直接服務于系統(tǒng)設計。業(yè)內(nèi)人事所關心的另一個重要問題是RO系統(tǒng)的設計與運行優(yōu)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(tǒng)運行實踐，可提高反滲透系統(tǒng)的設計與運行水平，進而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

    目前，RO系統(tǒng)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(tǒng)設計給予了很大幫助，但實質(zhì)上僅是一種膜系統(tǒng)設計方案的運行模擬環(huán)境，不能夠自動提供可行設計方案，更不具備優(yōu)化設計的能力，也未涉及至關重要的預處理系統(tǒng)。對于廣大中小RO系統(tǒng)的設計人員而言，系統(tǒng)地掌握優(yōu)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(zhì)條件、產(chǎn)水流量與產(chǎn)水水質(zhì)等要求，研制出一整套RO系統(tǒng)設計優(yōu)化方案譜系。中小系統(tǒng)設計人員僅需根據(jù)設計要求，在該譜系中查找相應的優(yōu)化方案，并在其基礎上根據(jù)具體情況，用現(xiàn)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(yōu)化設計方案。

⑵ 系統(tǒng)優(yōu)化設計 
    研制這一優(yōu)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(gòu)架，供有志于此方向者參考。

    一個完整的RO純水制備系統(tǒng)可劃分為預處理系統(tǒng)與膜系統(tǒng)兩大部分，每部分又可劃分為設計、運行、清洗三大內(nèi)容。因此完整意義的系統(tǒng)優(yōu)化包括：
    預處理工藝結(jié)構(gòu)優(yōu)化。 預處理運行參數(shù)優(yōu)化。 預處理清洗工藝優(yōu)化。
    膜系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)優(yōu)化。 膜系統(tǒng)運行參數(shù)優(yōu)化。 膜系統(tǒng)清洗工藝優(yōu)化。
    各部分優(yōu)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(tǒng)的特定內(nèi)容，以特定費用最低為目標的最優(yōu)化問題。
 
    膜系統(tǒng)運行參數(shù)優(yōu)化與預處理運行參數(shù)優(yōu)化，旨在模擬各種可選的預處理與膜系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)的運行工況，以求得各工況對應的最低運行費用，其結(jié)果應分別是一族對應不同工藝結(jié)構(gòu)的最低運行費用曲線。預處理清洗工藝優(yōu)化與膜系統(tǒng)清洗工藝優(yōu)化，旨在模擬預處理與膜系統(tǒng)中對應膜及各濾材的不同污染或結(jié)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(jié)果應分別是一族對應不同污染或結(jié)垢深度的更換與清洗的最低費用曲線。
預處理工藝結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型可定性地表示為：
    優(yōu)化目標：預處理系統(tǒng)投資、運行費。材料更換費、清洗費、水費之和的總費用最低。
    優(yōu)化約束：膜系統(tǒng)給水流量、膜系統(tǒng)給水污染指數(shù)、有機物、微生物含量等水質(zhì)指標。
    優(yōu)化求解：預處理系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)。
    水質(zhì)條件：反滲透系統(tǒng)原水的污染指數(shù)、無機鹽、有機物、微生物等水質(zhì)指標。
    設定數(shù)值：預處理系統(tǒng)運行費、材料更換及清洗費、原水水價。
模型中的預處理系統(tǒng)運行費、材料更換及清洗費分別由預處理運行參數(shù)優(yōu)化和預處理清洗工藝優(yōu)化兩模型給出。該優(yōu)化結(jié)果為以膜系統(tǒng)給水流量為自變量的預處理系統(tǒng)最低費用曲線，且附加以膜系統(tǒng)給水水質(zhì)水平為自變量的修正系數(shù)曲線。

膜系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型可定性地表示為：
    優(yōu)化目標：膜系統(tǒng)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(yōu)化約束：系統(tǒng)設計要求的膜系統(tǒng)產(chǎn)水量及產(chǎn)水水質(zhì)指標。
    優(yōu)化求解：膜系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)。膜系統(tǒng)回收率。
    水質(zhì)條件：膜系統(tǒng)給水污染指數(shù)、有機物、微生物含量等水質(zhì)指標。
    設定數(shù)值：膜系統(tǒng)運行費、膜更換及清洗費、系統(tǒng)給水水價.

    模型中的膜系統(tǒng)運行費、膜更換及清洗費分別由膜系統(tǒng)運行參數(shù)優(yōu)化及膜系統(tǒng)清洗工藝優(yōu)化兩模型給出；給水中污染指數(shù)、有機物、微生物含量等指標由預處理工藝結(jié)構(gòu)優(yōu)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(tǒng)給水無機鹽分布還受預處理工藝配置的影響。該優(yōu)化結(jié)果為以RO系統(tǒng)產(chǎn)水流量為自變量的膜系統(tǒng)最低費用曲線，且附加以膜系統(tǒng)產(chǎn)水水質(zhì)水平為自變量的修正系數(shù)曲線。

    如以膜系統(tǒng)給水污染指數(shù)（SDI）代表膜系統(tǒng)給水的非無機鹽水質(zhì)指標，則對應特定的RO系統(tǒng)產(chǎn)水流量要求與特定的RO系統(tǒng)原水無機鹽水質(zhì)條件，膜系統(tǒng)總費用是SDI指標的單調(diào)增函數(shù)，預處理系統(tǒng)總費用是SDI指標的單調(diào)減函數(shù)。合成兩個單調(diào)函數(shù)曲線，則形成特定工程的RO系統(tǒng)總費用曲線。合成曲線的最低點對應系統(tǒng)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(tǒng)的最優(yōu)工藝結(jié)構(gòu)、最優(yōu)運行參數(shù)、最優(yōu)耗材更換期、最優(yōu)清洗工藝。這就是圖1中反滲透系統(tǒng)總體優(yōu)化部分的實質(zhì)內(nèi)容。
四、結(jié)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(yè)的所知所見及自身的一些感受，希望達到與同業(yè)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(yè)的體會，也是近年來從事教學與科研的成果。但所列數(shù)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(yè)內(nèi)人士就此方向進行討論。  
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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(yè)，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