反滲透純水技術(shù)的現狀、發(fā)展與研究

    近年來(lái)我國匯率穩定，關(guān)稅下調，國外膜廠(chǎng)商在國內市場(chǎng)上激烈的價(jià)格競爭，國內代理商價(jià)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(chǎng)價(jià)格及反滲透系統的工程造價(jià)一再下降。與此同時(shí)，我整體國力及企業(yè)購買(mǎi)力增強，個(gè)人消費水平提高，從另一方面促進(jìn)了反滲透技術(shù)的廣泛普及，促進(jìn)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(shù)及其產(chǎn)品，形成了各自行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的重要環(huán)節。進(jìn)而對國內整體工業(yè)進(jìn)步起到了一定的促進(jìn)作用。

⑵ 反滲透膜產(chǎn)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(chǎng)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)的中空膜在國內的銷(xiāo)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(chǎng)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(chǎng)，低壓與超低壓芳香聚酰胺復合膜已成為市場(chǎng)的絕對主流。而膜產(chǎn)品的發(fā)展動(dòng)向，是朝著(zhù)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(xué)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(lái)帶負電荷的膜表面呈電中性，同時(shí)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(xué)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(jìn)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(jìn)入國內市場(chǎng)以來(lái)日益受到重視，普及速度很快。近年來(lái)出現的正電荷膜的膜表面帶有正電荷，可更有效的去除陽(yáng)離子，用于第二級反滲透時(shí)，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(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(kāi)發(fā)。

⑶ 反滲透膜市場(chǎng) 
    在RO膜產(chǎn)品市場(chǎng)方面，美國海德能公司(Hydranautics / Nitto Denko)與美國陶氏化學(xué)公司(Dow Chemical / Filmtec)的膜產(chǎn)品占據了目前國內市場(chǎng)約80%，其余國外膜廠(chǎng)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(chǎng)。這一狀況表明，具有大規模生產(chǎn)能力的國際卷式膜廠(chǎng)商無(wú)一例外地登陸了國內市場(chǎng)，并占有一席之地。國內從60年代開(kāi)始研制RO膜（中空、卷式），當時(shí)的技術(shù)發(fā)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(kāi)始引進(jìn)國外膜生產(chǎn)線(xiàn)。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，但在國內膜市場(chǎng)中的占有率不足2 %。

    各類(lèi)卷式膜的國內銷(xiāo)售額自1996至2001年約分別為200、500、800、1000、1500、2500萬(wàn)美元，2002年的銷(xiāo)售額估計為3000萬(wàn)美元。全球RO膜銷(xiāo)售額2001年約為5億美元，排除地區價(jià)差與品種價(jià)差，國內膜銷(xiāo)售數量約為全球銷(xiāo)售數量的10 %。2001年海德能公司率先在上海（松江）投資建廠(chǎng)生產(chǎn)卷式膜，產(chǎn)品已于2002年5月投入國內市場(chǎng)。相信其它國外膜廠(chǎng)商也將陸續在國內建廠(chǎng)。國內一些新興的膜生產(chǎn)企業(yè)也正在杭州、貴陽(yáng)等地加緊建廠(chǎng)，其產(chǎn)品不久將面市。屆時(shí)國內膜市場(chǎng)將進(jìn)一步擴大，競爭也將更加劇烈，而國內膜技術(shù)的相關(guān)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(lǐng)域中，投產(chǎn)于80年代的美國YUMA水廠(chǎng)（處理運河水），以其28萬(wàn)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(shù)應用的重要領(lǐng)域之一，在全球范圍內生產(chǎn)規模超過(guò)10萬(wàn)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(chǎng)的處理能力高達14萬(wàn)噸/每天。據不完全統計，目前全世界用反滲透技術(shù)生產(chǎn)的純水超過(guò)1,200萬(wàn)噸/每天。相比之下，我國的生產(chǎn)總量及單項工程規模雖屬初級水平。但發(fā)展速度很快，市場(chǎng)潛力巨大。據保守估計，目前國內工業(yè)用產(chǎn)水量超過(guò)100m3/每小時(shí)的反滲透系統已超過(guò)200套。已建成的最大工程是滄州化工廠(chǎng)750m3/每小時(shí)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(chǎng)與太原鋼廠(chǎng)的兩套2,000m3/hr級軋鋼用水系統。電力行業(yè)的最大項目是煙臺與大連的100m3/每小時(shí)電廠(chǎng)用水工程。桶裝、瓶裝水反滲透生產(chǎn)線(xiàn)產(chǎn)水量超過(guò)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(chǎn)萬(wàn)噸的飲用水生產(chǎn)系統。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較為集中。隨著(zhù)我國北方地區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在的船用、島用為主向工業(yè)、市政領(lǐng)域發(fā)展，市場(chǎng)的潛力巨大。

⑸ 反滲透配套產(chǎn)品 
    與膜產(chǎn)品市場(chǎng)同步發(fā)展的是其配套產(chǎn)品市場(chǎng)。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(chǎng)。在國內膜代理商及同類(lèi)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(shí)現著(zhù)國產(chǎn)化。目前產(chǎn)品質(zhì)量基本過(guò)關(guān)，市場(chǎng)價(jià)格大幅下跌。部分產(chǎn)品還銷(xiāo)往美國等產(chǎn)品原產(chǎn)地，為本行業(yè)的發(fā)展開(kāi)辟了一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。
二、反滲透技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展
⑴ 企業(yè)的發(fā)展 
    反滲透技術(shù)相關(guān)的純水設備制造行業(yè)2001年度銷(xiāo)售收入估計已達到80億人民幣。標志著(zhù)反滲透設備制造與純水制備行業(yè)成為國內高速持續發(fā)展行業(yè)的一員。在上海、北京、廣州、深圳、天津、杭州、湖州、西安等地均涌現出一批以RO膜技術(shù)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(zhuān)業(yè)企業(yè)群。這一行業(yè)經(jīng)過(guò)近十年的高速發(fā)展，已開(kāi)始步入平穩發(fā)展期，盡管營(yíng)業(yè)額還在快速增長(cháng)，經(jīng)營(yíng)利潤的增長(cháng)已趨緩定。目前全行業(yè)企業(yè)面臨的一個(gè)基本問(wèn)題是在作好市場(chǎng)的同時(shí)，深入研究產(chǎn)品與技術(shù)，從集約化經(jīng)營(yíng)中尋求發(fā)展。

    面對如此巨大且持續發(fā)展的膜產(chǎn)品市場(chǎng)。面對入世壓力、與外企國內建廠(chǎng)的嚴峻形勢，我國膜生產(chǎn)行業(yè)的技術(shù)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(chǎng)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(chǎng)商均缺乏有效的行業(yè)協(xié)會(huì )的組織協(xié)調，價(jià)格的無(wú)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)內企業(yè)除受到市場(chǎng)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(yè)旗艦式企業(yè)。而只有依靠旗艦式企業(yè)，國內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(jìn)軍國外RO水處理工程與產(chǎn)品市場(chǎng)。

    此外，國內企業(yè)必然向韓國、臺灣的企業(yè)界學(xué)習，把我們在國內市場(chǎng)中練就的經(jīng)營(yíng)技能用到經(jīng)濟較為落后國家的市場(chǎng)中去。將我們企業(yè)間拼死搏殺的戰場(chǎng)轉到外線(xiàn)去，使開(kāi)拓國內市場(chǎng)的輝煌在較落后國家重演。而這一進(jìn)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(chǎng)的發(fā)展 
    純水設備制造與配套產(chǎn)品制造行業(yè)近年內將形成兩大發(fā)展趨勢，其一是繼續完成產(chǎn)品的國產(chǎn)化，不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量，在國內完善銷(xiāo)售網(wǎng)絡(luò )與銷(xiāo)售機制，實(shí)現規?；a(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(chǎng)。小型葉片泵、軟水器多路閥及專(zhuān)用儀器儀表的國產(chǎn)化必然加速。國內多家企業(yè)生產(chǎn)的4英寸有縫與無(wú)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(wú)錫天河給排水設備廠(chǎng)與杭州南方特種泵廠(chǎng)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(jìn)軍國際市場(chǎng)的技術(shù)水平。國內技術(shù)普及率很高的中空纖維超濾膜，其產(chǎn)量巨大、價(jià)格低廉、市場(chǎng)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(guān)，大舉進(jìn)入國際市場(chǎng)指日可待。我們的產(chǎn)品走出國門(mén)不僅是相關(guān)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(chǎng)上去。美國、日本、歐洲市場(chǎng)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(shù)的研究與系統優(yōu)化設計
⑴ 面臨的問(wèn)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(shù)的研究相對薄弱與滯后，存在著(zhù)許多亟待解決的問(wèn)題。重要問(wèn)題之一是要有國內知識產(chǎn)權的包括預處理在內的RO系統設計軟件，從而使關(guān)于RO應用技術(shù)的分散研究成果形成產(chǎn)品，并直接服務(wù)于系統設計。業(yè)內人事所關(guān)心的另一個(gè)重要問(wèn)題是RO系統的設計與運行優(yōu)化。對這樣一個(gè)基本問(wèn)題的深入分析與討論，并用于工程設計與系統運行實(shí)踐，可提高反滲透系統的設計與運行水平，進(jìn)而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

    目前，RO系統的設計大多依賴(lài)于國外膜廠(chǎng)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(shí)質(zhì)上僅是一種膜系統設計方案的運行模擬環(huán)境，不能夠自動(dòng)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(guān)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(yōu)化設計的思想及其技術(shù)的難度很大。一種較為實(shí)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系統設計優(yōu)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(yōu)化方案，并在其基礎上根據具體情況，用現有的設計軟件進(jìn)行有限地修正與驗算，則可迅速得到實(shí)用的優(yōu)化設計方案。

⑵ 系統優(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(guò)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(gè)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(yōu)化包括：
    預處理工藝結構優(yōu)化。 預處理運行參數優(yōu)化。 預處理清洗工藝優(yōu)化。
    膜系統工藝結構優(yōu)化。 膜系統運行參數優(yōu)化。 膜系統清洗工藝優(yōu)化。
    各部分優(yōu)化模塊的關(guān)系見(jiàn)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(yōu)化問(wèn)題。
 
    膜系統運行參數優(yōu)化與預處理運行參數優(yōu)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(xiàn)。預處理清洗工藝優(yōu)化與膜系統清洗工藝優(yōu)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(xiàn)。
預處理工藝結構優(yōu)化模型可定性地表示為：
    優(yōu)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(yōu)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(zhì)指標。
    優(yōu)化求解：預處理系統工藝結構。
    水質(zhì)條件：反滲透系統原水的污染指數、無(wú)機鹽、有機物、微生物等水質(zhì)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(jià)。
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(yōu)化和預處理清洗工藝優(yōu)化兩模型給出。該優(yōu)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(xiàn)，且附加以膜系統給水水質(zhì)水平為自變量的修正系數曲線(xiàn)。

膜系統工藝結構優(yōu)化模型可定性地表示為：
    優(yōu)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(yōu)化約束：系統設計要求的膜系統產(chǎn)水量及產(chǎn)水水質(zhì)指標。
    優(yōu)化求解：膜系統工藝結構。膜系統回收率。
    水質(zhì)條件：膜系統給水污染指數、有機物、微生物含量等水質(zhì)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(jià).

    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(yōu)化及膜系統清洗工藝優(yōu)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(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，則膜系統給水無(wú)機鹽分布還受預處理工藝配置的影響。該優(yōu)化結果為以RO系統產(chǎn)水流量為自變量的膜系統最低費用曲線(xiàn)，且附加以膜系統產(chǎn)水水質(zhì)水平為自變量的修正系數曲線(xiàn)。

    如以膜系統給水污染指數（SDI）代表膜系統給水的非無(wú)機鹽水質(zhì)指標，則對應特定的RO系統產(chǎn)水流量要求與特定的RO系統原水無(wú)機鹽水質(zhì)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(gè)單調函數曲線(xiàn)，則形成特定工程的RO系統總費用曲線(xiàn)。合成曲線(xiàn)的最低點(diǎn)對應系統的最低投資、運行、耗材、清洗總費用；該點(diǎn)也同時(shí)對應著(zhù)預處理與膜系統的最優(yōu)工藝結構、最優(yōu)運行參數、最優(yōu)耗材更換期、最優(yōu)清洗工藝。這就是圖1中反滲透系統總體優(yōu)化部分的實(shí)質(zhì)內容。
四、結束語(yǔ)
    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(jiàn)及自身的一些感受，希望達到與同業(yè)間交流之目的。關(guān)于反滲透技術(shù)研究方面提出的觀(guān)點(diǎn)，既是從業(yè)的體會(huì )，也是近年來(lái)從事教學(xué)與科研的成果。但所列數學(xué)模型尚屬定性描述，具體的研究工作正在逐步展開(kāi)，本文旨在與業(yè)內人士就此方向進(jìn)行討論。  
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靖大為，男，1954.3出生，天津市人，工學(xué)碩士，天津大學(xué)電氣自動(dòng)化學(xué)院畢業(yè)，天津城市建設學(xué)院熱能工程系，碩士生導師，高級工程師。

信息來(lái)源： 靖大為 宋京