污水行业颠覆性机遇---世浦泰新膜法如何实现“既要”“又要”“还要”

（原标题：污水行业颠覆性机遇---世浦泰新膜法如何实现“既要”“又要”“还要”）

观点总结:

1、污水MBR膜工艺目前面对的最大问题是“膜三贵”, 要解决买膜贵、用膜贵、换膜贵,就需要从经济和性能优化两个角度出发来解决政府和水务公司的痛点。

2、世浦泰新膜法源自于德国、加拿大、匈牙利和中国等上百位顶尖工程师,持续10年多、耗资近10亿元人民币的单点突破研发成果。世浦泰的新膜法颠覆性地实现了,既要“出水水质直接达到回用标准、减少50%以上占地”的传统膜法优势,政府又要“吨水价不涨、150~200%雨季来水能处理”,水务公司还要“投资回报率增加、不再焦虑传统膜法频繁的维护和更换”。

3、欧美市场10年前已完成从普通微滤MBR向高端超滤MBR的升级切换,而世浦泰颠覆性超滤MBR工艺新膜法的全生命周期吨水综合成本,不仅大幅低于传统MBR工艺,并首次低于传统AAO工艺的吨水综合成本。

膜技术作为污水处理领域使用最广泛的技术之一,发展受到不少同行专家的关注。膜技术赛道中也涌现出部分优秀的企业,其中世浦泰作为进入中国污水处理市场的德国品牌,以卓越的技术产品先后取得了数十个大规模示范性业绩的成功应用和行业专业认可。

在如今环境产业高质量发展变局之下,细分赛道企业在浪潮中对技术发展的思考,对产品化推动和发展尤为珍贵。

3月23日,“2023(第二十一届)水业战略论坛”上,上海世浦泰新型膜材料股份有限公司董事、总工程师白海龙,以“颠覆性超滤膜产品——新膜法下应用场景的升级”为主题,从四个方面:膜法困惑、膜法突破、新膜法新应用场景、膜法的产品化,分享了世浦泰的经验。

白海龙

膜法之困惑:“膜三贵”问题的解决需要从性能和经济入手

白海龙指出,膜技术和新能源车面临的问题具有相似性,解决这些问题,都需要把性能和经济作为突破口。近两年即使受到疫情影响,新能源车年增长率仍然高达90%以上,且市场渗透率即将突破30%的关键点,意味着近期必然会对燃油车产业进行巨大的颠覆,是一种洗牌式的重塑。

新能源车之所以能够取得如此进展,主要是在性能和经济上取得突破。伴随新能源车技术不断取得突破,已经克服初期的许多性能缺陷,在续航里程、可靠性等指标上已经接近燃油车,甚至在另一些性能上优于燃油车。再加上,经济性问题得到解决,新能源车越来越便宜,促使新能源车得到快速发展。

白海龙表示,新能源车解决了性能和经济两大问题,刺激市场需求爆发。如今,膜技术在水务领域遇到的困惑和机遇与新能源车类似。膜技术细分涉及领域较多,其中,超滤膜已经是市政供水领域应用最广泛的工艺之一。污水MBR膜得益于碧水源等国内生产商的不懈努力,历经了10年左右的高速发展期。目前国内城镇污水厂中使用MBR膜工艺的规模大概占10%左右,意味全国每天2亿多吨污水的处理规模下有2000多万吨水采用MBR膜工艺。

如何突破MBR膜工艺市场占有率,首先需要从客户角度进行思考。现阶段,MBR用户出现泾渭分明的挺膜派和反膜派,形成国内污水处理工艺选择时特有的现象。

挺膜派认为MBR优点是出水标准高、占地省、产泥量小等等;

反膜派认为缺点是投资高、运行成本高、换膜成本高。

总结反膜派观点,是买膜贵、用膜贵、换膜贵,简称“膜三贵”,其本质是经济和性能问题。如下图所示,蓝色部分代表经济问题,绿色部分代表性能问题,性能和经济问题之间存在相关性,性能影响经济性,“膜三贵”解困需要从性能和经济性两个角度出发。

就“买膜贵”而言,第一是膜的单价下降,膜单价相较于十年前,已经大幅下降;第二是膜通量,如果单位面积膜的膜通量能翻倍,即产水量能够翻倍,则成本、能耗、膜池土建都会大幅降低;

就“用膜贵”而言,主要是降低膜吹扫的气水比,降低气水比和膜装填密度、膜通量、膜曝气形式三个指标密切相关,有效改善三个指标,能够有效降低膜吹扫的气水比,从而解决“用膜贵”问题;

就“换膜贵”而言,2022年8月,苏伊士罗敏博士在《可持续的LEAPmbr实现污水厂升级改造》报告中,提到在欧美市政领域MBR超滤膜的平均寿命已达到12.5年,国内市政污水主流使用的MBR微滤膜平均使用寿命则在5年左右。从经济角度出发,由于超滤膜和微滤膜的平均寿命差异巨大,国内水务企业越来越重视MBR使用寿命差异所带来的巨大吨水成本变动。

膜法之突破:逐一突破“膜三贵”问题

1.买膜贵之攻破膜通量难题

解决膜通量首先需要先关注膜孔径,在国内MBR膜孔径并不受到重视,但膜孔径能够影响可持续的膜通量,也是膜使用寿命的关键因素。

以0.1微米为界限,孔径大于0.1微米是微滤,孔径小于0.1微米是超滤。自来水目前基本用超滤,但在市政污水领域,国内目前是超滤、微滤并存的状态。

通常污水中的细菌尺寸≥0.2微米,MBR负压抽吸导致细菌尺寸会压缩至0.08微米左右,所以很容易穿透微滤膜。细菌一旦穿透会有少量停留在膜孔内筑巢、繁殖,长年累月造成膜孔径不断缩小直至堵塞,虽然药剂清洗能去除较高比例,但膜孔变小和堵塞的趋势不会改变,最终会造成膜通量不可逆的衰减,从而影响膜的使用寿命。正因如此,目前国际一线品牌均使用小孔径超滤(小于0.05微米)用于MBR,例如GE(现威立雅)平均膜孔径是0.04微米,世浦泰平均膜孔径是0.03微米。

超滤和微滤,对于污水中细菌尺寸而言,实际上对膜孔影响的位置是不同的。超滤膜因孔径比细菌小一个数量级,运行一段时间后细菌会吸附在膜孔表面,通过反洗可以清洁,所以这一过程是可逆的;但对于与细菌尺寸同一个数量级的微滤膜而言,部分细菌在负压抽吸时却能够进入微滤膜孔内部,导致微滤的堵塞是不可逆的。

为了提升膜通量,膜制造商一般有两种改造膜孔径的路径:第一种是增大膜孔尺寸,在纯水中实测时会发现通量确实增大了,但在污水使用中却发现该方法提升的通量是不可持续的、且流量弹性较小(平均膜通量≤20LMH,峰值膜通量≤ 25LMH )的问题,即国内用户普遍观察到的膜通量衰减较快、膜使用寿命较短(生活污水3~7年);第二种是提升开孔率且维持超滤膜孔径尺寸,这是一种材料层面的本质提升,但世浦泰选择了这条最难的路径。世浦泰高性能超滤膜孔径小且均匀、纯水通量高、污水中MBR高通量可持续、流量弹性大(平均膜通量28～32LMH, 峰值膜通量≤60LMH)、膜通量衰减慢、膜使用寿命长(生活污水10～15年)。

目前国内外市场主流的膜通量指标相差很大。国产常规市政污水膜产品的通量为10～15LMH,国产一线膜产品的通量为15～20 LMH,国际一线平均膜产品的通量为25～28LMH。比如,德国最大的MBR污水处理厂使用超滤MBR膜13年还没有更换,雨季峰值膜通量运行时按40 LMH以上运行。世浦泰超滤膜在国际一线膜通量水平基础上又取得了突破,平均膜通量达到30～32LMH,峰值膜通量最高达到60 LMH。

2. 用膜贵、换膜贵之降低膜能耗

白海龙表示,世浦泰分别从两个方面攻克膜系统的能耗问题:

(1)降低膜吹扫能耗

国内常规微滤MBR工艺污水厂的电耗占比中,膜系统的能耗约占一半,远远高于生化系统能耗。其中,膜系统的吨水电耗中膜吹扫曝气鼓风机占比约75%,由此可以看出,降低膜吹扫能耗,就能够大大节约膜系统消耗。

世浦泰高性能超滤膜组器相比微滤膜组器可成功实现膜吹扫运行能耗降低50~70%。

(2)降低MBR工艺系统回流能耗

传统AAO-MBR工艺流程采用三段回流,减少回流段,能够有效降低MBR工艺系统的回流能耗,例如新加坡某污水厂采用五段AO-MBR工艺,采用一段回流,膜吹扫曝气能耗小于0.04 kwh,全厂吨水电耗仅0.27kwh。

综合来看,解决“膜三贵”的经济性问题需要达到以下“333”的目标:对于日处理规模万吨级以上的城镇污水处理厂而言,需要能够持续稳定运行达到30L/(m2·h)的膜通量、膜吹扫气水比降至3:1以下、MBR工艺污水厂全厂运行吨水电耗降至0.3kwh/m3以下。

世浦泰超滤MBR膜经过多年的研发和实践应用,大量应用数据说明世浦泰膜产品已经具备了非常出色的表现力和经济性。以5万吨/天处理规模、准四标准的污水厂为例,按20年的生命周期全成本计算,世浦泰新MBR膜的吨水综合成本不仅大幅低于传统MBR工艺,并首次低于传统AAO工艺的成本。

3、新膜法之新场景:原址原位产能翻倍、准IV出水、水价不涨且投资回报率增加

3.1以单独污水厂为应用场景

若以4万吨/天某污水厂为例,希望原址原位扩容到8万吨/天,出水标准从一级A到准四类水。世浦泰的新膜法颠覆性地实现了,既要“出水水质直接达到回用标准、减少50%以上占地”的传统膜法优势,政府又要“吨水价不涨、150~200%雨季来水能处理”,水务公司还要“投资回报率增加、不再焦虑传统膜法频繁的维护和更换”。 目前传统膜法已可以实现“既要”这一部分,但“又要”和“还要”这两部分,世浦泰新膜法是唯一可以成功实现的解决方案。

清华大学环境学院教授、国家环境保护技术管理与评估工程技术中心主任王凯军在《环保回忆录》中也提到了管网的提质增效问题,文中表示,管网修复不能一蹴而就,可以换个思路,是否可利用存量污水厂利用雨季低进水浓度特点实现雨季更多的处理污水以防止溢流。基于这一思路,世浦泰从解决二沉池流量负荷瓶颈的角度入手,将二沉池替换为具有高流量弹性的超滤膜产品,无需调节池,降低溢流污染。

3.2以区域排水规划和总投资额为应用场景

举例,某城市城区有A和B两座污水处理厂,均由某水务公司负责投资、建设和运营。

A厂为6万吨/天,服务于老城区,排水体制采用截流式的合流式,出水标准一级A。

截流倍数低,雨季溢流污染严重;

管网不断完善,老城区晴天处理规模需要从现状6万吨增至12万吨/天;

国控断面的考核和水环境容量压力,出水标准需从一级A提升至准四类水。

B厂为4万吨/天,服务于新城区,排水体制采用分流式,出水标准一级A。

由于新产业导入,污水处理量需要从4万吨增至8万吨/天

该城市的再生水利用率需从5%提升至25%,而新产业的中水回用导致有提标需求;

由于管网渗漏且地下水位较高,分流制在雨季时管网流量仍超出污水厂处理能力。

传统解决方案,一般均采用新增管网、泵站、调蓄池、原厂提标、新建污水厂等一系列手段来解决,经国内大型设计院经验值测算,工程总投资约18.4亿,土建需求161亩。

但世浦泰新膜法方案,可在不新增用地前提下对A和B厂均原址原位翻倍扩能并同步提标到准四类(污水可资源化),一般无须其它额外投资。同时高性能超滤膜所具有的高流量弹性,使污水厂雨季峰值处理能力可达到晴天处理能力的150~200%,有效避免了雨季溢流污染,减少高昂的雨污分流管网改造和调蓄池建设等投资。

传统解决方案:工程总投资18.4亿         新膜法解决方案:工程总投资2.48亿

土地161亩                               土地0亩

新膜法解决方案相比传统解决方案可节约80%以上的工程投资、同时无需新增土地资源。

白海龙总结道,新膜法工艺下市政污水的处理能够完成包括解决扩能、提标、节约用地、雨季溢流污染、缩短施工周期、提高生物安全性和大幅节省总投资等多目标的同步实现。

世浦泰高性能膜产品对各类型水务公司的价值可总结为:“对于已经用膜的水务公司,世浦泰可协助提升已衰减的产水量,并通过微滤换超滤来大幅降本,从此不再焦虑维护和更换的频繁;对于尚未用膜的水务公司,世浦泰可通过新膜法或膜箱来扩能提标,帮助政府大幅节省投资额的同时,提升水务公司自身的投资回报率。”

产品化之思考:颠覆性新膜法破局需要什么?

世浦泰背靠中资,以德国知名品牌为平台,更有效地整合国际研发和顶尖人才资源,以标准化和产品化角度来化解中国水务行业的市场痛点,实现水务行业第三次浪潮的跨越。

对于3万吨/天以上的传统工艺污水厂,世浦泰颠覆性的新膜法,将帮助行业用户实现“既要”“又要”“还要”的扩能提标梦想;而3万吨以下的中小型传统工艺污水厂的扩能提标,世浦泰SMC一体化膜箱是一个有魅力的低成本、不停水且快速的解决方案。

HA系列膜组器                              SMC系列一体化膜箱(3000吨/天)

全球化的生产基地和研发中心,策略性地利用各自优势,分工协作,实现国际国内双循环。Supratec品牌各类产品已销往全球30多个国家并成功应用。

世浦泰上海基地                    世浦泰德国基地              世浦泰匈牙利基地

世浦泰旗下的Supratec微孔曝气系统已根植中国十多年,是中国和德国市场的占有率最高的企业之一,其中节能型板式曝气器MF650是国内关注节能降耗运营企业的一把利器。

从产品化角度思考,目前世浦泰也面临一些困惑。现阶段产品标准、工程设计标准、工程项目设计图纸标准,相互之间的差异在实际工程中会带来偏差,并造成标准过低、冗余过大所带来的部分用户体验较差的恶性循环。除此之外,行业的工程思维也会造成投资成本和运行成本增加,一些非市场因素的恶性竞争也一定程度阻碍了膜行业的技术进步。世浦泰集团坚信技术的可持续创新升级,产品的性能稳定保证,客户的应用体验提升,将为水处理行业的产品化持续发展,贡献力量。

“既要”“又要”“还要”的挑战性,产品型公司将持续进阶

论坛现场,就产品化和世浦泰的发展,中国人民大学环境学院教授、博士生导师,中国人民大学低碳水环境技术研究中心主任王洪臣,就“既要”“又要”“还要”的挑战性进行了探讨;北控水务集团有限公司副总裁冒建华,以及E20环境平台首席合伙人、研究院院长、北京大学环境学院产学研中心主任傅涛老师就“产品说服客户需要场景和背书”和白海龙就该颠覆性技术在中国市场推广和落地的话题展开了探讨。

白海龙强调颠覆性产品和“踢馆”模式的出现是不可避免的,鉴于一些大型水务公司已经建有第三方生产性验证平台,如果能做成以产品性能、经济性和低维护等指标为基础的竞技擂台,同时面向行业、面向公众进行公开、开放和透明条件下的测试,就可以避免“踢馆”模式下的实测成果在各家水务公司重复进行验证。