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膜产品行业分析研究报告

发布日期:2022-04-22 14:45   来源:未知   阅读:

  膜是一种具有选择性分离功能的存在于两流体之间的固态、液态或气态的材料,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,实现分离、浓缩、纯化的一种方法。同传统分离技术比,具有选择性好、节能环保、条件温和、易于集成的优点。

  膜的分类有很多种,按用途可分为物质分离膜、能量转换膜、电荷传导膜、物质转化膜、控制释放膜和物质识别及信息传感膜,水处理膜一般是物质分离膜。

  膜按材料分有机膜、无机膜和有机无机共混膜,无机膜主要是陶瓷膜、玻璃膜、金属膜,其过滤精度较低,选择性不高;有机膜由高分子材料加工而成,如聚偏氟乙烯(Polyvinylidenefluoride,PVDF)、聚氯乙烯(Polyvinylchloride,PVC)、聚醚砜(Polyethersulfones,PES)、聚砜(Polysulfone,PS)、醋酸纤维素(Celluloseacetate,CA)等,由于有机膜过滤精度较高,选择性好,广泛应用于水资源化领域与工业特种分离等领域;共混膜结合了有机膜和无机膜的优点,但受制备工艺复杂性约束,其工业化制备和应用还在推广。

  膜按制备方法又包括涂布法、相转换法(LIPS/TIPS/VIPS)、烧结成型法、界面聚合法、拉伸致孔法和径迹蚀刻法。

  膜按形状又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(Membranebio-reactor,MBR)。管式膜则主要用于垃圾渗滤液处理和高固含量液体分离,是目前市场使用最多最广泛的膜应用形式,其主要优点是填装密度大,使用操作简便,行业标准比较一致。

  膜按照孔径尺寸可分为微滤(Microfiltration,MF)膜,超滤(Ultrafiltration,UF)膜,纳滤(Nanofiltration,NF)膜、反渗透(Reverseosmosis,RO)膜、电渗析(Electrodialysis,ED)膜、渗透汽化(Pervaporation,PV)膜和气体分离(Gasseparation,GS)膜。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。电渗析膜一般是荷电膜,用于带电离子溶液分离。渗透汽化膜和气体分离膜一般是无孔膜,用于易挥发的小分子体系分离。

  MBR又称膜生物反应器(MembraneBio-Reactor),是一种由膜分离单元与生物处理单元相结合的新型水处理技术。按照膜的结构可分为平板膜、管状膜和中空纤维膜等,按膜孔径可划分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜等。MBR将分离工程中的膜分离技术与传统废水生物处理技术有机结合,大大提高了固液分离效率;并且由于曝气池中活性污泥浓度的增大和污泥中特效菌(特别是优势菌群)的出现,提高了生化反应速率;同时,通过降低F/M比减少剩余污泥产生量(甚至为0),从而基本解决了传统活性污泥法存在的许多突出问题。

  因此与许多传统的生物水处理工艺相比,一种满意的MBR膜具有以下主要优点:(1)出水水质优质稳定;(2)剩余污泥产量少;(3)占地面积小,不受设置场合限制;(4)可去除氨氮及难降解的有机物;(5)操作管理方便,易于实现自动控制;(6)易于从传统工艺进行改造。

  MABR膜传氧生物膜反应器的英文全称是MembraneAeratedBiofilmReactor。它的工作原理在于利用选择性透气膜与附着生长型生物膜之间的协同作用,采用透气膜将氧气传递至透气膜表面附着的生物膜,同时氨和有机物等基质从污水扩散到生物膜中,而安装在缺氧池中的MABR好氧生物膜(以硝化菌为优势菌)和在缺氧区悬浮增长的反硝化菌实现同步硝化反硝化(SND)来强化对污水中氨氮和总氮的去除。

  与传统的生物膜技术相比,MABR氧气的传质方向和氨氮、有机物的传质方向是对向流,可有效避免了硝化自养菌和有机物去除异养菌在氧气上的竞争,同时通过尾气的大气泡脉冲擦洗使得MABR表面生物膜厚度的控制简单可行。因此,MABR是一项更适合同步硝化反应的全新生物膜技术。不仅如此,根据对MABR完全硝化和亚硝化比例分析的测试,不同的氨氮负荷以及完全硝化和亚硝化的理论需氧量与实测值分析显示,采用MABR技术除了节省氧气消耗之外,还能充分利用原进水的有机物,协同短程硝化反硝化从而节省额外的碳源投加,这对于我国普遍的低C/N比的污水而言,将可节省巨额运行费用。

  水处理的产业链如下图所示,从水的初级处理到三级/深度处理,主板和创业板共有30余家上市公司。

  单独就水处理膜产业链而言,其位于水处理产业链的上游,包括膜材料合成、制膜和膜组件封装等。大型水处理方案中使用较多的为聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚醚砜材质制作的微滤/超滤膜元件。

  相对于膜领域先进国家,我国存在最大的差距是在膜材料和膜组件的制造。膜材料的合成制备主要是来自世界上一流的大化工公司,如美国的陶氏化学、通用公司、德国的巴斯夫、日本的旭化成、东洋纺和东丽等,这些国际化工巨头研发力量和规模化生产能力强大,而且高端膜被一些国家列为战略产品,不会向中国转让技术。

  国内用的膜材料有些80%需要进口,生物和医用膜、气体分离膜、特种分离膜绝大部分需要进口。MBR和MABR膜至今国产化率不足,产业缺口较大。膜组件制作方面,膜液喷头拉丝装置、关键收卷膜装置大多以进口为主,卷式膜的封装胶耐有机溶剂的性能不佳,大多需要从汉高等外企购买。我国的膜材料,膜组件的生产厂家以中小企业为主,工艺水平及产品质量千差万别。总体说来,企业会进一步优胜劣汰,实现水处理膜的进口替代仍有很长的路要走。

  目前,膜处理技术的核心部件是膜产品。中国膜处理市场是世界上增长最快的市场。世界膜产品市场规模:从1999年的44亿美元上升到2017年223.80亿美元。中国膜产品市场规模:从1999年28亿元上升到2017年近650亿元,复合增长率接近20%。

  中国膜产业在世界占比不断增加,逐渐成为膜行业巨头的必争之地。从结构看,随着海水淡化、苦咸水软化、超纯水制备以及对微量污染物去除需求的逐年增加,MBR和MABR膜在膜市场中占比也随之增大,与此同时,UF\MF膜市场占比有所下降。未来随着污水资源化、深度水处理的需求增加,膜产业仍将快速发展,而与RO膜相比,MBR和MABR膜具有低操作压力、低运行成本、高通量、极性小分子选择性截留等优点,未来应用占比有望提升。

  早在20世纪90年代,膜生物反应器技术就已引进中国用于废水和再生水处理。发展到现在,膜生物反应器在中国的研究和应用主要经历了以下4个阶段:初始实验室研究阶段-深入研究及小型工程应用阶段-规模工程应用阶段-全面推广应用阶段。从2010年开始,随着排放标准的提高、民众对环境保护意识的加强,以及膜材料价格的下降,MBR工艺开始在全国多地大规模商业化应用。目前中国投入运行或在建的MBR系统已有200多个万吨级MBR系统在市政污水处理领域得到应用。我国MBR系统累计处理能力从2010年的200万吨/天增长至2019年的1980万吨/天左右。

  图表4:2010-2020年我国MBR系统累计处理能力走势(单位:万吨/天)

  目前中国市场的膜供应厂商知名国际公司包括日本三菱、日本久保田、日本旭化成、新加坡美能、美国通用电气(GE)、加拿大坎普尔、德国西门子、荷兰滨特尔等。知名国内公司包括碧水源、膜天、赛诺、求是、立升、斯纳普、蓝天沛尔、久吾高科等。2010年以前,国际厂商在我国MBR膜市场占据主导地位;2010年后,国内公司的份额逐步提高,国产品牌替代效应逐步显现。

  从市场规模来看,2019年我国MBR膜行业市场规模约75.33亿元,同比2018年的69.01亿元增长了9.16%,近几年我国MBR膜行业市场规模情况如下图所示:

  近年来新材料行业以及膜产业的快速发展,加上当前全世界对于工业废水循环利用以及环保压力的驱动下,市场对MBR膜的需求越来越大,未来全球MBR膜市场仍将继续扩张。

  现阶段我国MABR膜是水处理企业技术创新的需求所在,应用领域主要集中在工业分离,污水、废水处理,再生水处理和海水淡化等领域。使用MABR膜,无需气泡曝气,资源利用率30~50%,高有机负荷,降低剩余污泥~50%,降低运行成本~30%,降低投资成本达80%等。占地小,易组装,在大型市政项目升级改造、高浓度有机废水处理、分布式处理等领域有极大优势。

  MABR膜技术作为目前具有先进性和竞争力的工业分离和水处理技术,与我国目前提倡的打造节能减排社会,致力清洁生产、发展循环经济,实现可持续发展的理念是非常契合的,具有非常广阔的应用空间和发展前景。

  从不同的膜技术应用情况来看,MBR和MABR膜技术壁垒远高于微滤和超滤膜,国内具备MABR膜生产能力的企业寥寥无几。目前,国内MBR膜行业产销基本平衡,其中,MBR中空纤维膜基本实现国产化,部分产品出口到国外市场,但在MBR平板膜领域,国外企业占比约20%市场份额,国内还需要从国外进口。

  进入“十四五”时期,随着水资源总量控制和水权交易的政策不断出台,以及水污染防治不断深化,膜产业高速增长可期,预计到2024年,膜产业总产值再翻番,达到3630亿元。

  随着膜技术的逐步发展成熟和水污染治理不断提标升级,国内水处理行业对膜技术的需求将越来越大。预计“十四五”期间,膜技术的应用范围将会越来越广,不仅应用于城镇污水和工业废水回用处理,而且会更多地应用于难生物降解有机污染物和重金属污染物的分离处理,膜技术将成为工业废水“零”排放或低排放的基本手段,预计国内采用膜技术的水处理工程将以每年20%的速度快速增长。根据《中国水处理行业可持续发展战略研究报告膜工业卷Ⅲ》的预测,全国用膜量总体呈上升趋势,到2025年用膜量将达到7084万㎡,需求量巨大,市场前景广阔。

  由上表及相关分析可知,目前MBR/MABR膜产品基本来源于上述厂家,未达到市场饱和,且“十四五”期间,膜技术的应用范围将会越来越广,产能需满足2021年及以后年份的所需膜量,国内市场尚处于供不应求的状态,仍有较大的发展空间。

  膜产品的相关性能指标主要有分离透过性能、物理性能和化学性能三大类,其中分离透过性能包括:产水量、水通量、纯水透过率、截留分子质量、截留率、脱盐率、回收率、最大孔径、平均孔径、孔径分布、孔隙率、气密性及完整性等;膜物理性能有:结构性能(外观、膜面积、膜厚、膜丝内外径)、机械性能(拉伸强度、爆破强度、弯曲强度、柔润指数、断裂伸长率)、电性能(荷电性、Zeta电位)、亲水性及耐热性(最高操作温度)等;膜化学性能有:化学稳定性(化学相容性)、耐氧化性(短时余氯耐受限度、过氧化氢耐受限度)、耐酸碱性(运行及清洗pH范围)及耐污染性能等。膜的不同性能相互制约,在实际应用中,应当综合考虑膜的经济性和环境项目具体要求,选择性能合适的分离膜。

  因此膜材料的技术难点主要在于膜材料的研发与膜制备工艺的选择与过程控制。尤其膜的制备工艺对分离膜的性能十分重要,同样的材料,由于不同的制作工艺和控制条件,其性能会有很大差异。以非溶剂相转化法(NIPS)制备工艺为例,膜制造流程大体可分为六个阶段:1)高分子材料溶于溶剂中,加入添加剂,制成铸膜液;2)铸膜液通过流延或纺丝制成平板、管状或中空纤维;3)使膜中溶剂部分蒸发;4)将膜浸在对高分子是非溶剂的液体中,液相的膜变凝胶固化;5)进行热处理;6)膜的预压处理

  目前,中国市场膜产品的销售总额约为全球销售额的30%-35%,市场规模跃居世界首位。国外膜产品占据市场主导地位,其中美国陶氏化学、日本东丽、海德能公司占据了70%左右市场份额,国内膜生产厂家正迎头赶上,产能性能与稳定性与国外头部企业的差距正逐渐缩小,如贵阳时代沃顿的耐酸耐碱、抗污系列等部分产品已处于国际领先水平,此外蓝星(杭州)、湖南沁森、山东九章、湖南澳维、碧水源、中化国际、万华化学等国内膜企业开始陆续建成投产,进军市场,预期未来3-5年内,国内膜的国产化率将有明显改善。

  在MABR工艺中,膜不再仅仅作为过滤介质,更作为微孔曝气和生物膜生长载体。空气通过膜孔逐渐向水体扩散,通过对曝气量的控制,膜表面附着生物膜,靠近膜表面的微生物形成好氧区,远离膜表面接触水体的一侧由于没有氧气形成厌氧区,中间形成缺氧区,实现同时硝化反硝化。

  由于我国对MABR膜的研究起步较晚,MABR膜仍依赖进口,MABR膜产品与国外仍有较大差距,国产化MABR膜生产厂商仅有个位数,且性能不稳定,抗污染能力差,使用寿命不如陶氏等国际企业。随着我国MABR膜膜制备和生产工艺的研发投入不断增加,MABR膜技术的工程应用不断推广,MABR膜技术在我国拥有良好的发展前景。

  根据以上信息初步判定我国MBR、MABR膜产业所处的发展阶段为发展期,其主要特点如下:

  根据以上数据,中国膜产品市场规模从1999年28亿元上升到2017年近650亿元,复合增长率接近20%,增长率远高于全球增长率。从结构看,随着工厂废水处理、海水淡化、苦咸水软化、超纯水制备以及对微量污染物去除需求的逐年增加,MBR、MABR在膜市场中占比也随之增大。

  膜材料的技术难点主要在于膜材料的研发与膜制备工艺的选择与过程控制。尤其膜的制备工艺对分离膜的性能十分重要,同样的材料,由于不同的制作工艺和控制条件,其性能会有很大差异。目前国内厂商MBR、MABR膜产品的技术和性能方面的差异主要体现在产水量、水通量、孔隙率、截留率、脱盐率和回收率等方面。

  由于近几年膜结构存量市场有限,跟不上产业发展的需要,膜结构工程公司不断涌现,尤其是低端超滤/微滤膜元件,由于竞争的加剧其价格在不断下滑,利润率持续下降。而MBR、MABR膜由于技术壁垒较高,仍可以维持保持较高利润率。

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  下游膜结构工程公司所面临的无序竞争是最直接,影响最大的。由于近几年膜结构存量市场有限,跟不上产业发展的需要,膜结构工程公司却如雨后春笋般不断涌现,导致一个项目多个公司竞争,然而膜结构工程公司相互分散,各自为政,于是就出现恶性压价,使得中标价一低再低,很多工程公司苦不堪言,局部甚至出现“不拿项目等死,拿项目找死”这种危险论断。这种恶性竞争所带来的危害那是相当惊人的,工程公司中标价低,在购材、施工的过程中就势必偷工减料、设计敷衍了事。

  2000年之前我国膜结构公司不过20多家,到2004年已超过三百家,当时情况是膜结构公司快速增多,却是多而不强,急剧增多的膜结构公司中,拥有着强大综合实力的企业较少,能真正与国外公司抗衡竞争的不到十家,大多数公司是中小型的,技术实力薄弱,缺少膜结构施工经验,无力承担我国大型的膜结构工程的建设任务,北京、上海、广州的大型膜结构工程都是由国外的膜结构公司设计施工完成,这些中小型的膜结构公司因为利益驱使常常盲目做一些超过自己力所能及的项目,从而导致工程事故时常发生,05年后我国的膜结构市场完全向国外膜企业打开,国外进入到我国的不再仅仅是设计方案,其施工公司、膜材料的生产厂家都进入到我国,据不完全统计,2013年国内共有中外公司855家,以深圳市场为例,在当地市场的活跃公司就有12家之多,如今膜结构公司已多达3000家。中国膜结构工程公司极具增多,但是膜结构增量市场却增长乏力,依靠奥运会、世博会快速发展的膜结构行业,在这些大型国际会议结束之后,却没有得到很好地推广和扩张,人们对膜结构的认识还非常有限,甚至很多人提到膜结构都以为是蔬菜大棚。膜结构想要快速发展,还依赖于膜结构人士对新的应用领域、膜结构宣传普及等做出不断地努力。

  这个集中体现在膜结构工程及下游公司身上,经常一个项目短则一个月,长则三五年,甚至出现甲方直接赖账,导致烂账。虽然现在签合同的时候流行根据工程进度来付工程款,但是大多数还是完工结款,由于国内膜结构工程公司大多数都是小型、微型企业,资金少,所以工程周期一拉长就会出现资金短缺,资金链断裂等各种严重问题。

  虽然膜结构行业在中国兴起的时间短,但是这几十年来,膜结构产业发展却非常的传统,到目前为止,行业最先进的思维就是在淘宝开店、自己建个官网做做推广,更多的还是依靠业务员拉业务、靠关系,所以很难形成大的有国际影响力和竞争力的集团公司。

  相对来说,国外品牌膜元件在截留量、通量、使用寿命、抗污染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,市场占有率快速提升。

  MBR、MABR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。MABR膜是关注度很高的一项净水技术,水处理领域对于MABR膜的使用仍处于起步阶段,国内市场份额几乎全部被外资品牌占领。再生水回用和海水淡化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,MBR、MABR膜作为这两类技术的重要组成部分,也将因此迎来市场空间的进一步释放。

  国家大力倡导的可持续发展和循环经济政策,对水处理膜来说是一个千载难逢的历史机遇。膜应用将从传统的工业纯水领域一枝独秀转向多元化发展,主要市场将同时向海水淡化、市政水处理等领域扩展。首先是工业循环水回用,工业用水70%-80%用到的都是冷却循环水,而石油、石化、钢铁、造纸、印染、发酵等行业都是用水大户,是膜法水处理的重要的客户群和市场;其次是污水处理,全国近年来高速建设污水处理厂,对膜产品、膜技术而言,是未来的一个大市场。污水处理的终极目标是再生回用,膜技术是实现目标的必经之路。第三是市政自来水,传统的自来水厂占地大,而膜法水处理厂占地小、自动化程度高、出水精度高、成本也会逐渐降低。最后是海水淡化,它是今后膜法水处理的一个重要市场方向,取代传统膜的正渗透膜技术也在不断发展。将海水淡化成本降到传统自来水供应成本,是膜界同仁孜孜以求的目标。

  膜法水处理由过去的“做纯水、做好水”逐渐向“污水处理”发展,从“锦上添花”向“变废为宝、变害为利”发展,侧重点将发生变化,对技术设备水平要求更高。新膜制备、开发对膜界从业人员的研发能力提出更高要求。

  MBR、MABR膜过程、膜技术与其他环节的耦合成为重要的发展方向。这里包括两个方面的含义,一是各种膜技术之间的集成与组合,二是膜与其他过滤、脱盐技术,比如水处理药剂、传统过滤、生化技术、热法及离子交换的集成。在水处理行业中,膜之间以及膜与其他分离技术之间不光是竞争的关系,相互补充、联合应用才能更好地达到节能降耗,提高经济效益的目的。

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