反渗透纯水技术的现状、发展与研究

一、反渗透技术领域的历史与现状
⑴ 纯水制备行业
    以八年前美国海德能公司的反渗透膜产品进入大陆市场为标志，国内的反渗透纯水制备工艺技术进入了高速发展阶段，在电力、石油、化工、冶金、电子、医药、食品等工业行业以及市政给水、直饮水等民用方面均得到了广泛的应用。与传统的离子交换、电渗析方法相比，反渗透膜法占领了纯水制备工艺的绝大部分市场份额。反渗透技术在国内最早应用于微电子行业中冲洗用水的制取，而近年来直饮水的反渗透工艺所形成的技术与消费浪潮，从南到北自东至西席卷全国，极大的促进了RO技术的普及。

    近年来我国汇率稳定，关税下调，国外膜厂商在国内市场上激烈的价格竞争，国内代理商价格水分的不断挤出，配套产品的逐步国产化，均促使膜及其配套产品的市场价格及反渗透系统的工程造价一再下降。与此同时，我整体国力及企业购买力增强，个人消费水平提高，从另一方面促进了反渗透技术的广泛普及，促进了直饮水、市政供水及各工业行业先后接受了反渗透技术及其产品，形成了各自行业技术进步的重要环节。进而对国内整体工业进步起到了一定的促进作用。

⑵ 反渗透膜产品 
    就反渗透膜的结构形式而言，中空膜、管式膜、板式膜的市场相对狭窄，致使美国杜邦公司(Du Pont)已经停止其中空膜的生产，日本东洋纺(Toyobo)的中空膜在国内的销量也极其有限，而因卷式膜的预处理要求低、处理水源范围宽、应用范围广泛、市场巨大，使卷式膜几成反渗透膜的代名词。在膜材料方面，由于醋酸纤维膜的工作压力高、脱盐率低等缺陷，已基本退出市场，低压与超低压芳香聚酰胺复合膜已成为市场的绝对主流。而膜产品的发展动向，是朝着低污染膜、正电荷膜、钠滤膜等多品种多用途方向发展。

    海德能公司的低污染膜（LFC1、LFC3系列）具有较强的化学抗污染性能，是在原有的聚酰胺复合膜上再复合一层抗污染材料，使原来带负电荷的膜表面呈电中性，同时提高其亲水性，从而有效提高了膜的抗有机物污染能力。陶氏化学公司的低污染膜（BW30-FR系列）具有较强的物理抗污染性能，它提高膜表面的光滑度，加大膜元件进水隔网层厚度，使膜表面的紊流减小、流速加快，从而有效提高了膜的抗微生物污染能力。在地表水、中水、污水处理及其它溶液的浓缩、提纯处理等方面，低污染膜具有独特功效，自98年进入国内市场以来日益受到重视，普及速度很快。近年来出现的正电荷膜的膜表面带有正电荷，可更有效的去除阳离子，用于第二级反渗透时，可有效提高全系统的脱盐率，使之达到1μS / cm以下电导率的系统产水水质要求。纳滤膜在严格意义上不属于反渗透膜范畴，其膜材料品种繁多不仅限于芳香聚酰胺，膜的质量考核可以是病毒、细菌、胺氮、BOD等多种指标而不仅限于低脱盐率，因此纳滤膜的用途十分广泛，有待大力开发。

⑶ 反渗透膜市场 
    在RO膜产品市场方面，美国海德能公司(Hydranautics / Nitto Denko)与美国陶氏化学公司(Dow Chemical / Filmtec)的膜产品占据了目前国内市场约80%，其余国外膜厂商，如美国Koch / Fluid System、Osmonics / Desal、Trisep、韩国世韩(csm / Saehan)、日本东丽(Toray)等公司共占据了约20%的市场。这一状况表明，具有大规模生产能力的国际卷式膜厂商无一例外地登陆了国内市场，并占有一席之地。国内从60年代开始研制RO膜（中空、卷式），当时的技术发展几与世界水平同步。随后若干年中，国内水平逐步落后于国际水平，自80年代开始引进国外膜生产线。目前以葫芦岛玉柴北方膜工业有限公司为代表，尚有4～5家企业具有一定生产能力，但在国内膜市场中的占有率不足2 %。

    各类卷式膜的国内销售额自1996至2001年约分别为200、500、800、1000、1500、2500万美元，2002年的销售额估计为3000万美元。全球RO膜销售额2001年约为5亿美元，排除地区价差与品种价差，国内膜销售数量约为全球销售数量的10 %。2001年海德能公司率先在上海（松江）投资建厂生产卷式膜，产品已于2002年5月投入国内市场。相信其它国外膜厂商也将陆续在国内建厂。国内一些新兴的膜生产企业也正在杭州、贵阳等地加紧建厂，其产品不久将面市。届时国内膜市场将进一步扩大，竞争也将更加剧烈，而国内膜技术的相关下游产业将是最大的收益者。

⑷ 反渗透膜应用 
    在RO膜的应用领域中，投产于80年代的美国YUMA水厂（处理运河水），以其28万吨的日处理水量仍保持在世界反渗透膜水处理工程规模之首。海水淡化是反渗透技术应用的重要领域之一，在全球范围内生产规模超过10万吨/每天的三项最大的海水淡化工程分别建于阿联酋、沙特与西班牙，其中2002年刚投入运行的阿联酋Fujairah水厂的处理能力高达14万吨/每天。据不完全统计，目前全世界用反渗透技术生产的纯水超过1,200万吨/每天。相比之下，我国的生产总量及单项工程规模虽属初级水平。但发展速度很快，市场潜力巨大。据保守估计，目前国内工业用产水量超过100m3/每小时的反渗透系统已超过200套。已建成的最大工程是沧州化工厂750m3/每小时的14,000ppm亚海水淡化工程，使用的是玉柴北方膜公司生产的国产膜。2002年在建的最大工程是上海宝山钢厂与太原钢厂的两套2,000m3/hr级轧钢用水系统。电力行业的最大项目是烟台与大连的100m3/每小时电厂用水工程。桶装、瓶装水反渗透生产线产水量超过500m3/每天的已有十几套，最大的为1,000m3/每天。预计近两年内将在山东、大连出现日产万吨的饮用水生产系统。由于经济与地理等因素的影响，反渗透工程项目在山东省与大连地区较为集中。随着我国北方地区干旱化的加剧及工业、民用对水量、水质要求的不断提高，膜法海水淡化必然从现在的船用、岛用为主向工业、市政领域发展，市场的潜力巨大。

⑸ 反渗透配套产品 
    与膜产品市场同步发展的是其配套产品市场。ARGO的阻垢剂、GRUNDFOS与DP的立式多级离心泵、PROCON与NOCCHI的叶片泵、CODELINE的膜压力容器、AUTOTROL与FLACK的软水器多路阀、PARK与STRUCTURE的玻璃钢滤桶、BLUEWHITE与KING的面板式流量计等众多国外配套产品，曾一度独霸膜配套产品市场。在国内膜代理商及同类配套产品生产商的一致及不懈努力之下，上述膜配套产品逐步实现着国产化。目前产品质量基本过关，市场价格大幅下跌。部分产品还销往美国等产品原产地，为本行业的发展开辟了一个崭新的领域。

二、反渗透技术领域的发展
⑴ 企业的发展 
    反渗透技术相关的纯水设备制造行业2001年度销售收入估计已达到80亿人民币。标志着反渗透设备制造与纯水制备行业成为国内高速持续发展行业的一员。在上海、北京、广州、深圳、天津、杭州、湖州、西安等地均涌现出一批以RO膜技术为中心的产品代理、设备制造、工程安装及配套产品生产的专业企业群。这一行业经过近十年的高速发展，已开始步入平稳发展期，尽管营业额还在快速增长，经营利润的增长已趋缓定。目前全行业企业面临的一个基本问题是在作好市场的同时，深入研究产品与技术，从集约化经营中寻求发展。

    面对如此巨大且持续发展的膜产品市场。面对入世压力、与外企国内建厂的严峻形势，我国膜生产行业的技术与材料国产化的步伐缓慢。玉柴集团收购北方膜工业有限公司之举让业内人士看到了光明，但要真正形成科研能力需企业的超常努力。而欲达到一定分额的市场占有率，尚需国人如同对待配套产品那样给予足够的信任与热情。对设备制造业而言，设备制造企业及其配件制造厂商均缺乏有效的行业协会的组织协调，价格的无序竞争使行业的发展受到极大的限制。由于种种原因，业内企业除受到市场竞争的压力之外，还受到内部频繁分化的威胁，难于形成具有国际竞争力的行业旗舰式企业。而只有依靠旗舰式企业，国内的大型工程才不致轻易落入外资大型企业囊中，才能大举进军国外RO水处理工程与产品市场。

    此外，国内企业必然向韩国、台湾的企业界学习，把我们在国内市场中练就的经营技能用到经济较为落后国家的市场中去。将我们企业间拼死搏杀的战场转到外线去，使开拓国内市场的辉煌在较落后国家重演。而这一进程的速度快慢、成功与否，在很大程度上决定于行业主干企业群的形成与发展。

⑵ 产品与市场的发展 
    纯水设备制造与配套产品制造行业近年内将形成两大发展趋势，其一是继续完成产品的国产化，不断提高产品质量，在国内完善销售网络与销售机制，实现规模化生产；其二是借入世之势将国产化产品大举推向国际市场。小型叶片泵、软水器多路阀及专用仪器仪表的国产化必然加速。国内多家企业生产的4英寸有缝与无缝不锈钢制膜压力容器、哈尔滨玻璃钢研究所的4、8英寸玻璃钢制膜压力容器、无锡天河给排水设备厂与杭州南方特种泵厂的立式多级离心泵、西安复合材料研究所的玻璃钢滤桶、北京超纶公司的精滤滤材等产品均已具备了进军国际市场的技术水平。国内技术普及率很高的中空纤维超滤膜，其产量巨大、价格低廉、市场占有率极高，使国外产品望之却步；但其品种单一，缺乏高质高档产品。该情况如有改观，大举进入国际市场指日可待。我们的产品走出国门不仅是相关企业生存与发展的需要，而且被证明是完全可行的，重要的是我们的企业界应把目光更多的放到国际市场上去。美国、日本、欧洲市场上大陆产商品已比比皆是,仅差膜配套产品的加盟。

三、反渗透工程技术的研究与系统优化设计
⑴ 面临的问题 
    与RO工程项目形成的波澜壮阔的浪潮相比，国内RO工程技术的研究相对薄弱与滞后，存在着许多亟待解决的问题。重要问题之一是要有国内知识产权的包括预处理在内的RO系统设计软件，从而使关于RO应用技术的分散研究成果形成产品，并直接服务于系统设计。业内人事所关心的另一个重要问题是RO系统的设计与运行优化。对这样一个基本问题的深入分析与讨论，并用于工程设计与系统运行实践，可提高反渗透系统的设计与运行水平，进而产生巨大的经济效益。

    目前，RO系统的设计大多依赖于国外膜厂商提供的设计软件，这些软件对系统设计给予了很大帮助，但实质上仅是一种膜系统设计方案的运行模拟环境，不能够自动提供可行设计方案，更不具备优化设计的能力，也未涉及至关重要的预处理系统。对于广大中小RO系统的设计人员而言，系统地掌握优化设计的思想及其技术的难度很大。一种较为实用的方法是，针对不同的原水水质条件、产水流量与产水水质等要求，研制出一整套RO系统设计优化方案谱系。中小系统设计人员仅需根据设计要求，在该谱系中查找相应的优化方案，并在其基础上根据具体情况，用现有的设计软件进行有限地修正与验算，则可迅速得到实用的优化设计方案。

⑵ 系统优化设计 
    研制这一优化设计方案谱系的工作量虽然很大，但通过笔者及合作人员的初期尝试，证明这一设想是可行的。这里仅给出该设想的基本构架，供有志于此方向者参考。

    一个完整的RO纯水制备系统可划分为预处理系统与膜系统两大部分，每部分又可划分为设计、运行、清洗三大内容。因此完整意义的系统优化包括：
    预处理工艺结构优化。 预处理运行参数优化。 预处理清洗工艺优化。
    膜系统工艺结构优化。 膜系统运行参数优化。 膜系统清洗工艺优化。
    各部分优化模块的关系见图1。这里的每一项均是针对特定局部系统的特定内容，以特定费用最低为目标的最优化问题。

    膜系统运行参数优化与预处理运行参数优化，旨在模拟各种可选的预处理与膜系统工艺结构的运行工况，以求得各工况对应的最低运行费用，其结果应分别是一族对应不同工艺结构的最低运行费用曲线。预处理清洗工艺优化与膜系统清洗工艺优化，旨在模拟预处理与膜系统中对应膜及各滤材的不同污染或结垢深度的清洗工艺，以求得各工艺对应的膜及各滤材更换与清洗的最低费用，其结果应分别是一族对应不同污染或结垢深度的更换与清洗的最低费用曲线。
预处理工艺结构优化模型可定性地表示为：
    优化目标：预处理系统投资、运行费。材料更换费、清洗费、水费之和的总费用最低。
    优化约束：膜系统给水流量、膜系统给水污染指数、有机物、微生物含量等水质指标。
    优化求解：预处理系统工艺结构。
    水质条件：反渗透系统原水的污染指数、无机盐、有机物、微生物等水质指标。
    设定数值：预处理系统运行费、材料更换及清洗费、原水水价。
模型中的预处理系统运行费、材料更换及清洗费分别由预处理运行参数优化和预处理清洗工艺优化两模型给出。该优化结果为以膜系统给水流量为自变量的预处理系统最低费用曲线，且附加以膜系统给水水质水平为自变量的修正系数曲线。

膜系统工艺结构优化模型可定性地表示为：
    优化目标：膜系统投资、运行费、膜更换费、清洗费、给水水费之和的总费用最低。
    优化约束：系统设计要求的膜系统产水量及产水水质指标。
    优化求解：膜系统工艺结构。膜系统回收率。
    水质条件：膜系统给水污染指数、有机物、微生物含量等水质指标。
    设定数值：膜系统运行费、膜更换及清洗费、系统给水水价.

    模型中的膜系统运行费、膜更换及清洗费分别由膜系统运行参数优化及膜系统清洗工艺优化两模型给出；给水中污染指数、有机物、微生物含量等指标由预处理工艺结构优化模型给出；预处理工艺中如配置软水器、锰砂滤器等去离子设备，则膜系统给水无机盐分布还受预处理工艺配置的影响。该优化结果为以RO系统产水流量为自变量的膜系统最低费用曲线，且附加以膜系统产水水质水平为自变量的修正系数曲线。

    如以膜系统给水污染指数（SDI）代表膜系统给水的非无机盐水质指标，则对应特定的RO系统产水流量要求与特定的RO系统原水无机盐水质条件，膜系统总费用是SDI指标的单调增函数，预处理系统总费用是SDI指标的单调减函数。合成两个单调函数曲线，则形成特定工程的RO系统总费用曲线。合成曲线的最低点对应系统的最低投资、运行、耗材、清洗总费用；该点也同时对应着预处理与膜系统的最优工艺结构、最优运行参数、最优耗材更换期、最优清洗工艺。这就是图1中反渗透系统总体优化部分的实质内容。

四、结束语
    本文前面的部分是笔者几年从事反渗透纯水设备制造行业的所知所见及自身的一些感受，希望达到与同业间交流之目的。关于反渗透技术研究方面提出的观点，既是从业的体会，也是近年来从事教学与科研的成果。但所列数学模型尚属定性描述，具体的研究工作正在逐步展开，本文旨在与业内人士就此方向进行讨论。