日本膜技術的發展與產業化及其借鑒意義

羅鳴，王琪，沈志鵬，鄭祥

中國人民大學環境學院，北京 100872

從20 世紀60年代開始，日本在國家層面進行頂層設計，通過政府組織的一系列國家攻關項目并給予其經常性的經費支持，形成膜領域創新資源的優化布局，構筑日本膜領域的知識創新體系、技術創新體系和服務體系;同時通過資源整合，提升企業的技術創新能力和市場開拓能力，培育具有國際競爭力的企業集團，在全球膜領域占據重要地位。

目前，日本膜企業的業務范圍遍布全球，日本電工集團美國海德能公司、東麗株式會社、東洋紡織公司與美國陶氏化學幾乎壟斷全球反滲透膜的供應;三菱麗陽公司、旭化成公司、久保田株式會社在超濾、微濾膜技術領域處于全球的領先地位，其業務范圍也覆蓋全球，對我國膜市場及膜產品的推廣應用有很大影響。

我國膜技術目前處于快速發展期，膜技術在全國得到快速推廣，膜產品市場潛力巨大，但目前我國膜技術在研發及產業化方面仍存在創新不足、膜企業規模小、市場占有率低等現狀。文章通過介紹日本膜技術的發展歷史及現狀，分析日本膜技術產業化的歷程及其在我國的應用發展情況，以期對我國膜技術走向高端產業化及開拓國際市場有一定的借鑒意義。

1 日本膜技術發展歷史

20 世紀60年代，日本開始脫鹽技術的研究，1969年開始使用反滲透膜進行脫鹽工程，首先將膜技術應用到水處理工藝中，但由于日本只有少數地區和一些隔離的島上水資源短缺，因此海水及苦咸水脫鹽裝置的應用并不多，其中大多數是利用反滲透膜制備工業用水，如半導體業等。

20 世紀90年代，日本開始大力發展膜分離凈化技術，并成為世界上最早開發出可大量生產陶瓷超濾膜的國家［1-2］，同時開始連續實施了三期關于凈水行業中膜技術的研究與應用計劃。1991—1994年，實施了為期3年的產、官、學三位一體的“使用膜的新型凈水開發研究”(MAC21)計劃，成功研究了凈水處理用的超濾(UF)膜和微濾(MF)膜，掌握了膜分離凈水裝置的設計、運轉管理方法［3］。1994—1996年，日本厚生省提供研究經費補助金實施了3年的產、官、學三位一體的“新高水平膜過濾凈化技術開發研究”(高度處理MAC21)計劃，主要研究開發納濾(NF)法凈化技術，并在1994年開始認可膜分離裝置凈化生產的自來水，并隨后成立水道技術研究中心，對膜廠商制造的膜分離裝置進行評價，合格后方可投入使用。1997—2001年，實施了為期5年的“高效率凈水技術開發研究”(ACT21)計劃，其中有一半的課題是關于膜在大型水廠的應用研究、膜法預處理技術研究和膜清洗研究等［4-5］。從以上措施可以看出，日本對凈水行業中膜分離技術應用的重視。

另外，在MBR 的推廣發展上，日本起了很大的促進作用，包括首創浸沒式MBR 系統的研究，以及多種不同商業膜系統的發展。第一個外置式完整的商業MBR 處理廠于20 世紀80年代在日本建成。20 世紀80年代中后期，日本的MBR 系統只用于一些小規模的家庭污水處理系統，包括在線污水處理凈化槽系統(1985 開始)、糞便處理系統(1988 開始)以及工業廢水處理工程［6］。但隨著MBR 技術的發展，MBR 也逐漸開始應用于大規模的市政污水處理廠。1998年，日本下水道事業啟動了一個為市政污水處理廠發展和評估MBR 系統的研究和開發項目，并根據研究結果，于2003年發表了“MBR 設計建議”，制定了MBR 系統的系統配置和設計參數。此后，日本下水道事業進行第二期中試實驗(2001—2004年)，重點關注運營成本的減少。基于這些研發項目和設計材料，日本第一個大規模的市政MBR 在2005年3月建成(Fukusaki WWTP;2 100 m3/d)。到2009年3月，日本的MBR 設備總數至少為3 870 座［6］。中國對MBR 的研究從1991年開始，發展十分迅速，1999年開始10 m3/d 的中試規模的研究［7-10］。日本膜企業敏銳關注到這一趨勢，大力開拓中國市場，早期的中國大型MBR 系統大量采用日本的膜產品。

2 日本膜技術應用現狀

2.1 膜技術在日本凈水行業中的應用

截至2005年，日本不同規模的供水系統(包括公共水廠、大型供水系統和私人供水系統)在全國約有14 800 個［11］，而其中應用膜技術的凈水設施約為550 個(圖1 和圖2)。日本膜分離(MF/UF)凈水設施的建設非常迅速，設施數呈直線增長，1992年僅為7 處，而2011年末達到了744 處，日處理能力達到了1.3 ×106m3/d［7-8］。

圖1 日本MF/UF 膜分離凈水設施的建設狀況(1992—2011年)Fig.1 The construction status of MF/UF membrane fitration facilities for water purification in Japan(1992-2011)

圖2 日本MF/UF 膜分離凈水設施的累積處理能力(1992—2011年)Fig.2 The cumulative treatment capacity of MF/UF membrane filtration facilities for water purification in Japan(1992-2011)

2000年，日本膜技術自來水廠處理能力僅為100 ×103m3/d，膜技術主要應用于小型供水系統，其中71%的膜系統產水量小于500 m3/d，產水量大于1 000 m3/d 的膜系統僅占13%［12］。但從2004年開始，一些產水量超過10 ×103m3/d 的大、中型水廠也開始使用膜技術。2004年2月，處理能力達到30 ×103m3/d 的膜法供水系統在東京都羽村市建成投入使用;2005年前后，橫濱市和福岡市也安裝了產水量為100 ×103m3/d 的大型供水系統。

圖3 為截至2011年，日本膜分離設施的處理規模比例。從圖3 可以看出，日本大多數膜分離凈水設備的處理能力為100 ～1 000 m3/d，其次為處理能力小于100 m3/d 的設備，但二者總處理能力較小;而處理能力大于1 000 m3/d 的設施數比例僅占23%，但其處理能力達到88%，其中大于10 ×103m3/d 的膜分離設施數量僅有21 處，但其累計處理能力高達747.3 ×103m3/d［8］，均為較大規模的水處理設施。如日本東京都水廠處理規模達80 ×103m3/d，其采用的是內壓式超濾膜。

圖3 不同處理能力日本MF/UF 膜分離凈水設施及處理能力比例(截至2011年)Fig.3 The ratio of MF/UF membrane filtration facilities and treatment capacity for water purification in Japan(-2011)

日本采用膜分離設施處理飲用水的水源主要采自地表水和地下水(圖4)，其他用到膜分離裝置的則主要是潛水、湖水和涌水。雖然地表水的膜分離設施數量較多，達338 處(占54%)，但處理規模都較小，累計處理能力為220 ×103m3/d，平均處理能力僅為651 m3/d。而地下水的膜分離設施雖然僅有148 處，但其累計處理能力達到了279 ×103m3/d，平均處理能力達1 885 m3/d。

另外，根據2010 和2012年日本膜設施供水規劃(圖5)，除北海道和東北地區利用膜設施供水規劃在100×103m3/d 以下外，其余各地區膜設施的供水規劃都在100×103m3/d 以上。除中部地區，其余各地區的膜設施供水規劃都有所增長，九州地區的膜設施供水規劃最多，2012年為228.8×103m3/d［13-14］。

日本從20 世紀90年代起，就將膜技術應用于凈水技術中，并且不斷推廣膜技術應用，2005年前后就將膜技術應用于大型水廠中，而我國膜技術在飲用水處理中的應用較晚，2000年應用膜技術的飲用水處理廠僅有7 個，到2011年發展至69 個，總處理規模為1.46 ×106m3/d，雖然其處理能力與日本相當，但應用比例較小，并且規模在10 000 m3/d 以上的水廠都建成于2007年之后［15］。

圖4 日本處理不同來源水的膜分離凈水設施及處理能力比例(截至2009年)Fig.4 The ratio of membrane filtration facilities and treatment capacity for water purification treating water from different source in Japan(-2009)

圖5 日本2010年膜設施供水規劃Fig.5 The water supply plan of membrane facilities in Japan

2.2 膜技術在日本生活污水處理中的應用

日本的生活污水處理管理比較復雜，在不同的法律和國家部門的監管下有幾個不同的系統共存。而膜技術(MBR 獨立裝置)在生活污水處理中主要應用于以下5 個方面(截至2009年3月)［6，16］。

2.2.1 城市污水處理系統

城市污水處理系統作為主要的污水處理系統，由日本國土交通省(MLIT)管理。雖然這種大型的市政污水處理廠已有2 000 座，覆蓋全國73%的人口，但MBR 從2005年才開始應用到城市污水處理中。目前只有10 個MBR 處理廠在運行(其中9 個MBR 處理廠運行情況如表1 所示)，另外有10 個廠正在建設或處于規劃設計階段。現有處理廠的處理能力為0.15 ×103～4.2 ×103m3/d。這些MBR 污水處理廠都是按照2003年日本污水工程機構(JS)的JS MBR 設計建議而配置的標準化流程和設計處理。

表1 日本9 個MBR 污水處理產運行狀況Table 1 The operation states of 9 MBR sewage treatment in Japan

2.2.2 農村污水處理系統

農村污水處理系統主要是農村地區(通常為農業農村地區)的小規模污水處理系統，由日本農林水產省(MAFF)管理。雖然已超過5 000 個處理系統，但僅覆蓋3% 的人口，1999年安裝了第一個MBR 設施，目前MBR 設施已有50 座。這些MBR裝置大多由日本農村資源回收處理協會推廣使用，并且大多為浸沒式MBR［17］。

2.2.3 凈化槽系統

凈化槽系統主要是在線污水處理系統，處理獨棟住宅的生活污水，以及其他包括公共設施(如學校)、商務樓、餐廳和辦公室的污水等。目前有9%的人口使用凈化槽系統來處理生活污水，日本至少安裝了1 930 多個凈化槽MBR 系統。

2.2.4 糞便處理系統

糞便處理系統主要設在沒有污水處理系統的農村地區。目前約有1 000 座糞便處理廠，其中有206座應用了MBR 系統，總處理量為18.7 ×103m3/d。傳統處理方法需要將收集的廢水進行稀釋后再處理，而MBR 系統則可不經稀釋直接處理高濃度的有機廢水。

2.2.5 建筑污水回用系統建筑污水回用系統主要是大型建筑的在線污水處理和回用系統。在20 世紀80年代使用外置式MBR，由于浸沒式MBR 的占地面積更小，因此到90年代浸沒式MBR 的安裝數量不斷增長。污水回用的MBR 系統的安裝數量已多于74 個，總處理量為11 ×103 m3/d。

2.3 膜技術在日本工業廢水處理中的應用

MBR 也被應用于日本許多工業廢水處理過程中，安裝數量約為1 610 個［6］，主要應用于食品業、畜牧業和醫藥制造業的工業廢水處理［6，18-19］(圖6)。

圖6 日本MBR 處理工業廢水的比例［6，18-19］Fig.6 The ratio of waste water treated by MBR in Japan

日本MBR 處理技術起步較早，但最初都是應用于小規模的污水處理系統，包括在線污水處理凈化槽系統、糞便處理系統、建筑污水回用系統以及工業廢水處理，直到2005年才將其應用到大型的市政污水處理工程，雖然總體上應用規模較小，但其對世界MBR 技術的發展推動較大。相較而言，我國MBR技術主要應用于市政污水處理與回用(約占MBR的75%)，大規模(過萬t)的MBR 系統已超過350 萬m3/d，主要用于污水處理廠的提標改造、市政污水回用和微污染地表水處理等［15］。

2.4 膜技術在日本脫鹽方面的應用

日本的脫鹽裝置應用較早(20 世紀60年代)，2010年日本的脫鹽裝置累計產水量達到1.6 ×106m3/d，其中采用反滲透膜組件設施的產水量占88.8%，累計脫鹽能力達到1.44 ×106m3/d［20-23］(圖7)。

圖7 日本脫鹽裝置累積產水量(1965—2010年)Fig.7 The total water production volume of desalting devices in Japan(1965-2010)

截至2010年，日本脫鹽裝置的反滲透膜累計占有比例為89.35%，其次是電滲析技術，所占比例為4.4%，另外還有用多效蒸餾、多級閃蒸及電脫鹽等技術(圖8)。從20 世紀70年代起，新增脫鹽設施大多數為反滲透設備［20-23］。

圖8 日本不同技術脫鹽裝置使用比例(1965—2010年累積數據)Fig.8 The ratio of desalting devices with different technology in Japan (The cumulative quantity of facilities in 1965-2010)

從設施數上看，在反滲透脫鹽裝置中，小于500 m3/d 的小型脫鹽裝置有50%以上，其次為1 000 ～10 000 m3/d 的大型裝置(截至2010年累計數據，圖9)，但大型反滲透脫鹽裝置提供了大部分的產水能力［20-23］。進行脫鹽的水源主要為純凈水(39.5%)、苦咸水(15.3%)、廢水(15.1%)、河水(13.9%)和自來水(2.9%)，而海水淡化占脫鹽裝置的比例僅為13.3%，這是由于脫鹽裝置大多應用于工業生產，而不是提供生活用水(圖10)［20-23］。由于沖繩島淡水資源較缺乏，位于沖繩島的日產40 000 t 淡水的反滲透式海水淡化廠是目前日本最大規模的民用海水淡化廠，該廠總投資金額約347 億日元，由中央政府補助85%，能提供淡水40×103m3/d。

圖9 日本反滲透膜分離設施規模比例Fig.9 The ratio of RO membrane facilities with different scale in Japan

圖10 日本脫鹽裝置處理不同水源水比例Fig.10 The ratio of desalting devices treating water from different source in Japan

日本對于脫鹽及海水淡化的研究較早，從20 世紀60年代起，每年都有新建成的反滲透脫鹽裝置，反滲透脫鹽裝置得到較為廣泛的應用。而我國雖然從1958年就開始研究電滲析海水淡化，1965年開始反滲透和蒸餾等的研究，并在20 世紀80年代就已掌握了蒸餾法和反滲透法兩大主流海水淡化技術，但在2000年以前，我國海水淡化的應用較少，2005年才加快海水淡化工程的建設進程，并且由于受到遠程調水及海水淡化成本高的影響，海水淡化工程的建設在我國進展較為緩慢［24］。

2.5 日本膜技術的產業化

日本膜企業生產的膜產品在全球的市場份額中占有很高的比重，在1996年，日本的分離膜市場就已達10 億美元，占全球分離膜市場的1/3［25］，其膜產品銷往世界各國。表2 為日本主要的膜企業及其業績(參考《中國水處理行業可持續發展戰略研究報告》及各企業相關網站)［15］。

表2 日本主要膜企業及業績［15］Table 2 The main membrane companies and the performane in Japan

日本膜企業的特點為:1)產業領域寬，幾乎每家企業都在發展微濾(MF)、超濾(UF)和反滲透(RO)業務;2)產品系列化和專用化，可根據用戶的需要，開發多種類型的膜和不同系列膜組件;3)注重利用本公司以往的技術積累，發揮自己的技術優勢［26-27］。

3 日本膜技術在中國市場的發展

日本膜企業的業務范圍遍布全球，在20 世紀90年代就開拓中國市場。在中國反滲透膜市場上，日本的東麗株式會社和日本電工集團美國海德能公司的反滲透膜占據中國反滲透膜市場的33%以上的市場份額。而在中國超濾/微濾膜市場中，日本的三菱麗陽公司、旭化成公司在中國MBR 市場中占據重要的地位。日本膜技術的研究及膜企業的發展對中國乃至世界膜技術的發展和應用都有重要影響［15］。

東麗株式會社是世界上最早從事反滲透膜技術開發的企業之一，早在1968年就開始了膜技術的研究，也是世界上少數具有RO、NF、UF、MF 系列膜技術研發與向市場提供全系列商業化膜產品的膜廠家。目前在世界各地其膜產品已累計達到2 200 萬m3/d以上的工程業績，其中海水淡化反滲透膜業績已達到500 萬m3/d 以上，污水再利用業績已達到170 萬m3/d 以上。東麗株式會社在20 世紀80年代初期將反滲透膜技術介紹到中國，最早應用于發電廠的鍋爐補給水。近年來，隨著中國經濟的飛速發展，東麗膜水處理系統的應用也越來越廣泛，在國內許多重要項目中得到選用。為了在中國市場進一步擴充其事業內容，公司于2002年成立了東麗(中國)投資有限公司，作為其開展事業的核心，2003年開始在中國大陸設立銷售機構提供反滲透膜銷售和服務。東麗集團和藍星集團于2009年成立合資公司——藍星東麗，在北京成立中國最大的水處理膜生產廠。

從20 世紀70年代開始，日本電工集團美國海德能公司開始了反滲透膜的研發，經過40 多年的不懈努力，目前該公司已經成為世界分離膜制造業中最著名，產品規格最多，生產規模最大，取得專利最多的卷式反滲透膜元件制造商之一，該公司以迅捷的方式向客戶提供相同品牌，多種型號及同樣品質的分離膜產品而著稱。公司自1996年在北京設立第一個長駐代表機構——美國海德能公司北京代表處以來，一直致力于開拓中國反滲透及超濾膜市場，長期占據中國26% ～30%的反滲透膜市場份額。

久保田株式會社于1990年在日本建立商業化污水處理廠，至今在全球的應用業績已達到4 200處，10 000 m3/d 的大型項目業績達到21 個。目前，其平板膜在中國已有200 個左右的業績，無錫市城北污水處理廠四期續建工程采用久保田株式會社的平板膜，處理水量為20 000 m3/d，是中國目前應用平板膜MBR 的最大工程，于2012年開始運行;江蘇某造紙廠改造工程(處理水量為9 000 m3/d)也采用該公司的平板膜，該項目是久保田株式會社在中國最大的工業廢水MBR 處理項目，于2011年開始運行。

旭化成公司擁有全球的水處理超微濾膜近20%的市場份額，Microza 目前在全球有500 多套裝置在運行。旭化成公司在中國目前有100 多套裝置在運行，總處理量達500 000 m3/d。2006年，旭化成公司開始進入中國水處理市場，面向大規模市政污水處理廠項目及大型石化行業廢水處理設施的MBR 產品開始供貨。2008年，推進大型自來水廠的膜工藝應用，向中國大規模自來水廠項目的膜產品供貨;2009年2月，在中國蘇州建成了世界上第一座BOO 模式的廢水處理回用工程并投入運行。

三菱麗陽公司采用的中空纖維膜在國內外已經積累有2 000 多項工程案例。中國第一個萬t 規模的市政污水處理廠——密云污水處理廠采用該公司的中空纖維膜組件，其設計能力為4.5 萬t/d，實現模塊化設計與安裝，膜組件的清洗維護和整體系統的運行全部實現自動控制。

日本膜企業在華典型MBR 工程案例如表3所示。

表3 日本膜企業在華典型MBR 工程案例Table 3 The typical MBR project cases of Japanese membrane companies in China

4 結語

日本政府在國家層面進行頂層設計，形成膜領域創新資源的優化布局，構筑日本膜領域的知識創新體系、技術創新體系和中介服務體系;同時通過高校院所和企業資源的組合，提升企業的技術創新能力和市場開拓能力，培育具有國際競爭力的企業集團，全面提升在膜領域企業的技術創新能力。雖然我國膜產業總產值從1993年的2 億元上升到2012年的400 億元人民幣，但主要膜材料長期依賴進口，高端產業、低端環節現象嚴重;企業規模普遍較小，目前我國膜市場被上千個企業分割，產值過億規模的企業很少;應用層次偏低，應用領域偏窄。因此，借鑒日本膜產業的發展經驗，加大膜企業的研發投入，加強膜技術的研發創新能力，通過提供更高性價比的產品和卓越的技術服務開拓國際市場，是中國膜行業發展壯大的必由之路。

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