中国膜产业可持续发展战略研究--以“MBR在中国大规模应用的驱动力分析”为例

作为材料科学和过程工程科学等诸多学科交叉结合、相互渗透而产生的膜技术，特别适于现代工业对节能降耗、低品位原材料再利用和环境治理与保护等重大需求，成为实施国家可持续发展战略的重要组成部分。膜分离技术推广应用的覆盖面可以反映出一个国家过程工业、能源利用和环境保护的水平。

过去20多年间，中国在膜领域取得了长足的进步，在面向我国水资源、能源、传统工业技术改造等方面的重大需求，初步建立了面向应用过程的膜材料设计与制备理论框架，形成了一系列具有自主知识产权、性能达到国际先进水平的膜材料与膜过程，为我国的节能减排与传统产业改造作出了突出贡献。与此相对应的是中国膜行业总产值高速增长，年产值从1993年的2亿人民币上升到2017年的1800亿人民币，预计未来五年中国膜行业年产值有望达到3000亿人民币。

快速成长的中国膜产业也面临着严峻的挑战，体现在以下四个方面：

应用层次偏低，应用领域偏窄;

膜产业配套能力不足;

膜产业自主创新能力不强，由于膜行业知识产权保护不到位，导致无序竞争，技术升级缓慢，产业附加值低等问题;

企业规模普遍偏小，开拓国际市场的能力较弱。

中国膜市场的规模到底有多大?如何科学评估中国膜技术竞争力?如何提升膜产业的附加值和市场竞争力?如何提升龙头企业产业链整合能力建立、健全膜产业市场机制，为我国膜产业发展提供良好的发展环境?如何推动中国膜企业走向国际市场?这些都是中国膜产业发展过程中需要回答的重要问题。

研究内容

为了回答这些问题，从2008至今，以郑祥博士为首的中国人民大学“膜技术创新与产业发展研究中心”研究团队联合中国科学院生态环境研究中心、同济大学、哈尔滨工业大学、中国科学院文献情报中心、伊利诺伊香槟分校这五大机构，组织环境科学与工程、材料科学与工程、图书情报学、管理学四大学科的专家团队进行连续十年的研究工作。主要研究内容如下：

系统调研主要膜技术在全球膜市场的应用现状，陆续完成对中国、美国、日本、欧洲、中东五大区域的膜市场现状、膜技术研发动向与发展趋势的调查与评估。

对2008—2017这十年中国膜市场所面临的宏观及中观行业政策环境、市场热点与关注点进行系统分析。

采用文献计量学方法与专家调查法对中国膜技术竞争力进行系统评估。

对膜技术在我国市政与工业领域中的应用进行系统调查，特别针对膜在工业领域(电力、钢铁、石化三大行业)、市政污水资源化、市政饮用水深度处理与民用净水产品四大领域的应用现状及未来的应用前景进行评估。

系统分析国内具有代表性的30家膜企业与全球15大著名膜企业的经营业绩、核心业务及核心竞争力。

这些研究工作有效地连接经济、商学、文献情报学的宏观分析纬度和膜分离产业企业管理的微观分析纬度，将定性分析和定量分析恰当地结合起来，对全球特别是膜分离市场现状、存在问题、技术研发动向与发展趋势进行系统调查;对全球主要膜分离企业的核心竞争力进行评估。

案例: MBR在我国大规模应用的驱动力分析

从2005年开始，处理规模在万吨以上的MBR工程年新增规模迅速扩大(见下图)。随着排放标准的提高和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的商业化应用，出现了北京清河污水处理厂(15×104m³/d)、广州京溪污水处理厂(10×104m³/d)、南京城东污水处理厂(15×104m³/d)、昆明第十污水处理厂(15×104m³/d)、武汉三金潭污水处理厂(20×104m³/d)等超十万吨以上处理规模的MBR工程。据不完全统计，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。预计到2018年底，我国投入运行的MBR系统累计处理能力将超过1400万m³/d。

短短十年的时间，  MBR在中国的应用呈现跨越式增长的态势，处理规模从不足50万m³/d(2007年)上升到1200万m³/d(2017年)。哪些因素推动了MBR技术在我国的高速发展?

(1)政治因素—举国体制带来的发展机遇

华北地区：北京地处内陆华北地区，水资源严重短缺。北京市政府为了体现“科技奥运、绿色奥运和人文奥运”的理念，把目光聚焦到污水膜法处理技术，于2005-2007年间先后建立了密云再生水厂(4.5万m³/d)、北小河污水处理厂(6万m³/d)、怀柔污水处理厂(3.5万m³/d)、温榆河污水处理厂(10万m³/d)等多个大型MBR市政污水处理厂，由清河再生水处理厂和北小河污水处理厂出水联网供应以保证奥运公园的补水要求，使奥运公园成为当时全球最大的以再生水为唯一水源的人工水景。这些污水处理厂成为北京城市基础设施的重要组成部分，也为中国发展MBR产业打下良好的基础。

华中地区：南水北调工程旨在缓解中国华北和西北地区水资源短缺的现状，中线区的水源保护决定着中线水源的水质，水源水质量很大程度上直接决定整个南水北调工程的成败。十堰市是南水北调水源核心区和水源涵养区，处于长江流域的中北部、汉江流域的中上游与水源地丹江口水库。神定河因接纳十堰市的工业、生活废污水，油类污染较为严重。为保护水源水，2009年神定河建成了当时最大的MBR污水处理厂(11万m³/d)。

华南地区：2010年，广州为了实现“绿色亚运”的目标，建成了设计规模为10万m³/d地埋式MBR污水处理系统——京溪污水处理厂。MBR技术在广州亚运会期间的成功应用，为MBR技术在华南地区的推广应用起到了很好的示范作用。

(2)经济因素—规模效应与技术进步带来的影响

MBR吨水总投资费用为2100～7000元，平均约3800元，直接工程费用为2000～4500元(包括土建、安装、膜系统及其它设备)之间。投资费用的差异与应用领域(污水处理、污水深度处理、地表水处理、雨水处理)、项目建设时期(新建、扩建、升级改造项目)、膜组件厂商、结构形式(地上式、半地下式和全地下式)等均有较大关系。MBR工艺的处理成本主要是由电费、药剂费(外加碳源、除磷、膜清洗、消毒)、人工费、污泥处理与处置和膜组器与设备的折旧费用(寿命)等组成。其中，吨水运行能耗、膜价格和膜使用寿命是影响MBR运行费用的关键因素(后两者影响膜的折旧费用)，膜通量和膜价格是影响MBR投资费用的关键因素。2003年以来，中国MBR膜的耐污染性、膜使用寿命、膜通量等指标都有大幅度提高，在市政污水处理领域的MBR工程项目，MBR设计平均膜通量从15年前的8~12L/㎡/h上升到15~25L/㎡/h之间，膜的使用寿命也从15年前的1-2年上升到3-5年之间。而膜价格在过去15年不仅没有提高，反而略有降低，考虑到过去15年中国的通货膨胀因素，膜价格几乎下降到15年前1/3到1/4的水平。在不断的实践应用和研发过程中，MBR  在工程建设和运行中的一些问题逐步得到了改进和突破，为MBR  技术在我国市政污水处理项目中更多的应用奠定了工程经验的基础。膜材料的不断进步、膜组件的更新和不断累积的工程运行经验与教训推动了MBR的大规模应用。

(3)生态敏感区排放标准的提高—“三河三湖”治理的需求推动

经济的快速发展、人口增加以及农业面源污染使得我国城市湖泊大部分均处于富营养化的状态。2007年，太湖蓝藻大规模爆发，一夜之间数百万群众的饮用水受到严重威胁，引发了无锡供水危机。太湖蓝藻事件后，为削减太湖流域排污总量，太湖流域的污水处理厂执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中一级A标准，排放标准的提高是MBR工艺在中国水资源较为充沛的东南地区大规模应用的主要原因。与此同时，严控出水水质的环保监督力度加大也进一步加速了MBR的应用，滇池流域的昆明市的大规模应用可见一斑。

▲ 表1 MBR在生态敏感区的应用

(4)污水回用的需求

中国是全球最缺水的国家之一，水资源的短缺使市政污水进行再生回用成为缺水地区的诉求。MBR的出水水质可满足多种再生水水质标准，在回用用途和出水水质保障率上明显优于传统工艺进行深度处理后的水质，因此，回用水的需求是MBR工艺在中国大规模应用的另一原因。北京、天津、内蒙古等严重结构性缺水的地区采用MBR主要出于污水回用的目的。

(5)土地升值带来的影响

随着城市化发展的不断推进，市区用地趋于紧张、空间利用率要求也不断提高，同时，人们对城市生活环境水平要求也不断提升。MBR工艺由于其污泥浓度高，占地面积小，单体构筑物少于传统工艺，使其在一些地区得到青睐。用于市政污水的平均占地面积是0.9㎡/(m³/d)，而包含三级处理的传统工艺市政污水处理厂的占地面积标准是1.2～1.6㎡/(m³/d)。如果进一步考虑征地费用，由于MBR技术占地面积较小，投资差距会进一步缩小。近年来，由于在建成区内规划污水处理厂存在建设用地小，卫生防护距离不足等情况，近年来，越来越多的城市选择了采用MBR工艺建造地下式污水处理厂。地下式MBR污水厂建成后，地表可以建成绿地、公园，节省用地空间，对周边用地产生的影响减小。如广州京溪污水处理厂(10×104m³/d)、昆明市第十污水处理厂(15×104m³/d)、山西太原晋阳污水处理厂(12×104m³/d)均采用了MBR工艺建造地下式污水处理厂。

小结

2010年前，MBR在中国的应用规模较大的地区主要集中在北京、江苏、广东及湖北等地。2010年后MBR的应用规模在不断扩大，应用的地域也迅速扩展到西南、西北及东北等之前应用较少的地方，向全国范围内扩大应用。MBR在中国的大规模应用不仅得益于北京奥运会中北小河污水处理厂、密云再生水厂等MBR工程项目的成功经验，还与水资源短缺的加剧，水回用市场需求增大，南水北调对水源地的保护，城市土地资源紧张的现状，以及国内膜企业的快速发展壮大等因素有密不可分的关系。

展望

中国人民大学“膜技术创新与产业发展研究中心”研究团队将继续围绕国家环境保护宏观战略与膜产业发展政策设计、绿色金融与膜产业发展资金机制、膜技术应用实践等领域，突出科学技术与经济管理相融合、突出基础研究与技术应用相结合，搭建“产、学、研、用”紧密结合的技术创新和产业协同发展的开放式研究团队，在科技开发、成果转化、咨询服务等多方面为政府和企业经营管理提供扎实的决策依据，推动我国膜产业科学健康发展。