日本膜技术的发展与产业化及其借鉴意义

罗鸣，王琪，沈志鹏，郑祥

中国人民大学环境学院，北京 100872

从20 世纪60年代开始，日本在国家层面进行顶层设计，通过政府组织的一系列国家攻关项目并给予其经常性的经费支持，形成膜领域创新资源的优化布局，构筑日本膜领域的知识创新体系、技术创新体系和服务体系;同时通过资源整合，提升企业的技术创新能力和市场开拓能力，培育具有国际竞争力的企业集团，在全球膜领域占据重要地位。

目前，日本膜企业的业务范围遍布全球，日本电工集团美国海德能公司、东丽株式会社、东洋纺织公司与美国陶氏化学几乎垄断全球反渗透膜的供应;三菱丽阳公司、旭化成公司、久保田株式会社在超滤、微滤膜技术领域处于全球的领先地位，其业务范围也覆盖全球，对我国膜市场及膜产品的推广应用有很大影响。

我国膜技术目前处于快速发展期，膜技术在全国得到快速推广，膜产品市场潜力巨大，但目前我国膜技术在研发及产业化方面仍存在创新不足、膜企业规模小、市场占有率低等现状。文章通过介绍日本膜技术的发展历史及现状，分析日本膜技术产业化的历程及其在我国的应用发展情况，以期对我国膜技术走向高端产业化及开拓国际市场有一定的借鉴意义。

1 日本膜技术发展历史

20 世纪60年代，日本开始脱盐技术的研究，1969年开始使用反渗透膜进行脱盐工程，首先将膜技术应用到水处理工艺中，但由于日本只有少数地区和一些隔离的岛上水资源短缺，因此海水及苦咸水脱盐装置的应用并不多，其中大多数是利用反渗透膜制备工业用水，如半导体业等。

20 世纪90年代，日本开始大力发展膜分离净化技术，并成为世界上最早开发出可大量生产陶瓷超滤膜的国家［1-2］，同时开始连续实施了三期关于净水行业中膜技术的研究与应用计划。1991—1994年，实施了为期3年的产、官、学三位一体的“使用膜的新型净水开发研究”(MAC21)计划，成功研究了净水处理用的超滤(UF)膜和微滤(MF)膜，掌握了膜分离净水装置的设计、运转管理方法［3］。1994—1996年，日本厚生省提供研究经费补助金实施了3年的产、官、学三位一体的“新高水平膜过滤净化技术开发研究”(高度处理MAC21)计划，主要研究开发纳滤(NF)法净化技术，并在1994年开始认可膜分离装置净化生产的自来水，并随后成立水道技术研究中心，对膜厂商制造的膜分离装置进行评价，合格后方可投入使用。1997—2001年，实施了为期5年的“高效率净水技术开发研究”(ACT21)计划，其中有一半的课题是关于膜在大型水厂的应用研究、膜法预处理技术研究和膜清洗研究等［4-5］。从以上措施可以看出，日本对净水行业中膜分离技术应用的重视。

另外，在MBR 的推广发展上，日本起了很大的促进作用，包括首创浸没式MBR 系统的研究，以及多种不同商业膜系统的发展。第一个外置式完整的商业MBR 处理厂于20 世纪80年代在日本建成。20 世纪80年代中后期，日本的MBR 系统只用于一些小规模的家庭污水处理系统，包括在线污水处理净化槽系统(1985 开始)、粪便处理系统(1988 开始)以及工业废水处理工程［6］。但随着MBR 技术的发展，MBR 也逐渐开始应用于大规模的市政污水处理厂。1998年，日本下水道事业启动了一个为市政污水处理厂发展和评估MBR 系统的研究和开发项目，并根据研究结果，于2003年发表了“MBR 设计建议”，制定了MBR 系统的系统配置和设计参数。此后，日本下水道事业进行第二期中试实验(2001—2004年)，重点关注运营成本的减少。基于这些研发项目和设计材料，日本第一个大规模的市政MBR 在2005年3月建成(Fukusaki WWTP;2 100 m3/d)。到2009年3月，日本的MBR 设备总数至少为3 870 座［6］。中国对MBR 的研究从1991年开始，发展十分迅速，1999年开始10 m3/d 的中试规模的研究［7-10］。日本膜企业敏锐关注到这一趋势，大力开拓中国市场，早期的中国大型MBR 系统大量采用日本的膜产品。

2 日本膜技术应用现状

2.1 膜技术在日本净水行业中的应用

截至2005年，日本不同规模的供水系统(包括公共水厂、大型供水系统和私人供水系统)在全国约有14 800 个［11］，而其中应用膜技术的净水设施约为550 个(图1 和图2)。日本膜分离(MF/UF)净水设施的建设非常迅速，设施数呈直线增长，1992年仅为7 处，而2011年末达到了744 处，日处理能力达到了1.3 ×106m3/d［7-8］。

图1 日本MF/UF 膜分离净水设施的建设状况(1992—2011年)Fig.1 The construction status of MF/UF membrane fitration facilities for water purification in Japan(1992-2011)

图2 日本MF/UF 膜分离净水设施的累积处理能力(1992—2011年)Fig.2 The cumulative treatment capacity of MF/UF membrane filtration facilities for water purification in Japan(1992-2011)

2000年，日本膜技术自来水厂处理能力仅为100 ×103m3/d，膜技术主要应用于小型供水系统，其中71%的膜系统产水量小于500 m3/d，产水量大于1 000 m3/d 的膜系统仅占13%［12］。但从2004年开始，一些产水量超过10 ×103m3/d 的大、中型水厂也开始使用膜技术。2004年2月，处理能力达到30 ×103m3/d 的膜法供水系统在东京都羽村市建成投入使用;2005年前后，横滨市和福冈市也安装了产水量为100 ×103m3/d 的大型供水系统。

图3 为截至2011年，日本膜分离设施的处理规模比例。从图3 可以看出，日本大多数膜分离净水设备的处理能力为100 ～1 000 m3/d，其次为处理能力小于100 m3/d 的设备，但二者总处理能力较小;而处理能力大于1 000 m3/d 的设施数比例仅占23%，但其处理能力达到88%，其中大于10 ×103m3/d 的膜分离设施数量仅有21 处，但其累计处理能力高达747.3 ×103m3/d［8］，均为较大规模的水处理设施。如日本东京都水厂处理规模达80 ×103m3/d，其采用的是内压式超滤膜。

图3 不同处理能力日本MF/UF 膜分离净水设施及处理能力比例(截至2011年)Fig.3 The ratio of MF/UF membrane filtration facilities and treatment capacity for water purification in Japan(-2011)

日本采用膜分离设施处理饮用水的水源主要采自地表水和地下水(图4)，其他用到膜分离装置的则主要是潜水、湖水和涌水。虽然地表水的膜分离设施数量较多，达338 处(占54%)，但处理规模都较小，累计处理能力为220 ×103m3/d，平均处理能力仅为651 m3/d。而地下水的膜分离设施虽然仅有148 处，但其累计处理能力达到了279 ×103m3/d，平均处理能力达1 885 m3/d。

另外，根据2010 和2012年日本膜设施供水规划(图5)，除北海道和东北地区利用膜设施供水规划在100×103m3/d 以下外，其余各地区膜设施的供水规划都在100×103m3/d 以上。除中部地区，其余各地区的膜设施供水规划都有所增长，九州地区的膜设施供水规划最多，2012年为228.8×103m3/d［13-14］。

日本从20 世纪90年代起，就将膜技术应用于净水技术中，并且不断推广膜技术应用，2005年前后就将膜技术应用于大型水厂中，而我国膜技术在饮用水处理中的应用较晚，2000年应用膜技术的饮用水处理厂仅有7 个，到2011年发展至69 个，总处理规模为1.46 ×106m3/d，虽然其处理能力与日本相当，但应用比例较小，并且规模在10 000 m3/d 以上的水厂都建成于2007年之后［15］。

图4 日本处理不同来源水的膜分离净水设施及处理能力比例(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)

图5 日本2010年膜设施供水规划Fig.5 The water supply plan of membrane facilities in Japan

2.2 膜技术在日本生活污水处理中的应用

日本的生活污水处理管理比较复杂，在不同的法律和国家部门的监管下有几个不同的系统共存。而膜技术(MBR 独立装置)在生活污水处理中主要应用于以下5 个方面(截至2009年3月)［6，16］。

2.2.1 城市污水处理系统

城市污水处理系统作为主要的污水处理系统，由日本国土交通省(MLIT)管理。虽然这种大型的市政污水处理厂已有2 000 座，覆盖全国73%的人口，但MBR 从2005年才开始应用到城市污水处理中。目前只有10 个MBR 处理厂在运行(其中9 个MBR 处理厂运行情况如表1 所示)，另外有10 个厂正在建设或处于规划设计阶段。现有处理厂的处理能力为0.15 ×103～4.2 ×103m3/d。这些MBR 污水处理厂都是按照2003年日本污水工程机构(JS)的JS MBR 设计建议而配置的标准化流程和设计处理。

表1 日本9 个MBR 污水处理产运行状况Table 1 The operation states of 9 MBR sewage treatment in Japan

2.2.2 农村污水处理系统

农村污水处理系统主要是农村地区(通常为农业农村地区)的小规模污水处理系统，由日本农林水产省(MAFF)管理。虽然已超过5 000 个处理系统，但仅覆盖3% 的人口，1999年安装了第一个MBR 设施，目前MBR 设施已有50 座。这些MBR装置大多由日本农村资源回收处理协会推广使用，并且大多为浸没式MBR［17］。

2.2.3 净化槽系统

净化槽系统主要是在线污水处理系统，处理独栋住宅的生活污水，以及其他包括公共设施(如学校)、商务楼、餐厅和办公室的污水等。目前有9%的人口使用净化槽系统来处理生活污水，日本至少安装了1 930 多个净化槽MBR 系统。

2.2.4 粪便处理系统

粪便处理系统主要设在没有污水处理系统的农村地区。目前约有1 000 座粪便处理厂，其中有206座应用了MBR 系统，总处理量为18.7 ×103m3/d。传统处理方法需要将收集的废水进行稀释后再处理，而MBR 系统则可不经稀释直接处理高浓度的有机废水。

2.2.5 建筑污水回用系统建筑污水回用系统主要是大型建筑的在线污水处理和回用系统。在20 世纪80年代使用外置式MBR，由于浸没式MBR 的占地面积更小，因此到90年代浸没式MBR 的安装数量不断增长。污水回用的MBR 系统的安装数量已多于74 个，总处理量为11 ×103 m3/d。

2.3 膜技术在日本工业废水处理中的应用

MBR 也被应用于日本许多工业废水处理过程中，安装数量约为1 610 个［6］，主要应用于食品业、畜牧业和医药制造业的工业废水处理［6，18-19］(图6)。

图6 日本MBR 处理工业废水的比例［6，18-19］Fig.6 The ratio of waste water treated by MBR in Japan

日本MBR 处理技术起步较早，但最初都是应用于小规模的污水处理系统，包括在线污水处理净化槽系统、粪便处理系统、建筑污水回用系统以及工业废水处理，直到2005年才将其应用到大型的市政污水处理工程，虽然总体上应用规模较小，但其对世界MBR 技术的发展推动较大。相较而言，我国MBR技术主要应用于市政污水处理与回用(约占MBR的75%)，大规模(过万t)的MBR 系统已超过350 万m3/d，主要用于污水处理厂的提标改造、市政污水回用和微污染地表水处理等［15］。

2.4 膜技术在日本脱盐方面的应用

日本的脱盐装置应用较早(20 世纪60年代)，2010年日本的脱盐装置累计产水量达到1.6 ×106m3/d，其中采用反渗透膜组件设施的产水量占88.8%，累计脱盐能力达到1.44 ×106m3/d［20-23］(图7)。

图7 日本脱盐装置累积产水量(1965—2010年)Fig.7 The total water production volume of desalting devices in Japan(1965-2010)

截至2010年，日本脱盐装置的反渗透膜累计占有比例为89.35%，其次是电渗析技术，所占比例为4.4%，另外还有用多效蒸馏、多级闪蒸及电脱盐等技术(图8)。从20 世纪70年代起，新增脱盐设施大多数为反渗透设备［20-23］。

图8 日本不同技术脱盐装置使用比例(1965—2010年累积数据)Fig.8 The ratio of desalting devices with different technology in Japan (The cumulative quantity of facilities in 1965-2010)

从设施数上看，在反渗透脱盐装置中，小于500 m3/d 的小型脱盐装置有50%以上，其次为1 000 ～10 000 m3/d 的大型装置(截至2010年累计数据，图9)，但大型反渗透脱盐装置提供了大部分的产水能力［20-23］。进行脱盐的水源主要为纯净水(39.5%)、苦咸水(15.3%)、废水(15.1%)、河水(13.9%)和自来水(2.9%)，而海水淡化占脱盐装置的比例仅为13.3%，这是由于脱盐装置大多应用于工业生产，而不是提供生活用水(图10)［20-23］。由于冲绳岛淡水资源较缺乏，位于冲绳岛的日产40 000 t 淡水的反渗透式海水淡化厂是目前日本最大规模的民用海水淡化厂，该厂总投资金额约347 亿日元，由中央政府补助85%，能提供淡水40×103m3/d。

图9 日本反渗透膜分离设施规模比例Fig.9 The ratio of RO membrane facilities with different scale in Japan

图10 日本脱盐装置处理不同水源水比例Fig.10 The ratio of desalting devices treating water from different source in Japan

日本对于脱盐及海水淡化的研究较早，从20 世纪60年代起，每年都有新建成的反渗透脱盐装置，反渗透脱盐装置得到较为广泛的应用。而我国虽然从1958年就开始研究电渗析海水淡化，1965年开始反渗透和蒸馏等的研究，并在20 世纪80年代就已掌握了蒸馏法和反渗透法两大主流海水淡化技术，但在2000年以前，我国海水淡化的应用较少，2005年才加快海水淡化工程的建设进程，并且由于受到远程调水及海水淡化成本高的影响，海水淡化工程的建设在我国进展较为缓慢［24］。

2.5 日本膜技术的产业化

日本膜企业生产的膜产品在全球的市场份额中占有很高的比重，在1996年，日本的分离膜市场就已达10 亿美元，占全球分离膜市场的1/3［25］，其膜产品销往世界各国。表2 为日本主要的膜企业及其业绩(参考《中国水处理行业可持续发展战略研究报告》及各企业相关网站)［15］。

表2 日本主要膜企业及业绩［15］Table 2 The main membrane companies and the performane in Japan

日本膜企业的特点为:1)产业领域宽，几乎每家企业都在发展微滤(MF)、超滤(UF)和反渗透(RO)业务;2)产品系列化和专用化，可根据用户的需要，开发多种类型的膜和不同系列膜组件;3)注重利用本公司以往的技术积累，发挥自己的技术优势［26-27］。

3 日本膜技术在中国市场的发展

日本膜企业的业务范围遍布全球，在20 世纪90年代就开拓中国市场。在中国反渗透膜市场上，日本的东丽株式会社和日本电工集团美国海德能公司的反渗透膜占据中国反渗透膜市场的33%以上的市场份额。而在中国超滤/微滤膜市场中，日本的三菱丽阳公司、旭化成公司在中国MBR 市场中占据重要的地位。日本膜技术的研究及膜企业的发展对中国乃至世界膜技术的发展和应用都有重要影响［15］。

东丽株式会社是世界上最早从事反渗透膜技术开发的企业之一，早在1968年就开始了膜技术的研究，也是世界上少数具有RO、NF、UF、MF 系列膜技术研发与向市场提供全系列商业化膜产品的膜厂家。目前在世界各地其膜产品已累计达到2 200 万m3/d以上的工程业绩，其中海水淡化反渗透膜业绩已达到500 万m3/d 以上，污水再利用业绩已达到170 万m3/d 以上。东丽株式会社在20 世纪80年代初期将反渗透膜技术介绍到中国，最早应用于发电厂的锅炉补给水。近年来，随着中国经济的飞速发展，东丽膜水处理系统的应用也越来越广泛，在国内许多重要项目中得到选用。为了在中国市场进一步扩充其事业内容，公司于2002年成立了东丽(中国)投资有限公司，作为其开展事业的核心，2003年开始在中国大陆设立销售机构提供反渗透膜销售和服务。东丽集团和蓝星集团于2009年成立合资公司——蓝星东丽，在北京成立中国最大的水处理膜生产厂。

从20 世纪70年代开始，日本电工集团美国海德能公司开始了反渗透膜的研发，经过40 多年的不懈努力，目前该公司已经成为世界分离膜制造业中最著名，产品规格最多，生产规模最大，取得专利最多的卷式反渗透膜元件制造商之一，该公司以迅捷的方式向客户提供相同品牌，多种型号及同样品质的分离膜产品而著称。公司自1996年在北京设立第一个长驻代表机构——美国海德能公司北京代表处以来，一直致力于开拓中国反渗透及超滤膜市场，长期占据中国26% ～30%的反渗透膜市场份额。

久保田株式会社于1990年在日本建立商业化污水处理厂，至今在全球的应用业绩已达到4 200处，10 000 m3/d 的大型项目业绩达到21 个。目前，其平板膜在中国已有200 个左右的业绩，无锡市城北污水处理厂四期续建工程采用久保田株式会社的平板膜，处理水量为20 000 m3/d，是中国目前应用平板膜MBR 的最大工程，于2012年开始运行;江苏某造纸厂改造工程(处理水量为9 000 m3/d)也采用该公司的平板膜，该项目是久保田株式会社在中国最大的工业废水MBR 处理项目，于2011年开始运行。

旭化成公司拥有全球的水处理超微滤膜近20%的市场份额，Microza 目前在全球有500 多套装置在运行。旭化成公司在中国目前有100 多套装置在运行，总处理量达500 000 m3/d。2006年，旭化成公司开始进入中国水处理市场，面向大规模市政污水处理厂项目及大型石化行业废水处理设施的MBR 产品开始供货。2008年，推进大型自来水厂的膜工艺应用，向中国大规模自来水厂项目的膜产品供货;2009年2月，在中国苏州建成了世界上第一座BOO 模式的废水处理回用工程并投入运行。

三菱丽阳公司采用的中空纤维膜在国内外已经积累有2 000 多项工程案例。中国第一个万t 规模的市政污水处理厂——密云污水处理厂采用该公司的中空纤维膜组件，其设计能力为4.5 万t/d，实现模块化设计与安装，膜组件的清洗维护和整体系统的运行全部实现自动控制。

日本膜企业在华典型MBR 工程案例如表3所示。

表3 日本膜企业在华典型MBR 工程案例Table 3 The typical MBR project cases of Japanese membrane companies in China

4 结语

日本政府在国家层面进行顶层设计，形成膜领域创新资源的优化布局，构筑日本膜领域的知识创新体系、技术创新体系和中介服务体系;同时通过高校院所和企业资源的组合，提升企业的技术创新能力和市场开拓能力，培育具有国际竞争力的企业集团，全面提升在膜领域企业的技术创新能力。虽然我国膜产业总产值从1993年的2 亿元上升到2012年的400 亿元人民币，但主要膜材料长期依赖进口，高端产业、低端环节现象严重;企业规模普遍较小，目前我国膜市场被上千个企业分割，产值过亿规模的企业很少;应用层次偏低，应用领域偏窄。因此，借鉴日本膜产业的发展经验，加大膜企业的研发投入，加强膜技术的研发创新能力，通过提供更高性价比的产品和卓越的技术服务开拓国际市场，是中国膜行业发展壮大的必由之路。

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