“新一代陶瓷膜技术”来了！看它如何破解行业难题？

来源：E20环境产业圈层

近年来，随着国家对环境治理的效果要求越来越高，行业内相关标准趋严，环境治理手段及技术逐步升级。其中，膜法水处理技术由于其出水水质稳定、占地面积小、操作便捷、操作成本逐渐降低的特点，在行业中得到了广泛的应用。中国膜行业经过50余年的发展，逐渐走向成熟。在多年的探索实践中，膜技术也在不断修补新问题，解决新挑战，实现突破和创新。

12月9日，颇尔中国--E20新产品线上发布会如期召开。清华大学环境学院副研究员孙文俊作为直播讨论的主持人，与颇尔中国工程中心技术总监赵刚，E20环境平台总经理、E20研究院执行院长、湖南大学兼职教授薛涛，共同讨论了“新一代陶瓷膜技术”在水处理领域的前瞻性突破。

直播间人气火爆，观看人数已近9000人次，评论区更是讨论激烈。此次直播引发行业热烈的反响。

陶瓷膜技术广泛应用于工业分离领域，但是在水处理领域，尤其是在市政水处理领域还是一个新兴的技术，但最近一两年在行业内受到越来越多的关注。

本次直播重点讨论了目前工业中水回用、农村供水的市场政策趋势，当前膜技术在水处理应用中的机遇和挑战，以及颇尔陶瓷膜技术的创新点、应用场景、可解决的痛点问题。

环境标准升级下，无机陶瓷膜技术迎来春天

膜技术在行业内经过多年的发展，在水处理中有着较好的表现。但仍存在一些问题有待解决，其中较为明显的是膜污染和膜寿命问题。环境标准升级下，无机陶瓷膜技术迎来了发展的春天。

薛涛表示，陶瓷膜属于无机膜技术，大部分人对有机膜比较熟悉，无机膜技术虽然历史发展比较悠久，但是最初都是以物料分离领域应用为主。随着环保要求的提高和国家对供水安全的重视，无机膜受到了越来越多的关注。他分析了当前工业和市政水处理政策和市场趋势。

在市政饮用水领域，无机膜有着非常良好的应用前景。目前饮用水的安全形势仍十分严峻，水源短缺、水污染和突发污染导致的水质风险等问题日益严重，人们越来越关注饮用水的安全与品质。我国各项饮用水水质指标日趋严格，生活饮用水卫生标准颁布了7次(含重大修订)，从16项指标增加到35项，继而增加至106项，传统饮用水处理工艺无法满足时代要求和需求。

在工业污水领域，随着工业化进程的加快和产业升级，部分城市工业水资源的紧缺和工业污水排放污染环境的问题日益凸显。今年年初《关于推进污水资源化利用的指导意见》的出台，要求推动工业废水的资源化利用，对工业废水的排放标准和处理技术有了更为严格的要求。这迎来了膜应用市场在工业废水领域的再次释放，但是由于工业废水的特殊性，对于高浓度有机废水、分盐等治理需求凸显，对于工业废水的处理技术，特别是膜的选择都提出了更高的要求。

"3060"战略下新能源快速发展，光伏等行业的发展带来治理废水需求的快速释放，同时带动了研磨、切割等废水治理需求的释放。光伏废水主要来源于硅棒在切断、磨削、切片以及硅片在研磨、腐蚀、抛光等过程产生的助剂废液和清洗废水。光伏废水主要含有氟离子、COD以及酸碱、颗粒物等污染物，其污染物浓度变化较大，酸碱性极强，可生化性较差，固体颗粒物尺寸小于10μm，不易通过传统的沉降方式去除，废水处理难度较大。

在村镇饮用水领域，农村供水问题关系到广大农民群众最基本的生活状况和农村产业发展的空间，是乡村振兴非常重要的前提条件。每年的中央一号文件都会对农村饮水和城乡供水一体化做出重点要求和相关工作部署。经过“十三五”的共同努力，我国已经建成了比较完备的农村供水工程体系，共提升了2.7亿农村人口供水保障水平，其中解决了1710万贫困人口的饮水安全问题，1095万人饮用高氟水和苦咸水的问题。现在农村自来水普及率达到了83%，整个农村供水保障水平得到了显著提升。

但是，按照乡村振兴战略的总体部署要求，农村饮水安全方面还存在短板和不足，主要表现在：

① 水源还不稳定，很多山区的农村供水工程用的是山泉水，山泉水不是很稳定，天旱的时候有时供不上水。

② 农村供水中，大多数工程是中小型工程和分散供水工程。这些小型供水工程多数位于山区、牧区和偏远地区，供水人口少，工程质量不理想，标准也相对较低;特别是还有10%的工程是在2005年以前建的，这些老旧工程亟待改造。

③ 一些乡村工程还面临管护薄弱的问题。农村供水工程，三分靠建设七分靠管理，农村供水“后天管养不够”比“先天建设不足”更加突出，如果不解决好“管养”问题，建设再多也没有用。特别是量大面广、很分散的农村居民供水，面临严峻的考验。

为此，今年水利部制定了《“十四五”农村供水保障规划》，将“固底板”、“补齐短板”、“竖长板”、“强管理”作为重点工作，更加重视运营管理和服务水平，并且要稳步推进农村饮水安全向农村供水保障转变，延展了边界。力求通过“十四五”的努力，把农村供水的自来水普及率再进一步提升，由现在的83%提升到88%，将饮水的标准、供水的标准也进一步提高，满足乡村振兴的需要。

薛涛表示，针对地处偏远山区、村庄零星分布、人口稀少，无法实现规模化发展的分散式供水工程，如何迅速补短板?怎样因地制宜进行改造提升?如何使工程发挥良好的运行功能?怎样更好地保障农村供水安全?这些问题都值得业内深入探讨。

无机膜的技术创新之路——Pall在陶瓷膜领域的探索

随着环境要求的提高，政策法规趋严，人们的生活标准不断提升，以及一些快速发展的行业的废水处理需求逐渐增大，水处理领域出现了一些亟待解决的新问题。对于这些问题，传统的技术和解决方案逐渐暴露出各种问题和不足，比如占地面积大，运行能耗高，处理效果无法达到预期的目的。于是在这样的背景下，环保企业开始致力于研究新的技术来解决这些问题。

赵刚指出，近几年，膜产品尤其是有机膜产品，由于其投资相对较小，运行操作简单以及性能稳定的特点，得到了迅速的推广。但随着应用的进一步推广，在一些高难度领域，有机膜也遇到了新的挑战。其中较为明显的是断丝、膜污染和膜寿命问题。由于污水通常水质较为复杂，污染物浓度较高，长时间运行后膜截留的污染物易对膜本身造成污染，并且容易堵塞膜孔，造成膜处理效率降低、效果变差，需不定时停机清洗，影响水处理系统的稳定运行。

另外，清洗污染所需药剂进一步提高运行成本，且产生清洗废水造成二次污染问题。由于现有水处理膜多数为有机材料制备而成，其寿命相对较短，反复清洗后易造成膜寿命衰减，从而进一步提高系统换膜成本，同时更换的旧膜易处理处置较难，易对环境造成二次污染。而传统的管式陶瓷膜虽然耐污染性较高，寿命较长，但由于其膜面积较低，填充密度低，投资和运行成本高，也不适合在水处理中大规模推广应用。

针对以上痛点，颇尔集团也在思考解决方法。赵刚介绍，传统的小直径陶瓷膜在物料过滤分离领域应用较为广泛，比如油水分离、食品饮料行业的发酵液分离、制药等领域，但由于其单支膜面积小，填充密度低，造成其初次投资成本高，运行能耗高，比较适用于一些高经济价值的物料。应用于水处理领域时，尽管其处理效果很优异，但由于其高成本和高能耗所以就不是很经济。这就需要，陶瓷膜技术必须有所突破，使其更适用于水处理领域。

颇尔集团于是将目光聚焦到陶瓷膜这一新的材料上来，选择了蜂窝状结构的大尺寸陶瓷膜。目前有两大系列产品：一个是工业系列产品，一个是饮用水系列产品。有效面积分为12.16㎡ 和24.63㎡，外壳材质有玻璃钢和UPVC类型。

Pall在陶瓷膜领域具有悠久的历史和丰富的产品线。赵刚介绍了颇尔集团CUFSepTM 陶瓷超滤产品的发展历史，并且现场展示了德国、法国和中国北京三大制造应用基地的陶瓷膜样品。

赵刚介绍，Pall在陶瓷膜领域已有100多年的历史，目前在全球已经形成了三个陶瓷膜品牌的制造应用基地。第一个是 Schumasiv™产品系列，在德国的舒马赫，主要应用于油水分离领域;第二个是Membralox®产品系列，位于法国巴泽，主要应用于制药食品饮料行业;第三个是CUFSep™产品系列，位于中国北京，是水处理领域的大直径陶瓷膜。

赵刚介绍，大尺寸陶瓷膜可以从不同的维度解决上述提到的这些痛点问题。

材料特性上，无机陶瓷膜机械强度高，无断丝风险，耐磨性和抗冲击性好，长期运行产水水质稳定;化学稳定性好，耐酸碱，耐强氧化剂，耐高温，耐有机溶剂，耐清洗且洗后通量易恢复;亲水性高，单只组件产水量大，有效减低投资和运行成本;过滤精度高(50nm)，可有效去除水中颗粒物、胶体、微生物、微量有机物等污染物质;寿命长，全生命周期内综合投资成本低。

运行维护上，无机陶瓷膜抗污染性能好，耐进水波动，长期运行通量稳定清洗频率低;大直径蜂窝状一体式设计，水力分布均匀，运行效率高;2.5mm宽流道设计，提高了纳污能力和反洗效果;支撑层孔隙率高，滤后和反洗通量高，提高了过滤和反洗效率。

工艺应用上，系统预处理要求低，降低了系统总投资和运行成本;垂直安装简易，标准化和模块化设计，简化降低系统管路投资成本;饮用水系列产品具备饮用水卫生安全产品卫生许可批件，安全可靠。

赵刚总结，从以上几个维度来看，大尺寸蜂窝状结构的陶瓷膜产品逐渐运用到越来越多的水处理领域中，是一款能看到未来且效果非常好的产品和技术。

无机陶瓷膜在行业内的实际应用

有机膜技术被称为“21世纪最重要、最被行业看好的水处理技术之一”，但是它在北方地区的水处理应用上存在一个问题：在相同压力下，有机膜在冬天通量会降低，一般来说，温度每降低1摄氏度，通量会降低2%。孙文俊强调，相对有机膜来讲，无机陶瓷膜更加皮实，市场接受性好。

其中，颇尔集团的无机陶瓷膜技术在国内外一些具有高挑战难度的领域就得到了很好的推广。直播现场，赵刚列举了两个典型的国内案例。

CUFSepTM 工业应用案例——蚌埠某科技公司玻璃基板研磨废水处理

工艺方案

项目背景：该项目通过对研磨废水进行处理和回用，降低生产水使用量和废水排放量，满足环保的节水减排要求。

项目挑战：该项目水质特殊，其中颗粒物浓度高且颗粒粒径较小(<10μm)，难以通过沉降方法澄清去除，常规预处理效果难以达到反渗透进水要求，因而回用较为困难。

解决方案：采用CUFSep™ CUF陶瓷超滤组件系统1套，过滤面积为121㎡。原水为研磨废水，处理水量为300m³/d，超滤系统产水量12m³/h。

处理效果：系统投运后连续稳定运行，CUFSep™ CUF超滤组件稳定运行，平均运行通量100 LMH无显著衰减，产水水质较好，可完全去除颗粒物，产水浊度<0.1 NTU，满足后段反渗透系统进水和稳定运行要求，系统回收率>90%，物理反洗周期30min。

CUFSepTM 饮用水应用案例——福建某农村饮用水项目

工艺方案

项目背景：福建省南平市某乡镇对已有供水设施进行升级改造，以提高当地饮用水水质，改善饮用水口感，并解决灾害气候条件的供水水源问题，提高饮用水安全。

项目挑战：该地地处山区，居民用水点较为分散，若采用集中式供水设施管线铺设难度大造价高，运行和维护极为不便，因此采用分布式供水设施以满足需求。

解决方案：采用CUFSep™ CUFD饮用水超滤组件3支，原水选用地表水(河水)，处理水量为120m³/d。

处理效果：系统投运后连续稳定运行，CUFSep™ CUFD饮用水超滤组件运行通量200 LMH且无衰减，产水水质较好满足GB5749饮用水要求，产水实测浊度<0.1 NTU。通过远程的方式，可以了解项目系统运行情况和参数，对设备的日常运行维护提供了便利，可有效解决偏远地区设备的运行维护难题。

陶瓷膜团标出台，填补行业应用空白

陶瓷膜尤其是大口径陶瓷膜在工业和市政饮用水行业得到广泛的应用后，一定会涉及到行业的规范问题。对于陶瓷超滤膜的应用推广，近日，颇尔集团联合清华大学、北京林业大学、北京首创生态环保集团股份有限公司、清华苏州环境创新研究院、北京市市政工程设计研究总院有限公司、上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司、中国市政工程中南设计研究总院有限公司等高校、设计院和环保企业共同起草推出《水处理用管式陶瓷超滤膜组件团体标准》(T/CAMIE 11—2021)(以下简称“《团标》”)。

孙文俊介绍，该团标填补了水处理行业陶瓷膜应用的空白。以前虽然行业内有关于陶瓷膜方面的标准，但这些标准更多地应用在海水淡化等脱盐领域，而《水处理用管式陶瓷超滤膜组件团体标准》更多地适用于市政水处理和工业中水回用处理领域。文件规定了水处理用管式陶瓷超滤膜组件的分类与型号、要求、检测与测试、检验、标志、包装、运输和贮存，适用于水处理用管式陶瓷超滤膜组件的生产、检验和选用。

孙文俊特别提到，陶瓷超滤膜对过滤精度有一定的要求，因此将陶瓷超滤膜用于给水深度处理领域，对于浊度的控制就比较重要。因此，标准里对出水浊度进行了规定，文件要求：当进水浊度在5NTU-6NTU时，进水经过管式陶瓷超滤膜组件过滤后，出水浊度应低于0.2NTU。

标准的获取见下图：

关于无机陶瓷膜的四大热点问题

针对无机陶瓷膜的特点和应用，一些热心网友提出了关心的问题，直播间的三位嘉宾分别针对网友的问题进行了回答。

问题一：农村饮用水未来的发展方向在哪儿?

薛涛指出，近日，中共中央办公厅 国务院办公厅印发《农村人居环境整治提升五年行动方案(2021-2025年)》，再次凸显了国家对农村环境治理的重视。我们不能简单地将城市供水或者其他环保技术应用到农村环境治理上。从E20环境平台来看，随着乡村振兴战略的逐步落实，解决城乡发展不平衡不充分的需要，农村供水将会继续迅速发展，过去解决了“从无到有”的问题，未来更注重“从有到优”的问题，要推动农村供水可持续运行，保障农村供水水质，实现农村供水高质量发展。

1)形式上：

① 在城市郊区、平原地区和人口密集地区，推进城乡供水一体化和农村供水规模化建设，实现农村供水与城镇供水同标准、同保障、同服务。

② 在偏远地区、山区和村庄零星分布、人口稀少的地方，因地制宜兴建小型集中供水工程和分散供水工程，实施净水工艺改造和消毒设备配套，加强对农村供水设施的高效利用，提高供水水质安全保障水平。

2)管理上：

① 需要全面建立科学合理的水价机制，多渠道提升水费收缴率，不足部分财政补齐，推进农村工程长效可持续运行。

② 运用信息化手段提升专业管护能力，但需理性。

③ 加强农村基层管理队伍建设，提高基层从业人员的技术水平和管理水平，特别是关键岗位的人才培养(主要是制水岗位、检测岗位、厂长、经理等)，才能更高效地解决单村供水工程和村内供水设施的运行管理问题。

3)资金筹措和商业模式上：

工程投资建设和管理模式有更多的创新，地方政府可与水务投运公司或者专业化公司组建新平台，利用地方债、政策性银行贷款解决工程建设资金不足的问题(今年国开行将重点实施百县千亿工程)并鼓励专业化公司统筹区域的供水工程建设。

4)技术上：

更多适宜农村供水的新技术将会得到蓬勃的发展。(能应对非稳定水源、维护便捷、全生命周期高性价比)

问题二：与其他膜或处理工艺比，无机陶瓷膜在投资运营成本上有何优势?

有机膜技术在国内经过十几年的发展，国产化率已经很高，有着很大的成本价格优势。那么，与其他膜或者处理工艺相比较，无机陶瓷膜在投资运营成本方面有什么优势?

赵刚认为这是非常好的问题，也是一个非常实际的问题。他表示，颇尔集团不仅致力于解决一些水处理技术难题，也在思考如何将这些技术更好地推广出去。

赵刚介绍，投资成本上，虽然陶瓷超滤单位面积成本是有机超滤单位面积成本的8-10倍，但是其寿命是有机膜的3-5倍，同时其通量高是有机膜的3-5倍，综合下来，在全生命周期内其投资成本是基本持平甚至是略有降低的。

运营成本上，大直径蜂窝状一体式陶瓷膜由于其耐污堵、清洗频次低、易清洗的特点，使其运营维护更加便捷，同时由于其特有的稳定性，避免了断丝的风险，确保了系统的稳定运行，降低了停机维护的频次，相较于有机超滤从而大大降低了日常的运营成本。

综合投资成本，即每年的运行成本加初次投资成本在寿命周期内的每年折旧略低于有机超滤膜。

总体而言，颇尔大通量陶瓷膜与常规中空纤维膜相比，长期综合成本与有机超滤持平，甚至是低于有机超滤，且长期稳定运行带来的潜在价值更高。

此外，在特殊使用方面，高难处理废水无法用有机膜处理(有机污堵快、膜断丝受损、含氧化性污染物等)，因此，陶瓷膜不仅具有成本优势，还具有无法替代优势。

问题三：颇尔集团对大直径蜂窝状结构陶瓷膜未来的展望和规划是什么?

赵刚表示，大尺寸陶瓷膜在水处理领域的应用上表现出很好的优势，颇尔集团对于未来的发展有着自己的发展规划。

首先，进一步提高膜材料的性能和精度。通过表面改性，结构优化，进一步提高其纳污能力，抗水质波动性，减小化学清洗剂的使用量。这尤其对于偏远的农村地区，是一件非常有意义的事情。

其次，提高膜的尺寸。目前颇尔已经推出12.16平方米、24.63平方米的大直径陶瓷膜，并且具备了30平方米陶瓷膜的生产能力。未来希望继续提高单支膜的过滤面积，进一步降低投资成本和占地面积。

很多网友也很关心陶瓷超滤膜在市政饮用水方面的应用，赵刚表示，市政饮用水和农村饮水不同，市政饮用水工程大部分不是从零开始的，大多已经有了现在的处理方案和技术，更多的是一些改造工程，这种情况下对空间和占地面积可能会有较多的要求。因此，陶瓷膜工艺应用，可以缩段工艺流程，能够利用更有限的空间来保障水的处理量。

第三，从系统设计上，增强智能远程控制操作能力，优化运行参数，提升运行效率，进一步降低运维难度和成本。

对于膜污染的清洗，大量化学药剂的使用会造成环境污染。如何减少化学药剂的使用，来提高膜的抗污染程度?赵刚提到，颇尔集团除了提高膜本身的性能以外，还通过表面改性，来降低膜被污染的速率，也使其清洗也更方便。第二，颇尔集团也在研究一些新的技术，比如将超声技术、人工智能等技术有机结合到系统设计中来。

孙文俊举例了国外的节水马桶，马桶使用了特殊的材料，使用少量的水就可以将马桶冲洗干净。他谈道，水处理领域正朝着“少药剂”的方向发展，陶瓷膜在这方面具有优势。希望颇尔集团将来也能够研发出这种高性能的膜材料，少用或不用化学药剂。

赵刚表示，颇尔集团未来将会把大尺寸陶瓷膜在水处理领域的应用做得更深更精，真正解决实际问题。

问题四：陶瓷膜在市政给水领域应用中的适应性怎样?

孙文俊介绍，目前，虽然陶瓷膜在市政给水领域的应用在国内不多，但在国外特别是日本和新加坡已经有很多成功的应用案例，主要表现在以下几个方面。首先，陶瓷膜可以替代传统混凝沉淀过滤技术其中的一个或者几个工艺环节，大大节省占地。例如与砂滤形成“陶瓷膜+砂滤”的工艺组合，来作为水的常规处理，陶瓷膜由于其对氧化剂的耐受性，与臭氧及氯等氧化剂可以形成很好的协同工艺效果，对于应对季节性藻类等问题可发挥很好的作用。同时其运维更加便捷，可以有效降低人工运维的难度。另外，陶瓷膜还可以用在给水深度处理工艺的预处理环节，这一点在海水淡化双膜法技术中已有成功应用，在给水领域同样可以借鉴，希望越来越多的同行加入到陶瓷膜的研究和推广中来。