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膜技术水处理行业的深度行业调研报告

膜分离技术交流 2018-11-09 06:32:34

注:本文作者丁敏,桑德集团基金和股权投资人。本文首发于知乎《环保行业私募股权投资》专栏https://zhuanlan.zhihu.com/dingmin,经作者授权发表。这是笔者早期行研报告,其中行业趋势与竞争格局具有一定的参考性。(每一小节后面有要点总结)


1. 引言

该行业调研报告的主要目的,是用于环保投资团队,在并购膜法水技术企业的前期行业知识储备和项目筛选之用。通过全面的知识梳理和公司比较,可以避免调研单一公司而发生先入为主的偏好。提高并购成功的概率,并降低风险,节约大家的时间和精力。

2. 重要概括

  • 水处理技术上是膜技术对活性污泥的全面改造替代及推广

  • 膜法水处理出水水质明显好于常规处理方法;

  • 排放标准越来越高,利好膜行业;

  • 膜技术逐渐成熟、膜材料成本逐渐下降;

  • 膜元件的生产和研发是整个膜法水处理产业链技术核心,收入和利润占据产业链的近50%;

  • 反渗透膜的市场规模占比最高约45%,技术含量、壁垒、经济价值最高;

  • 膜元件高端市场被国外巨头垄断,利润丰厚。低端市场暂无垄断,竞争非常激烈;

  • 膜产值有望从2015年850亿元,增长到2020年2000亿元,年均20%。

  • 膜元件生产向高端发展是大势所趋;

  • 纯粹的膜制造企业向全产业链延伸是行业发展的趋势,被国内环保巨头并购也是一大趋势;

  • 国内环保巨头并购膜制造企业,向上延伸产业链是一大趋势, 行业前几名几乎都参与对膜技术公司的并购。(例如2015年万邦达、维尔利的两宗并购)

  • 观察环保行业前几名,全面进入拼爹时代。例如碧水源有国开行,万邦达有神华和中石油。中小膜企业加入有大型国企背景的环保巨头产生的协同效应会更高。

一、水处理行业的概况

我们先来普及一下污水处理市场概况、水处理过程及膜的应用情况。

1. 水资源、污水水质的分布

2. 污水处理市场的概况

2003-2014 年,全国城镇污水处理厂的年均增速达到25.16%,到2014 年,数量达到6031 座,不过增速已经放缓,2014 年增速为12.43%。

同期,城镇污水处理量年均增速达到18.35%,到2014 年已经达到494.30 亿吨,但增速同样下降到了8.38%。同时,据住建部数据, 2010-2015 年城市污水处理能力年均提高6.09%,至2015 年已经达到14028 万立方米/日,再生水能力提高到2317 万立方米/日。在2010 年,城镇污水处理率已经达到72.90%,由于后续数据缺乏,但推测其比率已超过80%,因此未来城镇污水处理走势趋缓,增量空间有限,存量运营将成为关键。

另外,相比于城镇污水处理,工业废水治理市场已经处于减速区间,全国工业废水治理投资完成额已经负增长, 2014 年增长-7.72%,为115.25 亿元。

要点总结

  • 截止2015年末,中国约有6500座污水处理厂,城镇污水处理能力约2.17亿吨/日,全球污水处理能力约10亿吨/日

3. 污水来源和处理流程

我们以市政污水处理为例,处理的对象是排放到市政管网中的污废水。这些污废水有三大来源:生活污水、工业污水、初期污染雨水, 其中,工业污水一般要经过预处理,达到国家和地区的排放标准才能排放到市政管网中。当然,偷排、不达标排放是另外一个问题。

在对水处理流程中,废水一般要经过初沉池、生化反应器、二沉池等环节,在生化反应器中,由于采用不同的固定微生物的方法,因而出现氧化沟、传统活性污泥法、A2/O、SBR、A/O、MBR 等水处理技术。通常所说的膜法水处理,指的就是MBR 水处理技术,目前,其使用的主要是微滤膜和超滤膜。

4. 膜法水处理和传统水处理的区别

使用膜法技术可以大幅度提高产水水质。按处理深度,可将污水处理分为一级处理、二级处理和深度处理。一级处理的主要目的是去除悬浮状态固体,常采用物理法,对于BOD5的去除率一般在20%~30%;二级处理的目的是进一步去除污水中胶体和溶解性污染物,常使用生物法,BOD5的去除率在90%以上;深度处理以达到更高的处理与排放要求或污水回用为目的。

膜法技术通常用于处理二级处理活性污泥出水,或者将膜处理系统直接置于生化池,代替原有二沉池、絮凝沉淀池等环节。使用膜法技术改造之后,传统污水处理工艺可以直接生产出高品质再生水。

要点总结

  • 水处理行业具有刚性需求属性

  • 水需求持续增长

  • 污水处理市场快速发展,但增速已放缓

  • 以水处理为主要手段的水资源循环利用是解决上述矛盾最佳方案

二、政策向导

近年来,膜技术水处理行业的相关政策。

2015年4月国务院发布“水十条”,其中明确:敏感区域(重点湖泊、重点水库、近岸海域汇水区域)城镇污水处理设施应于2017年底前全面达到一级A排放标准;建成区水体水质达不到地表水Ⅳ类标准的城市,新建城镇污水处理设施要执行一级A排放标准。“水十条”提标改造投资空间预计约400亿。

要点总结

  • 水资源安全是国家安全的重要组成部分,近年来国家大力扶持水处理膜产业的发展。

  • 排放标准越来越高,利好膜行业。

三、膜法水处理介绍

1. 概要

膜技术是膜分离技术的简称,是仿生物学膜,通过人工材料(膜材料)实现不同介质分离的技术。膜分离是以对组分具有选择性透过功能的膜为分离载体,通过在膜两侧施加一种或多种推动力,使原料中的组分选择性地优先透过膜,从而达到混合物分离,并使产物提取、浓缩、纯化等的一种新型分离过程。

膜的分离精度主要取决于其过滤孔径大小,可分为微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)、反渗透(RO)膜。膜技术广泛用于环境、能源、电子、医药等各个方面。由于膜技术可以去除常规处理工艺难以去除的水污染物,在水处理领域的应用越发受到重视。

不同种类的膜技术分别应用于不同的细分领域,主要包括市政污水处理及再生、自来水处理、工业水回用、海水淡化、家用净水器等。

2. 技术原理

膜材料(Membrane)制作:膜是具有选择性分离功能的材料,以膜为分离介质,通过在膜两边施加一个推动力(如浓度差、压力差或电位差)时,使原料侧分组选择性的通过膜,以达到分离提出的目的。根据压差驱动膜分类,或根据孔径大小及可通过溶质大小的不同,膜材料制作可分为微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)、反渗透(RO)膜四种。

膜元件(Element)制作:膜元件是将膜材料以某种形式组装在一个基本单元设备内,通过较小体积扩大膜面积和提高膜的工作效率的装置。膜元件的作用是用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩。膜元件制作分为平板式、卷式、管式、中空纤维式四种。

膜组件(Module)制作:由若干膜元件与自控系统组成的设备集合体为膜组件系统;膜组件及其系统是实现膜分离作用的主要载体。

膜材料 - 孔径大小、过滤效果示意图1

3. 膜材料的材质分类

根据制造材质不同,膜可分为无机膜和有机膜。

无机膜主要是陶瓷膜,玻璃膜,金属膜,其过滤精度较低,选择性较小。有机膜由高分子材料加工而成,如聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氯乙烯(PVC)、聚醚砜(PES)、聚砜(PS)、醋酸纤维素(CA)等,由于有机膜过滤精度较高,选择性大,广泛应用于水资源化领域与工业特种分离等领域。

目前大型水处理方案中使用较多的为偏氟乙烯(PVDF)、聚醚砜(PES)材质制作的微滤/超滤膜元件。反渗透膜的制造材质多为醋酸纤维素(CA)等。

4. 膜材料的形状分类

根据不同形状,膜可以分为中空纤维膜(PVDF)、平板膜(MBR)、管式膜和卷式膜。

膜的形状是由制作和装配工艺决定的,中空纤维膜在水处理应用领域使用广泛。平板膜一般仅在水资源化领域中的部分工艺中使用,如部分膜生物反应器(MBR)中,管式膜则主要用于垃圾渗滤液处理和高固含量液体分离。

5. 膜法水处理的技术类别

根据技术类别分类,主要包括膜生物反应器(MBR)、连续膜过滤(CMF)、浸没式膜过滤(SMF)和双向流膜过滤(TWF)。

膜生物反应器(MBR),是高效膜分离技术与活性污泥法相结合的新型污水处理技术。其主要工艺原理是用超/微滤膜分离技术取代传统活性污泥法的二沉池和常规过滤单元,实现高效的固液分离和生物菌群的截留,经其处理后的出水直接达到高品质再生回用水标准。

以MBR为核心的三级水处理系统是目前最好、具有一定成本效益的保护水环境和饮用水源的解决方案,多用于污水排放标准高的传统污水厂提标改造、扩建工程,或新建紧凑高效型的污水处理系统。出水水质远超未来几年的排放标准,出水可安全排放至敏感水环境中、在农业灌溉和工业生产中重复使用,以及地下水回灌。目前在中国市政污水处理领域MBR使用较为普遍,

连续膜过滤(CMF),是以中空纤维超/微滤膜组件为中心处理单元,配以特殊设计的管路、阀门、自清洗单元、加药单元和自控单元等,形成闭路连续操作系统,原水在一定压力下透过微滤/超滤膜进行过滤,达到物理分离净化的目的。

浸没式膜过滤(SMF),是超低压中空纤维膜技术与连续膜过滤技术相结合而派生出来的一种新型的膜过滤处理工艺。它使用开放式中空纤维膜组件,将膜直接置于充满待处理水的膜池之中,通过泵的负压抽吸和大气压力,使水透过膜表面,从中空纤维膜内侧抽出,达到过滤净化的目的。

CMF和SMF主要用来处理相对清洁的水,如地表水、地下水、污水处理厂或预处理后尾水、海水淡化和纯水制备过程中反渗透(RO)膜组件的前处理水等。供水深度净化处理中CMF、SMF应用相对较广。

双向流膜过滤(TWF),是在膜分离过程中,通过对原水的进出方向进行周期性倒换,在分离过滤的同时,利用原水对污染较重的一端进行清洗,以保持膜的良好通透效果,达到持续稳定地进行原水分离净化的效果。

膜法水处理 - 工艺对比示意图

6. 膜法水处理应用范围

膜技术在水处理方面的应用约占国内分离膜市场的85%份额,是分离膜的主要应用领域。

膜法水处理技术目前主要应用于污水处理(包括市政污水处理和工业污水处理)、给水净化(包括市政给水净化和工业给水净化)、海水淡化(苦咸水淡化)和纯水制备等领域。

大规模水处理中,微滤膜、超滤膜更适用。在大规模的水处理工程中,包括市政污水处理和工业废水处理,采用膜法水处理工艺的情况下,使用的大部分是微滤膜和超滤膜,这主要与这部分的水处理的要求和该种膜的特性有关。在大规模污水处理过程中,由于处理量大,最后的出水的标准要求并不高,并不要求达到饮用水的标准。

反渗透膜更适用于生产性用水等领域。反渗透膜主要应用在生产性工业纯水领域,主要是制药、微电子、食品、化工等技术要求较高的领域,同时在海水淡化也是一个重要的应用领域。反渗透膜和纳滤膜成本较高,且由于其孔径较小,出水率较低。比如,对于反渗透膜而言,其进水和出水一般是2:1的关系,也就是说,至少有一半的水损失掉。不过,如居民自行饮用,亦或者对于食品、制药等工业生产过程中对水的品质要求较高的话,比如说纯水要求等,在这些生产性或消费性用水中,反渗透膜更加适用。

膜法水处理 – 应用领域示意图

注:其他领域 - 特种分离一般是指发酵、制药等如菌体分离、生物法生产丙烯酰胺、血液透析。

实际应用中需要应用多种膜技术

7. 膜技术和核心优势

要点总结

  • 膜法水处理的优势明显、出水水质高,市场空间广阔,但成本较高。

四、膜行业产业链和利润分布

1. 水处理产业链示意图

2. 膜法水处理产业链示意图

3. 膜法水处理的产业链包括

上游:包含膜材料、膜组件制作。膜材料分为反渗透、纳滤、超滤、微滤四种。膜组件分为中空纤维式、平板式、卷式、管式四种。上游膜材料的性能和价格直接影响膜组件设备的性能、膜法水处理工艺的优化空间和水处理设施的投资成本与运营费用。膜材料/膜元件制作和研发在整条产业链中拥有更高的技术先进性和盈利性。

中游:包含工程的技术设计、工艺设计、工程建设。技术和工艺设计主要分为膜生物反应器(MBR)、连续膜过滤系统(CMF)、浸没式膜过滤(SMF)和双向流膜过滤技术(TWF)。

下游:包含水处理设施的运营、维护。主要涉及给水处理、污水处理、海水淡化、超纯水制作以及膜的清洗、更换等。

4. 产业链的收入、利润分布

要点总结

  • 膜法水处理产业链50%以上的收入和利润,都在膜材料和组件的制造环节。

五、国内膜技术水处理的发展历程

通过梳理行业产值变化规律,以及相关政策和标志性事件,中国膜法水处理行业的发展经历了以下几个阶段:

1. 实验室阶段(2001年之前):我国早在1967年就开始了反渗透膜的研制工作,1986年CA非对称反渗透膜实现产业化,1991年MBR技术传入中国,1998年第一个采用MBR工艺的中水回用装置在大连建成,处理量为200吨/天。这一阶段膜技术主要集中在大学和科研机构的实验室小试、中试阶段装置。

2. 小型工程应用阶段(2001-2006年):2001年国家推出膜产业化政策,膜法水处理工艺进入深入研究阶段,部分处理量为几百至几千吨/天的小型MBR污水处理工程开始建造,2004年慈溪杭州湾航丰水厂建成,成为第一个规模5万吨/天以上的膜法城镇供水项目。

3. 规模化工程应用阶段(2006-2011年):2005年国家推出的节能减排和污水资源化政策促进膜产业加速发展。以采用MBR工艺的北京密云4.5万吨/天再生水项目为代表的万吨级以上膜法污水处理装置陆续投运。这一阶段由于2008年北京奥运会和2007年无锡太湖蓝藻事件的催化剂作用,公众对水安全的重视程度显著提升,为膜法技术规模化推广奠定了基础。

4. 全面推广阶段(2011年至今):国产膜材技术逐渐成熟,价格下降,同时伴随着环保标准日趋严格和民众环保意识增强,膜法技术在全国多地开始商业化应用,目前全国投运或在建的万吨级MBR城镇污水处理系统已达上百个。

我们认为中国膜法水处理行业的发展遵循以下规律:环保指标日趋严格是促使产业发展的外因,而以碧水源、津膜科技为代表的一批国内膜企技术水平提升以及公众环保意识增强则是产业发展的内在动力,同时标志性事件在关键时间节点起到了催化剂作用。

六、膜材料市场和未来趋势分析

1. 国外市场

全球膜及膜组件市场销售额,从1999年44亿美元上升到2014年186.80亿美元,复合增长率7-8%。

2. 国内市场

我国膜产业总产值(指膜制品、膜组件、膜附属设备及相关工程的总值)从1993年2亿元上升到2015年近850亿元,复合增长率超过20%,其中水处理领域占到85%以上。

工信部提出"十三五"我国膜工业发展目标是,年均增长率将达到或超过20%,故保守预测到2020年达到2000-2500亿元,膜产品出口产值每年超过100亿元。

3. 膜材料成本逐渐下降

在当前市场,膜技术在污水处理行业推广应用面临的最重要的制约因素是较高的成本。随着膜技术研发和应用的不断推进,加上国产替代趋势愈发明显,膜材料及膜技术应用成本都趋于下降。而膜材料价格不断下探,不仅拓宽了膜法水处理应用范围,膜产品在污水处理领域大规模应用将成为现实。

以MBR膜为例,过去的20多年间,受益于膜工艺设计的改进、运行维护方案的优化和膜寿命的延长,膜产品及其工艺以指数形式下降,整个生命周期成本从1992年400美元/㎡降低至2005年不足50美元/㎡。

在实际应用中,传统工艺污水厂的单吨造价为1000–1200元,而采用MBR工艺的污水厂单吨造价一般都在1500元左右。考虑到财政部有望出台的补贴政策,可抹平膜技术与传统工艺的造价差距。运行费用方面,以MBR为例,在考虑技术进步带来的能耗下降和污泥处置要求的情况下,膜处理的运营费用与传统工艺差距仅有20%。

下图以碧水源膜组件投资成本为例。

4. 膜法水处理厂的变化

市政大规模MBR应用和膜法市政水厂的规模变化,与整个膜法水处理行业产值的变化趋势高度一致。因此可以认为,以上两类膜技术的应用在膜法水处理产值的快速增长中起到了主导作用。

城镇污水处理和城镇供水是膜法水处理技术的主要应用场所,绝大多数膜法城镇污水处理厂使用MBR技术,大部分膜法城镇水厂采用微滤膜,部分出水指标较高的水厂同时使用反渗透膜。另外,未来在工业污水处理以及再生水领域,膜法技术也将有较大发展空间。

5. 行业趋势

  • 膜元件生产高端化

膜元件生产和研发一直是整个膜法水处理产业链技术核心,占据利润金字塔顶端位置。目前低端膜市场国产化程度逐步升高,但由于技术壁垒下降,竞争趋于激烈,导致利润率逐步下降。反观高端膜市场,由于技术差距,大部分市场份额仍然被国际品牌占领,利润率维持在较高水平。高利润必将吸引更多企业进入,膜元件生产向高端发展是大势所趋。

  • 向全产业链延伸

膜法水处理产业链由膜元件研发和制作、膜组件制作、成套解决方案提供、运营和维护等几部分组成。由其中一点切入,向全产业链延伸,可以迅速扩大公司营业收入和利润总额,带来公司的高速成长,同时塑造品牌形象,提高抗风险能力,降低平均成本。因此,向全产业链延伸是行业发展的另一大趋势。

七.国内膜技术行业的竞争格局

1. 竞争格局

2. 国内膜企规模两极分化趋势明显

目前,中国膜工业规模以上企业约400家,企业规模呈现两极分化趋势。大多数国内膜企业有规模较小,研发实力较弱,资金实力较差的特点。

年产值500万左右的小规模企业占膜企总数的约85%;年产值1000万以上一亿以下的中等规模企业约占10%;年亿元产值以上企业仅占企业总数的5%,但这一类企业集中了行业约90%的营业收入。如图所示,2015年碧水源年营业收入为52.1亿,超过所有年产值一亿元以下膜企业的营业收入总和。

国内膜企中一批规模较大,竞争力较强的企业已登录资本市场。目前在主板上市的膜法水处理相关标的有碧水源、津膜科技、南方汇通、维尔利和万邦达。其中,津膜科技和南方汇通主要以膜制造商的角色出现;碧水源和维尔利是主流的膜工程商;万邦达在2015年与日本东丽成立合资公司,开始生产MBR膜元件和膜组件,并借此机会切入膜法水处理市场。另外,在新三板市场有大概35家膜法水处理相关标的。

3. 反渗透(RO)膜市场

反渗透膜主要用于脱盐、超纯水制造、海水淡化领域。反渗透膜技术壁垒远高于微滤和超滤膜。在RO膜元件制作所使用的50余种原材料和辅料中,聚酯无纺布、浓水隔网等至今尚未实现国产化。

反渗透膜市场份额占比最大。1)技术含量最高的的是膜元件环节(反渗透、超滤和微滤)。2)在各种膜组件中,反渗透膜的市场规模占比最高,达到45%左右,微滤膜膜组件其次,占比30%左右,纳滤和超滤膜占比在20%左右。

反渗透膜属于寡头竞争格局,国产化率低。1)全球反渗透膜属于寡头竞争格局,主要有7大生产厂商,包括陶氏化学、日东电工、日本东丽、美国 GE、美国科氏、韩国世韩和时代沃顿。2)国内市场陶氏反渗透膜领域市场占有率第一,国产膜仅时代沃顿占比10%左右(2012年)。

4. 超滤(UF)/微滤(MF)膜市场

超/微滤膜主要用于污水处理及回用,给水净化以及海水淡化预处理领域。是中国目前膜产业中企业数量、产品种类、型号最多,能与国外产品相抗衡的领域。

超滤/微滤膜市场的三个特点1)国内超滤/微滤膜市场还没有形成垄断局面。目前高端市场由科氏为首的国外企业占据了大部分,中低端市场由国内的企业瓜分。2)超滤/微滤膜国产率目前达到50%左右。其中的代表企业有津膜科技和海南立昇。3)国产膜性价比更优秀:国内UF/MF性能与国外相当,价格却只有国外企业的一半。4)市场竞争激烈,低端产品利润率下滑。

要点总结

  • 反渗透膜的市场规模占比最高,被国际巨头占据或垄断

  • 超滤/微滤被国内外大厂瓜分,尚未形成垄断,但价格竞争激烈

  • 替代进口,国产膜市场份额逐步增加