新加坡再生水厂能耗目标及其技术发展方向
编者按：新加坡对水的重视是其经济可持续发展的坚实基础。新加坡国际水周（SIWW）和著名的李光耀"水源大奖"每年都吸引着全球水资源、水处理专家、学者共赴盛会。这就为新加坡再生水发展计划提供了得天独厚的技术咨询与支持条件，使新加坡公用事业局（PUB）审时度势地制定出能源自给自足三阶段发展目标，并根据自身环境特点和地理优势筛选出适宜技术。并以渐进方式最终逼近碳中和运行目标，与国际同步。通过介绍新加坡再生水厂的发展思路、技术路线、预期目标，以期对我国未来污水处理技术发展方向带来定的思想启迪。本文发表于《中国给水排水》（2014年12月）。
整理 | 闫政威
责编 | 郝晓地
文章亮点
01、明确提出了新加坡再生水厂实现能源自给的三个阶段性目标，及其逐步提升能源效率和可持续性措施；
02、 介绍了多种创新技术，如，Bio-EPT、MBR、侧流ANAMMOX、UASB、短程反硝化等，并探讨其在提高能源效率和降低污泥产量方面的潜力；
03、从国际视角审视了水资源管理，结合了新加坡本地的环境特点和地理优势，提出了适宜的技术解决方案。
01、引言
为应对淡水资源匮乏问题，新加坡从上世纪九十年代起便将污水收集后送到“再生水厂（Water Reclamation Plants，WRPs）”处理后回用。然而，面对随处理量攀升的极高用电量及剩余污泥量，新加坡公用事业局（PUB）正着眼于技术升级和设备改造，以适用于未来再生水厂的应用需要。对此，PUB制定出3个关键评价标准（出水水质、能源可持续性、环境可持续性）及污水处理工艺能源自给率3阶段目标（2017年改造棕色水厂，2022年关闭部分棕色水厂并新建绿色水厂，未来普及绿色水厂）以助力实现节能降耗乃至2030年碳中和运行目标。
02、近期目标——棕色水厂改造
2.1 棕色水厂改造
棕色水厂改造将在未来5年内集中进行，通过技术升级和设备改造去实现40%的能源自给率计划目标，并降低10%的剩余污泥产量。目前，新加坡共有4座再生水厂：樟宜、裕廊、克兰芝及乌鲁班丹。其中，裕廊再生水厂和乌鲁班丹再生水厂计划于2022年前关闭，樟宜再生水厂在技术升级和设备改造后将继续运行。
2.1.1 基础设备改造
再生水厂基础设备改造主要以提升设备效率、降低能耗为手段，以达节能降耗目标，包括采用智能化控制技术及高精度传感设备，以降低不必要能源消耗。通过变频器与进口叶轮控制来优化鼓风机效率，采用微孔曝气方式，降低曝气量和能耗。同时，采用高效沼气发电机提高发电效率，预计5年后发电能源转化率将从25%~30%提升至38%。部分水厂改造引入热电联产（CHP）技术，产生的热量将用于中温亚硝化或干化污泥，使能源转化效率加倍。
2.1.2 工艺改造
① 侧流ANAMMOX自养脱氮工艺
在现有污水处理工艺中加入ANAMMOX自养脱氮工艺，以节省碳源消耗量，使其形成剩余污泥并转化为能源（CH4）。同时，ANAMMOX之前中温亚硝化因需氧量降低，也可节省3%~5%曝气能耗。
② 膜生物反应器（MBR）
因MBR可持续且稳定地提供优质出水（可用作NEWater之原水），所以在未来再生水厂扩建中将重点考虑MBR工艺。尽管MBR工艺会增加0.11 kw·h/m3耗电量，但将省去原微滤/超滤（MF/UF）处理所产生的0.13 kw·h/m3耗电量。因此，MBR工艺的引入将使再生水厂能耗略有降低。
③ 污泥预处理
再生水厂剩余污泥仅经浓缩脱水后厌氧消化不彻底，CH4产量较低，污泥处理费用巨大。通过化学、机械等预处理手段对污泥实施细胞破壁，预计可增加约10%的CH4产量，供沼气发电。同时，剩余污泥量将大幅度减少而降低处理成本。
2.2 计划改造案例——乌鲁班丹再生水厂
2.2.1 既有工艺概述
乌鲁班丹再生水厂进水设计流量为3.61×105 m3/d，主要为生活污水（COD=638 mg/L），并配备了尾气控制系统。该厂目前有3条平行的污水处理工艺流程，分别以A/O为主流工艺的北、南两条处理线，以及AB法为主流工艺的LTM（Liquid Treatment Module）处理线。为简化能耗计算，所有流程均被视作A/O工艺，如图1所示。
其中，进水通过机械格栅、沉砂池去除无机砂粒杂质后进入初沉池，去除约40%的颗粒状COD。二级处理为A/O工艺，主要用于脱氮除磷和剩余COD去除。一沉与二沉污泥经收集后用于厌氧消化产CH4，处理水一部分直排自然水体，另一部分则用作NEWater原水。
图1 乌鲁班丹再生水厂简化处理流程
2.2.2 既有处理能耗分析
乌鲁班丹再生水厂处理能耗主要分为：① 处理过程能耗（W1），包括初沉池、二沉池、曝气池、污泥浓缩、消化、污泥脱水等污水处理过程耗能，其耗电量约为0.306 kw·h/m3。② 非处理过程能耗（W2），包括进水及出水水泵、再生水过滤等，其耗电量约0.13 kw·h/m3。③ 其他能耗（W3），包括除臭设备、办公用电，其耗电量约0.07 kw·h/m3。再生水厂双燃料发电机利用厌氧消化的生物气发电，发电量(W4)约0.11 kW·h/m3。其产电与耗能之比ηE=W4/(W1+W2+W2)×100%=21.7%。若再包括MF/UF单元并排除除臭和办公用电，则产电与处理过程耗能之比ηE=W4/(W1+W5)=25%。该测算结果即为2012年现状。
2.2.3 计划改造措施
乌鲁班丹再生水厂改造将从减少能耗，增加产电量入手。因该厂计划将于2022年关闭，生物强化吸附预处理（Bio-Enhanced Primary Treatment，Bio-EPT）因较大投资而暂时不考虑升级改造。具体工艺改造措施包括：对污泥实施预处理、采用MBR工艺、增加侧流ANAMMOX工艺（见图2）。
图2 乌鲁班丹再生污水厂计划改造工艺
设备升级措施：采用高效智能化控制、通过变频器与进口叶轮控制优化鼓风机效率并应用微孔曝气；同时，利用高效沼气发电机提高发电效率。预计将使产电量增至0.181 kW·h/m3，最终干污泥排量由9.3 t/105 m3 降为8.4 t/105 m3 。其产电与处理过程能耗之比ηE=0.181/(0.306+0.11)×100%=44%。该测算结果即为近期需要完成的能源自给率目标。
03、短期目标——新建绿色污水厂
3.1 新建绿色污水厂
在未来5~10年中，PUB将建设能源自给率更高的再生水厂，以实现其短期目标（能源自给率超过80%，并降低25%剩余污泥产量）。其工艺选择主要参考：① 将进水中COD先于生物处理工艺截留并转化为能源（CH4）；② 减少生物处理曝气量；③ 提升水厂能源产量。工艺设计也参考了国际污水处理碳中和运行先驱——奥地利Strass 污水厂。然而，再生水厂二级出水须经过滤后方可用作NEWater的原水。这势必会增加再生水厂能耗，使其在短期内难以实现100%的能源自给。
3.2 主要工艺
新建再生水厂除优先采用MBR、侧流ANAMMOX、污泥预处理等技术外，同时还将考虑采用生物强化吸附预处理（Bio-EPT）、升流式厌氧污泥床（UASB）、短程反硝化（Nitrite-shunt）工艺，并考虑厨余垃圾厌氧共消化技术（Food waste co-digestion），进一步提高水厂能源自给率。
3.2.1 生物吸附强化预处理（Bio-EPT）
Bio-EPT技术对COD的沉淀去除率将从原有传统预处理（传统初沉池）的40%提升至60%。这将不仅能够将更多COD应用于厌氧消化产生CH4，且能够有效节省后续生物处理工艺中曝气量。由于Bio-EPT单元投资较高，所以这项技术将在新建（绿色）以及部分改造水厂中应用。目前，一个1000 m3/d的中试Bio-EPT+MBR工艺正在测试之中。
3.2.2 升流式厌氧污泥床（UASB）
厌氧预处理，特别是UASB，被认为是有效的Bio-EPT替代工艺。UASB可减轻二级处理系统有机负荷、减少处理厂占地面积、基建投资以及运行成本，无需设置初沉池，产生的剩余污泥量远小于传统方法，从而降低污泥处理费用。此外，新加坡属于热带雨林气候，非常适合采用啫温的厌氧处理方式。然而，在35 ℃下，CH4会溶解于水中，并有可能在连续反应阶段扩散至大气中，形成温室气体。对此，裕廊再生水厂正在对UASB工艺进行测试。
3.2.3 短程反硝化（Nitrite-shunt）
与传统硝化/反硝化脱氮相比，短程硝化反硝化可减少剩余污泥量40%。但是，短程硝化需要随进水氮负荷精准控制曝气量和pH值，在实际操作中并不容易控制。目前，新加坡有两个试验性项目正在评估短期内实施短程反硝化的可能性。
3.3 大士再生水厂设计
3.3.1 大士再生水厂简介
目前，新加坡PUB正计划建造大士再生水厂，将于2016年开工新建，并于2022年投入运行。该再生水厂设计处理生活污水量为60×104 m3/d，工业废水量为20×104 m3/d，且生活污水与工业废水分别处理。处理后的生活污水二级出水将作为生产NEWater原水，而处理后的工业废水二级出水经膜过滤后可达到高纯水标准，用于工业生产。
3.3.2 生活污水处理工艺
大士再生水厂生活污水处理工艺根据新加坡情况，将采用Bio-EPT、MBR、污泥预处理、侧流ANAMMOX工艺（见图3），并安装先进的传感设备、VFD/IV鼓风机控制设备、微孔曝气装置。
图3 大士再生污水厂生活污水处理工艺
大士再生水厂产生的沼气可出售给周边工厂使用，或利用高效沼气发电机设备发电，实现能源自给率达到87%。短程反硝化工艺、CHP技术也将用于未来水厂的升级改造。
3.3.3 生活污水处理能耗分析
与奥地利Strass污水处理厂及乌鲁班丹再生水厂相比，大士再生水厂因将采用Bio-EPT+MBR工艺，预处理中对COD的去除率将从原有传统预处理的40%提升至60%，相当于CH4产气量由原来的17.9%提升至35.9%，而产电效率由30%提升至38%，产电量相当于乌鲁班丹再生水厂产电量的2.54倍，其发电量约为0.28 kw·h/m3。大士再生水厂能耗基于目前所采用的这些技术，在短期内被证明适用于新加坡情况，该厂估算单位处理电耗为0.321kW·h/m3。产电与处理过程耗能之比ηE=0.28/0.321×100%=87%。
04、长期目标——未来绿色水厂
新加坡未来绿色水厂目标是，2030年后达到能源自给自足、实现碳中和运行目标。其中，主流ANAMMOX 工艺以及厌氧膜生物反应器（AnMBR）的工艺方案目前正在实验室中进行测试，大约10年内得到实验与中试验证。
理想条件下，通过Bio-EPT与主流ANAMMOX工艺相结合，可有效保护ANAMMOX反应器免受干扰，同时，降低曝气、碳源的需求，提高沼气产量。未来绿色水厂能源自给率预计将达到103%。而主流ANAMMOX工艺与AnMBR的结合，将使能源自给率高达144%。为此，新加坡将加大对这一工艺的研究力度。
05、结语
新加坡在解决水的问题上与国际同步，其污水不仅仅是处理而应该是再生回用的思路也源于国际可持续水处理技术理念，所采用和将要升级改造的技术也与国际并齐。虽然新加坡目前再生水厂数量有限，能源、资源回收率还不是很高，但是新加坡PUB已制定出分阶段能源自给目标和应用技术，并计划在2030年后实现100%的能源自给与碳中和目标。这些发展思路、技术路线、预期目标对我国未来污水处理技术发展方向也有一定的思想启迪。
