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從研發到工程應用：MBR污水回用技術在新加坡的發展歷程
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原標題：從研發到工程應用：MBR污水回用技術在新加坡的發展歷程
新加坡一直致力基于MBR膜生物反應器的再生水系統的研發工作。MBR技術已經展現了顯著的多功能用途，例如用于工業的回用水或者結合了反滲透的飲用水，著名應用案例的莫過NEWater新生水項目。
與傳統活性污泥法(CASP)相比，MBR是一個三合一的解決方案，在單一反應系統里結合了生物反應器、二沉池和微濾/超濾。它的優點包括了工藝的耐固性、優質的出水水質，和緊湊的占地面積。在過去15年左右的時間里，MBR技術在新加坡一路走來，從中試研究到示范項目的測試，如今已經在新加坡的Jurong和Changi再生水廠實現了全尺寸的工程應用。MBR技術是如何在新加坡取得認同和重視的呢?新加坡公共事業局PUB的再生水處理部Winson Lay等人總結了MBR在新加坡取得成功的經驗，并發表在了IWA期刊《Water Practice & Technology》中。
中試項目
新加坡公用事業局PUB一直致力于新加坡水資源的可持續發展，NEWater新生水就是其標志性成果。早在2003年，PUB就著手MBR實現水回用的研發，MBR作為三合一的解決方案，與RO反滲透結合，將會打造一個集成化程度更高的水資源可持續再生系統。
▲MBR三合一的工藝示意圖
PUB的MBR研發探索之旅始于2003年，他們選擇了當時仍在運行的Bedok再生水廠，搭建了三個處理規模為300m3/d的MBR系統進行中試試驗，來測試不同類型的膜。同時他們還進行各種數據的采集和分析，包括了總有機碳(TOC)的監測。
中試結果顯示，MBR反應系統的出水水質等同于甚至優于NEWater項目中超濾工序(UF)的出水。在接下來的MBR-RO工藝的中試結果顯示，MBR-RO比CASP-MF-RO在有機物的去除方面表現更加穩定和優秀，而且MBR-RO工藝中反滲透膜的通量更高。
示范項目
在2006年，PUB決定在Ulu Pandan再生水廠搭建一個23,000m3/d的示范項目。這個示范項目是基于為污水廠改造的理念設計的：兩個北邊的曝氣池改造成生物反應池的缺氧/好氧區，然后再新增一個MBR池和一個中控室。這個示范項目至今依然保持很高的出水水質。
▲ Ulu Pandan再生水廠的再生水標準
這個示范項目的出水成為了工業回用水，供給化工廠和煉油廠作為冷卻用途。但一般來說，氮濃度在工業回用水中并不是重要指標，MBR中水出水的氮指標在20mg/L左右，但是這個示范項目出水氮濃度在6mg/L左右。
成本向來是水處理基礎項目的重要考慮因素。在過去，Jurong工業再生水廠(JIWW)一直都是基于復雜的物理-化學處理工藝，而且占地面積巨大。與此相比，在新加坡這個國家寸土寸金的大背景下，使用MBR技術就有了優勢，另外如果污水廠能實現工業水回用，還可以抵消部分運營成本。
然而，目前的MBR技術的單位能耗依然比較高，這是因為要驅動滲透壓和膜反洗造成的。所以如何降低MBR技術的單位能耗是新加坡MBR研發項目的關鍵目標之一。2003年中試階段，三個中試系統的單位能耗約為1.3 - 1.7 kWh/m3。當時的設計是比較保守的，所以PUB開始了分階段優化工作。第一階段在保持空氣功率不變的情況下提高膜通量，能耗因此降至約1 kWh/m3。第二階段是保證出水水質和膜污染率不變的情況下降低曝氣能耗;第二階段的中試結束的時候，單位能耗已經降至0.8 kWh/m3。
在示范項目里，優化過程也是分幾步來實現的：
第一步是改善設計和設備的選擇，在MLSS濃度約為10,000 mg/L的情況下，單位能耗降至0.6 kWh/m3。
第二步則是通過縮短SRT使曝氣池的MLSS減少到6,000 mg/L (這也得益于新加坡常年在30℃左右的溫暖氣候)。MLSS的降低減少了污泥黏度，并提高了曝氣效率。
第三步是通過回流膜反應器的混合液(2Q)來優化MLSS的內循環。
第四步是優化曝氣工藝(DO設置在1.5mg/L)。
第五步是優化膜的清洗率。
在分步優化的過程中，首先確保優化工作不會以降低水質和整體處理效率為代價。經過團隊的努力，MBR的單位能耗已經從最初的1.3 kWh/m3降至低于0.5 kWh/m3。
▲ MBR技術在中試和示范工程期間的分步工藝優化和成果
在示范項目的運行中，測試團隊印證了MBR技術的許多優點，例如抗沖擊負荷的耐固性、高出水水質、小占地面積和高自動化運行水平等。在經過中試和示范項目的測試后，PUB決定再進一步，在Jurong和Changi兩個再生水廠進行全尺寸的工程應用。
Jurong再生水廠的工程應用
Jurong再生水廠位于新加坡的西邊，處理工業和市政污水(混合比約為40%/60%)，處理能力約205,000 m3/d。污水廠由三部分組成，自2013年起第一段的CASP傳統活性污泥工藝改造成MBR，目前這部分的處理能力為68,000 m3/d，其出水滿足工業回用水的標準。與Ulu Pandan再生水廠一起，這兩個MBR污水廠的總占地面積只有2050㎡，可為附近企業提供工業回用水服務，這相當于騰出了52,000㎡的土地和節省了大量的化學品和能耗。Jurong再生水廠設計的MBR是一個三段式的強化生物除磷(EBPR)工藝，能夠去除有機物和氮磷。初沉池的出水以7：3的比例進入缺氧區和厭氧區，再流經好氧區和膜過濾池后即可達標出水。
▲ Jurong MBR廠的工藝流程圖
下表顯示，MBR的出水水質完全滿足一般工業用水的標準。值得一提的是，盡管廠區備有供化學除磷的鋁鹽化合物，但目前還無需用到，EBPR的運行很穩定。
Changi再生水廠的工程應用
Changi再生水廠是目前新加坡最大的再生水廠，位于新加坡的東邊。污水廠的進水主要是生活污水。該廠采用緊湊設計，并且加蓋運行，由兩條主線組成，每條主線分別由兩條平行的分段進水活性污泥工藝(step–feed activated sludge process)組成。Changi再生水廠的MBR項目時通過兩階段實現的：
第一階段是下圖5中的3.1和4.1紅色區域，合計處理能力為60,000 m3/d;
第二階段是下圖中的1.1和 2.1紅色區域，處理能力同上。
MBR的成功改建將使該廠的處理能力從原來的800,000 m3/d 提升到920,000 m3/d，從而緩解現有二沉池的壓力和確保新生水NEWater的供應。
▲ Changi再生水廠的MBR改建平面圖
盡管該廠原來的設計(包括二沉池)就已經相當緊湊，但MBR的反應器還是比原設計的單位處理面積少25%(見下圖)。
▲ MBR跟Changi原緊湊設計的占地面積對比
他們對MBR3.1反應器的單位能耗進行了30天的跟蹤測試，時間是2015的4月18日到5月18日，結果顯示日平均單位能耗為0.5kWh/m3。而在驗收階段的最后兩周，通過減少曝氣量，單位能耗更是降低至0.4 kWh/m3以下。該廠至今還在對MBR的能耗作長期跟蹤，目前的膜通量約為25L/㎡/h, SRT為7d，并滿足所有出水標準。
▲ MBR的出水標準
除了上述參數，團隊成員還對其他指標進行密切監測。因為MBR的出水是不含懸浮固體的，所以例如TSS等傳統參數在這里就沒用了。相反，COD/BOD的去除效率是關注重點。監測數據顯示，MBR在BOD5和COD去除表現上也有優于傳統活性污泥法。
▲ Changi再生水廠的MBR出水的BOD5和COD表現與傳統處理的對比
而液相色譜的測試也顯示MBR出水的溶解有機碳的濃度是最低的。這些結果都顯示了MBR的處理效果是很理想的。
下一步的研發計劃
PUB將繼續完善MBR技術在新加坡實際工程的應用。目前的研發項目包括：
位于Jurong再生水廠的處理能力為4,550 m3/d的陶瓷MBR示范項目;
位于Ulu Pandan再生水廠的處理能力為1,000 m3/d的IVP整合式驗證廠(Integrated Validation Plant, IVP)。
后者是在基于全球各地的污水處理工藝和新技術的研究的新探索，IVP廠運用的工藝包括了強化初沉處理和低能耗MBR。目前這個IVP廠能實現脫氮除磷和優質出水，SRT降至5天。進一步的優化工作正在進行中，下一步計劃是一個12500 m3/d的示范污水廠，施工單位是日本三菱集團，預計在今年完工。
這個創新MBR項目是新加坡充滿雄心壯志的超級工程DTSS深層隧道排污系統2期的重要組成分。DTSS深層隧道排污系統，它也新加坡公用事業局(PUB)近幾年重點打造的項目之一。這條造價34億美元的地下管廊被稱作“污水高速公路”，預計在2024年完成。屆時，Tuas再生水廠將取代目前的Jurong和Ulu Pandan再生水廠，并且能同時處理生活污水和工業廢水(比例約為8:2)。Tuas再生水廠的設計理念是基于能耗和占地更加高效的MBR-RO工藝，在處理污水的同時生產NEWater新生水。
經過十多年的努力，MBR工藝在新加坡得到了長足發展，從2003年中試規模的3,300m3/d到2016年接近22萬m3/d的實際工程應用，而且包括Tuas再生水廠、Changi再生水廠等中試和擴建項目正在進行中，期待書寫新的傳奇。更多工業水廢水處理問題，可以搜索創洋水處理官網或者關注創洋水處理微信公眾號，與我們水處理專家作詳細咨詢，量身定做為你打造最優質的水處理解決方案。
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