新加坡水创新|迈向能量自给
日期：2016-02-26
我们此次策划推出的“新加坡水创新”栏目，主要来自于新加坡PUB(公用事业管理局)的一系列公开资料的整理与编译，着重介绍新加坡水处理科技事业在能量自给，雨水管理，管网优化，海水淡化，水质监测，膜技术等几个领域的创新进展和方向，每天一到两篇，与读者共同分享新加坡的创新经验。
写在前面的话
新加坡位于马来半岛南端，四面环水，但同时新加坡又是世界上极度缺水的国家之一，境内只有加冷河和新加坡河等几条细流，国内水资源总量6亿立方米，人均水资源占有量仅211立方米，排名世界倒数第二。政府不得不实行水配给制度，作为一个高度城市化但几乎没有自然水资源的国家，新加坡一直面临着严重的水资源短缺问题，如何满足新加坡国内目前每天130万立方米且正在不断增长用水需求，自然成为新加坡政府面临的一个重要的战略性问题。
因为深刻认识到“每一项政策都可能因为水资源问题而让我们屈膝。”新加坡“国父”李光耀先生在建国之初就提出“一切为水让路”的基本国策，依照此政策新加坡建立起一套完备的水科技创新体系和工业体系，经过50年的发展，新加坡已经建立起规模庞大技术先进的环境和水科技产业，并建立了多元化的可持续性供水系统(新生水NEWater、海水淡化水、地表集水区集水和进口水四大供水渠道)，已经彻底摆脱极端缺水的局面。
更为可贵的是，新加坡被誉为“全球水务中心”，致力于发展成为全球水行业的领导者、科技研发基地、水问题解决专家。目前，环境和水行业已经被政府确定为新加坡的关键发展行业之一，2006年新加坡政府宣布将于五年内投入3.3亿新元用于资助水行业的研发和创新能力建设，2011又追加了1.3亿新元。2015年，环境及水务业预计为新加坡国内生产总值贡献17亿新元的产值，创造1.1万个就业岗位，其中大多数是需专业及高技能的岗位。到2015年，新加坡已经吸引了超过180家水行业公司和26家私营水研究中心在新加坡安家落户。
新加坡这样一个国土面积有限、极度缺乏淡水资源的国家却在全球越来越多国家面临水危机的背景下发展出这样一个奇迹般的现代水故事，不仅能基本实现水资源的自给自足，还成为了全球的水务中心，新加坡传奇的水故事也被誉为新加坡的国家品牌。新加坡在水资源管理和水行业发展方面的成就在举世瞩目，它的经验对于水资源管理和水环境改善愈发迫切的中国来说，具有尤其珍贵的的借鉴意义。因此，研究院将新加坡作为一个重点的研究对象，持续的调研与跟踪，期望从中找到中国水处理产业通向未来的道路。
新加坡污水处理正在迈向能量自给
1、厌氧氨氧化的原理和反应过程
最初，人们认为氮在厌氧条件下发生氧化是不可行的，因为人们无法用合理的生物学基础理论来解释这样的反应。直到1990年，ArnoldMulder的发现才改变了这一观点。Mulder是Deflt理工大学Kuenen教授指导的学生。Mulder等人发现，生物脱氮流化床反应器除了进行人们所熟知的反硝化外，还进行这人们未知的某个反应使氨消失了。进一步观察发现，除了氨不明去向外，硝酸盐和亚硝酸盐也有一半以上不明去向。而且伴随着氨与硝酸盐的消失，产气率大幅度提高，气体中的最主要成分是氮气。Mulder的反应器进水采用的是一个产甲烷反应器的出水，水中含有铵、硫化物、硝酸盐和其他化合物，其中硝酸盐来自一个采用硝化工艺污水处理厂的出水。这一反应过程被命名为“厌氧氨氧化(Anammox)”。厌氧氨氧化工艺首次呈现于公众面前是在第五届生物技术欧洲论坛上。
传统硝化反硝化工艺中，氨氮在自养菌的作用下首先被氧化为亚硝酸盐氮，然后被氧化为硝酸盐氮，这是硝化过程;在反硝化过程中，硝酸盐氮在异养菌的作用下，在缺氧环境中消耗碳源被转换为氮气。在短程硝化反硝化过程中，氨氮只被氧化到亚硝酸盐氮为止，然后亚硝酸盐氮在自养菌的作用下还原为氮气。
厌氧氨氧化(Deammonification)是指在厌氧或者缺氧条件下，厌氧氨氧化微生物以NO-2-N为电子受体，氧化NH+4-N为氮气的生物过程。厌氧氨氧化反应的基质为NH+4-N和NO-2-N，由于废水中的氮素主要以氨氮形态存在，所以厌氧氨氧化工艺需与短程硝化工艺组合，才能实现脱氮。
第一个过程是亚硝化反应，是指在氨氧化菌(AmmoniaOxidizingBacteria,AOB)的作用下，NH+4-N被氧化为NO-2-N的好氧氧化过程，在这个过程中只有大约55%的氨氮需要转化为亚硝酸，这个过程也被称为部分亚硝化反应。接下来第二个过程是厌氧氨氧化(anaerobicammoniumoxidation，Anammox)反应过程，氨氮在厌氧条件下，被厌氧氨氧化菌氧化，其中第一过程中产生的亚硝酸盐氮作为电子受体。整个过程中，大约89%的无机氮都将被转化产生N2，另外11%的无机氮被转化为硝酸盐氮。
厌氧氨氧化工艺有着比短程硝化-反硝化更为优越的特点，与传统硝化反硝化工艺相比，厌氧氨氧化工艺在供氧量、耗碱量、碳源需求量以及剩余污泥产生量方面具有以下特点：
1)氨去除率可达90~95%，总氮去除率可达80~85%。
2)曝气耗能只有传统工艺的55~60%。
3)不需要外加投入碳源。即使为了去除硝酸盐产物，而需要在厌氧氨氧化过程中投加碳源，其碳源投加量也不到传统工艺中碳源投加量的90%。
4)减少温室气体排放量。相比传统硝化/反硝化脱氮过程中异养菌会释放CO2的现象，厌氧氨氧化则是一个消耗CO2的过程。
5)碱度消耗量减少45%左右。大多数厌氧出水含有以重碳酸盐存在的碱度可以补偿亚硝化所造成的碱度消耗，实现工艺碱度自平衡。
6)污泥产量也远低于硝化反硝化工艺，这将大大降低剩余污泥的处理和处置成本。
2、侧流厌氧氨氧化在新加坡的应用
通常情况下，厌氧氨氧化多用于处理侧流工艺中氨氮浓度较高的废水或者主流工艺中低氨氮废水。侧流工艺的典型代表是膜处理后产生的高氨氮废水，厌氧消化的上清液，以及污泥脱水后的浓缩液，这些废水的氨氮含量都极高。而主流工艺中处理生活废水的氨氮含量就会相对较低。
至今为止，在欧美和亚洲已有大量的侧流厌氧氨氧化工程实例，在新加坡，2012年启动了一项针对回用水厂中污泥浓缩液的侧流厌氧氨氧化工艺研究。
污泥浓缩液是将污泥厌氧消化的上清液进行离心脱水后浓缩所得，氨氮含量很高。因为通常情况下，污泥浓缩液都要回流到主工艺段，因此其所含的高浓度氨氮将会对主工艺段带来较大的负荷冲击。在NEWater工艺中，采用厌氧氨氧化技术对侧流浓缩液进行处理可以有效的去除氨氮，降低回流对主流工艺的负荷冲击并节省曝气能耗。
DEMON?是厌氧氨氧化工艺的一种型式，用于处理高氨氮废水(>200mg/L)，可以采用SBR反应器。为了维持SBR反应器中厌氧氨氧化菌的数量，反应器的排泥要经过一个水力旋流器进行重力分离，厌氧氨氧化菌比普通污泥重，所以会被分离出来，回流到SBR反应器。
为了进一步加强合作，明电舍(新加坡分公司)、ARA咨询公司与PUB联合在新加坡樟宜建造了一座中试试验厂，用以研究DEMON?工艺在赤道气候条件下处理侧流污泥脱水液的脱氮效果。
历经八个月后，试验结果表明DEMON?工艺对氮的去除率可以高达80%，并且去除一公斤氮的能耗不到1.2KWh。另外，该实验还发现，针对部分污泥脱水液中COD含量很高的情况，DEMON?工艺依然可以正常运转，只需对曝气率和水力旋流器中的分离率等运行参数加以调整即可。
经过樟宜污水厂的成功试验，PUB又将中试厂搬到了新加坡乌鲁班单区的综合污水处理厂和图阿斯污水处理厂，在这里进行侧流厌氧氨氧化工艺的实验研究。
3、主流厌氧氨氧化的中试研究
主流厌氧氨氧化受工艺条件的影响远比侧流厌氧氨氧化严苛。其中一个原因是主流进水中的氨氮含量相对较低，这将会影响厌氧氨氧化菌的正常生长与繁殖，一旦厌氧氨氧化菌缺乏足够的繁殖与积累，就会影响到整个工艺的稳定运行。因此，为了保证工艺稳定，进水的COD/N必须尽可能的降低。
为了能更好的了解主流厌氧氨氧化在新加坡热带赤道气候下的运行情况，南洋理工大学与PUB联手将在樟宜污水厂建造主流厌氧氨氧化中试试验厂，处理量为30m3/天。
该厂的工艺流程设计为AB式，见图3。A段主要用于分离进水中的COD，B段采用厌氧氨氧化工艺脱氮。A段采用化学强化预处理工艺(CEPT)或者高效活性污泥工艺(HRAS)，将进水中的有机碳收集起来进行厌氧消化产沼气。经过初沉池后，A段出水的COD/N将会较低，有利于B段厌氧氨氧化的进行，B段出水再进行膜分离。
该中试试验结果将与小试试验结果相佐证，以验证不同脱氮工艺中的主要生物群落之间的相互作用。南洋理工大学的学者们认为小试和中试将会给优化操作条件提供大量数据支持，最终实现主流厌氧氨氧化的稳定运行。
在未来，PUB将会继续逐步放大厌氧氨氧化试验的规模。PUB通过现在的努力，已经逐步得到国际同行们的认可。PUB与IWA、AECOM、DCwater、HRSD等同仁们一起展开了题为“揭开主流厌氧氨氧化神秘面纱——污水行业的转变”的研究，并于2014年荣获科技创新领域的全球荣誉奖。这些努力都将成为新加坡主流厌氧氨氧化工程化应用的奠基石，并最终带领新加坡在不远的将来实现这一伟大技术革新。
文章节选自《新加坡的水处理在创新中前行》第二章，由新加坡公用事业局(PUB)、新加坡国家水机构编制，江苏省(宜兴)环保产业技术研究院翻译整理完成。
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