新加坡一直致力基于MBR膜生(sheng)物反應器的(de)(de)再生(sheng)水系(xi)統(tong)的(de)(de)研發工作(zuo)。MBR技術(shu)已經展現了(le)顯著(zhu)的(de)(de)多(duo)功(gong)能用途，例(li)如用于工業(ye)的(de)(de)回用水或者結合了(le)反滲透的(de)(de)飲用水，著(zhu)名應用案例(li)的(de)(de)莫過NEWater新生(sheng)水項目。

與傳(chuan)統活性污泥(ni)法(CASP)相比，MBR是(shi)一個(ge)三合一的(de)(de)解決方案(an)，在單一反應(ying)系統里結合了生物(wu)反應(ying)器、二沉池(chi)和微(wei)濾/超濾。它的(de)(de)優點包括(kuo)了工藝的(de)(de)耐固性、優質的(de)(de)出水(shui)(shui)水(shui)(shui)質，和緊湊的(de)(de)占地面積(ji)。在過去15年左右的(de)(de)時間(jian)里，MBR技術在新加(jia)(jia)坡一路走(zou)來(lai)，從中試研(yan)究到(dao)示范項(xiang)目的(de)(de)測試，如今已經在新加(jia)(jia)坡的(de)(de)Jurong和Changi再(zai)生水(shui)(shui)廠(chang)實現了全尺(chi)寸的(de)(de)工程(cheng)應(ying)用。MBR技術是(shi)如何在新加(jia)(jia)坡取得(de)認同和重(zhong)視(shi)的(de)(de)呢?新加(jia)(jia)坡公共事業局PUB的(de)(de)再(zai)生水(shui)(shui)處(chu)理部(bu)Winson Lay等人總結了MBR在新加(jia)(jia)坡取得(de)成功的(de)(de)經驗，并發表在了IWA期刊《Water Practice & Technology》中。

中試項(xiang)目(mu)

新(xin)加(jia)坡公用(yong)事業(ye)局PUB一直致力于新(xin)加(jia)坡水資(zi)源的可持(chi)續發展，NEWater新(xin)生(sheng)水就(jiu)是其標志(zhi)性成果。早在2003年，PUB就(jiu)著手MBR實(shi)現水回用(yong)的研發，MBR作為三合(he)一的解決方案，與RO反(fan)滲透結合(he)，將(jiang)會打造一個集成化程度更高的水資(zi)源可持(chi)續再生(sheng)系統。

▲MBR三合一(yi)的工藝示意圖

PUB的(de)(de)(de)MBR研發探索之旅始于2003年，他們選擇了當時仍在(zai)(zai)運行的(de)(de)(de)Bedok再生水廠，搭建了三個處(chu)理(li)規模為(wei)300m3/d的(de)(de)(de)MBR系統進(jin)行中試(shi)試(shi)驗，來測試(shi)不同(tong)類型的(de)(de)(de)膜。同(tong)時他們還進(jin)行各種數據的(de)(de)(de)采(cai)集和分析，包括(kuo)了總有機碳(tan)(TOC)的(de)(de)(de)監測。中試(shi)結(jie)果(guo)顯示，MBR反應(ying)系統的(de)(de)(de)出(chu)水水質等同(tong)于甚(shen)至優于NEWater項目中超濾工(gong)序(UF)的(de)(de)(de)出(chu)水。在(zai)(zai)接下來的(de)(de)(de)MBR-RO工(gong)藝(yi)的(de)(de)(de)中試(shi)結(jie)果(guo)顯示，MBR-RO比(bi)CASP-MF-RO在(zai)(zai)有機物的(de)(de)(de)去除方面表現更加穩定和優秀，而且(qie)MBR-RO工(gong)藝(yi)中反滲透膜的(de)(de)(de)通量更高。

示范項目(mu)

在2006年(nian)，PUB決定(ding)在Ulu Pandan再生(sheng)水廠搭建一(yi)個23,000m3/d的(de)(de)示范項(xiang)目(mu)。這個示范項(xiang)目(mu)是基(ji)于為污(wu)水廠改造(zao)的(de)(de)理(li)念設(she)計(ji)的(de)(de)：兩個北(bei)邊的(de)(de)曝氣池改造(zao)成生(sheng)物反應池的(de)(de)缺氧/好氧區，然(ran)后再新增一(yi)個MBR池和一(yi)個中控室(shi)。這個示范項(xiang)目(mu)至今依(yi)然(ran)保持很高(gao)的(de)(de)出(chu)水水質(zhi)。

▲ Ulu Pandan再生(sheng)水廠的再生(sheng)水標準

這個示范(fan)項目(mu)的(de)出水(shui)(shui)成為了工業回用(yong)水(shui)(shui)，供給化工廠和煉油廠作(zuo)為冷(leng)卻用(yong)途。但一(yi)般(ban)來(lai)說，氮濃(nong)度(du)在工業回用(yong)水(shui)(shui)中并不(bu)是(shi)重(zhong)要(yao)指標，MBR中水(shui)(shui)出水(shui)(shui)的(de)氮指標在20mg/L左右，但是(shi)這個示范(fan)項目(mu)出水(shui)(shui)氮濃(nong)度(du)在6mg/L左右。

成本(ben)向來是(shi)水(shui)(shui)處理基(ji)礎項目的重要(yao)考慮因(yin)素。在過去，Jurong工業(ye)再生水(shui)(shui)廠(chang)(JIWW)一直都是(shi)基(ji)于復雜的物理-化學處理工藝，而且占地面積巨大(da)。與(yu)此相比，在新加坡這個國家寸(cun)(cun)土寸(cun)(cun)金的大(da)背景下，使用MBR技術就(jiu)有了優(you)勢(shi)，另外如(ru)果(guo)污水(shui)(shui)廠(chang)能實(shi)現工業(ye)水(shui)(shui)回用，還可以抵消部(bu)分(fen)運營成本(ben)。

然而(er)，目(mu)(mu)前的(de)(de)MBR技術的(de)(de)單(dan)位(wei)(wei)能(neng)(neng)(neng)耗(hao)依然比較高，這是因為(wei)要驅動(dong)滲透壓和膜反洗造成的(de)(de)。所(suo)以(yi)如何降(jiang)低MBR技術的(de)(de)單(dan)位(wei)(wei)能(neng)(neng)(neng)耗(hao)是新加坡(po)MBR研發項目(mu)(mu)的(de)(de)關鍵目(mu)(mu)標(biao)之一。2003年(nian)中(zhong)試(shi)階段(duan)(duan)，三個中(zhong)試(shi)系統的(de)(de)單(dan)位(wei)(wei)能(neng)(neng)(neng)耗(hao)約(yue)(yue)為(wei)1.3 - 1.7 kWh/m3。當時的(de)(de)設計是比較保(bao)守的(de)(de)，所(suo)以(yi)PUB開始了分階段(duan)(duan)優化工(gong)作。第(di)(di)一階段(duan)(duan)在(zai)保(bao)持(chi)空氣(qi)功率(lv)不(bu)變的(de)(de)情況(kuang)下(xia)提高膜通量，能(neng)(neng)(neng)耗(hao)因此降(jiang)至約(yue)(yue)1 kWh/m3。第(di)(di)二(er)階段(duan)(duan)是保(bao)證出(chu)水(shui)水(shui)質和膜污(wu)染率(lv)不(bu)變的(de)(de)情況(kuang)下(xia)降(jiang)低曝氣(qi)能(neng)(neng)(neng)耗(hao);第(di)(di)二(er)階段(duan)(duan)的(de)(de)中(zhong)試(shi)結束的(de)(de)時候(hou)，單(dan)位(wei)(wei)能(neng)(neng)(neng)耗(hao)已經降(jiang)至0.8 kWh/m3。

在示范項目(mu)里，優化過程(cheng)也是分幾步來(lai)實現的(de)：

第(di)一(yi)步是改(gai)善設計和設備的選擇，在MLSS濃度約為10,000 mg/L的情況下，單(dan)位能耗降至0.6 kWh/m3。

第(di)二(er)步則是通過縮短SRT使曝(pu)氣池的(de)(de)MLSS減少到6,000 mg/L (這也得益(yi)于新加坡(po)常年在30℃左右的(de)(de)溫暖(nuan)氣候(hou))。MLSS的(de)(de)降(jiang)低(di)減少了污泥(ni)黏度，并提高了曝(pu)氣效率。

第三步是通過回流膜(mo)反應器的混合(he)液(2Q)來(lai)優化MLSS的內(nei)循環。

第四(si)步是優化曝氣(qi)工藝(DO設置在1.5mg/L)。

第五步(bu)是優化膜(mo)的清洗率。

在分步優化的(de)過程(cheng)中，首先確保優化工作不會以降(jiang)低(di)水質和整體處(chu)理效率為代價。經(jing)過團隊的(de)努力，MBR的(de)單位(wei)能耗已經(jing)從最初的(de)1.3 kWh/m3降(jiang)至低(di)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(guo)

在示(shi)(shi)范項目(mu)的(de)(de)運行中，測(ce)試團隊(dui)印證(zheng)了MBR技術的(de)(de)許多(duo)優(you)點，例如抗沖擊負荷的(de)(de)耐固(gu)性、高(gao)(gao)出水(shui)水(shui)質、小占(zhan)地面積和(he)高(gao)(gao)自動化(hua)運行水(shui)平等(deng)。在經過中試和(he)示(shi)(shi)范項目(mu)的(de)(de)測(ce)試后，PUB決(jue)定再(zai)進一(yi)步(bu)，在Jurong和(he)Changi兩個再(zai)生水(shui)廠進行全(quan)尺寸的(de)(de)工程(cheng)應(ying)用。

Jurong再生水廠的(de)工程(cheng)應用

Jurong再(zai)生水廠(chang)(chang)位于新(xin)加坡(po)的(de)(de)(de)西邊(bian)，處理(li)工業(ye)(ye)和(he)(he)市政污(wu)水(混合比(bi)約(yue)為(wei)(wei)40%/60%)，處理(li)能(neng)力約(yue)205,000 m3/d。污(wu)水廠(chang)(chang)由三部(bu)分組成，自2013年起第(di)一段(duan)的(de)(de)(de)CASP傳(chuan)統活性(xing)污(wu)泥工藝改造成MBR，目前(qian)這(zhe)部(bu)分的(de)(de)(de)處理(li)能(neng)力為(wei)(wei)68,000 m3/d，其出(chu)水滿足工業(ye)(ye)回用水的(de)(de)(de)標(biao)準。與Ulu Pandan再(zai)生水廠(chang)(chang)一起，這(zhe)兩(liang)個MBR污(wu)水廠(chang)(chang)的(de)(de)(de)總占地面積只有2050㎡，可(ke)為(wei)(wei)附近(jin)企業(ye)(ye)提供工業(ye)(ye)回用水服務(wu)，這(zhe)相當于騰出(chu)了(le)52,000㎡的(de)(de)(de)土(tu)地和(he)(he)節省了(le)大量的(de)(de)(de)化(hua)學品(pin)和(he)(he)能(neng)耗(hao)。Jurong再(zai)生水廠(chang)(chang)設(she)計的(de)(de)(de)MBR是一個三段(duan)式(shi)的(de)(de)(de)強化(hua)生物除磷(EBPR)工藝，能(neng)夠去除有機物和(he)(he)氮磷。初(chu)沉池的(de)(de)(de)出(chu)水以(yi)7：3的(de)(de)(de)比(bi)例進入(ru)缺氧(yang)區和(he)(he)厭氧(yang)區，再(zai)流經好氧(yang)區和(he)(he)膜過濾池后即可(ke)達標(biao)出(chu)水。

▲ Jurong MBR廠的工(gong)藝流程圖(tu)

下表顯(xian)示，MBR的(de)(de)(de)(de)出水水質(zhi)完(wan)全滿足一(yi)般工業用(yong)水的(de)(de)(de)(de)標(biao)準(zhun)。值(zhi)得一(yi)提的(de)(de)(de)(de)是(shi)，盡管廠區備有供(gong)化(hua)學除磷的(de)(de)(de)(de)鋁鹽化(hua)合物，但目前還無需(xu)用(yong)到(dao)，EBPR的(de)(de)(de)(de)運行很穩(wen)定。

 Changi再生水廠的工程應用

Changi再生(sheng)水(shui)廠(chang)是目前新加(jia)坡(po)最大的再生(sheng)水(shui)廠(chang)，位于(yu)新加(jia)坡(po)的東邊(bian)。污水(shui)廠(chang)的進水(shui)主要是生(sheng)活(huo)(huo)污水(shui)。該(gai)廠(chang)采用(yong)緊湊設計，并且加(jia)蓋運行，由(you)兩(liang)條(tiao)主線組成(cheng)，每條(tiao)主線分別由(you)兩(liang)條(tiao)平行的分段(duan)進水(shui)活(huo)(huo)性污泥(ni)工(gong)藝(yi)(step–feed activated sludge process)組成(cheng)。Changi再生(sheng)水(shui)廠(chang)的MBR項目時通過兩(liang)階段(duan)實(shi)現的：

第一(yi)階段是下(xia)圖(tu)5中的(de)3.1和4.1紅色區(qu)域，合計處理能力(li)為60,000 m3/d;

第二階段是下圖(tu)中的1.1和 2.1紅色區域，處理(li)能力同上。

MBR的(de)成功改建(jian)將使該廠(chang)的(de)處理能力從(cong)原來的(de)800,000 m3/d 提升到920,000 m3/d，從(cong)而緩解(jie)現有二沉池的(de)壓(ya)力和確保新(xin)生水(shui)NEWater的(de)供應(ying)。

▲ Changi再生(sheng)水廠(chang)的MBR改建平面圖

盡管該廠原來(lai)的設(she)計(包括二(er)沉池)就已經相當(dang)緊湊，但MBR的反應器還是比原設(she)計的單位處理面積(ji)少25%(見下圖(tu))。

▲ MBR跟Changi原緊(jin)湊(cou)設(she)計的占(zhan)地面(mian)積對比(bi)

他(ta)們對(dui)MBR3.1反(fan)應器(qi)的(de)單(dan)位(wei)能耗(hao)進行了30天的(de)跟(gen)蹤測試，時間是2015的(de)4月(yue)18日(ri)到5月(yue)18日(ri)，結(jie)果顯示日(ri)平均單(dan)位(wei)能耗(hao)為0.5kWh/m3。而在驗收階段的(de)最后兩周，通(tong)過(guo)減少曝氣量，單(dan)位(wei)能耗(hao)更是降低(di)至(zhi)0.4 kWh/m3以下。該廠至(zhi)今還在對(dui)MBR的(de)能耗(hao)作長期(qi)跟(gen)蹤，目前的(de)膜通(tong)量約為25L/㎡/h, SRT為7d，并滿足所有出水標準。

▲ MBR的出水標準

除(chu)了(le)上述參(can)數(shu)，團隊(dui)成(cheng)員(yuan)還對其他指標進行密切(qie)監測。因為MBR的(de)(de)出水是(shi)不含懸浮固體的(de)(de)，所以例如(ru)TSS等傳統參(can)數(shu)在這(zhe)里就沒用(yong)了(le)。相反，COD/BOD的(de)(de)去(qu)除(chu)效率是(shi)關注重點。監測數(shu)據顯(xian)示，MBR在BOD5和(he)COD去(qu)除(chu)表現上也有優于傳統活性污泥(ni)法。

▲ Changi再生水廠(chang)的(de)(de)MBR出(chu)水的(de)(de)BOD5和COD表現與傳(chuan)統(tong)處理的(de)(de)對比

而液相(xiang)色(se)譜的測(ce)試也顯示MBR出水的溶(rong)解(jie)有(you)機碳的濃度是最低的。這些結(jie)果(guo)(guo)都(dou)顯示了(le)MBR的處理效果(guo)(guo)是很理想的。

下一(yi)步的研(yan)發計(ji)劃

PUB將繼(ji)續完善MBR技術在新加坡實際工(gong)程(cheng)的應用。目前的研發項目包(bao)括：

位于Jurong再生水(shui)廠(chang)的處理能力(li)為4,550 m3/d的陶瓷MBR示范項目;

位于Ulu Pandan再生水廠(chang)的(de)處(chu)理(li)能力為1,000 m3/d的(de)IVP整合(he)式驗證(zheng)廠(chang)(Integrated Validation Plant, IVP)。

后者(zhe)是(shi)在(zai)基于(yu)全(quan)球各地的污水(shui)處理(li)工(gong)藝和新技(ji)術的研究(jiu)的新探索，IVP廠(chang)運用(yong)的工(gong)藝包括了強化初沉處理(li)和低能耗MBR。目前這(zhe)個(ge)IVP廠(chang)能實(shi)現(xian)脫氮除磷和優質出水(shui)，SRT降至5天。進一步的優化工(gong)作正(zheng)在(zai)進行中，下一步計劃是(shi)一個(ge)12500 m3/d的示范污水(shui)廠(chang)，施工(gong)單位是(shi)日本三菱集團，預計在(zai)今年完(wan)工(gong)。

這(zhe)個創新(xin)MBR項目是新(xin)加(jia)坡(po)充滿(man)雄(xiong)心壯志(zhi)的(de)超級工程(cheng)DTSS深(shen)層隧道排污(wu)(wu)系(xi)統2期(qi)的(de)重(zhong)要(yao)組成(cheng)分。DTSS深(shen)層隧道排污(wu)(wu)系(xi)統，它(ta)也新(xin)加(jia)坡(po)公(gong)用事業(ye)局(PUB)近幾(ji)年重(zhong)點打造的(de)項目之(zhi)一。這(zhe)條造價34億美元的(de)地下管廊被稱(cheng)作“污(wu)(wu)水(shui)(shui)高速(su)公(gong)路”，預計在2024年完(wan)成(cheng)。屆(jie)時(shi)，Tuas再生水(shui)(shui)廠將取代(dai)目前的(de)Jurong和(he)(he)Ulu Pandan再生水(shui)(shui)廠，并且(qie)能(neng)同時(shi)處(chu)理生活污(wu)(wu)水(shui)(shui)和(he)(he)工業(ye)廢水(shui)(shui)(比例約為8:2)。Tuas再生水(shui)(shui)廠的(de)設計理念(nian)是基于(yu)能(neng)耗和(he)(he)占地更加(jia)高效的(de)MBR-RO工藝，在處(chu)理污(wu)(wu)水(shui)(shui)的(de)同時(shi)生產NEWater新(xin)生水(shui)(shui)。

經過十多(duo)年的(de)(de)(de)努(nu)力(li)，MBR工(gong)藝(yi)在(zai)新加坡得(de)到(dao)了長(chang)足發展(zhan)，從2003年中試規模的(de)(de)(de)3,300m3/d到(dao)2016年接近22萬m3/d的(de)(de)(de)實際工(gong)程應用，而且包括Tuas再生(sheng)水廠、Changi再生(sheng)水廠等(deng)中試和擴(kuo)建項目正(zheng)在(zai)進行中，期待(dai)書寫新的(de)(de)(de)傳奇。

本(ben)文轉自(zi)：北極星環保網(wang)