我們此次策劃推出的“新加坡水創(chuàng)新”欄目，主要來自于新加坡PUB(公用事業(yè)管理局)的一系列公開資料的整理與編譯，著重介紹新加坡水處理科技事業(yè)在能量自給，雨水管理，管網(wǎng)優(yōu)化，海水淡化，水質(zhì)監(jiān)測(cè)，膜技術(shù)等幾個(gè)領(lǐng)域的創(chuàng)新進(jìn)展和方向，每天一到兩篇，與讀者共同分享新加坡的創(chuàng)新經(jīng)驗(yàn)。
寫在前面的話
新加坡位于馬來半島南端，四面環(huán)水，但同時(shí)新加坡又是世界上極度缺水的國(guó)家之一，境內(nèi)只有加冷河和新加坡河等幾條細(xì)流，國(guó)內(nèi)水資源總量6億立方米，人均水資源占有量?jī)H211立方米，排名世界倒數(shù)第二。政府不得不實(shí)行水配給制度，作為一個(gè)高度城市化但幾乎沒有自然水資源的國(guó)家，新加坡一直面臨著嚴(yán)重的水資源短缺問題，如何滿足新加坡國(guó)內(nèi)目前每天130萬立方米且正在不斷增長(zhǎng)用水需求，自然成為新加坡政府面臨的一個(gè)重要的戰(zhàn)略性問題。
因?yàn)樯羁陶J(rèn)識(shí)到“每一項(xiàng)政策都可能因?yàn)樗Y源問題而讓我們屈膝?！毙录悠隆皣?guó)父”李光耀先生在建國(guó)之初就提出“一切為水讓路”的基本國(guó)策，依照此政策新加坡建立起一套完備的水科技創(chuàng)新體系和工業(yè)體系，經(jīng)過50年的發(fā)展，新加坡已經(jīng)建立起規(guī)模龐大技術(shù)先進(jìn)的環(huán)境和水科技產(chǎn)業(yè)，并建立了多元化的可持續(xù)性供水系統(tǒng)(新生水NEWater、海水淡化水、地表集水區(qū)集水和進(jìn)口水四大供水渠道)，已經(jīng)徹底擺脫極端缺水的局面。
更為可貴的是，新加坡被譽(yù)為“全球水務(wù)中心”，致力于發(fā)展成為全球水行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者、科技研發(fā)基地、水問題解決專家。目前，環(huán)境和水行業(yè)已經(jīng)被政府確定為新加坡的關(guān)鍵發(fā)展行業(yè)之一，2006年新加坡政府宣布將于五年內(nèi)投入3.3億新元用于資助水行業(yè)的研發(fā)和創(chuàng)新能力建設(shè)，2011又追加了1.3億新元。2015年，環(huán)境及水務(wù)業(yè)預(yù)計(jì)為新加坡國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值貢獻(xiàn)17億新元的產(chǎn)值，創(chuàng)造1.1萬個(gè)就業(yè)崗位，其中大多數(shù)是需專業(yè)及高技能的崗位。到2015年，新加坡已經(jīng)吸引了超過180家水行業(yè)公司和26家私營(yíng)水研究中心在新加坡安家落戶。
新加坡這樣一個(gè)國(guó)土面積有限、極度缺乏淡水資源的國(guó)家卻在全球越來越多國(guó)家面臨水危機(jī)的背景下發(fā)展出這樣一個(gè)奇跡般的現(xiàn)代水故事，不僅能基本實(shí)現(xiàn)水資源的自給自足，還成為了全球的水務(wù)中心，新加坡傳奇的水故事也被譽(yù)為新加坡的國(guó)家品牌。新加坡在水資源管理和水行業(yè)發(fā)展方面的成就在舉世矚目，它的經(jīng)驗(yàn)對(duì)于水資源管理和水環(huán)境改善愈發(fā)迫切的中國(guó)來說，具有尤其珍貴的的借鑒意義。因此，研究院將新加坡作為一個(gè)重點(diǎn)的研究對(duì)象，持續(xù)的調(diào)研與跟蹤，期望從中找到中國(guó)水處理產(chǎn)業(yè)通向未來的道路。
新加坡污水處理正在邁向能量自給
1、厭氧氨氧化的原理和反應(yīng)過程
最初，人們認(rèn)為氮在厭氧條件下發(fā)生氧化是不可行的，因?yàn)槿藗儫o法用合理的生物學(xué)基礎(chǔ)理論來解釋這樣的反應(yīng)。直到1990年，ArnoldMulder的發(fā)現(xiàn)才改變了這一觀點(diǎn)。Mulder是Deflt理工大學(xué)Kuenen教授指導(dǎo)的學(xué)生。Mulder等人發(fā)現(xiàn)，生物脫氮流化床反應(yīng)器除了進(jìn)行人們所熟知的反硝化外，還進(jìn)行這人們未知的某個(gè)反應(yīng)使氨消失了。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，除了氨不明去向外，硝酸鹽和亞硝酸鹽也有一半以上不明去向。而且伴隨著氨與硝酸鹽的消失，產(chǎn)氣率大幅度提高，氣體中的最主要成分是氮?dú)?。Mulder的反應(yīng)器進(jìn)水采用的是一個(gè)產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的出水，水中含有銨、硫化物、硝酸鹽和其他化合物，其中硝酸鹽來自一個(gè)采用硝化工藝污水處理廠的出水。這一反應(yīng)過程被命名為“厭氧氨氧化(Anammox)”。厭氧氨氧化工藝首次呈現(xiàn)于公眾面前是在第五屆生物技術(shù)歐洲論壇上。
傳統(tǒng)硝化反硝化工藝中，氨氮在自養(yǎng)菌的作用下首先被氧化為亞硝酸鹽氮，然后被氧化為硝酸鹽氮，這是硝化過程;在反硝化過程中，硝酸鹽氮在異養(yǎng)菌的作用下，在缺氧環(huán)境中消耗碳源被轉(zhuǎn)換為氮?dú)狻Ｔ诙坛滔趸聪趸^程中，氨氮只被氧化到亞硝酸鹽氮為止，然后亞硝酸鹽氮在自養(yǎng)菌的作用下還原為氮?dú)狻?
厭氧氨氧化(Deammonification)是指在厭氧或者缺氧條件下，厭氧氨氧化微生物以NO-2-N為電子受體，氧化NH+4-N為氮?dú)獾纳镞^程。厭氧氨氧化反應(yīng)的基質(zhì)為NH+4-N和NO-2-N，由于廢水中的氮素主要以氨氮形態(tài)存在，所以厭氧氨氧化工藝需與短程硝化工藝組合，才能實(shí)現(xiàn)脫氮。
第一個(gè)過程是亞硝化反應(yīng)，是指在氨氧化菌(AmmoniaOxidizingBacteria,AOB)的作用下，NH+4-N被氧化為NO-2-N的好氧氧化過程，在這個(gè)過程中只有大約55%的氨氮需要轉(zhuǎn)化為亞硝酸，這個(gè)過程也被稱為部分亞硝化反應(yīng)。接下來第二個(gè)過程是厭氧氨氧化(anaerobicammoniumoxidation，Anammox)反應(yīng)過程，氨氮在厭氧條件下，被厭氧氨氧化菌氧化，其中第一過程中產(chǎn)生的亞硝酸鹽氮作為電子受體。整個(gè)過程中，大約89%的無機(jī)氮都將被轉(zhuǎn)化產(chǎn)生N2，另外11%的無機(jī)氮被轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮。
厭氧氨氧化工藝有著比短程硝化-反硝化更為優(yōu)越的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)硝化反硝化工藝相比，厭氧氨氧化工藝在供氧量、耗堿量、碳源需求量以及剩余污泥產(chǎn)生量方面具有以下特點(diǎn)：
1)氨去除率可達(dá)90~95%，總氮去除率可達(dá)80~85%。
2)曝氣耗能只有傳統(tǒng)工藝的55~60%。
3)不需要外加投入碳源。即使為了去除硝酸鹽產(chǎn)物，而需要在厭氧氨氧化過程中投加碳源，其碳源投加量也不到傳統(tǒng)工藝中碳源投加量的90%。
4)減少溫室氣體排放量。相比傳統(tǒng)硝化/反硝化脫氮過程中異養(yǎng)菌會(huì)釋放CO2的現(xiàn)象，厭氧氨氧化則是一個(gè)消耗CO2的過程。
5)堿度消耗量減少45%左右。大多數(shù)厭氧出水含有以重碳酸鹽存在的堿度可以補(bǔ)償亞硝化所造成的堿度消耗，實(shí)現(xiàn)工藝堿度自平衡。
6)污泥產(chǎn)量也遠(yuǎn)低于硝化反硝化工藝，這將大大降低剩余污泥的處理和處置成本。
2、側(cè)流厭氧氨氧化在新加坡的應(yīng)用
通常情況下，厭氧氨氧化多用于處理側(cè)流工藝中氨氮濃度較高的廢水或者主流工藝中低氨氮廢水。側(cè)流工藝的典型代表是膜處理后產(chǎn)生的高氨氮廢水，厭氧消化的上清液，以及污泥脫水后的濃縮液，這些廢水的氨氮含量都極高。而主流工藝中處理生活廢水的氨氮含量就會(huì)相對(duì)較低。
至今為止，在歐美和亞洲已有大量的側(cè)流厭氧氨氧化工程實(shí)例，在新加坡，2012年啟動(dòng)了一項(xiàng)針對(duì)回用水廠中污泥濃縮液的側(cè)流厭氧氨氧化工藝研究。
污泥濃縮液是將污泥厭氧消化的上清液進(jìn)行離心脫水后濃縮所得，氨氮含量很高。因?yàn)橥ǔＧ闆r下，污泥濃縮液都要回流到主工藝段，因此其所含的高濃度氨氮將會(huì)對(duì)主工藝段帶來較大的負(fù)荷沖擊。在NEWater工藝中，采用厭氧氨氧化技術(shù)對(duì)側(cè)流濃縮液進(jìn)行處理可以有效的去除氨氮，降低回流對(duì)主流工藝的負(fù)荷沖擊并節(jié)省曝氣能耗。
DEMON?是厭氧氨氧化工藝的一種型式，用于處理高氨氮廢水(>200mg/L)，可以采用SBR反應(yīng)器。為了維持SBR反應(yīng)器中厭氧氨氧化菌的數(shù)量，反應(yīng)器的排泥要經(jīng)過一個(gè)水力旋流器進(jìn)行重力分離，厭氧氨氧化菌比普通污泥重，所以會(huì)被分離出來，回流到SBR反應(yīng)器。
為了進(jìn)一步加強(qiáng)合作，明電舍(新加坡分公司)、ARA咨詢公司與PUB聯(lián)合在新加坡樟宜建造了一座中試試驗(yàn)廠，用以研究DEMON?工藝在赤道氣候條件下處理側(cè)流污泥脫水液的脫氮效果。
歷經(jīng)八個(gè)月后，試驗(yàn)結(jié)果表明DEMON?工藝對(duì)氮的去除率可以高達(dá)80%，并且去除一公斤氮的能耗不到1.2KWh。另外，該實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，針對(duì)部分污泥脫水液中COD含量很高的情況，DEMON?工藝依然可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，只需對(duì)曝氣率和水力旋流器中的分離率等運(yùn)行參數(shù)加以調(diào)整即可。
經(jīng)過樟宜污水廠的成功試驗(yàn)，PUB又將中試廠搬到了新加坡烏魯班單區(qū)的綜合污水處理廠和圖阿斯污水處理廠，在這里進(jìn)行側(cè)流厭氧氨氧化工藝的實(shí)驗(yàn)研究。
3、主流厭氧氨氧化的中試研究
主流厭氧氨氧化受工藝條件的影響遠(yuǎn)比側(cè)流厭氧氨氧化嚴(yán)苛。其中一個(gè)原因是主流進(jìn)水中的氨氮含量相對(duì)較低，這將會(huì)影響厭氧氨氧化菌的正常生長(zhǎng)與繁殖，一旦厭氧氨氧化菌缺乏足夠的繁殖與積累，就會(huì)影響到整個(gè)工藝的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，為了保證工藝穩(wěn)定，進(jìn)水的COD/N必須盡可能的降低。
為了能更好的了解主流厭氧氨氧化在新加坡熱帶赤道氣候下的運(yùn)行情況，南洋理工大學(xué)與PUB聯(lián)手將在樟宜污水廠建造主流厭氧氨氧化中試試驗(yàn)廠，處理量為30m3/天。
該廠的工藝流程設(shè)計(jì)為AB式，見圖3。A段主要用于分離進(jìn)水中的COD，B段采用厭氧氨氧化工藝脫氮。A段采用化學(xué)強(qiáng)化預(yù)處理工藝(CEPT)或者高效活性污泥工藝(HRAS)，將進(jìn)水中的有機(jī)碳收集起來進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)沼氣。經(jīng)過初沉池后，A段出水的COD/N將會(huì)較低，有利于B段厭氧氨氧化的進(jìn)行，B段出水再進(jìn)行膜分離。
該中試試驗(yàn)結(jié)果將與小試試驗(yàn)結(jié)果相佐證，以驗(yàn)證不同脫氮工藝中的主要生物群落之間的相互作用。南洋理工大學(xué)的學(xué)者們認(rèn)為小試和中試將會(huì)給優(yōu)化操作條件提供大量數(shù)據(jù)支持，最終實(shí)現(xiàn)主流厭氧氨氧化的穩(wěn)定運(yùn)行。
在未來，PUB將會(huì)繼續(xù)逐步放大厭氧氨氧化試驗(yàn)的規(guī)模。PUB通過現(xiàn)在的努力，已經(jīng)逐步得到國(guó)際同行們的認(rèn)可。PUB與IWA、AECOM、DCwater、HRSD等同仁們一起展開了題為“揭開主流厭氧氨氧化神秘面紗——污水行業(yè)的轉(zhuǎn)變”的研究，并于2014年榮獲科技創(chuàng)新領(lǐng)域的全球榮譽(yù)獎(jiǎng)。這些努力都將成為新加坡主流厭氧氨氧化工程化應(yīng)用的奠基石，并最終帶領(lǐng)新加坡在不遠(yuǎn)的將來實(shí)現(xiàn)這一偉大技術(shù)革新。
文章節(jié)選自《新加坡的水處理在創(chuàng)新中前行》第二章，由新加坡公用事業(yè)局(PUB)、新加坡國(guó)家水機(jī)構(gòu)編制，江蘇省(宜興)環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院翻譯整理完成。
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