我們此次策劃推出的“新加坡水創(chuàng )新”欄目，主要來(lái)自于新加坡PUB（公用事業(yè)管理局）的一系列公開(kāi)資料的整理與編譯，著(zhù)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)監測，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。
寫(xiě)在前面的話(huà)
新加坡位于馬來(lái)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家之一，境內只有加冷河和新加坡河等幾條細流，國內水資源總量6億立方米，人均水資源占有量?jì)H211立方米，排名世界倒數第二。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(méi)有自然水資源的國家，新加坡一直面臨著(zhù)嚴重的水資源短缺問(wèn)題，如何滿(mǎn)足新加坡國內目前每天130萬(wàn)立方米且正在不斷增長(cháng)用水需求，自然成為新加坡政府面臨的一個(gè)重要的戰略性問(wèn)題。
因為深刻認識到“每一項政策都可能因為水資源問(wèn)題而讓我們屈膝。”新加坡“國父”李光耀先生在建國之初就提出“一切為水讓路”的基本國策，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(guò)50年的發(fā)展，新加坡已經(jīng)建立起規模龐大技術(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性供水系統（新生水NEWater、海水淡化水、地表集水區集水和進(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)導者、科技研發(fā)基地、水問(wèn)題解決專(zhuān)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，2011又追加了1.3億新元。2015年，環(huán)境及水務(wù)業(yè)預計為新加坡國內生產(chǎn)總值貢獻17億新元的產(chǎn)值，創(chuàng )造1.1萬(wàn)個(gè)就業(yè)崗位，其中大多數是需專(zhuān)業(yè)及高技能的崗位。到2015年，新加坡已經(jīng)吸引了超過(guò)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(hù)。
新加坡這樣一個(gè)國土面積有限、極度缺乏淡水資源的國家卻在全球越來(lái)越多國家面臨水危機的背景下發(fā)展出這樣一個(gè)奇跡般的現代水故事，不僅能基本實(shí)現水資源的自給自足，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)驗對于水資源管理和水環(huán)境改善愈發(fā)迫切的中國來(lái)說(shuō)，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)的研究對象，持續的調研與跟蹤，期望從中找到中國水處理產(chǎn)業(yè)通向未來(lái)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過(guò)程
最初，人們認為氮在厭氧條件下發(fā)生氧化是不可行的，因為人們無(wú)法用合理的生物學(xué)基礎理論來(lái)解釋這樣的反應。直到1990年，ArnoldMulder的發(fā)現才改變了這一觀(guān)點(diǎn)。Mulder是Deflt理工大學(xué)Kuenen教授指導的學(xué)生。Mulder等人發(fā)現，生物脫氮流化床反應器除了進(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)反應使氨消失了。進(jìn)一步觀(guān)察發(fā)現，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(zhù)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氣。Mulder的反應器進(jìn)水采用的是一個(gè)產(chǎn)甲烷反應器的出水，水中含有銨、硫化物、硝酸鹽和其他化合物，其中硝酸鹽來(lái)自一個(gè)采用硝化工藝污水處理廠(chǎng)的出水。這一反應過(guò)程被命名為“厭氧氨氧化（Anammox）”。厭氧氨氧化工藝首次呈現于公眾面前是在第五屆生物技術(shù)歐洲論壇上。
傳統硝化反硝化工藝中，氨氮在自養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(guò)程；在反硝化過(guò)程中，硝酸鹽氮在異養菌的作用下，在缺氧環(huán)境中消耗碳源被轉換為氮氣。在短程硝化反硝化過(guò)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菌的作用下還原為氮氣。
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為氮氣的生物過(guò)程。厭氧氨氧化反應的基質(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)現脫氮。
第一個(gè)過(guò)程是亞硝化反應，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(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中只有大約55%的氨氮需要轉化為亞硝酸，這個(gè)過(guò)程也被稱(chēng)為部分亞硝化反應。接下來(lái)第二個(gè)過(guò)程是厭氧氨氧化（anaerobicammoniumoxidation，Anammox）反應過(guò)程，氨氮在厭氧條件下，被厭氧氨氧化菌氧化，其中第一過(guò)程中產(chǎn)生的亞硝酸鹽氮作為電子受體。整個(gè)過(guò)程中，大約89%的無(wú)機氮都將被轉化產(chǎn)生N2，另外11%的無(wú)機氮被轉化為硝酸鹽氮。
厭氧氨氧化工藝有著(zhù)比短程硝化-反硝化更為優(yōu)越的特點(diǎn)，與傳統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90~95%，總氮去除率可達80~85%。
2）曝氣耗能只有傳統工藝的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(guò)程中投加碳源，其碳源投加量也不到傳統工藝中碳源投加量的90%。
4）減少溫室氣體排放量。相比傳統硝化/反硝化脫氮過(guò)程中異養菌會(huì )釋放CO2的現象，厭氧氨氧化則是一個(gè)消耗CO2的過(guò)程。
5）堿度消耗量減少45%左右。大多數厭氧出水含有以重碳酸鹽存在的堿度可以補償亞硝化所造成的堿度消耗，實(shí)現工藝堿度自平衡。
6）污泥產(chǎn)量也遠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、側流厭氧氨氧化在新加坡的應用
通常情況下，厭氧氨氧化多用于處理側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 )相對較低。
至今為止，在歐美和亞洲已有大量的側流厭氧氨氧化工程實(shí)例，在新加坡，2012年啟動(dòng)了一項針對回用水廠(chǎng)中污泥濃縮液的側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。因為通常情況下，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 )對主工藝段帶來(lái)較大的負荷沖擊。在NEWater工藝中，采用厭氧氨氧化技術(shù)對側流濃縮液進(jìn)行處理可以有效的去除氨氮，降低回流對主流工藝的負荷沖擊并節省曝氣能耗。
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反應器。為了維持SBR反應器中厭氧氨氧化菌的數量，反應器的排泥要經(jīng)過(guò)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(lái)，回流到SBR反應器。
為了進(jìn)一步加強合作，明電舍（新加坡分公司）、ARA咨詢(xún)公司與PUB聯(lián)合在新加坡樟宜建造了一座中試試驗廠(chǎng)，用以研究DEMON?工藝在赤道氣候條件下處理側流污泥脫水液的脫氮效果。
歷經(jīng)八個(gè)月后，試驗結果表明DEMON?工藝對氮的去除率可以高達80%，并且去除一公斤氮的能耗不到1.2KWh。另外，該實(shí)驗還發(fā)現，針對部分污泥脫水液中COD含量很高的情況，DEMON?工藝依然可以正常運轉，只需對曝氣率和水力旋流器中的分離率等運行參數加以調整即可。
經(jīng)過(guò)樟宜污水廠(chǎng)的成功試驗，PUB又將中試廠(chǎng)搬到了新加坡烏魯班單區的綜合污水處理廠(chǎng)和圖阿斯污水處理廠(chǎng)，在這里進(jìn)行側流厭氧氨氧化工藝的實(shí)驗研究。
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比側流厭氧氨氧化嚴苛。其中一個(gè)原因是主流進(jìn)水中的氨氮含量相對較低，這將會(huì )影響厭氧氨氧化菌的正常生長(cháng)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)工藝的穩定運行。因此，為了保證工藝穩定，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行情況，南洋理工大學(xué)與PUB聯(lián)手將在樟宜污水廠(chǎng)建造主流厭氧氨氧化中試試驗廠(chǎng)，處理量為30m3/天。
該廠(chǎng)的工藝流程設計為AB式，見(jiàn)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)強化預處理工藝（CEPT）或者高效活性污泥工藝（HRAS），將進(jìn)水中的有機碳收集起來(lái)進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)沼氣。經(jīng)過(guò)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。
該中試試驗結果將與小試試驗結果相佐證，以驗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)者們認為小試和中試將會(huì )給優(yōu)化操作條件提供大量數據支持，最終實(shí)現主流厭氧氨氧化的穩定運行。
在未來(lái)，PUB將會(huì )繼續逐步放大厭氧氨氧化試驗的規模。PUB通過(guò)現在的努力，已經(jīng)逐步得到國際同行們的認可。PUB與IWA、AECOM、DCwater、HRSD等同仁們一起展開(kāi)了題為“揭開(kāi)主流厭氧氨氧化神秘面紗——污水行業(yè)的轉變”的研究，并于2014年榮獲科技創(chuàng )新領(lǐng)域的全球榮譽(yù)獎。這些努力都將成為新加坡主流厭氧氨氧化工程化應用的奠基石，并最終帶領(lǐng)新加坡在不遠的將來(lái)實(shí)現這一偉大技術(shù)革新。
文章節選自《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）、新加坡國家水機構編制，江蘇?。ㄒ伺d）環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院翻譯整理完成。
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