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从研发到工程应用MBR污水回用技术在新加坡的发展历程
国际水协会(IWA) / 时间:2018-07-04 13:55:13

  据IWA国际水协会微信公众平台2018年7月4日讯 新加坡一直致力基于MBR膜生物反应器的再生水系统的研发工作。MBR技术已经展现了显著的多功能用途,例如用于工业的回用水或者结合了反渗透的饮用水,著名应用案例的莫过于NEWater新生水项目。
  与传统活性污泥法(CASP)相比,MBR是一个三合一的解决方案,在单一反应系统里结合了生物反应器、二沉池和微滤/超滤。它的优点包括了工艺的耐固性、优质的出水水质,和紧凑的占地面积。在过去15年左右的时间里,MBR技术在新加坡一路走来,从中试研究到示范项目的测试,如今已经在新加坡的Jurong和Changi再生水厂实现了全尺寸的工程应用。MBR技术是如何在新加坡取得认同和重视的呢?新加坡公共事业局PUB的再生水处理部Winson Lay等人总结了MBR在新加坡取得成功的经验,并发表在了IWA期刊《Water Practice & Technology》中。

 

从研发到工程应用MBR污水回用技术在新加坡的发展历程

从研发到工程应用MBR污水回用技术在新加坡的发展历程

从研发到工程应用MBR污水回用技术在新加坡的发展历程

从研发到工程应用MBR污水回用技术在新加坡的发展历程


  中试项目
  新加坡公用事业局PUB一直致力于新加坡水资源的可持续发展,NEWater新生水就是其标志性成果。早在2003年,PUB就着手MBR实现水回用的研发,MBR作为三合一的解决方案,与RO反渗透结合,将会打造一个集成化程度更高的水资源可持续再生系统。

 

MBR三合一的工艺示意图?

▲ MBR三合一的工艺示意图


  PUB的MBR研发探索之旅始于2003年,他们选择了当时仍在运行的Bedok再生水厂,搭建了三个处理规模为300立方米/日的MBR系统进行中试试验,来测试不同类型的膜。同时他们还进行各种数据的采集和分析,包括了总有机碳(TOC)的监测。中试结果显示,MBR反应系统的出水水质等同于甚至优于NEWater项目中超滤工序(UF)的出水。在接下来的MBR-RO工艺的中试结果显示,MBR-RO比CASP-MF-RO在有机物的去除方面表现更加稳定和优秀,而且MBR-RO工艺中反渗透膜的通量更高。
  示范项目
  在2006年,PUB决定在Ulu Pandan再生水厂搭建一个23000立方米/日的示范项目。这个示范项目是基于为污水厂改造的理念设计的:两个北边的曝气池改造成生物反应池的缺氧/好氧区,然后再新增一个MBR池和一个中控室。这个示范项目至今依然保持很高的出水水质。

 

Ulu Pandan再生水厂的再生水标准?

▲ Ulu Pandan再生水厂的再生水标准


  这个示范项目的出水成为了工业回用水,供给化工厂和炼油厂作为冷却用途。但一般来说,氮浓度在工业回用水中并不是重要指标,MBR中水出水的氮指标在20mg/L左右,但是这个示范项目出水氮浓度在6mg/L左右。
  成本向来是水处理基础项目的重要考虑因素。在过去,Jurong工业再生水厂(JIWW)一直都是基于复杂的物理-化学处理工艺,而且占地面积巨大。与此相比,在新加坡这个国家寸土寸金的大背景下,使用MBR技术就有了优势,另外如果污水厂能实现工业水回用,还可以抵消部分运营成本。
  然而,目前的MBR技术的单位能耗依然比较高,这是因为要驱动渗透压和膜反洗造成的。所以如何降低MBR技术的单位能耗是新加坡MBR研发项目的关键目标之一。2003年中试阶段,三个中试系统的单位能耗约为1.3~1.7千瓦小时/立方米。当时的设计是比较保守的,所以PUB开始了分阶段优化工作。第一阶段在保持空气功率不变的情况下提高膜通量,能耗因此降至约1千瓦小时/立方米。第二阶段是保证出水水质和膜污染率不变的情况下降低曝气能耗;第二阶段的中试结束的时候,单位能耗已经降至0.8千瓦小时/立方米。
  在示范项目里,优化过程也是分几步来实现的:
  ●第一步是改善设计和设备的选择,在MLSS浓度约为10000mg/L的情况下,单位能耗降至0.6千瓦小时/立方米。
  ●第二步则是通过缩短SRT使曝气池的MLSS减少到6000mg/L (这也得益于新加坡常年在30℃左右的温暖气候)。MLSS的降低减少了污泥黏度,并提高了曝气效率。
  ●第三步是通过回流膜反应器的混合液(2Q)来优化MLSS的内循环。
  ●第四步是优化曝气工艺(DO设置在1.5mg/L)。
  ●第五步是优化膜的清洗率。
  在分步优化的过程中,首先确保优化工作不会以降低水质和整体处理效率为代价。经过团队的努力,MBR的单位能耗已经从最初的1.3千瓦小时/立方米降至低于0.5千瓦小时/立方米。

 

MBR技术在中试和示范工程期间的分步工艺优化和成果?

▲ MBR技术在中试和示范工程期间的分步工艺优化和成果


  在示范项目的运行中,测试团队印证了MBR技术的许多优点,例如抗冲击负荷的耐固性、高出水水质、小占地面积和高自动化运行水平等。在经过中试和示范项目的测试后,PUB决定再进一步,在Jurong和Changi两个再生水厂进行全尺寸的工程应用。
  Jurong再生水厂的工程应用
  Jurong再生水厂位于新加坡的西边,处理工业和市政污水(混合比约为40%/60%),处理能力约205000立方米/日。污水厂由三部分组成,自2013年起第一段的CASP传统活性污泥工艺改造成MBR,目前这部分的处理能力为68000立方米/日,其出水满足工业回用水的标准。与Ulu Pandan再生水厂一起,这两个MBR污水厂的总占地面积只有2050平方米,可为附近企业提供工业回用水服务,这相当于腾出了52000平方米的土地和节省了大量的化学品和能耗。Jurong再生水厂设计的MBR是一个三段式的强化生物除磷(EBPR)工艺,能够去除有机物和氮磷。初沉池的出水以7:3的比例进入缺氧区和厌氧区,再流经好氧区和膜过滤池后即可达标出水。

 

Jurong MBR厂的工艺流程图?

▲ Jurong MBR厂的工艺流程图


  下表显示,MBR的出水水质完全满足一般工业用水的标准。值得一提的是,尽管厂区备有供化学除磷的铝盐化合物,但目前还无需用到,EBPR的运行很稳定。

 

从研发到工程应用MBR污水回用技术在新加坡的发展历程


  Changi再生水厂的工程应用
  Changi再生水厂是目前新加坡最大的再生水厂,位于新加坡的东边。污水厂的进水主要是生活污水。该厂采用紧凑设计,并且加盖运行,由两条主线组成,每条主线分别由两条平行的分段进水活性污泥工艺(step–feed activated sludge process)组成。Changi再生水厂的MBR项目时通过两阶段实现的:
  ●第一阶段是下图5中的3.1和4.1红色区域,合计处理能力为60000立方米/日;
  ●第二阶段是下图中的1.1和2.1红色区域,处理能力同上。
  MBR的成功改建将使该厂的处理能力从原来的800000立方米/日提升到920000立方米/日,从而缓解现有二沉池的压力和确保新生水NEWater的供应。

 

Changi再生水厂的MBR改建平面图?

▲ Changi再生水厂的MBR改建平面图


  尽管该厂原来的设计(包括二沉池)就已经相当紧凑,但MBR的反应器还是比原设计的单位处理面积少25%(见下图)。

 

MBR跟Changi原紧凑设计的占地面积对比?

▲ MBR跟Changi原紧凑设计的占地面积对比


  他们对MBR3.1反应器的单位能耗进行了30天的跟踪测试,时间是2015的4月18日到5月18日,结果显示日平均单位能耗为0.5千瓦小时/立方米。而在验收阶段的最后两周,通过减少曝气量,单位能耗更是降低至0.4千瓦小时/立方米以下。该厂至今还在对MBR的能耗作长期跟踪,目前的膜通量约为25升/平方米/小时, SRT为7d,并满足所有出水标准。

 

MBR的出水标准?

▲ MBR的出水标准


  除了上述参数,团队成员还对其他指标进行密切监测。因为MBR的出水是不含悬浮固体的,所以例如TSS等传统参数在这里就没用了。相反,COD/BOD的去除效率是关注重点。监测数据显示,MBR在BOD5和COD去除表现上也有优于传统活性污泥法。


Changi再生水厂的MBR出水的BOD5和COD表现与传统处理的对比?

▲ Changi再生水厂的MBR出水的BOD5和COD表现与传统处理的对比


  而液相色谱的测试也显示MBR出水的溶解有机碳的浓度是最低的。这些结果都显示了MBR的处理效果是很理想的。
  下一步的研发计划
  PUB将继续完善MBR技术在新加坡实际工程的应用。目前的研发项目包括:
  ●位于Jurong再生水厂的处理能力为4550立方米/日的陶瓷MBR示范项目;
  ●位于Ulu Pandan再生水厂的处理能力为1000立方米/日的IVP整合式验证厂(Integrated Validation Plant, IVP)。
  后者是在基于全球各地的污水处理工艺和新技术的研究的新探索,IVP厂运用的工艺包括了强化初沉处理和低能耗MBR。目前这个IVP厂能实现脱氮除磷和优质出水,SRT降至5天。进一步的优化工作正在进行中,下一步计划是一个12500立方米/日的示范污水厂,施工单位是日本三菱集团,预计在今年完工。
  这个创新MBR项目是新加坡充满雄心壮志的超级工程DTSS深层隧道排污系统2期的重要组成分。DTSS深层隧道排污系统,它也新加坡公用事业局(PUB)近几年重点打造的项目之一。这条造价34亿美元的地下管廊被称作“污水高速公路”,预计在2024年完成。届时,Tuas再生水厂将取代目前的Jurong和Ulu Pandan再生水厂,并且能同时处理生活污水和工业废水(比例约为8:2)。Tuas再生水厂的设计理念是基于能耗和占地更加高效的MBR-RO工艺,在处理污水的同时生产NEWater新生水。
  经过十多年的努力,MBR工艺在新加坡得到了长足发展,从2003年中试规模的3300立方米/日到2016年接近22万立方米/日的实际工程应用,而且包括Tuas再生水厂、Changi再生水厂等中试和扩建项目正在进行中,期待书写新的传奇。

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