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新加坡公共事务局《新加坡水创新》2018年第10期报告
国际水协会(IWA) / 时间:2019-03-11 14:10:57

  据IWA国际水协会微信公众平台2019年3月11日讯 2018年初,新加坡公共事务局PUB发出三份建议邀请书,邀请全球水行业的技术供应商和研究机构为新加坡的水处理工艺和运行开发高效解决方案,满足其可持续发展的水战略目标。
  水是新加坡重要的战略和经济资本。水技术作为其经济发展的关键支柱,新加坡公共事业局PUB联合新加坡经济发展局EDB,和其他政府部门、企业和科研机构紧密合作,将新加坡打造成一个欣欣向荣的全球性水技术中心。2018年7月,PUB在新加坡国际水周前出版了第10期的报告《新加坡水创新(Innovation in Water Singapore)》。报告里的水处理创新项目分为了6大细分领域,包括了智能流域管理、膜技术、管网管理、污水处理、水质与安全和饮用水处理。
  智能流域管理
  作为一个热带国家,新加坡雨量充沛,有效的雨水管理对其十分重要。PUB想通过先进的水文气象监测理念和技术,提高新加坡的流域和水库的管理能力。
  ABC水计划
  新加坡已经从建造实用混凝土排水沟的传统方法转变为能够有效输送雨水,以及更全面和可持续的雨水径流管理方法,其称为“ABC水管理战略(Active, Beautiful, Clean Waters)”。自然特征被纳入集水区,以便源头径流在排放到下游公共排水沟和水道之前得到截留和处理。这种方法有助于PUB减轻由于新居民住宅和社会经济活动增加而加具径流和污染物负荷。
  为了实现径流的有效控制,ABC水管理战略的设计特征应该充分利用整个水渠网络,从新开发的源头开始,而不是局限于径流量和污染物大量积累的下游区域。“ABC 水计划的设计目的是利用自然净化工艺从源头有效控制污染,”PUB首席可持续发展官Tan Nguan Sen说,“为了在个别开发中实现集水区范围内的设计特征实施,必须在规划和设计早期阶段予以考虑,而不是事后添加。”

 

新加坡公共事务局《新加坡水创新》2018年第10期报告

新加坡榜鹅的水道脊社区


  为了在一个住宅小区里对 ABC Waters设计功能进行首次大规模中试,PUB与住房发展委员会合作,将可持续的雨水管理战略整体纳入公共住房项目中。位于标志性的榜鹅水道沿线水道山脊小区(Waterway Ridges)被选为该计划的示范点(见上图)。
  在项目的每个阶段,PUB和HDB的建筑师、工程师和景观设计师密切合作,协调设计的各个方面,对排水系统和景观的交接格外关注。 因此,雨水花园、生物滞留草坪和洼地等元素和排水系统与整体住宅景观产生了完美融合(如下图所示)。 这些绿色设计对住宅区产生的雨水径流进行截留和处理,得到净化后再排放到榜鹅水道前端。

 

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公共绿色区域的雨水花园景观


  该示范项目的成功说明:通过上层的一体式规划、密切的设计协调和施工监督,将ABC 战略广泛融入到住宅开发项目的理念是可行的,它可以帮助改善雨水质量和降低雨水峰值排放量,同时使居民享受愉悦优美的环境。
  这个示范项目是新加坡城市发展的重要里程碑,它的积极成果将鼓励未来新加坡同类开发项目的扩散——集水区覆盖了新加坡陆地三分之二的面积,通过全流域实施ABC 水计划将改善城市地表径流的质量。
  内置式湿地系统
  在土地稀缺、建筑密布的新加坡,混凝土排水渠往往被住宅或办公建筑所包围,这对清水计划的有效实施提出了挑战。因为后者需要在排水渠附近构建生物过滤器和人工湿地,而这通常需要更大面积的土地,以改善靠近源头的城市景观的雨水径流质量。
  为了缓解土地限制,新加坡国立大学、荷兰Deltares三角洲研究所和代尔夫特理工大学测试了内置式湿地(in-stream wetland)的新方法——他们将人工湿地直接放置在现有的运河内,以研究湿地对基流的处理效率。
  为了建造湿地,他们进行了实验室和计算机模拟测试,为设计提供了建议和初步指引。这些指导方针进一步验证了从中试项目获取的现场数据。
  在最后的设计里,他们还在湿地滤池前加设了一个沉淀池(如下图所示)。沉淀池减少了湿地的沉积物负荷,因此湿地可以有效地处理运河基流。为了满足适当的处理保留时间需要,他们还在湿地上游安装了插板,以控制流入水量。植物的选取方面,考虑的因素包括处理能力、美学价值和对水摩擦阻力等。

 

新加坡公共事务局《新加坡水创新》2018年第10期报告

内置湿地系统的横截面示意图


  他们对系统原型进行了长达6个月的监测,以评估其处理能力。在沉淀池和湿地之间他们设置了4个采样点。结果显示营养物的去除率超过50%,显示了前置沉淀池加湿地组合的有效性。但是因为天气状况比较恶劣,湿地滤池几种植物没能成活(如下图所示)。一些植物在暴雨大水量的时候被连根拔起,又或者由于水量不足而衰败。两种情形都导致有机营养物去除不足(以总氮和磷的形式测量)。

 

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刚建成和研究结束后的河内湿地对比


  “总的来说,这项研究已经证明了运河沟渠内置湿地的潜力,”来自新加坡国立大学的项目成员S. K. Ooi说,“为确保系统的稳定性,重要的是要有效控制流量和给植物提供良好的生长期,最大限度地提高植物在暴风雨中的存活率。”
  超低频技术控制微藻
  在合适有利的条件下,微藻就会快速生长。例如温暖和平静的水体、充足的阳光和营养物等,这会消耗水中的氧气。当微藻死亡时,分解过程也会消耗溶解氧并将营养物质释放回水中。这降低了水中的溶解氧水平,并导致有利微藻再生的恒定环境的形成。
  为了控制新加坡淡水水库的微藻过度繁殖,PUB和一家叫Ecospec的公司最近完成了一项研究项目,内容是研究超低频(ULF)藻类控制单元(ACU)处理系统的有效性。
  ULF技术使用具有超低时变频率的电磁场或波,范围在100-000kHz之间。ACU系统包括发射器和接收器,运行期间由动力单元供电。ACU放大超低频波,对生物有机体产生消毒效果,类似于荧光灯管中产生的雪崩电流。

 

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Serangoon水库浮动浮桥上的超低频(ULF)处理系统


  2015年,项目团队已经对超低频系统进行了可行性测试,在单程密闭罐里能有效控制微藻的生长。这种处理手段不会产生消毒副产物,或对水生生态产生任何生态毒性影响。这个项目是2015的测试的延续和升级,系统规模500立方米/小时,包括一个动力装置和ACU单元,安装在Serangoon水库的浮动浮桥上(上图)。ACU沿着浮桥管道安装,水库水不断地泵入并流经该系统(下图)。

 

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在管道里安装的ACU微藻控制单元


  测试结果证明,使用ACU可以获得有效的治疗效果,微藻的瞬间平均去除率达18%,而结合了24小时残余效应的平均去除率达36%。为了进一步评估其长期效果,他们还进行了原位生物群落研究(mesocosm试验)。他们对处理前后的水库水样进行收集,并放置于水库的mesocosm中,因此样品的水温、光照等条件维持与水库条件类似。结果显示在21天的处理期内叶绿素-α含量持续降低。显示了移动超低频技术在控制水道和水库的藻类的可行性。
  水处理和海水淡化
  膜技术在新加坡NEWater的发展中发挥了重要作用。在40多年经验基础上,新加坡的水研究人员不断探索应用和优化饮用水的创新方法。
  高级氧化
  为了确保新加坡NEWater的水质能满足国际引用标准,反渗透工艺后的出水还有一道紫外消毒高级氧化工艺(AOP),以分解有机微污染物和增加一道抵抗病原体的屏障。
  AOP工艺产生大量高反应性羟基自由基,几乎破坏水中存在的所有有机分子。基于紫外光的AOP的羟基自由基通常由过氧化氢提供,但使用过氧化氢增加了化学品的成本,而且还要处理残余的过氧化物,否则后者会与氯反应,影响供水的消毒效果。因此,自来水厂会使用替代氧化剂,例如次氯酸钠来产生羟基自由基。
  PUB和Xylem公司合作,在Kranji NEWater水厂搭建了一个1.7mgd规模的中试系统,采用的是Wedeco的紫外高级氧化反应器,以评估次氯酸钠的有效性。

 

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位于Kranji NEWater水厂的1.7mgd的紫外线高级氧化工艺


  这个试验项目将为其两年,主要测试内容包括:
  a)一系列目标化合物的去除率,如1,4-二恶烷和NDMA;
  b)鉴定如三卤甲烷等有害氧化副产物(OBP)的形成情况。
  Xylem还将尝试优化紫外线和化学剂量,使化学品和能耗最小化的同时满足处理要求。因此他们将进行准直光束装置(CBD)的实验室规模实验(见下图)。

 

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  它是一个紧凑的台式紫外线传输系统,由四个紫外线低压灯组成,辐射254纳米的紫外线,有助于预先鉴定各种污染物的剂量-反应曲线、水质参数和潜在OBP的形成情况。此外,Xylem还将确定处理过程中的关键控制点,以便在全面实施期间安装在线传感器和控制装置,以便于监控和操作系统。
  如果项目能获得成功,将提高现有NEWater处理工艺的弹性,并为扩展的再应用开辟新的机会。
  反渗透的生物污垢控制
  使用化学药剂是清洗反渗透膜生物污垢的常用方法,但是这大大增加了运行成本。粟田水处理公司(Kurita)开发了一种新的粘泥控制剂Kuriverter IK-110,可通过更加可持续发展的方式解决膜生物污垢问题。
  与传统的化学方法不同,这种抗结垢剂是通过靶向微生物生成胞外聚合物的机制来实现的,这样生物膜就可以逐渐从膜表面“剥离”。因为它不会导致细胞死亡,在化学效应上更温和,但分离效果媲美化学方法,并保存了膜的完整性。
  Kurita最近与南洋环境与水研究所-新加坡膜技术中心(NEWRI-SMTC)合作,对这种药剂在大型海水淡化厂的效果进行研究,并选择了PUB在Tuas SWRO水厂的研发中心作为试验场地。连续三次测试结果如下图显示,有连续投加IK-110的处理线的压差(∆P)保持稳定,而没有添加抗结垢剂的处理线的∆P则随时间逐渐增加。这验证了IK-110作为粘液控制剂减轻膜生物污染的有效性,而后续的膜解剖也显示前者含有的生物膜较少。

 

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  该研究还解决了传统结垢监测方法的限制。尽管ΔP是生物膜形成的有效参照指标,但污垢过程的初始阶段可能无法反映可观察到的ΔP增量, 因为此时结垢程度低,不会导致显着的孔隙堵塞。所以这个研究的另一项任务旨在验证NEWRI-SMTC的电阻抗光谱污垢监测仪(EISFM)的能力,该技术可以现场监测膜的扩散极化层(GDP)的电导,以检测膜表层的变化,作为生物膜形成的指示因子。

 

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用于中试装置的电阻抗光谱污染监测仪(EISFM)


  试验研究表明,GDP的增加与ΔP的相应增加并不匹配。随后GDP从第45天开始逐渐下降,表明膜表面上生物膜形成的开始。另一方面,ΔP仅从第80天突然增加。这显示了EISFM的预警能力。Kurita和NEWRI-SMTC研究人员目前正在进行进一步的研究,以研究使用EISFM来优化IK-110的投药方案。如果研究成功,EISFM可以成为重要的污垢预测工具,使操作员能够开发更有效的清洗方案。
  饮用水处理工艺的优化
  自来水公司的处理工艺通常包括以下过程——混凝、絮凝、沉淀、过滤和消毒。对于自来水公司来说,最大的挑战在于对处理工艺的整合和优化,用更少的化学品、更少的能耗、更少的副产物量,并最终降低生产成本。PUB在Choa Chu Kang水厂建设了即插即用便携式的模块化饮用水中试系统。这使得PUB可以针对个别处理过程进行优化,然后作为一个集成系统进行统一研究。每个系统的处理规模为120立方米/日,如下图所示,组成单元主要包括:
  (a)混凝、絮凝、沉淀和过滤
  (b)臭氧化
  (c)生物活性介质过滤
  (d)后处理

 

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模块化饮用水处理流程图


  项目首席研究员RongjingXie表示:“根据初步预测,我们希望通过成功优化单个单元操作,实现至少10%的总体成本节约”。完成这项试点研究后,PUB将利用这些结果改进和优化其全面水处理厂的运营。

 

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生物活性滤池工序的流程图


  水质安全管理
  对任何国家来说,供水的质量与安全应该都是至关重要的。在污染源的处理问题上,新加坡的科学家不断对生物和化学检测方法进行创新来改进水质取样的方法,以实现更好、更安全的供水服务。
  由新加坡国立大学Rudolf Meier带领的研究团队正在PUB合作开展一个对比研究,对新兴的基于DNA技术的生物监测与传统的计算原位大型无脊椎动物群落数量的方法进行对比。如下图所示,DNA测序工作流程包括对已经均质化的大量样品提取DNA,然后对“DNA条形码”基因(如细胞色素c氧化酶亚基I(COI))进行扩增和测序,这些基因已被证明对物种识别特别有用。这种来自环境样品的DNA条形码扩增称为元条形码。

 

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基于DNA技术的生物监测工作流程简图


  对仅仅10个样品的条形码进行生物信息分析,就可以得到超过500个物种的DNA信号,而且这些分析结果与传统形态学分析结果大致吻合(见下图)。另外,该方法提供了更好的分类学分辨率: 虽然大部分大型无脊椎动物群体能通过这两种技术检测得到,但基于DNA的方法能够提供物种水平的信息,这将允许未来更有意义的水质分析。

 

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  10个样品的水生物钟分析对比:紫色和红色是DNA方法和形态学方法单独发现的物种,绿色是两者共同发现的物种数
  该研究团队目前正在对所有主要的本地水生物种搭建COI条形码数据库,作用就像建立属于这些物种的指纹识别库那样。他们也会进一步优化DNA生物监测技术的工作流程。
  利用细菌监测污水水质
  来自南洋理工大学的Enrico Marsili和及其团队研发出了一种新型生物电化学方法,利用基因工程细菌检测污水管网中的特定挥发性有机物(VOCs)。由于VOCs对细菌有毒,影响了细菌的代谢速率,导致电流和电化学信号发生变化。这种方法可提供关于样品中VOCs的接近实时的信息。
  如下图所示,他们已经开发了一款小型生物反应器,将大肠杆菌培养基封装在仪器中以捕捉电化学信号,但离最终应用还有许多工作需要攻克。

 

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  下水道无人机
  新加坡的超级工程深层隧道排污系统(Deep Tunnel Sewerage System)被视作污水处理的高速通道。传统的人工检修维护工作充满难度,Aero Lion Technologies(ALT)公司为此提出了无人机检测的解决方案。

 

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  一期测试项目从2016年8月就开始,包括在DTSS的支路作示范验证,并收集相应数据。在第二阶段,无人机的设计将得以优化,使续航能力最大化,并提高安全性能。如果项目成功,它将成为DTSS检查和维护工作的宝贵工具。
  膜生物反应器提高能效
  过去20年,MBR在污水处理领域已经取得长足发展,在高能耗仍被视作其缺点。韩国Doosan集团研发了一款叫LENA-MBR的系统,LENA是低能耗无曝气(Low Energy No Aeration)的英文简称。如下图所示,它用能耗更低的机械膜互换作用(mechanical membrane reciprocation)顶替了传统的清洗方式。

 

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传统的MBR(左)与LENA-MBR(低能耗无曝气MBR)的对比


  Doosan集团在新加坡Ulu Pandan再生水厂搭建了一个1600立方米/日的示范项目(如下图)。结果显示其单位能耗为0.03~0.015千瓦小时/立方米,而传统的气洗能耗为0.1~0.15千瓦小时/立方米,能耗减少了约85%。


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  生物沼气回收最大化
  位于南洋环境与水研究院的新加坡膜技术中心(SMTC-Singapore Membrane Technology Centre)正在探索用膜分离的方法从厌氧消化出水中提取溶解的沼气。实验室规模的小试结果显示沼气回收率为9~12克/平方米膜,模拟结果显示能回收出水中35%的沼气,相当于0.11兆焦耳/立方米出水。但这个膜接触器有一个缺点就是它将二氧化碳也同时释放出来了。该团队正探索优化方案。


新加坡公共事务局《新加坡水创新》2018年第10期报告

通过膜分离法回收溶解沼气的原理图


  能耗平衡的污水厂
  PUB和SUEZ正共同开发高效AB法工艺。中试显示该工艺能成功适应新加坡的污水水质和当地气候。同时他们也与丹麦的DHI合作开发智能控制系统。如果项目终获成功,成果将应用到未来Tuas再生水厂的设计中。


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位于Kranji再生水厂的高效AB法工艺中试厂(左);AB法污泥的生物甲烷潜在产量分析


  利用水生植物修复水库系统
  新加坡国立大学和悉尼科技大学正在Pandan水库进行一个为期两年的研究项目,目的是调查水生植物要在何种密度和覆盖率的条件下可将水库由浮游生物统治的状态转化成水生植物主导的状态。研究内容包括光、营养物和异株克生等影响。第一阶段的研究发现Ludwigiaadscendens (水丁香) 和Persicariabarbata (粉团蓼)能有效减少总氮和浮游生物量,减少百分比分别为20~24%和73~91%。下一阶段研究团队将对季节变化进行研究,并且会放到中大型的群落生态中进行试验。研究团队代表说研究成果将减少蓝藻水华的影响。


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小型试验中的Ludwigia adscendens (水丁香) 和Persicaria barbata (粉团蓼)


  二次抽样提高生物监测效率
  二次采样可以提高样品处理效率,而不会影响长期生物监测数据集的完整性。淡水系统里的特定水生生物的存在与否可以作为水体生态质量的指示因子。如下图(左)所示,通过对底栖大型无脊椎动物对污染的敏感性作加权分析,可用于计算水质和生态健康的生物指数。


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  这种方法称为生物监测,但这方法过去耗时较大。曾为新加坡的淡水系统开发出两个指数(Sing Score and BQISING)的新加坡国立大学Esther Clews及其团队因此成立了一个项目,通过二次采样提高生物监测的效率。如上图所示,他们设计了一个经改良的Marchant盒,样品分割放入100个由3D打印建成的单元格。同时他们也对处理方式进行改良,处理时间可缩短50%。他们的研究成果可帮助PUB简化生物监测的操作,并解放更多人力去执行其他重要任务。
  智能淋浴
  淋浴占了新加坡家庭每月用水量的29%。新加坡国立大学的Sing Tien Foo及其团队,联合其他三所海外大学与PUB开展一项合作研究项目,探索通过何种措施来减少淋浴用水。受瑞士此前某试验的启发,他们在新加坡550户家庭安装如下图的智能洗浴装置,在4~6月的时间内实时跟踪用水量。


新加坡公共事务局《新加坡水创新》2018年第10期报告


  结果显示新加坡人平均在5分钟的洗浴时间里耗费了20L的水。用户在被告知自己的用水量之后,平均用水量减少了约10%。研究者也发现,为用户设定合理的节水目标效果最佳(例如15L),过高和过低的目标都不利于达标。
  可同化有机碳的快速检测
  可生物同化有机碳(AOC - Assimilable organic carbon)是有机物中最易被微生物合成菌体、最能支持异养细菌生长繁殖的营养基质。AOC检测用于评判活性炭的去除效果,但传统的检测方法耗费很长的时间。新加坡义安理工的团队研发出新的方法大大缩短了检测时间(见下图):


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传统和新的AOC检测方法对比


  这项新方法的附加优点是可以在检测过程中监测细胞生长情况。这能使新方法能跟传统方法一样可靠准确,同时检测时间减少80-90%。
  水处理系统的网络安全
  近年网络控制系统的普及使得网络攻击成为水务部门面临的新威胁。新加坡科技设计大学(SUTD)为此开发了一套安全水处理系统(SWaT)。这套试验系统目标在于加深对水处理系统潜在网络攻击的理解,评估检测算法和防御机制的有效性。下图是他们建立的膜处理系统的模型和实际试验床。目前这套系统运行正常,并计划加入新的传感器测量水的化学属性。


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安全水处理(SWaT)的流程图及实验床


  减少反渗透膜的结垢率
  新加坡NEWater的反渗透膜随着时间推移,由于堵塞结垢问题性能会下降。ROTEC公司的工程师找到了新方法来最大限度减少膜结垢。由于微溶矿物的过饱和溶液需要一定的诱导时间沉淀到晶体生长位点并形成堵塞膜的垢,所以逆转RO单元中的水流可减缓垢的积聚。他们在PUB的Kranji NEWater水厂对此进行为其15个月的测试。


新加坡公共事务局《新加坡水创新》2018年第10期报告

通过改变水流模式提高回收率和减少化学品使用量


  利用自来水投加铁盐保护污水管网
  城市水循环圈有着各种物质的循环相互影响,例如硫酸铝在污水处理中的使用导致了污泥量的增加。澳大利亚昆士兰大学先进水资源管理中心(AWMC)的团队提议使用不含硫酸的铁盐(例如氯化铁)作为替代物。使用铁盐的好处在于,当含铁污泥进入下水道时,铁离子与污水中的硫化物反应,减少硫化氢产出,从而保护管网免受其腐蚀。在污水处理过程中,这种硫化物还原反应继续进行,同样可减少厌氧消化阶段产生的硫化氢。铁盐与磷酸盐发生沉淀反应,为下游NEWater提供更优质出水,减少水垢负荷。目前PUB和AWMC正对其进行可行性研究和中试。


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在综合城市供水系统建议的铁盐使用方式


  优化反渗透系统降低NEWater的运行成本
  PUB和Avista公司合作开发出一款叫Black Box设备,它能在无需中断运行将RO移出系统的情况下对其健康状况进行评估。每个黑盒由一些小型膜样品组成,以模拟实际系统的膜功能。他们将一个黑盒安装到Kranji NEWater厂内,进行了为期3个月的试验,直到其性能下降为止。他们对收集的污染物进行分析,识别出RO膜污染机制,继而开发出一套特质的清洗方案来减少膜污染问题。


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将黑盒整合到RO系统中,模拟特定位置的操作条件