新加坡水創(chuàng)新系列一：邁向能量自給
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，膜技術(shù)等幾個領(lǐng)域的創(chuàng)新進展和方向，每天一到兩篇，與讀者共同分享新加坡的創(chuàng)新經(jīng)驗。
寫在前面的話
新加坡位于馬來半島南端，四面環(huán)水，但同時新加坡又是世界上極度缺水的國家之一，境內(nèi)只有加冷河和新加坡河等幾條細流，國內(nèi)水資源總量6億立方米，人均水資源占有量僅211立方米，排名世界倒數(shù)第二。政府不得不實行水配給制度，作為一個高度城市化但幾乎沒有自然水資源的國家，新加坡一直面臨著嚴(yán)重的水資源短缺問題，如何滿足新加坡國內(nèi)目前每天130萬立方米且正在不斷增長用水需求，自然成為新加坡政府面臨的一個重要的戰(zhàn)略性問題。
因為深刻認識到“每一項政策都可能因為水資源問題而讓我們屈膝。”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)計為新加坡國內(nèi)生產(chǎn)總值貢獻17億新元的產(chǎn)值，創(chuàng)造1.1萬個就業(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家私營水研究中心在新加坡安家落戶。
新加坡這樣一個國土面積有限、極度缺乏淡水資源的國家卻在全球越來越多國家面臨水危機的背景下發(fā)展出這樣一個奇跡般的現(xiàn)代水故事，不僅能基本實現(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重點的研究對象，持續(xù)的調(diào)研與跟蹤，期望從中找到中國水處理產(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，人們認為氮在厭氧條件下發(fā)生氧化是不可行的，因為人們無法用合理的生物學(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。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)器除了進行人們所熟知的反硝化外，還進行這人們未知的某個反應(yīng)使氨消失了。進一步觀察發(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氣。Mulder的反應(yīng)器進水采用的是一個產(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)換為氮氣。在短程硝化反硝化過程中，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，才能實現(xiàn)脫氮。
第一個過程是亞硝化反應(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，在這個過程中只有大約55%的氨氮需要轉(zhuǎn)化為亞硝酸，這個過程也被稱為部分亞硝化反應(yīng)。接下來第二個過程是厭氧氨氧化（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。整個過程中，大約89%的無機氮都將被轉(zhuǎn)化產(chǎn)生N2，另外11%的無機氮被轉(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，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：
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(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)菌會釋放CO2的現(xiàn)象，厭氧氨氧化則是一個消耗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償亞硝化所造成的堿度消耗，實現(xiàn)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(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相對較低。
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例，在新加坡，2012年啟動了一項針對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對主工藝段帶來較大的負荷沖擊。在NEWater工藝中，采用厭氧氨氧化技術(shù)對側(cè)流濃縮液進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(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)過一個水力旋流器進行重力分離，厭氧氨氧化菌比普通污泥重，所以會被分離出來，回流到SBR反應(yīng)器。
為了進一步加強合作，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)八個月后，試驗結(jié)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，該實驗還發(fā)現(xiàn)，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(zhuǎn)，只需對曝氣率和水力旋流器中的分離率等運行參數(shù)加以調(diào)整即可。
經(jīng)過樟宜污水廠的成功試驗，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，在這里進行側(cè)流厭氧氨氧化工藝的實驗研究。
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(cè)流厭氧氨氧化嚴(yán)苛。其中一個原因是主流進水中的氨氮含量相對較低，這將會影響厭氧氨氧化菌的正常生長與繁殖，一旦厭氧氨氧化菌缺乏足夠的繁殖與積累，就會影響到整個工藝的穩(wěn)定運行。因此，為了保證工藝穩(wěn)定，進水的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)手將在樟宜污水廠建造主流厭氧氨氧化中試試驗廠，處理量為30m3/天。
該廠的工藝流程設(shè)計為AB式，見圖3。A段主要用于分離進水中的COD，B段采用厭氧氨氧化工藝脫氮。A段采用化學(xué)強化預(yù)處理工藝（CEPT）或者高效活性污泥工藝（HRAS），將進水中的有機碳收集起來進行厭氧消化產(chǎn)沼氣。經(jīng)過初沉池后，A段出水的COD/N將會較低，有利于B段厭氧氨氧化的進行，B段出水再進行膜分離。
該中試試驗結(jié)果將與小試試驗結(jié)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給優(yōu)化操作條件提供大量數(shù)據(jù)支持，最終實現(xiàn)主流厭氧氨氧化的穩(wěn)定運行。
在未來，PUB將會繼續(xù)逐步放大厭氧氨氧化試驗的規(guī)模。PUB通過現(xiàn)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)域的全球榮譽獎。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)新加坡在不遠的將來實現(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）、新加坡國家水機構(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
