01、明确提出新加坡再生水厂实现能源自给自足的三阶段目标，以及逐步提高能源效率和可持续性的措施；

02. 介绍了多种创新技术，如Bio-EPT、MBR、侧流厌氧氨氧化、UASB、短程反硝化等，并探讨了其在提高能源效率和减少污泥产生方面的潜力；

03、以国际视野审视水资源管理，结合新加坡当地环境特点和地理优势提出合适的技术解决方案。

01.简介

为了应对淡水资源短缺的问题，新加坡自20世纪90年代起开始收集污水，并将其送往“水回收厂（WRP）”进行处理和再利用。然而，面对极高的电力消耗和处理能力增加带来的剩余污泥量，新加坡公用事业局（PUB）正在重点进行技术升级和设备改造，以满足未来再生水厂的应用需求。对此，PUB制定了三项关键评价标准（出水水质、能源可持续性和环境可持续性）和污水处理过程能源自给率的三阶段目标（2017年改造褐水厂并关闭部分污水厂）。 2022年建设棕色水厂，并在未来新建绿色水厂并普及绿色水厂），帮助实现节能降耗乃至2030年碳中和运营目标。

02. 短期目标-棕水厂改造

2.1 褐水厂改造

未来五年将集中开展褐水厂改造，通过技术升级和设备改造，实现能源自给率40%、剩余污泥产量减少10%的规划目标。目前，新加坡有四家再生水厂：樟宜、裕廊、克兰芝和乌鲁班丹。其中，裕廊再生水厂和乌鲁班丹再生水厂计划于2022年之前关闭，而樟宜再生水厂将在技术升级和设备改造后继续运营。

2.1.1 基础设备改造

中水厂基础设备改造主要是提高设备效率、降低能耗，实现节能降耗目标，包括利用智能控制技术和高精度传感设备，减少不必要的能源消耗。通过变频器和进口叶轮控制优化鼓风机效率，并采用微孔曝气，减少曝气量和能耗。同时采用高效沼气发电机，提高发电效率。预计五年内发电能源转化率将从25%、30%提高到38%。部分水厂改造引入热电联产（CHP）技术。产生的热量将用于中温硝化或干化污泥，能量转换效率成倍提高。

2.1.2 工艺修改

① 侧流厌氧氨氧化自养反硝化工艺

在现有污水处理工艺中增加厌氧氨氧化自养反硝化工艺，以节省碳源消耗，使其形成剩余污泥并转化为能量（CH4）。同时，厌氧氨氧化前进行中温硝化，由于需氧量减少，还可节省3%~5%的曝气能耗。

② 膜生物反应器（MBR）

由于MBR能持续稳定地提供优质出水（可作为NEWater的原水），未来再生水厂扩建将重点关注MBR工艺。虽然MBR工艺将增加电耗0.11 kw·h/m3，但它将消除原微滤/超滤（MF/UF）处理产生的0.13 kw·h/m3电耗。因此，引入MBR工艺将略微降低再生水厂的能耗。

③污泥预处理

再生水厂剩余污泥仅进行浓缩脱水，厌氧消化不完全，导致CH4产量低，污泥处理成本巨大。通过化学、机械等预处理方法打破污泥细胞壁，预计可增加10%左右的CH4产量，用于沼气发电。同时，剩余污泥量将大大减少，处理成本也将降低。

2.2 规划改造案例——乌鲁潘丹再生水厂

2.2.1 现有流程概述

乌鲁潘丹再生水厂进水设计流量为3.61×105 m3/d，主要为生活污水（COD=638 mg/L），设有废气控制系统。该厂目前拥有3条并联的污水处理工艺，以A/O为主流工艺的南北处理线，以及以AB法为主流工艺的LTM（Liquid Treatment Module）处理线。为了简化能耗计算，所有流程均视为A/O流程，如图1所示。

其中，进水经过机械格栅和沉砂池去除无机砂杂质后进入初沉池去除颗粒状COD约40%。二级处理为A/O工艺，主要用于脱氮除磷和残留COD去除。收集初级和二级污泥并用于厌氧消化以产生CH4。处理后的水一部分直接排入自然水体，另一部分作为新生水原水。

图1 乌鲁潘丹再生水厂简化处理工艺

2.2.2 现有加工能耗分析

乌鲁潘丹再生水厂处理能耗主要分为：①处理工艺能耗（W1），包括初沉池、二沉池、曝气池、污泥浓缩、消化、污泥脱水等污水处理工艺能耗，其耗电量约为0.306 kw·h/m3。 ②非处理工艺能耗（W2），包括进出水泵、循环水过滤等，消耗约0.13kw·h/m3。 ③其他能源消耗（W3），包括除臭设备、办公用电等，消耗约0.07kw·h/m3。中水厂双燃料发电机采用厌氧消化沼气发电，发电量（W4）约为0.11 kW·h/m3。发电量与能耗之比为ηE=W4/(W1+W2+W2)×100%=21.7%。如果包括MF/UF装置，不包括除臭和办公用电，则处理过程的发电量与能耗之比ηE = W4/(W1 + W5) = 25%。这个计算结果是2012年的现状。

2.2.3 计划改造措施

乌鲁潘丹再生水厂改造将从降低能耗、提高发电量入手。由于该工厂计划于 2022 年关闭，生物强化一级处理 (Bio-EPT) 由于投资较大，不会考虑进行升级改造。具体工艺改造措施包括：污泥预处理、采用MBR工艺、增设侧流厌氧氨氧化工艺（见图2）。

图2 Ulupandan回收废水厂计划改造流程

设备升级措施：采用高效智能控制，通过变频器和进口叶轮控制优化鼓风机效率，应用微孔曝气；同时，采用高效沼气发电机，提高发电效率。预计发电量将提高至0.181 kW·h/m3，最终干污泥排放量将由9.3 t/105 m3 减少至8.4 t/105 m3。处理过程发电量与能耗之比ηE=0.181/(0.306+0.11)×100%=44%。这个计算结果就是近期需要实现的能源自给率目标。

03. 近期目标——新建绿色污水处理厂

3.1 新建绿色污水处理厂

未来5至10年，PUB将建设一座能源自给率较高的再生水厂，以实现其短期目标（能源自给率超过80%，剩余污泥产量减少25%）。工艺选择的主要参考是：①在生物处理工艺前拦截进水中的COD，并将其转化为能量（CH4）； ②减少生物处理曝气量； ③增加水厂的能量输出。工艺设计还参考了国际碳中和污水处理运营先驱奥地利施特拉斯污水厂。然而，再生水厂的二次出水必须经过过滤才能用作新生水的原水。这势必增加再生水厂的能耗，短期内难以实现100%的能源自给。

3.2 主要流程

新建再生水厂除了优先采用MBR、侧流式厌氧氨氧化、污泥预处理等技术外，还将考虑采用生物强化吸附预处理（Bio-EPT）、上流式厌氧污泥床（UASB）、短程厌氧污泥床（UASB）等技术。将考虑采用范围反应亚硝酸盐分流工艺、餐厨垃圾共消化技术等，进一步提高水厂能源自给率。

3.2.1 生物吸附强化预处理（Bio-EPT）

Bio-EPT技术的COD沉淀去除率将从原来传统预处理（传统初沉池）的40%提高到60%。这样不仅能够将更多的COD应用于厌氧消化产生CH4，而且可以有效节省后续生物处理过程中的曝气量。由于Bio-EPT装置的投资较高，该技术将应用于新建（绿色）和部分改造的水厂。目前，1000 m3/d 的 Bio-EPT+MBR 中试工艺正在测试中。

3.2.2 上流式厌氧污泥床（UASB）

厌氧预处理，尤其是UASB，被认为是一种有效的Bio-EPT替代工艺。 UASB可以降低二级处理系统的有机负荷，减少处理厂占地面积、基建投资和运行成本。无需设置初沉池，产生的剩余污泥量比传统方法少很多，从而降低了污泥处理成本。另外，新加坡属热带雨林气候，非常适合采用温控厌氧处理方法。然而，在 35°C 时，CH4 将溶解在水中，并可能在连续的反应阶段扩散到大气中，形成温室气体。对此，裕廊再生水厂正在测试UASB工艺。

3.2.3 短程反硝化（亚硝酸盐分流）

与传统硝化/反硝化反硝化相比，短程硝化反硝化可减少剩余污泥量40%。但短程硝化需要根据进水氮负荷精确控制曝气量和pH值，在实际操作中不易控制。目前，新加坡有两个试点项目在短期内评估短期反硝化的可能性。

3.3 大士再生水厂设计

3.3.1 大士再生水厂简介

目前，新加坡公用事业局正在规划建设大士再生水厂，将于2016年开工建设，2022年投入运营。再生水厂设计处理生活污水量60×104 m3/d，工业废水量20×104 m3/d，生活污水和工业废水分开处理。生活污水二次出水处理后将作为新生水生产原水，工业废水二次出水处理后经膜过滤后可达到高纯水标准，用于工业生产。

3.3.2生活污水处理技术

大士再生水厂生活污水处理工艺将根据新加坡国情采用Bio-EPT、MBR、污泥预处理、侧流式厌氧氨氧化工艺（见图3），并安装先进的传感设备、VFD/IV鼓风机控制设备、微孔曝气装置。

图3 大士污水回收厂生活污水处理流程

大士再生水厂产生的沼气可出售给周边工厂使用，或利用高效沼气发电机设备发电，实现87%的能源自给率。短程脱硝工艺和热电联产技术也将用于未来水厂的升级改造。

3.3.3生活污水处理能耗分析

与奥地利Strass污水处理厂和Ulupandan再生水厂相比，Tuas再生水厂将采用Bio-EPT+MBR工艺，预处理中的COD去除率将从原来传统预处理的40%提高到6 0%，这相当于CH4气体产量从原来的17.9%提高到35.9%，发电效率从30%提高到38%。发电量相当于乌鲁潘丹再生水厂的2.54倍，发电量约为0.28千瓦·小时/立方米。大士再生水厂的能耗是基于目前使用的技术，并已被证明在短期内适合新加坡的国情。预计该厂单位处理电耗为0.321kW·h/m3。处理过程发电量与能耗之比ηE=0.28/0.321×100%=87%。

04. 长远目标——未来绿色水厂

新加坡未来的绿色水厂目标是2030年后实现能源自给自足和碳中和运行。其中主流的厌氧氨氧化工艺和厌氧膜生物反应器（AnMBR）工艺方案目前正在实验室进行测试，将通过实验进行验证并在大约10年内进行试点测试。

在理想条件下，Bio-EPT与主流厌氧氨氧化工艺相结合，可以有效保护厌氧氨氧化反应器免受干扰，同时减少对曝气和碳源的需求，提高沼气产量。未来，绿水厂能源自给率有望达到103%。主流厌氧氨氧化工艺与AnMBR的结合，将使能源自给率高达144%。为此，新加坡将加大对该技术的研究力度。

05. 结论

新加坡在解决水问题方面与世界其他国家保持同步。其污水不仅要处理还要回收再利用的理念也源于国际可持续水处理技术理念。采用和升级的技术也符合国际标准。虽然新加坡目前再生水厂数量有限，能源和资源回收率不是很高，但新加坡公用事业局制定了阶段性能源自给自足目标和应用技术，并计划实现100%能源自给自足和碳中和目标2030年后..这些发展思路、技术路线、预期目标也为我国污水处理技术未来的发展方向提供了一定的思想启示。