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MBR污水回用技術在新加坡的發展歷程

MBR污水回用技術在新加坡的發展歷程

發布日期:2018-07-17 作者: 點擊:

新加坡一直致力基于MBR膜生物反應器的再生水系統的研發工作。MBR技術已經展現了顯著的多功能用途,例如用于工業的回用水或者結合了反滲透的飲用水,著名應用案例的莫過NEWater新生水項目。


與傳統活性污泥法(CASP)相比,MBR是一個三合一的解決方案,在單一反應系統里結合了生物反應器、二沉池和微濾/超濾。它的優點包括了工藝的耐固性、優質的出水水質,和緊湊的占地面積。在過去15年左右的時間里,MBR技術在新加坡一路走來,從中試研究到示范項目的測試,如今已經在新加坡的Jurong和Changi再生水廠實現了全尺寸的工程應用。MBR技術是如何在新加坡取得認同和重視的呢?新加坡公共事業局PUB的再生水處理部Winson Lay等人總結了MBR在新加坡取得成功的經驗,并發表在了IWA期刊《Water Practice & Technology》中。


中試項目


新加坡公用事業局PUB一直致力于新加坡水資源的可持續發展,NEWater新生水就是其標志性成果。早在2003年,PUB就著手MBR實現水回用的研發,MBR作為三合一的解決方案,與RO反滲透結合,將會打造一個集成化程度更高的水資源可持續再生系統。

 

▲MBR三合一的工藝示意圖


PUB的MBR研發探索之旅始于2003年,他們選擇了當時仍在運行的Bedok再生水廠,搭建了三個處理規模為300m3/d的MBR系統進行中試試驗,來測試不同類型的膜。同時他們還進行各種數據的采集和分析,包括了總有機碳(TOC)的監測。中試結果顯示,MBR反應系統的出水水質等同于甚至優于NEWater項目中超濾工序(UF)的出水。在接下來的MBR-RO工藝的中試結果顯示,MBR-RO比CASP-MF-RO在有機物的去除方面表現更加穩定和優秀,而且MBR-RO工藝中反滲透膜的通量更高。


示范項目


在2006年,PUB決定在Ulu Pandan再生水廠搭建一個23,000m3/d的示范項目。這個示范項目是基于為污水廠改造的理念設計的:兩個北邊的曝氣池改造成生物反應池的缺氧/好氧區,然后再新增一個MBR池和一個中控室。這個示范項目至今依然保持很高的出水水質。

 

▲ Ulu Pandan再生水廠的再生水標準


這個示范項目的出水成為了工業回用水,供給化工廠和煉油廠作為冷卻用途。但一般來說,氮濃度在工業回用水中并不是重要指標,MBR中水出水的氮指標在20mg/L左右,但是這個示范項目出水氮濃度在6mg/L左右。


成本向來是水處理基礎項目的重要考慮因素。在過去,Jurong工業再生水廠(JIWW)一直都是基于復雜的物理-化學處理工藝,而且占地面積巨大。與此相比,在新加坡這個國家寸土寸金的大背景下,使用MBR技術就有了優勢,另外如果污水廠能實現工業水回用,還可以抵消部分運營成本。


然而,目前的MBR技術的單位能耗依然比較高,這是因為要驅動滲透壓和膜反洗造成的。所以如何降低MBR技術的單位能耗是新加坡MBR研發項目的關鍵目標之一。2003年中試階段,三個中試系統的單位能耗約為1.3 - 1.7 kWh/m3。當時的設計是比較保守的,所以PUB開始了分階段優化工作。第一階段在保持空氣功率不變的情況下提高膜通量,能耗因此降至約1 kWh/m3。第二階段是保證出水水質和膜污染率不變的情況下降低曝氣能耗;第二階段的中試結束的時候,單位能耗已經降至0.8 kWh/m3。


在示范項目里,優化過程也是分幾步來實現的:


第一步是改善設計和設備的選擇,在MLSS濃度約為10,000 mg/L的情況下,單位能耗降至0.6 kWh/m3。


第二步則是通過縮短SRT使曝氣池的MLSS減少到6,000 mg/L (這也得益于新加坡常年在30℃左右的溫暖氣候)。MLSS的降低減少了污泥黏度,并提高了曝氣效率。


第三步是通過回流膜反應器的混合液(2Q)來優化MLSS的內循環。


第四步是優化曝氣工藝(DO設置在1.5mg/L)。


第五步是優化膜的清洗率。


在分步優化的過程中,首先確保優化工作不會以降低水質和整體處理效率為代價。經過團隊的努力,MBR的單位能耗已經從最初的1.3 kWh/m3降至低于0.5 kWh/m3。

 

▲ MBR技術在中試和示范工程期間的分步工藝優化和成果


在示范項目的運行中,測試團隊印證了MBR技術的許多優點,例如抗沖擊負荷的耐固性、高出水水質、小占地面積和高自動化運行水平等。在經過中試和示范項目的測試后,PUB決定再進一步,在Jurong和Changi兩個再生水廠進行全尺寸的工程應用。


Jurong再生水廠的工程應用


Jurong再生水廠位于新加坡的西邊,處理工業和市政污水(混合比約為40%/60%),處理能力約205,000 m3/d。污水廠由三部分組成,自2013年起第一段的CASP傳統活性污泥工藝改造成MBR,目前這部分的處理能力為68,000 m3/d,其出水滿足工業回用水的標準。與Ulu Pandan再生水廠一起,這兩個MBR污水廠的總占地面積只有2050㎡,可為附近企業提供工業回用水服務,這相當于騰出了52,000㎡的土地和節省了大量的化學品和能耗。Jurong再生水廠設計的MBR是一個三段式的強化生物除磷(EBPR)工藝,能夠去除有機物和氮磷。初沉池的出水以7:3的比例進入缺氧區和厭氧區,再流經好氧區和膜過濾池后即可達標出水。

 

▲ Jurong MBR廠的工藝流程圖


下表顯示,MBR的出水水質完全滿足一般工業用水的標準。值得一提的是,盡管廠區備有供化學除磷的鋁鹽化合物,但目前還無需用到,EBPR的運行很穩定。



 Changi再生水廠的工程應用


Changi再生水廠是目前新加坡最大的再生水廠,位于新加坡的東邊。污水廠的進水主要是生活污水。該廠采用緊湊設計,并且加蓋運行,由兩條主線組成,每條主線分別由兩條平行的分段進水活性污泥工藝(step–feed activated sludge process)組成。Changi再生水廠的MBR項目時通過兩階段實現的:


第一階段是下圖5中的3.1和4.1紅色區域,合計處理能力為60,000 m3/d;


第二階段是下圖中的1.1和 2.1紅色區域,處理能力同上。


MBR的成功改建將使該廠的處理能力從原來的800,000 m3/d 提升到920,000 m3/d,從而緩解現有二沉池的壓力和確保新生水NEWater的供應。


 

▲ Changi再生水廠的MBR改建平面圖


盡管該廠原來的設計(包括二沉池)就已經相當緊湊,但MBR的反應器還是比原設計的單位處理面積少25%(見下圖)。


 

▲ MBR跟Changi原緊湊設計的占地面積對比


他們對MBR3.1反應器的單位能耗進行了30天的跟蹤測試,時間是2015的4月18日到5月18日,結果顯示日平均單位能耗為0.5kWh/m3。而在驗收階段的最后兩周,通過減少曝氣量,單位能耗更是降低至0.4 kWh/m3以下。該廠至今還在對MBR的能耗作長期跟蹤,目前的膜通量約為25L/㎡/h, SRT為7d,并滿足所有出水標準。


 

▲ MBR的出水標準


除了上述參數,團隊成員還對其他指標進行密切監測。因為MBR的出水是不含懸浮固體的,所以例如TSS等傳統參數在這里就沒用了。相反,COD/BOD的去除效率是關注重點。監測數據顯示,MBR在BOD5和COD去除表現上也有優于傳統活性污泥法。

 

▲ Changi再生水廠的MBR出水的BOD5和COD表現與傳統處理的對比


而液相色譜的測試也顯示MBR出水的溶解有機碳的濃度是最低的。這些結果都顯示了MBR的處理效果是很理想的。


下一步的研發計劃


PUB將繼續完善MBR技術在新加坡實際工程的應用。目前的研發項目包括:


位于Jurong再生水廠的處理能力為4,550 m3/d的陶瓷MBR示范項目;


位于Ulu Pandan再生水廠的處理能力為1,000 m3/d的IVP整合式驗證廠(Integrated Validation Plant, IVP)。


后者是在基于全球各地的污水處理工藝和新技術的研究的新探索,IVP廠運用的工藝包括了強化初沉處理和低能耗MBR。目前這個IVP廠能實現脫氮除磷和優質出水,SRT降至5天。進一步的優化工作正在進行中,下一步計劃是一個12500 m3/d的示范污水廠,施工單位是日本三菱集團,預計在今年完工。


這個創新MBR項目是新加坡充滿雄心壯志的超級工程DTSS深層隧道排污系統2期的重要組成分。DTSS深層隧道排污系統,它也新加坡公用事業局(PUB)近幾年重點打造的項目之一。這條造價34億美元的地下管廊被稱作“污水高速公路”,預計在2024年完成。屆時,Tuas再生水廠將取代目前的Jurong和Ulu Pandan再生水廠,并且能同時處理生活污水和工業廢水(比例約為8:2)。Tuas再生水廠的設計理念是基于能耗和占地更加高效的MBR-RO工藝,在處理污水的同時生產NEWater新生水。


經過十多年的努力,MBR工藝在新加坡得到了長足發展,從2003年中試規模的3,300m3/d到2016年接近22萬m3/d的實際工程應用,而且包括Tuas再生水廠、Changi再生水廠等中試和擴建項目正在進行中,期待書寫新的傳奇。


本文轉自:北極星環保網


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