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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。
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
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300m³/d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23,000m³/d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
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 kWh/m³。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 kWh/m³。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 kWh/m³。
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10,000 mg/L的情况下,单位能耗降至0.6 kWh/m³。
第二步则是通过缩短SRT使曝气池的MLSS减少到6,000 mg/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 kWh/m³降至低于0.5 kWh/m³。
▲ 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205,000 m³/d。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68,000 m³/d,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㎡,可为附近企业提供工业回用水服务,这相当于腾出了52,000㎡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
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。
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