2018年11月16日，清華大學(xué)-北控水務(wù)集團環(huán)境產(chǎn)業(yè)聯(lián)合研究院主辦新生水及水資源高效利用國際研討會。200余位國內(nèi)外政府領(lǐng)導(dǎo)、行業(yè)專家、水務(wù)企業(yè)、投資機構(gòu)及媒體等齊聚一堂，一同圍繞新生水及水資源高效利用問題進行深入探討。
水，是生命之源。新加坡的淡水資源十分貧乏，其人均水資源占有量居世界倒數(shù)第二位，居民的日常生活和生產(chǎn)用水主要靠存儲雨水及從鄰國馬來西亞進口。從國家戰(zhàn)略安全考慮，為避免供水危機，新加坡政府堅持開源與節(jié)流并舉的方針，提出開發(fā)四大“國家水喉”計劃，即雨水收集、淡水進口、海水淡化和污水再利用，其中的污水再利用項目就是“新生水(NEWater)”項目。
北控水務(wù)樟宜Ⅱ新生水項目是新加坡最大的新生水廠，新生水產(chǎn)量占新加坡新生水總產(chǎn)量的30%以上，是新加坡首個由國外公司主導(dǎo)的PPP項目，獲得了國內(nèi)外媒體、官員及同行的贊許。對于樟宜Ⅱ新生水項目，以前只是“隔空遠眺”，知其“厲害”，而不知其之所以“厲害”，現(xiàn)通過對樟宜Ⅱ新生水項目的設(shè)計與運行分析來揭開其神秘面紗。
項目背景
1、新生水和海水淡化已然成為新加坡重要水源
新加坡，別稱為獅城，是東南亞 的一個島國，北隔柔佛海峽與馬來西亞為鄰，南隔新加坡海峽與印度尼西亞相望。面積721平方公里，人口561萬。年氣溫在 23~34℃，年均降雨量在2400毫米左右。新加坡是繼紐約、倫敦、香港之后的第四大國際金融中心，被譽為“亞洲四小龍 ”之一。
新加坡國內(nèi)水資源總量6億m3，人均水資源只有211m3，居世界倒數(shù)第二，是全球范圍內(nèi)水資源最為匱乏的國家，長期以來不得不依靠進口水資源來解決問題，新加坡政府認識到，淡水對于新加坡人來說，就像人體血管里的血液一樣重要，一旦被斷，等于國家安全就受到了威脅。所以水的問題在新加坡已經(jīng)上升到戰(zhàn)略的高度，政府對此高度重視。
目前新加坡的用水需求約為每天4.3億加侖(193萬m3/d)，其中居民生活用水占比45%，工業(yè)等其他用水占比55%。人均綜合用水量350L/人·d，人均居民生活用水量143L/人·d。根據(jù)新加坡相關(guān)規(guī)劃，到2060年，新加坡的總需水量將增加一倍，其中居民生活用水占比30%，工業(yè)等其他用水占比70%，人均居民生活用水量進一步降低至130L/人·d。
面對水資源嚴重匱乏和日益增長的用水需求問題，新加坡政府提出開發(fā)四大“國家水喉”計劃，即雨水收集(存水)、進口水、新生水和淡化海水。目前新生水和淡化水處理規(guī)模已達到130萬m3/d。未來計劃到2060年(與馬拉西亞供水協(xié)議到期前一年)，新加坡將完全實現(xiàn)水資源的自給自足，即在總?cè)丝谶_到目前3倍的情形下，海水淡化和新生水要能夠滿足水資源需求量的80%，其中新生水占55%。
新加坡現(xiàn)有新生水廠總產(chǎn)量超過70萬m3/d，包括勿洛、克蘭芝、烏魯班丹以及樟宜Ⅰ、Ⅱ期等5座水廠?，F(xiàn)有和即將建成海水淡化廠總產(chǎn)量達到86萬m3/d，包括大泉、新泉、大士、濱海東及裕廊島等5座水廠。
圖1 新加坡現(xiàn)有和即將建成的新生水廠和海水淡化廠
2、北控水務(wù)助力新加坡新生水廠
北控水務(wù)積極踐行國家“一帶一路”倡議，用實力塑造全球水務(wù)環(huán)保市場的“中國標(biāo)簽”，在穩(wěn)健實施“走出去”戰(zhàn)略過程中，北控水務(wù)于2014年在新加坡公用事業(yè)局(PUB)的全球公開招標(biāo)中，中標(biāo)新加坡樟宜Ⅱ新生水廠DBOO項目，并于同年10 月授予合同。該項目設(shè)計進水規(guī)模約30萬m3/d，產(chǎn)水規(guī)模為22.8萬m3/d，總系統(tǒng)回收率可達到75%以上。原水為樟宜污水廠出水，經(jīng)處理后生產(chǎn)新生水，為新加坡提供工業(yè)用水和自來水水源補充。項目采用DBOO模式，收費運營25年。北控水務(wù)股權(quán)所占比例為80%，新加坡UESH股份比例為20%。
該項目于2014年9月18日得到優(yōu)選人的通知，11月24日交割完成，2015年1月15號項目正式開工，2016年3月13日組建完成，5月13日機電完工， 并于同年11月14日通過新加坡公用事業(yè)局為期一個月的驗收，比合約要求的12月1日商運提前16天。自2016年12月1日正式商運以來，到目前為止，該廠連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，平均日產(chǎn)水量達到設(shè)計能力的70%，是新加坡五座新生水廠中實際供水量最大的一座。
該項目采用世界先進的污水再生技術(shù)——超濾加反滲透的雙膜法處理工藝，對污水廠出水進行深度處理，將污水制備成工業(yè)用水及飲用水水源，大大緩解了新加坡供水緊張局面。該項目是新加坡政府首次授標(biāo)國外公司投資經(jīng)營的新生水項目案例，印證了國際市場對北控水務(wù)集團專業(yè)技術(shù)能力和綜合實力的認可。北控水務(wù)的專業(yè)化精細管理帶來的成本優(yōu)勢，使北控水務(wù)能夠為新加坡政府提供更為廉價的新生水，為當(dāng)前疲軟的經(jīng)濟注入活力，為北控水務(wù)助力新加坡新生水廠邁出了堅實的一步。
工藝路線
1、設(shè)計進出水水質(zhì)
樟宜Ⅱ新生水廠進水水質(zhì)包括微生物指標(biāo)、物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)三大類，微生物指標(biāo)主要有大腸埃希氏菌和異養(yǎng)細菌；物理指標(biāo)有色度、電導(dǎo)率、濁度等；化學(xué)指標(biāo)包括氨氮、鋁、氟化物等，各項指標(biāo)要求都較高，目前實際出水水質(zhì)不但滿足新生水標(biāo)準(zhǔn)還優(yōu)于新加坡飲用水標(biāo)準(zhǔn)(詳見表1)。
表1 樟宜Ⅱ新生水廠部分進出水水質(zhì)指標(biāo)參數(shù)
2、工藝流程及原理
本項目采用了超濾、反滲透、UV殺菌三段工藝(工藝流程如圖2所示)。原水是樟宜污水廠二級生化處理出水，其主要污染物為懸浮顆粒物、有機污染物、溶解性無機物、細菌、病毒等。超濾工藝段主要目的是降低水的濁度，去除水中的懸浮顆粒物、大分子有機物和細菌等。反滲透工藝段采用過濾孔徑小于1納米的反滲透膜，去除各種小分子無機鹽、有機物和病毒。UV殺菌段進一步殺滅水中殘留的致病菌和病毒，最終成品水進入新生水儲罐，由新加坡公用事業(yè)局進行統(tǒng)一調(diào)配。反滲透系統(tǒng)采用一級二段式，一段反滲透的濃水再經(jīng)過二段反滲透，進一步回收淡水，在一段反滲透和二段反滲透之間增加能量回收裝置，達到節(jié)能目的。
圖2 樟宜Ⅱ新生水廠工藝流程圖
3、相關(guān)設(shè)計參數(shù)
(1)預(yù)處理單元
形式：自清洗過濾器，自動清洗，清洗周期根據(jù)進水水質(zhì)變化，一般為2h，全自動運行，自耗水率<1%。
品牌：以色列阿米亞德(Amiad)；過濾精度500μm。
(2)超濾單元
形式：外壓式中空纖維膜，過濾周期一般為0.7h，每天化學(xué)反洗一次，1~ 3個月化學(xué)清洗一次，回收率>93%。
品牌：日本旭化成，型號UHA620C；膜過濾孔徑0.08μm。
(3)反滲透單元
?、俜礉B透進水單元
形式：高壓進水泵+保安過濾器，高壓泵采用多臺并聯(lián)模式，保安過濾器保 護反滲透膜避免受到顆粒狀雜質(zhì)損傷。
品牌：水泵為凱士比(KSB)。
?、诜礉B透單元
形式：卷式聚氨酯反滲透膜，連續(xù)過濾，啟停機時沖洗，1~3個月化學(xué)清洗一次，回收率>80%，濃水排放入海。
品牌：美國海德能，型號ESPA2MAX。
?、勰芰炕厥障到y(tǒng)
形式：能耗回收一般應(yīng)用于進水 壓力較高的反滲透系統(tǒng)(如海水淡化)。在本工程中，反滲透二段濃水通過能量回收裝置對二段進水進行增壓，每天節(jié)約能耗約4000kWh。
品牌：美國費德科(FEDCO)。
④能量回收工藝原理
原理：水力(渦輪)透平式能量回收裝置采用離心式原理，由安裝葉輪的水泵側(cè)和安裝透平轉(zhuǎn)子的透平側(cè)組成，葉輪和透平轉(zhuǎn)子間通過一根中心軸相連接。反滲透裝置排出的高壓濃水直接沖擊渦輪驅(qū)動透平轉(zhuǎn)子把壓力能轉(zhuǎn)換為機械能(軸 功)，通過中心軸把機械能傳遞水 泵側(cè)的葉輪，葉輪再把機械能轉(zhuǎn)換為壓力能，對進入反滲透系統(tǒng)的濃水實施增壓。
(4)消毒單元
形式：管式紫外消毒。紫外消毒設(shè)備為安全措施，去除可能殘存的微生物， 最后通過補充氯胺使出水達標(biāo)。
品牌：德國威德高(Wedeco)。
(5)成品水單元
形式：消毒后產(chǎn)水進入新生水水罐，然后通過新生水供水泵提升至水庫或工業(yè)用水點，供水量由 PUB統(tǒng)一調(diào)配。
項目亮點
樟宜Ⅱ新生水廠具有工藝流程優(yōu)、出水水質(zhì)優(yōu)、自控程度高、設(shè)備配置高，以及運行能耗低的“兩優(yōu)、兩高、一低”特點。
1、工藝流程優(yōu)
常規(guī)脫鹽水處理流程中，污水廠二級處理后需要經(jīng)過混凝、沉淀及過濾后在進入雙膜處理單元，而本工程污水廠二級處理尾水直接進入自清洗過濾以及超濾反滲透系統(tǒng)，最終形成成品水。短流程工藝節(jié)省占地和投資。
圖3 常規(guī)脫鹽水處理流程(左)與樟宜Ⅱ新生水廠處理流程(右)比較
2、出水水質(zhì)優(yōu)
新生水出水水質(zhì)具有濁度非常低、鹽分大幅低于飲用水標(biāo)準(zhǔn)等特點。眾多周知，新興污染物在環(huán)境中的存在濃度雖低(通常在μg/L到ng /L之間)，但是會對生態(tài)和人類健康造成很大的負面影響，包括抗藥微生物種類和數(shù)量的增加、干擾生物體的生殖發(fā)育和荷爾蒙的合成、破壞動物的免疫系統(tǒng)等，嚴重時還會有致癌危險。賈第蟲病被列為全世界危害人類健康的10種主要寄生蟲病之一，隱孢子蟲病被列為引起人類最常見的6種腹瀉疾病之一。新生水工藝對新興污染物和兩蟲去除效率高，解決了常規(guī)飲用水設(shè)計工藝對以上污染物去除效果差的弊端，提高了飲用水安全性。
表2 樟宜Ⅱ新生水廠出水水質(zhì)情況
3、自控程度高
樟宜Ⅱ新生水廠全廠自動閥門500余套，全自動運行；進出水及過程檢測儀表齊全，水質(zhì)異常就會實時報警；PLC站主機冗余配置，可自動無間歇投入PLC站CPU，并可通過狀態(tài)顯示、通訊等方式上傳故障信息；環(huán)網(wǎng)冗余可以使網(wǎng)絡(luò)在中斷300ms之內(nèi)自行恢復(fù)。并可以通過交換機來提醒用戶出現(xiàn)的斷網(wǎng)現(xiàn)象。
完善的防火墻系統(tǒng)能強化安全策略 ，防止內(nèi)部信息的外泄，通過利用防火墻對內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的劃分，可實現(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)、重點網(wǎng)段的隔離，從而限制了局部網(wǎng)絡(luò)安全問題對全局網(wǎng)絡(luò)造成的影響。
通過以上全流程運行控制體系，全廠僅配備了15名運行及管理人員，實現(xiàn)了少人值守的目標(biāo)。
4、設(shè)備配置高
全廠的主要設(shè)備、儀表及材料均采用國際知名品牌，保障了水廠連續(xù)、安全、高效、穩(wěn)定運行。
5、運行能耗低
樟宜Ⅱ新生水廠的總電耗0.75kWh/噸水，其中超濾、反滲透等主工藝能耗約0.5kWh/噸水，成品水提升能耗約0.25kWh/噸水；顯著低于國內(nèi)水平。
總結(jié)
樟宜Ⅱ新生水項目采用雙膜工藝(超濾+反滲透)進行深度處理，通過國際領(lǐng)先的工藝與自控設(shè)計及精細化運營管理，高度完善的自控系統(tǒng)、高效的能量回收系統(tǒng)、高標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備配置以及先進的全流程運行控制體系，實現(xiàn)了水廠的少人值守及運行費用的大幅降低；出水水質(zhì)不但滿足新加坡新生水標(biāo)準(zhǔn)而且優(yōu)于飲用水標(biāo)準(zhǔn)，為新加坡提供高質(zhì)量的工業(yè)用水和自來水水源補充，是水資源循環(huán)利用的典范。
原標(biāo)題：JIEI | 張寶林：揭開新加坡樟宜Ⅱ新生水項目的神秘面紗