从研发到工程应用 – MBR污水回用技术在新加坡的发展历程
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。
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。
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。
Changi再生水厂是目前新加坡最大的再生水厂，位于新加坡的东边。污水厂的进水主要是生活污水。该厂采用紧凑设计，并且加盖运行，由两条主线组成，每条主线分别由两条平行的分段进水活性污泥工艺（step–feed activated sludge process）组成。Changi再生水厂的MBR项目时通过两阶段实现的：
第一阶段是下图5中的3.1和4.1红色区域，合计处理能力为60,000 m³/d；
第二阶段是下图中的1.1和 2.1红色区域，处理能力同上。
MBR的成功改建将使该厂的处理能力从原来的800,000 m³/d 提升到920,000 m³/d，从而缓解现有二沉池的压力和确保新生水NEWater的供应。
▲ Changi再生水厂的MBR改建平面图
尽管该厂原来的设计（包括二沉池）就已经相当紧凑，但MBR的反应器还是比原设计的单位处理面积少25%（见下图）。
▲ MBR跟Changi原紧凑设计的占地面积对比
他们对MBR3.1反应器的单位能耗进行了30天的跟踪测试，时间是2015的4月18日到5月18日，结果显示日平均单位能耗为0.5kWh/m³。而在验收阶段的最后两周，通过减少曝气量，单位能耗更是降低至0.4 kWh/m³以下。该厂至今还在对MBR的能耗作长期跟踪，目前的膜通量约为25L/㎡/h, SRT为7d，并满足所有出水标准。
▲ MBR的出水标准
除了上述参数，团队成员还对其他指标进行密切监测。因为MBR的出水是不含悬浮固体的，所以例如TSS等传统参数在这里就没用了。相反，COD/BOD的去除效率是关注重点。监测数据显示，MBR在BOD5和COD去除表现上也有优于传统活性污泥法。
▲ Changi再生水厂的MBR出水的BOD5和COD表现与传统处理的对比
而液相色谱的测试也显示MBR出水的溶解有机碳的浓度是最低的。这些结果都显示了MBR的处理效果是很理想的。
PUB将继续完善MBR技术在新加坡实际工程的应用。目前的研发项目包括：
位于Jurong再生水厂的处理能力为4,550 m³/d的陶瓷MBR示范项目；
位于Ulu Pandan再生水厂的处理能力为1,000 m³/d的IVP整合式验证厂（Integrated Validation Plant, IVP）。
后者是在基于全球各地的污水处理工艺和新技术的研究的新探索，IVP厂运用的工艺包括了强化初沉处理和低能耗MBR。目前这个IVP厂能实现脱氮除磷和优质出水，SRT降至5天。进一步的优化工作正在进行中，下一步计划是一个12500 m³/d的示范污水厂，施工单位是日本三菱集团，预计在今年完工。
这个创新MBR项目是新加坡充满雄心壮志的超级工程DTSS深层隧道排污系统2期的重要组成分。DTSS深层隧道排污系统，它也新加坡公用事业局（PUB）近几年重点打造的项目之一。这条造价34亿美元的地下管廊被称作“污水高速公路”，预计在2024年完成。届时，Tuas再生水厂将取代目前的Jurong和Ulu Pandan再生水厂，并且能同时处理生活污水和工业废水（比例约为8:2）。Tuas再生水厂的设计理念是基于能耗和占地更加高效的MBR-RO工艺，在处理污水的同时生产NEWater新生水。
经过十多年的努力，MBR工艺在新加坡得到了长足发展，从2003年中试规模的3,300m³/d到2016年接近22万m³/d的实际工程应用，而且包括Tuas再生水厂、Changi再生水厂等中试和扩建项目正在进行中，期待书写新的传奇。
参考资料
From R&D to application: membrane bioreactor technology for water reclamation, Winson C. L. Lay, Charles Lim, Yingjie Lee, Bee Hong Kwok, Guihe Tao, Kah Seng Lee, Seng Chye Chua, Yuen Long Wah, Yahya A. Ghani, Harry Seah, Water Practice & Technology, Vol 12 No 1, Page 12-24; DOI:10.2166/wpt.2017.008