2018年11月16日，清華大學(xué)-北控水務(wù)集團(tuán)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(huì)。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(jī)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(jìn)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(chǔ)雨水及從鄰國馬來西亞進(jìn)口。從國家戰(zhàn)略安全考慮，為避免供水危機(jī)，新加坡政府堅(jiān)持開源與節(jié)流并舉的方針，提出開發(fā)四大“國家水喉”計(jì)劃，即雨水收集、淡水進(jìn)口、海水淡化和污水再利用，其中的污水再利用項(xiàng)目就是“新生水(NEWater)”項(xiàng)目。
北控水務(wù)樟宜Ⅱ新生水項(xiàng)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(gè)由國外公司主導(dǎo)的PPP項(xiàng)目，獲得了國內(nèi)外媒體、官員及同行的贊許。對(duì)于樟宜Ⅱ新生水項(xiàng)目，以前只是“隔空遠(yuǎn)眺”，知其“厲害”，而不知其之所以“厲害”，現(xiàn)通過對(duì)樟宜Ⅱ新生水項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與運(yùn)行分析來揭開其神秘面紗。
項(xiàng)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(gè)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(yù)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(zhǎng)期以來不得不依靠進(jìn)口水資源來解決問題，新加坡政府認(rèn)識(shí)到，淡水對(duì)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(duì)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(jìn)一步降低至130L/人·d。
面對(duì)水資源嚴(yán)重匱乏和日益增長(zhǎng)的用水需求問題，新加坡政府提出開發(fā)四大“國家水喉”計(jì)劃，即雨水收集(存水)、進(jìn)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(dá)到130萬m3/d。未來計(jì)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(shí)現(xiàn)水資源的自給自足，即在總?cè)丝谶_(dá)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(dá)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(shí)力塑造全球水務(wù)環(huán)保市場(chǎng)的“中國標(biāo)簽”，在穩(wěn)健實(shí)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(xiàng)目，并于同年10 月授予合同。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)進(jìn)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(dá)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(bǔ)充。項(xiàng)目采用DBOO模式，收費(fèi)運(yùn)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(xiàng)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(hào)項(xiàng)目正式開工，2016年3月13日組建完成，5月13日機(jī)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(gè)月的驗(yàn)收，比合約要求的12月1日商運(yùn)提前16天。自2016年12月1日正式商運(yùn)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(dá)到設(shè)計(jì)能力的70%，是新加坡五座新生水廠中實(shí)際供水量最大的一座。
該項(xiàng)目采用世界先進(jìn)的污水再生技術(shù)——超濾加反滲透的雙膜法處理工藝，對(duì)污水廠出水進(jìn)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(xiàng)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(xiàng)目案例，印證了國際市場(chǎng)對(duì)北控水務(wù)集團(tuán)專業(yè)技術(shù)能力和綜合實(shí)力的認(rèn)可。北控水務(wù)的專業(yè)化精細(xì)管理帶來的成本優(yōu)勢(shì)，使北控水務(wù)能夠?yàn)樾录悠抡峁└鼮榱畠r(jià)的新生水，為當(dāng)前疲軟的經(jīng)濟(jì)注入活力，為北控水務(wù)助力新加坡新生水廠邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。
工藝路線
1、設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)
樟宜Ⅱ新生水廠進(jìn)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(xì)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(xiàng)指標(biāo)要求都較高，目前實(shí)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(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)參數(shù)
2、工藝流程及原理
本項(xiàng)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(jí)生化處理出水，其主要污染物為懸浮顆粒物、有機(jī)污染物、溶解性無機(jī)物、細(xì)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(jī)物和細(xì)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(jī)鹽、有機(jī)物和病毒。UV殺菌段進(jìn)一步殺滅水中殘留的致病菌和病毒，最終成品水進(jìn)入新生水儲(chǔ)罐，由新加坡公用事業(yè)局進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配。反滲透系統(tǒng)采用一級(jí)二段式，一段反滲透的濃水再經(jīng)過二段反滲透，進(jìn)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(dá)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(jì)參數(shù)
(1)預(yù)處理單元
形式：自清洗過濾器，自動(dòng)清洗，清洗周期根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)變化，一般為2h，全自動(dòng)運(yùn)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(gè)月化學(xué)清洗一次，回收率>93%。
品牌：日本旭化成，型號(hào)UHA620C；膜過濾孔徑0.08μm。
(3)反滲透單元
?、俜礉B透進(jìn)水單元
形式：高壓進(jìn)水泵+保安過濾器，高壓泵采用多臺(tái)并聯(lián)模式，保安過濾器保 護(hù)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)。
②反滲透單元
形式：卷式聚氨酯反滲透膜，連續(xù)過濾，啟停機(jī)時(shí)沖洗，1~3個(gè)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(hào)ESPA2MAX。
③能量回收系統(tǒng)
形式：能耗回收一般應(yīng)用于進(jìn)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(duì)二段進(jìn)水進(jìn)行增壓，每天節(jié)約能耗約4000kWh。
品牌：美國費(fèi)德科(FEDCO)。
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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(dòng)透平轉(zhuǎn)子把壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能(軸 功)，通過中心軸把機(jī)械能傳遞水 泵側(cè)的葉輪，葉輪再把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為壓力能，對(duì)進(jìn)入反滲透系統(tǒng)的濃水實(shí)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(bǔ)充氯胺使出水達(dá)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(jìn)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(diǎn)，供水量由 PUB統(tǒng)一調(diào)配。
項(xiàng)目亮點(diǎn)
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(yùn)行能耗低的“兩優(yōu)、兩高、一低”特點(diǎn)。
1、工藝流程優(yōu)
常規(guī)脫鹽水處理流程中，污水廠二級(jí)處理后需要經(jīng)過混凝、沉淀及過濾后在進(jìn)入雙膜處理單元，而本工程污水廠二級(jí)處理尾水直接進(jìn)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(diǎn)。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(huì)對(duì)生態(tài)和人類健康造成很大的負(fù)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(dòng)物的免疫系統(tǒng)等，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)有致癌危險(xiǎn)。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(duì)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(jì)工藝對(duì)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(dòng)閥門500余套，全自動(dòng)運(yùn)行；進(jìn)出水及過程檢測(cè)儀表齊全，水質(zhì)異常就會(huì)實(shí)時(shí)報(bào)警；PLC站主機(jī)冗余配置，可自動(dòng)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(jī)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(qiáng)化安全策略 ，防止內(nèi)部信息的外泄，通過利用防火墻對(duì)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的劃分，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)、重點(diǎn)網(wǎng)段的隔離，從而限制了局部網(wǎng)絡(luò)安全問題對(duì)全局網(wǎng)絡(luò)造成的影響。
通過以上全流程運(yùn)行控制體系，全廠僅配備了15名運(yùn)行及管理人員，實(shí)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(yùn)行。
5、運(yùn)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(xiàng)目采用雙膜工藝(超濾+反滲透)進(jìn)行深度處理，通過國際領(lǐng)先的工藝與自控設(shè)計(jì)及精細(xì)化運(yùn)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(jìn)的全流程運(yùn)行控制體系，實(shí)現(xiàn)了水廠的少人值守及運(yùn)行費(fèi)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(bǔ)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(xiàng)目的神秘面紗