新加坡PUB是新加坡公用事業(yè)局的縮寫，隸屬于新加坡水資源和環(huán)境部，是一個(gè)副部級(jí)國(guó)家的水管理機(jī)構(gòu)，所有跟新加坡水有關(guān)的業(yè)務(wù)都在他的管理之下。
我曾經(jīng)在新加坡PUB污水管理部(司級(jí)單位)，稱之為回用水管理部，擔(dān)任相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的首席工程師。
今天，主要介紹一下新加坡污泥處理和處置的特征，以能量回收為重點(diǎn)。首先講一下背景，資源回收的優(yōu)先順序、現(xiàn)狀、技術(shù)參數(shù)、路線圖。而新加坡現(xiàn)在已經(jīng)制定了到2025年污水處理規(guī)劃，并且已經(jīng)到工藝設(shè)計(jì)階段，這階段哪些技術(shù)應(yīng)用在污泥資源回收呢?我也會(huì)給大家做一個(gè)介紹。
(詳見PPT)新加坡現(xiàn)有4個(gè)污水處理廠，總處理量是160萬(wàn)噸。三個(gè)紅塊稱之為第二階段的污水處理廠。這兩個(gè)現(xiàn)有污水處理廠在新廠建成以后就要廢除了，到2025年新加坡會(huì)就有三個(gè)污水處理廠，總處理量到時(shí)候是240萬(wàn)立方米/天。
當(dāng)我們談污泥污水回收的時(shí)候要介紹一下背景，在新加坡污水處理是分流系統(tǒng)，有機(jī)碳是550-650，新加坡華人占人口約75%，飲食習(xí)慣和大陸沒有區(qū)別。但是污水的COD的含量是在正常水平。污水處理量目前是160萬(wàn)噸，污水處理主要是應(yīng)用脫氮活性污泥工藝，污泥每天約800立方米，20%的含固量。
資源回收的優(yōu)先順序：作為一個(gè)很小的缺乏天然資源的城市國(guó)家，新加坡把資源回收作為放在很重要的地位，像大家知道由于天然的水資源的短缺，水的回收放在第一位，現(xiàn)有的150萬(wàn)噸的污水處理，一半以上的出水用雙模技術(shù)生產(chǎn)新生水。而到2025年的時(shí)候，除初期雨水外，其余的出水做飲用水級(jí)的再應(yīng)用。
第二是能源的回收，能源的回收最終目標(biāo)是整個(gè)廠的運(yùn)行最后能夠達(dá)到不需要從外部輸入能源。再就是資源節(jié)約，作為一城市國(guó)家土地的稀有，要求建設(shè)占地面積盡可能小。
(詳見PPT)這張圖看似很簡(jiǎn)單，今天污水處理廠能源回收主要是應(yīng)用污泥厭氧反應(yīng)器。厭氧反應(yīng)器主要是由初沉池排放的泥和活性污泥池剩余污泥作為“飼料”輸?shù)竭@個(gè)反應(yīng)器里，而產(chǎn)生的生物氣再由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化供應(yīng)電源。當(dāng)然，在理論上來(lái)說(shuō)，脫水的污泥可以再產(chǎn)生能源，但目前使用還不普遍。所以從現(xiàn)有的污水處理廠產(chǎn)生能源來(lái)看，重要的因素是高效的初沉池和厭氧消化反應(yīng)器、高效的發(fā)電機(jī)。
如果抓住這幾個(gè)環(huán)節(jié)以后，就可以有相當(dāng)?shù)碾娔艿幕厥?，即我們稱之為能源回收的第一版。目前，在新加坡所有的污泥都進(jìn)行中溫的厭氧消化，固體揮發(fā)物的去除率是大約40%，達(dá)到國(guó)際上的公認(rèn)的水平。
能源的轉(zhuǎn)換，發(fā)電機(jī)從煤氣的能量到電轉(zhuǎn)換電的效率約為25%。污水發(fā)電水平是每立方米可以產(chǎn)生0.13kW˙h的電量，這相當(dāng)于工藝過(guò)程用電量的1/3。這個(gè)水平相當(dāng)于歐洲的平均水平。而干燥和脫水后的污泥都是焚燒處置。
(詳見PPT)這張圖就顯示干化率、污泥體積和能源的需求關(guān)系，新加坡最早是脫水達(dá)到20%含固率以后就進(jìn)行的土地的填埋，但是沒有多久就填滿填埋場(chǎng)了，所以現(xiàn)在進(jìn)行焚燒處置。據(jù)我所知，在北歐許多國(guó)家焚燒是最后處置方法。當(dāng)然北京、上海最后怎么樣做?我們眼前下結(jié)論還為時(shí)尚早。
簡(jiǎn)單講，如果污泥含固率為20%，焚燒以后含固率達(dá)90%，這個(gè)體積比為1/10。
當(dāng)新加坡規(guī)劃提高能源效率時(shí)，首先學(xué)習(xí)國(guó)際先進(jìn)水平在哪里?我們知道世界有一個(gè)廠在奧地利的Strass廢水廠，在2005年的時(shí)候已經(jīng)達(dá)成了能源自給，我們參觀該廠，也派了人去仔細(xì)學(xué)習(xí)，也請(qǐng)他們的人到我們這邊來(lái)做介紹。
這張圖是整個(gè)廠里面碳的流向，你可以看到每一個(gè)過(guò)程碳的分布，而重要的是有多少碳進(jìn)入了厭氧消化池，而產(chǎn)生的多少甲烷氣。
采用他們的經(jīng)驗(yàn)，我們?cè)谛录悠聨讉€(gè)大廠也進(jìn)行了物料衡算研究，我們要知道碳氮磷在這個(gè)廠是怎么的流向的。
我們用我們的結(jié)果與Strass廠進(jìn)行比較，看看差距在什么地方，可以在什么方面進(jìn)行改進(jìn)。迄今為止，我們4個(gè)廠都建立了物料衡算，每個(gè)月的月報(bào)首先要報(bào)告你物料衡算有什么樣的變化，反應(yīng)在運(yùn)作上有什么問(wèn)題。
PUB下一個(gè)目標(biāo)就是要達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，每立方污水產(chǎn)生0.3 kW˙h的電能，稱之為能源回收第二版。
為達(dá)到能源自給，采用了下面一系列的措施。
1.污泥的預(yù)處理。(詳見PPT)包括先進(jìn)行了中試規(guī)模的超聲波預(yù)處理的實(shí)驗(yàn)。緊跟著一個(gè)生產(chǎn)規(guī)模裝置的運(yùn)行。可以帶來(lái)約10%的沼氣的增加。從前兩年開始我們也向Strass學(xué)習(xí)，更換了部分舊的發(fā)電機(jī)，安裝了具有38%轉(zhuǎn)化率的新的發(fā)電機(jī)，就帶來(lái)了50%的電量增加。
2.熱水解，我們建立了一個(gè)生產(chǎn)規(guī)模的熱水解，研究帶來(lái)的具體凈能量增加是多少。并且估計(jì)在今后維修和更新帶來(lái)的工作量。
3.把外面的碳源加到消化池當(dāng)中去。在工業(yè)裝置當(dāng)中我們已經(jīng)做了實(shí)驗(yàn)，證明可以把要處理的食品廢棄物加進(jìn)去，由此產(chǎn)生了相當(dāng)可觀的沼氣增長(zhǎng)。
到2025年新加坡三個(gè)水廠建成的時(shí)候，能量回收的情況如何呢?污水處理最大的困境就是碳的管理，本身讓碳源要用來(lái)去除營(yíng)養(yǎng)物又產(chǎn)能源的時(shí)候，是很難兩全其美的，這就是我們現(xiàn)在要談主流厭氧氨氧化的問(wèn)題。未來(lái)處理廠的概念，如果這概念廠能實(shí)現(xiàn)，今后的處理廠可可以把盡量多的碳拿下來(lái)送到厭氧消化里面去產(chǎn)生能源。但是條件是什么呢?后面的營(yíng)養(yǎng)物的去除不需要碳源，或者是需要的很少，這就提供了一種能源平衡和剩余的可能性。比如說(shuō)我們先的現(xiàn)在的初沉池碳去除是40%，你就可以增長(zhǎng)到60%，相當(dāng)于50%能源的增加。
(詳見PPT)目前新加坡樟宜再生水廠，20萬(wàn)噸的主流厭氧消化過(guò)程已經(jīng)報(bào)告了，是世界上最大的部分短程氨氧化和氨厭氧化過(guò)程，并且在2014年，我們跟美國(guó)的兩家水務(wù)系統(tǒng)和Strass廢水處理廠一起贏得了國(guó)際水協(xié)的發(fā)明大獎(jiǎng)。
(詳見PPT)這張圖是一年的操作數(shù)據(jù)，出水氨氮的平均濃度是1.7毫克升，亞硝酸氮是1.1毫克升，硝酸和氮只有1毫克升，這就顯示了這個(gè)過(guò)程的優(yōu)越性，有沒有繼續(xù)改進(jìn)的空間呢?有，現(xiàn)在還是用的傳統(tǒng)的初沉池，相當(dāng)量的碳還是進(jìn)入這個(gè)系統(tǒng)，要把這個(gè)過(guò)程更有效地應(yīng)用到新的污水處理廠，有三大問(wèn)題要解決：對(duì)現(xiàn)有的過(guò)程有深刻的理解。膜生物反應(yīng)器帶來(lái)的額外的影響。因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在用的是常規(guī)的活性污泥。而在第二階段深溝污水處理廠用膜生物反應(yīng)器。另外高效率的碳捕捉的過(guò)程的開發(fā)和它的應(yīng)用，這都是要解決的問(wèn)題。
所以從2011年以來(lái)，新加坡PUB做了一系列的研發(fā)項(xiàng)目，三個(gè)中試的項(xiàng)目就著眼于回答這些問(wèn)題。而最新的就是日處理1.2萬(wàn)噸稱之為示范廠的項(xiàng)目，是模擬今后的第二階段的污水處理，看看主流厭氧氨氧化能不能實(shí)現(xiàn)。
我們也采用了側(cè)流的污泥回流液氨厭氧氧化過(guò)程，也保留著用側(cè)流過(guò)程強(qiáng)化主流氨厭氧氧化的可能性。
已建立生產(chǎn)規(guī)模的裝置，進(jìn)行單獨(dú)的食物廢棄物消化和與污泥混合的厭氧消化，這兩個(gè)項(xiàng)目現(xiàn)在已經(jīng)在運(yùn)行。
最后一個(gè)項(xiàng)目把新的污水廠里脫水的污泥就近送到旁邊的城市固體廢棄物處理廠，與城市固體一起焚燒，產(chǎn)生的電源送回到污水處理廠。
到2025年的時(shí)候，新加坡再生水廠的能源回收在沒有外加碳源的情況下可以達(dá)到0.3千瓦時(shí)每立方米污水。應(yīng)用食物殘?jiān)统鞘泄腆w廢棄物的協(xié)同焚燒，整個(gè)新加坡污水處理廠包括新生水廠可以達(dá)到能源自給，從而實(shí)現(xiàn)新加坡污水能源回收的第三版。
總結(jié)一下：新加坡PUB的方法。
提早規(guī)劃，2025年離現(xiàn)在還有七八年，概念設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，主要技術(shù)路線已經(jīng)選定，現(xiàn)在已經(jīng)開始工藝設(shè)計(jì)。根據(jù)新加坡的條件制定高資源回收指標(biāo)。采用一流的技術(shù)水準(zhǔn)和實(shí)踐。投資在開發(fā)上一步一步的驗(yàn)證，最佳技術(shù)適用性。
(詳見PPT)本手冊(cè)包括了對(duì)現(xiàn)有主要技術(shù)的篩選，根據(jù)新加坡的情況，哪些技術(shù)可以考慮并進(jìn)行重點(diǎn)開發(fā)，這本書是我們根據(jù)若干與能源有關(guān)項(xiàng)目的一個(gè)出版物。
在此，感謝PUB提供許多照片，不少是現(xiàn)在正在進(jìn)行的工程，PUB也同意與大家共享。謝謝大家!
主持人 王濤 (機(jī)械科學(xué)研究總院環(huán)保技術(shù)與裝備研究所 副總工 研究員級(jí)高工)： 謝謝曹博士，給我們帶來(lái)新加坡污泥處理處置方面的經(jīng)驗(yàn)，盡管新加坡與中國(guó)的情況可能有一些區(qū)別，但是在曹博士的演講中我們還有很多經(jīng)驗(yàn)值得吸取、借鑒。
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