未雨绸缪以水为先 新加坡化解水危机启示录

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新加坡 治水启示录

面对中国华北地区水资源堪忧的状况，笔者认为，只要未雨绸缪，

规划以水为先，这一地区所面临的水问题完全可以得到有效解决，

而新加坡成功化解水危机的经验亦能提供若干启示

文/蓝伟光 孟羽

新加坡四面环海，年均降雨量接近2400毫米，远高于全球平均水平1050毫米，但由于国土面积小又缺乏自然湖泊， 蓄水能力有限，大量雨水直接流入海洋，日常生活和工业生产所需要的淡水资源依然极度匮乏。

资料图：新加坡水质研究员将检测湖水质量的机器做成了天鹅的形状，从远处看去，就像湖里漂着几只白天鹅一样。

为实现城市化发展所需水源自给自足，同时避免西方发达国家在城市化进程中遭遇的各种环境问题，政府早在建国不久就开始根据本地自然地理和人文社会条件制定城市规划方案，并逐渐形成自然、文化、经济和政治良性协调、自成一体的城市发展模式。在这个模式中，围绕水资源的规划和管理是基础与核心，而水资源的规划管理又包括了集水区建设和非常规水源开发两个主要部分。

集水区建设和“ABC导则”

建国初期，新加坡几乎只有一个淡水来源，就是从马来西亚进口淡水。进口水源受马来西亚的制约，一有纷争，马方常以断水相威胁；尽管理论上雨水也是可以利用的淡水资源，且降雨丰沛，但因为没有足够的集水区和净水系统，导致能够有效收集利用的降雨量极其有限。总体而言，当时的新加坡，一方面淡水资源极度缺乏，另外一方面城区水灾频发、河流污染严重、公众卫生环境恶劣。

这种情况下，淡水的供应和保护成为威胁到新加坡的国家安全和发展的关键性问题。新加坡采取的战略是先发展以水资源管理为主的城市蓝绿基础设施建设，即建设并不断扩大集水区(water catchment)，通过土壤植被及河流网络来滞留净化雨水，提高雨水水质便于循环和进一步利用。

目前新加坡已经拥有17个蓄水池和一个暴雨收集系统(即每栋楼顶专门设置的用于收集雨水的设施以及将雨水输送到蓄水池的管道)。这个系统中，马洛蓄水池及其设施是目前世界上唯一采集城市居民区雨水的现代化集水工程，而2008年落成的滨海堤坝位列全球五大供水工程。输送水源的管道几乎百分百不渗漏，可以安全使用50年。整个雨水收集工程的建设和完善使得集水区面积不断增加，现已达到国土面积的60%。今后，新加坡政府计划开发应用盐度处理技术将临海河流纳入集水区，从而将集水区面积进一步扩展至国土面积的90%。时至今日，这一水源无论是被污染还是海水侵蚀，都可以依赖膜技术加以净化或淡化，变成安全可靠的饮用水。

此外，政府也注意到，随着城市化的加快加深，基础设施硬化程度越来越高。除了像排水沟和水渠等传统雨洪管网系统外，屋顶、停车场、街道等等都是雨水无法渗透和滞留的混凝土结构。在土地有限，防洪设置不可能无限拓展的情况下，城市内涝成为一大隐患。于是在2006年，新加坡政府发布了由德国戴水道设计公司参与设计的“活力Active、美观Beautiful、清洁Clean”ABC城市设计指导原则。

截至2016年，“ ABC导则”已经应用于32个城市建设/改造项目，其中“碧山宏茂桥公园”就是旗舰项目之一。公园内2.7千米的垂直排水系统已经被改建成总长3千米、蜿蜒于整个公园的水流系统，河流堤岸的加固采用土壤生态工程技术，结合植物及天然材料的自然特性(如植物根系可防止水土流失)与土木工程的设计原理(如土壤岩石等可减缓水流速度)，以更加天然的方式将降雨引入地下或地表水体，净化提高水质的同时减少进入城市排水系统的雨水量。

此外，自然的河流也有利于创造出各种微生环境，形成具有多样性的生物群落。在此基础上，宏茂桥公园在河流上流设置了新加坡首个生态净化群落，通过种植精心选择的水生植物品种，对水生污染物和营养物进行过滤吸收，提供天然有效的水质净化处理。这样初步净化过的水可以作为公园内水上乐园、儿童乐园等游乐设施的用水补给，实现了水的循环利用，成本低廉并具有可持续的社会经济效益。

规划师和工程师还将河流与公园景观结合，在河岸区域种植了大量绿植，修建了游乐场、餐厅及与河流平行的宽阔步道，为居民和游人提供了赏心悦目的休闲活动空间，让人们对水和美好的滨水环境产生归属感和保护欲。宏茂桥公园也因此活得了2012年世界建筑节年度最佳景观设计项目奖。截至2030年，将有100多个地点被确认为ABC阶段性实施项目，与已经完成的项目一起，构建成为新加坡未来城市发展的基础。

新生水与海水淡化

除了加强雨水的搜集、保护和净化处理，新加坡政府还一直努力开发其他非常规水源。经过科技的突破与膜技术的开发与应用，到本世纪初，已经形成雨水收集、新生水生产、海水淡化和外购水源构建的“四大水喉”供应系统。

新生水生产方面，自2002年勿洛新生水厂作为第一座新生水厂落成之后，新加坡又先后完成了四座新生水厂的建设，每一座水厂的启用都伴随着更先进的膜技术的开发与应用。经过处理获得的新生水各项指标上都优于目前使用的自来水，其清洁度至少比世界卫生组织规定的饮用水标准高50倍，而售价却比自来水便宜至少10%。新生水工艺将污水处理和水源利用结合起来，实现了对宝贵的水资源的高效率的利用。

为了集约利用土地与集中生产新生水，新加坡投资34亿元新币(约合166亿元人民币)建造了庞大的深层隧道排污系统，包括“樟宜”和“大士”两个大型新生水厂。该项目的第一期工程已于2009年完工，新建成的樟宜水处理厂除了具有全球最先进的污水处理设施，还因为采用密集和覆盖式设计，处理容量达到现有最大设施的2倍，而占地仅为同类工厂的三分之一，极大地节约了土地资源；另外，由于深层隧道的设计巧妙地利用了自然重力作用来输送污水，也大大节约了泵水所需的能源。今年年初，年产5千万加仑(约合1.9亿立方米)的第五个新生水厂——樟宜新生水厂落成投入生产，将新生水产量占全国用水总需求的比例从35%提高到40%。

由于膜制造和净化技术的突破性发展，海水淡化工业也快速发展起来。自2005年以来，新加坡已经建成使用两个海水淡化厂——新泉厂和大泉厂，后者也是目前亚洲最大的海水淡化厂，在节能工艺设计方面也是全球领先水平。位于大泉的第三个海水淡化厂也在修建中，今年年内可以完成；第四个海水淡化厂位于滨海东，计划2019年底修建投产；第五个海水淡化厂也已经列入计划，选址于裕廊岛。

目前，新加坡生产的新生水能满足全岛用水总需求的40%， 经过淡化的海水可满足总需求的25%。随着新加坡水处理研发重点从增加水源、降低成本、保持水质方面向提升能源效率、加强水质检测及减少膜的二次污染等方面延伸，未来的计划是在采用新技术的基础上于2060年前将新生水和淡化水的供水比例进一步提高到55%和30%。

此外，随着膜技术在新生水及海水淡化生产中的不断开发和应用，也催生了新加坡的新兴产业，即“环境及水务产业”，并为新加坡赢来了“全球水务中心”的美名。2003年至2015年间，这个新兴产业的年增值就从5亿新币增加到17亿新币，并创造了超过11000个专业型就业岗位。从2004年开始，新加坡每两年都会举办一次“新加坡国际水周”作为交流和共同解决水资源问题的国际平台，2016年第七届“国际水周”就见证了额度高达152亿新元的水务投资贸易项目合同的签订。

可供中国华北地区借鉴之处

自20世纪50年代以来，在中国的华北平原上，随着城镇化、工业化发展，人类活动日趋频密，不但使得包括地表水和地下水在内的水资源总量大大减少，降低了水源的稀释自净能力，还产生了大量城市污水在处理不充分的情况下排入河道，致使地表水污染严重。

面对中国华北地区水资源堪忧的状况，笔者认为，只要未雨绸缪，规划以水为先，这一地区所面临的水问题完全可以得到有效解决，而新加坡成功化解水危机的经验亦能提供若干启示。总结起来，主要有以下几个方面：

一、设立一个具有专业性的统筹协调部门：公用事业局。

新加坡公用事业局原本隶属贸易与工业部，主要负责供水、供电和煤气的管理，而与环境相关的水务工作，包括污水排放与处理及雨水收集等，原本由环境部负责。2001年，新加坡政府对水务管理进行改革，成立了法定机构 “环境和水资源部”，并将公用事业局划归其管理。自此，公用事业局从环境部接管了与环境相关的水务职能，同时将电和煤气管理职能外移，成为专业化的水务管理职能部门，真正实现了对水资源的全方位的规划管理。

需要特别加以说明的一点是，法定机构是新加坡政府治理的一大创新和特色。它们由国会立法设立，通过部长向国会负责，比政府部门享有更大的自主权和灵活性。在国会的授权下，各法定机构均有政府监管的行政职能和经营国有企业的双重功能，通常由董事会、经理层、各职能部门三级管理组成，财务上一般要求自负盈亏，但对于亏损的机构政府财政可以提供低息贷款给予支持。此外，其雇员不属于公务员系统，合同条约具有一定灵活性，同时又能保证工作人员的效率。这些组织上的特点使得法定机构能更快应对变化的环境，也能有效执行政府高层的决策。

另外，其内部建立了一个高级水资源管理技术中心，由50名专家成员组成，为事业局的各项决策提供专业研究和发展支持，尤其能更加充分地将有关环境的考量与新技术的开发应用纳入水资源的开发与管理中。公共事业局的主要任务就是对水循环系统的有效监管，使其成为一个封闭系统。

二、鼓励新兴技术的开发与应用，培育新型产业的形成与发展。

新加坡在水务相关领域的技术发展十分迅速，特别集中在以技术驱动的新生水生产和海水淡化领域。新加坡国立大学的一项研究发现，这些技术在新加坡的发展经历了四个阶段，即引进吸收(2000～2007年)、自主技术发展(2007～2008年)、本地品牌国际化(2008～2010年)，再次本地化(2010年至今)。

在第一阶段，新加坡的技术能力还很薄弱，主要以学习吸收国外先进技术为主。为了促进学习和积累，环境与水资源工业发展理事会(EWI)于2006年5月成立。根据将新加坡打造成为集商业、投资、研发为一体的“全球水务中心”的发展愿景，理事会采用加强能力建设、产业集群建设和国际化的“三路”战略。

加强能力建设方面的具体措施包括投资1亿新元开展“环境与水资源研究计划”，在南洋理工大学设立了“DHI-NTU水和环境研究与教育中心”，在新加坡国立大学设立了“新加坡-Delft水务联盟”研究中心；产业集群建设方面，主要通过与经济发展部合作，吸引国际水务领域的重要企业(如美国的GE，日本的Nitto Denke, 德国的Siemens及法国的Veolia等)将其总部、研发中心或工程设施部门迁移至新加坡；国际化战略主要在后期运用，指帮助成长起来的本地企业走向国际市场。

经过前一阶段的吸收学习，本地企业逐渐成长起来，逐渐转向自主研发技术。为促进这一重要转型，公共事业部选择新生水厂的建造作为标杆项目，并引入促进公私部门合作的PPP模式(特别是DBOO模式)来为本地各类水务相关企业创造机会。

新加坡早期是通过大学、科研机构与企业的产学研合作成功研发了以膜技术为核心的污水净化技术，随后又与跨国公司合作实现了科学、技术与工程的完美结合，涌现了一批包括Hyflux，Suntar, Salcon，Keppel和Sembcorp在内的本地膜法水处理企业。

随着技术的成熟，本地企业开始走出国门。为了推动它们的国际化进程，EWI联合新加坡国际总商会和公共事业局，通过商务代表团、贸易洽谈会和各种双边协定来创造各种机会。此外，自2008年开始每年一次的“新加坡国际水资源周”，因为与“世界城市峰会”同时举办而极具策略地树立了新加坡在水务领域的品牌，宣告了新加坡在税务领域研发、培训、政策与实施方面的领先地位。

三、积极科普水知识，进行大众宣传教育。

新加坡政府对新技术成果的宣传和公众教育的投入亦不可低估，因为这些举措培养了市场，为本土企业提供了成长的土壤。一项研究发现，1997年至2008年期间，政府直接或间接通过新闻媒体发布了223篇报道来推广新生水的使用。为了展示新生水技术、增加公众对新生水的了解和重视，公共事业局投资建造了新生水展览馆，运用互动和数字化媒体增强公众体验，达到教育的目的。

公共事业局还推出了“ABC水资源学习通道计划”和一个公共教育计划，包括鼓励学校为各项ABC水域项目制定教育学习路径，以促进学生对水域的了解和珍惜，鼓励各种企业、基层组织和社会团体在ABC水域场所开展多种活动，着力通过创造各种体验教育大众爱护环境、积极接纳来扶持环保新技术、新设计的出现。

当然，因为诸多不同，中国的华北地区不可能将新加坡利用“水资源”和发展“净水产业”的具体措施进行照搬照抄，但其中两点尤其值得决策者们进行深入思考和具体化。其一，“水资源”的概念可以大大扩展，从原来比较纯净的水源(江河湖里的淡水资源及地下水)扩充到包括所有非常规水源(包括雨水、污水和海水等)，只要有足够的创新思维和技术就可以最大程度地利用水资源，解决“贫水”问题。其二，创意和技术都需要有效的鼓励和引导，政策机构及其对政策的选择和实施至关重要，该如何设立一个统筹机构并确立它的组成人员和功能职责，该选择怎样的战略(组合)来实现核心技术的获得和升级，该选择怎样的政策(组合)和标准来帮助企业降低成本、获取声誉、提高竞争力等，都是在行动之前需要仔细考虑探讨的。

(蓝伟光系新加坡水规划协会创始人、厦门大学水科技与政策研究中心首席科学家，孟羽系新加坡隆道研究院研究员)

以最大程度资源回收为目标的新加坡污泥处理与处置

原创 2017-06-21 曹业始 中国给水排水

曹业始 -- 新加坡公用事业局（PUB） 首席专家(污水处理) 荷兰代尔夫特科技大学（TUD） 博士

新加坡PUB是新加坡公用事业局的缩写，隶属于新加坡水资源和环境部，是一个副部级国家的水管理机构，所有跟新加坡水有关的业务都在他的管理之下。

我曾经在新加坡PUB污水管理部（司级单位），称之为回用水管理部，担任相当长时间的首席工程师。

今天，主要介绍一下新加坡污泥处理和处置的特征，以能量回收为重点。首先讲一下背景，资源回收的优先顺序、现状、技术参数、路线图。而新加坡现在已经制定了到2025年污水处理规划，并且已经到工艺设计阶段，这阶段哪些技术应用在污泥资源回收呢？我也会给大家做一个介绍。

（详见PPT）新加坡现有4个污水处理厂，总处理量是160万吨。三个红块称之为第二阶段的污水处理厂。这两个现有污水处理厂在新厂建成以后就要废除了，到2025年新加坡会就有三个污水处理厂，总处理量到时候是240万立方米/天。

当我们谈污泥污水回收的时候要介绍一下背景，在新加坡污水处理是分流系统，有机碳是550-650，新加坡华人占人口约75%，饮食习惯和大陆没有区别。但是污水的COD的含量是在正常水平。污水处理量目前是160万吨，污水处理主要是应用脱氮活性污泥工艺，污泥每天约800立方米，20%的含固量。

资源回收的优先顺序：作为一个很小的缺乏天然资源的城市国家，新加坡把资源回收作为放在很重要的地位，像大家知道由于天然的水资源的短缺，水的回收放在第一位，现有的150万吨的污水处理，一半以上的出水用双模技术生产新生水。而到2025年的时候，除初期雨水外，其余的出水做饮用水级的再应用。

第二是能源的回收，能源的回收最终目标是整个厂的运行最后能够达到不需要从外部输入能源。再就是资源节约，作为一城市国家土地的稀有，要求建设占地面积尽可能小。

（详见PPT）这张图看似很简单，今天污水处理厂能源回收主要是应用污泥厌氧反应器。厌氧反应器主要是由初沉池排放的泥和活性污泥池剩余污泥作为“饲料”输到这个反应器里，而产生的生物气再由发电机转化供应电源。当然，在理论上来说，脱水的污泥可以再产生能源，但目前使用还不普遍。所以从现有的污水处理厂产生能源来看，重要的因素是高效的初沉池和厌氧消化反应器、高效的发电机。

如果抓住这几个环节以后，就可以有相当的电能的回收，即我们称之为能源回收的第一版。目前，在新加坡所有的污泥都进行中温的厌氧消化，固体挥发物的去除率是大约40%，达到国际上的公认的水平。

能源的转换，发电机从煤气的能量到电转换电的效率约为25%。污水发电水平是每立方米可以产生0.13 kW·h 的电量，这相当于工艺过程用电量的1/3。这个水平相当于欧洲的平均水平。而干燥和脱水后的污泥都是焚烧处置。

（详见PPT）这张图就显示干化率、污泥体积和能源的需求关系，新加坡最早是脱水达到20%含固率以后就进行的土地的填埋，但是没有多久就填满填埋场了，所以现在进行焚烧处置。据我所知，在北欧许多国家焚烧是最后处置方法。当然北京、上海最后怎么样做？我们眼前下结论还为时尚早。

简单讲，如果污泥含固率为20%，焚烧以后含固率达90%，这个体积比为1/10。

当新加坡规划提高能源效率时，首先学习国际先进水平在哪里？我们知道世界有一个厂在奥地利的Strass废水厂，在2005年的时候已经达成了能源自给，我们参观该厂，也派了人去仔细学习，也请他们的人到我们这边来做介绍。

这张图是整个厂里面碳的流向，你可以看到每一个过程碳的分布，而重要的是有多少碳进入了厌氧消化池，而产生的多少甲烷气。

采用他们的经验，我们在新加坡几个大厂也进行了物料衡算研究，我们要知道碳氮磷在这个厂是怎么的流向的。

我们用我们的结果与Strass厂进行比较，看看差距在什么地方，可以在什么方面进行改进。迄今为止，我们4个厂都建立了物料衡算，每个月的月报首先要报告你物料衡算有什么样的变化，反应在运作上有什么问题。

PUB下一个目标就是要达到国际先进水平，每立方污水产生0.3 kW·h的电能，称之为能源回收第二版。

为达到能源自给，采用了下面一系列的措施。

1.污泥的预处理。（详见PPT）包括先进行了中试规模的超声波预处理的实验。紧跟着一个生产规模装置的运行。可以带来约10%的沼气的增加。从前两年开始我们也向Strass学习，更换了部分旧的发电机，安装了具有38%转化率的新的发电机，就带来了50%的电量增加。

2.热水解，我们建立了一个生产规模的热水解， 研究带来的具体净能量增加是多少。 并且估计在今后 维修和更新带来的工作量。

3.把外面的碳源加到消化池当中去。在工业装置当中我们已经做了实验，证明可以把要处理的食品废弃物加进去，由此产生了相当可观的沼气增长。

到2025年新加坡三个水厂建成的时候，能量回收的情况如何呢？污水处理最大的困境就是碳的管理，本身让碳源要用来去除营养物又产能源的时候，是很难两全其美的，这就是我们现在要谈主流厌氧氨氧化的问题。未来处理厂的概念，如果这概念厂能实现，今后的处理厂可可以把尽量多的碳拿下来送到厌氧消化里面去产生能源。但是条件是什么呢？后面的营养物的去除不需要碳源，或者是需要的很少，这就提供了一种能源平衡和剩余的可能性。比如说我们先的现在的初沉池碳去除是40%，你就可以增长到60%，相当于50%能源的增加。

（详见PPT）目前新加坡樟宜再生水厂，20万吨的主流厌氧消化 过程 已经报告了，是世界上最大的部分短程氨氧化和氨厌氧化过程，并且在2014年，我们跟美国的两家水务系统和Strass废水处理 厂 一起赢得了国际水协的发明大奖。

（详见PPT）这张图是一年的操作数据，出水氨氮的平均浓度是1.7毫克升，亚硝酸氮是1.1毫克升，硝酸和氮只有1毫克升，这就显示了这个过程的优越性， 有没有继续改进的空间呢？有，现在还是用的传统的初沉池，相当量的 碳还是进入这个系统， 要把这个过程更有效地 应用 到新的 污水处理厂，有三大问题要解决：对现有的过程 有深刻的理解。 膜生物反应器带来 的额外的影响 。因为我们现在用的是常规的活性污泥。而在第二阶段 深沟污水处理厂用膜生物反应器。 另外高效率的碳捕捉的过程的开发和它的应用，这都是要解决的问题。

所以从2011年以来，新加坡PUB做了一系列的研 发 项目，三个中试的项目就着眼于回答这些问题。 而最新的就是日处理1.2万吨称之为示范厂的项目， 是模拟今后的第二阶段的 污水处理， 看看主流 厌氧氨氧化 能不能实现。

我们也采用了 侧流的污泥回流液氨厌氧氧化过程，也保留着用侧流过程强化 主流 氨厌氧氧化的可能性 。

已建立生产规模的装置，进行单独的食物废弃物消化和与污泥混合的厌氧消化，这两个项目现在已经在运行。

最后一个项目把新的污水厂里脱水的污泥就近送到旁边的城市固体废弃物处理厂，与城市固体一起焚烧，产生的电源送回到污水处理厂。

到2025年的时候，新加坡再生水厂的能源回收在没有外加碳源的情况下可以达到0.3千瓦时每立方米污水。应用食物残渣和城市固体废弃物的协同焚烧，整个新加坡污水处理厂包括新生水厂可以达到能源自给，从而实现新加坡污水能源回收的第三版。

总结一下：新加坡PUB的方法。

提早规划，2025年离现在还有七八年， 概念设计已经完成，主要技术路线已经选定 ，现在已经开始工艺设计。根据新加坡的条件制定高资源回收指标。采用一流的技术水准和实践。投资在开发上一步一步的验证，最佳技术适用性。