摘 要
新加坡作为岛国自然资源匮乏，水则成为它的一项战略资源。目前新加坡的饮用水有一半来自邻国马来西亚，但是它与马来西亚的两个供水协议将分别于2011年和2061年失效。随着工业的繁荣，该国对水的需求也不断增长。这种情况促使新加坡政府及其工业界不断寻求创造性的供水办法，使该国的水资源更加自给自足。
新加坡目前已建立起一个大型的反渗透工厂处理三级生化废水，并将其转化成可用于蓬勃发展的石化工业的高级工业给水(HGIW)。该反渗透系统由美国Aquatech国际公司(AIC)供货，安装了2184支陶氏化学公司生产的抗污染膜元件FILMTEC™ BW30-365FR。该系统由SembCorp公用事业公司的子公司SUT Seraya (SUT)公司负责运 营管理。整个系统为单级RO，共6列，单列产水量5000m3/d，总产水量30,000m3/d。每列分3段，按28:16:8排列，使用52个压力容器(7元件的容器)，配置BW30-365FR元件364支。系统平均设计通量10GFD(17l/m2.h)，设 计给水TDS～1300mg/L。
通过利用RO技术及30,000m3/d的容量带来的规模经济效应，SUT通过新加坡公用事业署不仅能将回收水出售给裕廊岛用户，而且其价格比目前的饮用水更便宜。SUT生产的高级工业给水作为工艺给水，可进一步节省除盐费用，因为其中的绝大多数溶解性固体已通过反渗透膜脱除掉了。
为了使该工程经济上更加合算，要求系统回收率的设计突破常规。所以，SUT对三级废水制定了高达85%(常规为75%)的回收率设计目标，将其转化成可回用的高级工业用水。其中，Aquatech独特的常规预处理工艺可以将生物活性废水的SDI15值降到正常值4以下。并且，SUT和Aquatech的工程师还发现：陶氏FilmTec公司的抗污染膜非常容易清洗，常规化学药品就足以满足清洗的要求，这样能够保持清洗成本低廉。
目 录:
1. 工程概况
2. 项目规划及发展历程
3. 中型试验及系统设计
4. 系统布局及运行性能
5. 结论及展望 – 保护稀缺的水资源
1. 工程概况:
1-1 裕廊岛的形成
1994年，当新加坡政府开始实施其雄心勃勃的计划，准备在亚太地区建立世界级的化工中心时，就将其南部的七个小岛通过填筑水域的办法合并形成一个面积2650公顷的大岛，这就是裕廊岛(JI)。
在裕廊岛规划和发展的同时，SembCorp公用事业公司---通过它的子公司SUT Sakra公司和SUT Seraya公司---实施了一项“公用事业设施集中化”的概念方案。该方案可向预期在裕廊岛设立公司的众多石化、化学及精炼公司提供一系列的公用设施，诸如蒸汽供应、废水处理、除盐水供应、冷却水供应、产品贮存设施及终端设施等。
1-2 战略资源
新加坡地域狭小，只有660平方公里，相对而言，人口则高达400万，仅仅靠新加坡岛的集水量远不能满足对水的全部需求。所以，新加坡有一半的供水需依靠两个供水协议(分别于2011年和2061年失效)从邻国马来西亚提供。
基于战略重要性，早在20世纪70年代，新加坡已经向裕廊岛工业区提供工业用水(IW)作为替代性的工业水源。这种工业用水主要是从Ulu Pandan废水回收厂排放的经过三级处理的废水，新加坡的污水需处理到符合标准20 ppm BOD，30ppm SS。而工业用水(IW)的典型水质为BOD<3ppm，SS<5ppm，TDS<1300ppm，为了鼓励回 用它，其出售价格比饮用水便宜很多，因此，无论对直接的工业回用还是进一步深度处理均有很大的吸引力。
由于化学和石化部门的用水主要是非饮用目的，占新加坡整个饮用水量的5％，所以这促使SUT和政府开发创造性的水源以替代现有的饮用水水源。
2. 项目规划及发展历程:
2-1 为裕廊岛规划替代水源
早在裕廊岛规划阶段，人们就已经设想将位于裕廊工业区的工业水网加以延伸，以满足整个裕廊岛的工业需要。利用供给裕廊岛的工业用水，采用RO/EDR技术或相关技术可进一步将工业用水处理成高级工业用水(HGIW)，这被认为在经济上是可行的。
2-2 高级工业用水(HGIW)规范
为使废水的回用对工业界更具吸引力，人们希望公共事业署(PUB)提供的高级工业用水(HGIW)应该比饮用水的水质稍好一点。将控制其目标电导率小于250mS/cm，相比而言，PUB提供给裕廊地区的饮用水电导率为350-650mS/cm。
1996年和1997年，通过对拟投资于新加坡裕廊岛的石化公司、化学公司及精炼公司开展了调查，预计饮用水级的工业用水量将达到50,000m3/d。因此，我们规划了一个日产30,000m3高级工业用水的工厂。在投产后，如果产品水以稍低一些的价格出售，那么将很容易取代PUB的饮用水。
接着，在1997年和1998年，SUT开始着手发展用工业用水(IW)作原料的替代水源。人们预计工业用水(IW)能够进一步处理并制得可与饮用水相比的产品水，但只用于工业目的。这种水即被命名为高级工业用水(HGIW)，以与工业用水(IW)相区别，并通过独立的输水系统卖给裕廊岛的工业用户。
2-3 工业用水(IW)规范
设计HGIW水厂的基点是工业用水水质。到目前为止，新加坡公用事业署(PUB)经营裕廊工业水网(JIWW----处理 来自Ula Pandan废水回收厂排放的三级废水处理厂已长达20年，并积累了丰富的工业用水(IW)水质数据。
然而，就象其他许多下水道陈旧、地下水位高的海岸城市一样，海水倒灌现象导致工业用水成份随着潮位而急剧变化。氯化物水平可从100mg/L变化到500mg/L，但正常的范围为250±100ppm。
在相当长的时期内，我们观察到工业用水(IW)的电导率从最低800mS/cm可波动到高达1800mS/cm，有时甚至高达2000mS/cm。因此，为谨慎起见，应该提供安全设计裕度。在设计RO时，原水规范采用相当于TDS1300mg/L的最大电导率。另外，考虑到RO膜的逐渐污堵和盐通量随时间的增加，我们也需要较高的安全设计裕度。
2-4 技术招标及评估
在1997年初举行了建造30,000m3/d的工业用水深度处理厂项目招标，有10多家国际著名的水公司参与投标。评标则基于每份标书的实际净值进行，结合了投资和长期运行成本的影响，同时考虑采用当时最可靠的先进技术。
提交的各种标书大概可以归类成三种不同的工艺：
a) 频繁倒极电渗析技术(EDR)
b) 用微滤(MF)作预处理的反渗透技术(RO)
c) 用传统双介质过滤(DMF)作预处理的反渗透技术(RO)
频繁倒极电渗析技术和反渗透技术相比由于其达不到高脱盐率而未被采纳。
微滤膜作预处理工艺与传统介质过滤相比经济性上有两个不足。其一，每隔5年微滤组件必须更换；其二，微滤膜只能提供90～95％的系统水回收率。相比而言，传统双介质过滤没有昂贵的介质更换费用，因为石英砂和无烟煤十分便宜，更重要的是，由于双介质过滤器采用反渗透的浓水作反洗水，可使其水的回收率提高到99%。
令最终用户SUT感到放心的是，位于印度Chennai市的马德拉斯化肥有限公司(MFL)，多年来已经成功地将传统双介质过滤与陶氏化学的标准反渗透膜相结合使用，实现了废水回用处理，规模为日产水12,250m3。因而确定了采用传统双介质过滤作预处理的反渗透方案。
2-5 系统回收率及项目经济性
由于公用事业署(PUB)对新加坡使用的每吨工业用水征收水费0.43新元，所以废水回收厂只有采用最高的运行回收率，方能使该项目经济上可行。同时，消费者也盼望有一个具有竞争性的水价。因此，筛选剩下的标书必须采用介质过滤作为RO的预处理，而且RO装置的回收率高达86％，结合预处理部分99％的回收率，最后整个系统的回收率达到85％。
3. 中型试验及系统设计
设计和建设污水回用厂的合同最后被美国Aquatech国际公司(AIC)中标。在设计的最初阶段，为了使SDI15值达到RO膜要求的目标值(<4.0)，承建项目的工程公司决定采用两级双介质过滤器：初级双介质过滤器(PDMF)和次级双介质过滤器(SDMF)作预处理。这就意味着为裕廊岛将来可能出现的水质不稳定状态提供了操作裕度。
3-1 中型试验
为模拟两级双介质过滤器，承建项目的工程公司建立了一套中试装置，以筛选、优化混凝和絮凝工艺，同时优化介质层。
3-1.1 混凝和絮凝的优化
承建项目的工程公司作了一系列的烧杯试验，测试了不同浓度的多种聚合物，并通过沉降性试验、絮体形成试验、浊度测量等方法确定每种聚合物的最佳效果。从该烧杯试验中，筛选出两种聚合物，作为进一步中试研究。中试主要测量不同浓度下的浊度和SDI值。基于测试结果，最后确定采用的聚合物和混凝剂。
3-1.2 双介质过滤器 – 滤层优化
由于中试中观察到存在SDI穿透(>5)，基于初级过滤器的最小泥沙带出量，二级过滤器采用了细砂以提高机械过滤器出水SDI值的稳定性，SDI的设计目标为<4。
3-1.3 聚合物带出试验
现场工程师进行的聚合物带出试验表明，其带出结果为零。
3-1.4 预处理充分性及污堵研究
确定了化学药品及过滤介质的优化配置后，再建立了一套独立的闭合循环中试系统，以模拟反渗透系统的第3段最后一支元件的运行情况。该系统由单支陶氏FILMTEC BW30-365FR抗污染元件组成，运行回收率86％。该系 统运行将近一月之后证明没有任何污堵。接下来，将回收率提高到90％，强制产生了一些污堵。但是，即使这样也没有产生严重的污堵。因此，证明膜元件的抗污染能力是显著的、预处理是充分的。这些试验也有助于减少今后大型系统现场调试所需的时间。
3-1.5 RO膜元件的特点及选择
SUT选择FILMTEC BW30-365FR抗污染膜，既是基于该膜在处理富含生物活性水方面的卓越性能业已得到实践 的证明，也是基于陶氏可靠的技术服务和支持。陶氏在Chennai的马德拉斯化肥厂的跟踪记录使SUT更加放心。在将近10年中，陶氏膜成功地用于印度Chennai厂的废水处理系统中，以净化有机物含量很高的生物活性水。从前，膜技术因其污堵速度很快而被认为不能适应处理这类恶劣水质。
FILMTEC BW30-365FR是卷式复合膜，具有很强的抗污染性能。FILMTEC FR抗污染元件有着诸多性能优势和 经济优势：先进的自动卷膜技术使精度达到手工卷制望尘莫及的水平；增加膜片数量，缩短膜片长度，显著地减小了产水侧的压力损失，这样元件内膜的效率更高，驱动压力更加均匀，产水通量分布也更均匀。元件的给水通道宽34mil，比其他品牌产品宽10～20％，使得清洗更容易。FILMTEC FR抗污染膜证明能抗细菌吸附，因而可 大大延长清洗周期。FILMTEC FR元件的生物累积和生物污堵的速率很低，这样平均给水压力很低，从而显著降 低了能耗。
3-2 AIC提供的独特的系统设计特点
3-2.1 高效的过滤器设计，以使SDI值始终保持低水平，为维持SDI值，过滤器设计具有如下特点:
a) 双室过滤器设计。通过将滤层分成两室可提高空气擦洗及反洗的效果。
这种设计使我们可更好地控制整个过滤流通面上的通量。并增加了过滤器的高度，以进一步提高流量分配的均匀性。初级过滤器主要为截留颗粒和污泥提供空间，次级过滤器则作为精滤器。初级和次级过滤器始终有一个以上保持在线运行。这样SDI值的稳定性更好，因为任何时候过滤系统都没有运行在刚反洗的状态。
b) 初级过滤和次级过滤交错反洗
设计上，初级和次级过滤器交错反洗，避免同步。由于初级过滤器的压差超标比次级过滤器更为频繁，故其反洗频率也更高。交错的概念有助于确保过滤过程一直在压实的滤床上进行。这一点有助于稳定SDI值。
3-2.2 通过段间升压泵节能
为达到86％的系统回收率，RO的第一、二段设一台高压泵，第三段设一台段间升压泵，并在第一段的产品水管线上设节流孔板以控制第二段的给水流量。这种设计允许第一、二段运行的同时，冲洗第三段。
3-2.3 第三段冲洗的特点
由于待处理水的特点及系统回收率高的特点，第三段RO浓水达到饱和的程度极高，极易导致污堵和结垢。而膜产水具有溶解性能，因此第三段采用产品水定期冲洗污染物和沉淀物，防止板结。每个运行班都要对第三段进行隔离，用产品水冲洗，同时前两段维持75％回收率继续制水。每次启停系统都遵循上述冲洗规程。
3-2.4 变频驱动装置(VFD)和节能
AIC公司在该系统中选用了变频驱动装置(VFD)作为节能设施。高压泵设计的扬程很高，足以满足膜污堵所需的高压力，使膜元件充分达到其使用寿命。
通过采用变频驱动，高压泵正好运行在使膜不产生污堵所需的压头下。因此，不必在泵的出口设置节流阀控制富余的压头。这样在最初几年就能节省大量能源。
VFD使软启停成为可能。这样，马达可以在较长的时间内逐渐加速或减速到期望值。这样还可防止水锤作用对膜的破坏，而水锤会使膜孔压实，进而导致通量损失。同时，因元件在压力容器内的移动导致的望远镜现象也可避免。
3-2.5 实现高回收率的方法
a) 回收排污水
过滤器反洗之前的排放水通过再循环管线送回入口回用。这个设计节约了相当可观的水，否则这部分水将被白白浪费掉。
b) 用经氯消毒的RO浓水反洗双介质过滤器
将RO浓水用于反洗过滤器也取得了显著的节水效果。反洗水箱由于浓水的不断流过而始终处于搅拌状态，这样水箱就能够保持满水位，而且新鲜的浓水不断更换原有的浓水。每次反洗工艺开始之前，对反洗用的浓水先进行氯消毒，以避免过滤器的底部发生任何污染。
c) 过滤器正洗水循环使用
正洗步骤需消耗相当可观的水量。在正洗阶段，先将过滤器底部的浓水置换排放，而后的所有正洗排水全部再循环，送回入口水箱回用。这样，可以延长正洗步骤，更好地压实滤床，从而控制SDI值。AIC公司正是采用了上述各种方法减少了水的损失，提高了整个系统的水回收率。
4. 系统布局及运行性能
4-1 SUT整个水处理厂设计布局概况
三级废水(原工业用水IW)作为给水如图1所示通过预处理工艺步骤进行深度处理。在系统中加入NaClO，以尽可能控制生物及藻类的滋长处于低水平。在整个预处理阶段，游离余氯和化合氯维持一定的水平。在给水进入RO膜之前，加入亚硫酸氢钠(SBS)，确保没有游离余氯接触膜元件。为防止难溶盐类结垢，RO的给水往往需要加入阻垢剂。对进入RO元件的经过预处理的给水，在线监测其氧化还原电位(ORP)。在RO元件的上游，每周加入非氧化性的杀生剂一次，以防止RO系统滋长微生物。给水中氯胺的水平为～0.5mg/L。RO的给水压力980 kPa (9.8bar，140psi)。图1中的RO装置，共6列，规格一样。
4-2 RO系统的布局
每列RO由3段组成，其布局如图2所示。
4-3 RO运行注意事项、清洗及膜分析
RO产品水水质始终符合高级工业用水(HGIW)的技术规范。见下表“工业用水(IW)和高级工业用水(HGIW)的实际值及规范值的比较”。
裕廊工业用水(IW)和高级工业用水(HGIW)的实际值和设计规范值的比较
|
参 数
如无特别说明
单位为mg/L |
IW
规 范 |
IW实际值
(min.-max.)
运行范围 |
HGIW
规 范 |
HGIW实际值
(min.-max.)
运行范围 |
|
pH |
6.5 – 7.0 |
6.6 – 7.4 |
6.5 – 7.5 |
6.8 – 7.2 |
|
电导率 (mS/cm) |
700 – 2200 |
700 – 2200 |
< 250 |
66 – 133 |
|
总溶解固体 (TDS) |
350 – 1,300 |
500 – 1300 |
< 150 |
33 – 70 |
|
浊度 (NTU) |
0.5 – 2.0 |
0.4 –1.7 |
< 0.5 |
0.1 – 0.4 |
|
TSS-总悬浮固体 |
3.0 – 6.5 |
1-2 |
< 0.5 |
0.07 – 0.13 |
|
色度 (Hazen Unit) |
5 – 15 |
13 |
< 5 |
<5 |
|
总硬度(as CaCO3) |
100 – 250 |
100 –160 |
< 60 |
1 – 3 |
|
总碱度(as CaCO3) |
30 – 80 |
40 – 80 |
< 45 |
16 – 22 |
|
钠 |
65 – 300 |
150 – 200 |
< 50 |
10 – 12 |
|
氯 |
100 – 500 |
150 – 500 |
< 55 |
6 – 21 |
|
硫酸根(as SO4) |
80 – 145 |
120 – 160 |
< 30 |
< 7 |
|
二氧化硅(as SiO2) |
1-10 |
6 – 10 |
<2.0 |
0.1 – 0.4 |
|
氨-N (as N) |
3 – 18 |
5 – 15 |
< 3 |
0.1 – 1.0 |
|
磷酸盐 (as P) |
1-4 |
2 – 4 |
< 0.5 |
0.04 – 0.10 |
|
嗅味 |
U.O. |
U.O. |
U.O. |
U.O. |
|
BOD5 |
<5 |
<5 |
< 3 |
< 1 |
|
COD |
30 – 60 |
20 – 30 |
< 10 |
2 – 4 |
|
细菌 CFU/100mL |
< 0 |
<1000 |
<1000 |
<1 |
|
氟 |
0.2-1.0 |
0.2 - 0.7 |
<0.1 |
< 0.02 |
|
锶 |
N.M |
0.2 – 1 |
N.M. |
N.M. |
|
钡 |
N.M |
0.01 – 0.1 |
N.M. |
N.M. |
|
铝 |
0.09 |
0.03 |
< 1.0 |
< 0.1 |
|
铁 |
0.09 |
0.02 – 0.09 |
< 0.04 |
0.02 – 0.04 |
|
锰 |
0.06 |
< 0.05 |
< 0.05 |
< 0.05 |
|
铜 |
0.02 |
< 0.05 |
< 0.02 |
< 0.05 |
|
锌 |
0.06 |
< 0.05 |
< 0.05 |
< 0.02 |
|
As,Cd,Cr,Pb,Hg,Se |
< 0.02 |
每个最大50ppb |
N.D. |
< 0.0001 |
|
氰化物和H2S |
< 0.02 |
N.D. |
N.D. |
CN - < 0.01 |
注: N.D. 表示检测不到； N.M. 表示未测； U.O. 表示无味。
原工业用水有时SDI值(>6)及TSS(6～6.5ppm)很高，偶尔导致RO给水的SDI值超过4。当RO给水的SDI值长期超过4时，要求系统的回收率从86％降到75％。而且在2000年元月启动及其后的几个月中，该系统的回收率被谨慎小心地控制在75％，在而后的半年期间缓慢增加到86％。
预计的清洗周期在86％的回收率下，每月一次。在4周的清洗间隔中，标准化产水流量后一般会下降15～20%。清洗后，标准化的产水量能恢复到原有水平。FILMTEC膜允许在很高的pH值(30oC时最高可到pH12，35oC时最高可到pH11.5)下进行清洗，而不会对膜性能造成负面影响。这比市场上其他品牌的膜都要高很多。清洗常用化学药品为NaOH，Na-EDTA和HCl。酸洗可用HCl在pH1～2下进行。
运行一年后，进行了一次例行膜解剖分析，以测试结垢物和污堵物的成分，并检查标准条件下元件性能。正如预料，仅存在轻微的生物污堵，并探测到少量Ca、Si、Fe，表明存在轻微胶体污堵。系统性能也正如所预料的一样，脱盐率和流量均在技术规范之内。没有任何迹象表明存在产水恶化、通量损失、需要增加给水压力等问题。
由于SUT，AIC及陶氏公司的紧密合作，在工程各阶段进行了大量审查工作，使该项目得以按时调试，并且产水水质超过了设定的规范值。自2000年元月初启动以来，该RO系统运行良好，参数稳定。
SUT和AIC的工程师发现FILMTEC的FR膜正如严格实施的设计和运行条件下的预计，运行效果良好。采用普通价廉的化学药品就足以满足清洗要求，从而保持较低的清洗成本。与采用非抗污染膜的老系统相比，该系统显著降低了运行成本。
SUT提供的高级工业用水进一步节省了裕廊岛用户的除盐水生产费用，因为膜脱除了废水中大多数的溶解性盐类。其结果是双赢局面，不仅为工业界找到了廉价的水源，而且帮助新加坡保护了稀缺的淡水资源。
RO技术及FILMTEC FR膜未来的潜力及意义已远远超出其带给SUT及其裕廊岛用户的成功。RO是一项成熟的且 用户用得起的技术，它不仅能从海水制取淡水，而且能使废水回用，保护水资源。这一套十分经济的供水系统正在连续地运行之中，其出水水质和水量稳定，将为新加坡相关公司节省数百万美元，并成为吸引其他公司在此创业的重要因素。同样地，该技术也可用于世界其他缺水地区处理循环回用废水，从而保护重要的自然资源。
致谢: 作者对SUT公司的Seetharaman先生和Eugene Yan博士、AIC公司的M. N. Rao先生、陶氏(德国)公司的J. A. Redondo先生致以诚挚谢意，感谢他们在本文准备过程中的大力支持和见解深刻的讨论。
