新加坡PUB水创新研发报告2018 （下）
PUB在2018年7月的新加坡国际水周前出版了第10期的进展报告《新加坡水创新（Innovation in Water Singapore）》，对目前新加坡水处理领域的研发重点项目进行了系统介绍。
上期微信推送中我们分享了PUB将前沿的水处理技术从实验室走向市场的经验，本期我们将带大家了解报告里介绍的其主要研究项目的概况。
利用细菌监测污水水质
来自南洋理工大学的Enrico Marsili和及其团队研发出了一种新型生物电化学方法，利用基因工程细菌检测污水管网中的特定挥发性有机物（VOCs）。
由于VOCs对细菌有毒，影响了细菌的代谢速率，导致电流和电化学信号发生变化。
这种方法可提供关于样品中VOCs的接近实时的信息。
如下图所示，他们已经开发了一款小型生物反应器，将大肠杆菌培养基封装在仪器中以捕捉电化学信号，但离最终应用还有许多工作需要攻克。
下水道无人机
新加坡的超级工程深层隧道排污系统(Deep Tunnel Sewerage System)被视作污水处理的高速通道。
传统的人工检修维护工作充满难度，Aero Lion Technologies （ALT）公司为此提出了无人机检测的解决方案。
一期测试项目从2016年8月就开始，包括在DTSS的支路作示范验证，并收集相应数据。
在第二阶段，无人机的设计将得以优化，使续航能力最大化，并提高安全性能。
如果项目成功，它将成为DTSS检查和维护工作的宝贵工具。
膜生物反应器提高能效
过去20年，MBR在污水处理领域已经取得长足发展，在高能耗仍被视作其缺点。
韩国Doosan集团研发了一款叫LENA-MBR的系统，LENA是低能耗无曝气（Low Energy No Aeration）的英文简称。
如下图所示，它用能耗更低的机械膜互换作用（mechanical membrane reciprocation）顶替了传统的清洗方式。
图.传统的MBR（左）与LENA-MBR（低能耗无曝气MBR）的对比
Doosan集团在新加坡Ulu Pandan再生水厂搭建了一个1,600m³/d的示范项目（如下图）。
结果显示其单位能耗为0.03-0.015kWh/m³，而传统的气洗能耗为0.1-0.15 kWh/m³，能耗减少了约85%。
生物沼气回收最大化
位于南洋环境与水研究院的新加坡膜技术中心（SMTC-Singapore Membrane Technology Centre）正在探索用膜分离的方法从厌氧消化出水中提取溶解的沼气。
实验室规模的小试结果显示沼气回收率为9-12g/㎡膜，模拟结果显示能回收出水中35%的沼气，相当于0.11兆焦耳/m³出水。
但这个膜接触器有一个缺点就是它将二氧化碳也同时释放出来了。
该团队正探索优化方案。
图.通过膜分离法回收溶解沼气的原理图
能耗平衡的污水厂
PUB和SUEZ正共同开发高效AB法工艺。
中试显示该工艺能成功适应新加坡的污水水质和当地气候。
同时他们也与丹麦的DHI合作开发智能控制系统。
如果项目终获成功，成果将应用到未来Tuas再生水厂的设计中。
图.位于Kranji再生水厂的高效AB法工艺中试厂（左）；AB法污泥的生物甲烷潜在产量分析
利用水生植物修复水库系统
新加坡国立大学和悉尼科技大学正在Pandan水库进行一个为期两年的研究项目，目的是调查水生植物要在何种密度和覆盖率的条件下可将水库由浮游生物统治的状态转化成水生植物主导的状态。
研究内容包括光、营养物和异株克生等影响。
第一阶段的研究发现Ludwigiaadscendens (水丁香) 和Persicariabarbata (粉团蓼)能有效减少总氮和浮游生物量，减少百分比分别为20-24%和73-91%。
下一阶段研究团队将对季节变化进行研究，并且会放到中大型的群落生态中进行试验。
研究团队代表说研究成果将减少蓝藻水华的影响。
图. 小型试验中的Ludwigia adscendens (水丁香) 和Persicaria barbata (粉团蓼)
二次抽样提高生物监测效率
二次采样可以提高样品处理效率，而不会影响长期生物监测数据集的完整性。
淡水系统里的特定水生生物的存在与否可以作为水体生态质量的指示因子。
如下图（左）所示，通过对底栖大型无脊椎动物对污染的敏感性作加权分析，可用于计算水质和生态健康的生物指数。
这种方法称为生物监测，但这方法过去耗时较大。
曾为新加坡的淡水系统开发出两个指数(Sing Score and BQISING)的新加坡国立大学Esther Clews及其团队因此成立了一个项目，通过二次采样提高生物监测的效率。
如上图所示，他们设计了一个经改良的Marchant盒，样品分割放入100个由3D打印建成的单元格。
同时他们也对处理方式进行改良，处理时间可缩短50%。
他们的研究成果可帮助PUB简化生物监测的操作，并解放更多人力去执行其他重要任务。
智能淋浴
淋浴占了新加坡家庭每月用水量的29％。
新加坡国立大学的Sing Tien Foo及其团队，联合其他三所海外大学与PUB开展一项合作研究项目，探索通过何种措施来减少淋浴用水。
受瑞士此前某试验的启发，他们在新加坡550户家庭安装如下图的智能洗浴装置，在4-6月的时间内实时跟踪用水量。
结果显示新加坡人平均在5分钟的洗浴时间里耗费了20L的水。
用户在被告知自己的用水量之后，平均用水量减少了约10%。
研究者也发现，为用户设定合理的节水目标效果最佳（例如15L），过高和过低的目标都不利于达标。
可同化有机碳的快速检测
可生物同化有机碳（AOC - Assimilable organic carbon）是有机物中最易被微生物合成菌体、最能支持异养细菌生长繁殖的营养基质。
AOC检测用于评判活性炭的去除效果，但传统的检测方法耗费很长的时间。
新加坡义安理工的团队研发出新的方法大大缩短了检测时间（见下图）：
图.传统和新的AOC检测方法对比
这项新方法的附加优点是可以在检测过程中监测细胞生长情况。
这能使新方法能跟传统方法一样可靠准确，同时检测时间减少80-90%。
水处理系统的网络安全
近年网络控制系统的普及使得网络攻击成为水务部门面临的新威胁。
新加坡科技设计大学（SUTD）为此开发了一套安全水处理系统（SWaT）。
这套试验系统目标在于加深对水处理系统潜在网络攻击的理解，评估检测算法和防御机制的有效性。
下图是他们建立的膜处理系统的模型和实际试验床。
目前这套系统运行正常，并计划加入新的传感器测量水的化学属性。
图.安全水处理（SWaT）的流程图及实验床
减少反渗透膜的结垢率
新加坡NEWater的反渗透膜随着时间推移，由于堵塞结垢问题性能会下降。
ROTEC 公司的工程师找到了新方法来最大限度减少膜结垢。
由于微溶矿物的过饱和溶液需要一定的诱导时间沉淀到晶体生长位点并形成堵塞膜的垢，所以逆转RO单元中的水流可减缓垢的积聚。
他们在PUB的Kranji NEWater水厂对此进行为其15个月的测试。
图. 通过改变水流模式提高回收率和减少化学品使用量
利用自来水投加铁盐保护污水管网
城市水循环圈有着各种物质的循环相互影响，例如硫酸铝在污水处理中的使用导致了污泥量的增加。
澳大利亚昆士兰大学先进水资源管理中心（AWMC）的团队提议使用不含硫酸的铁盐（例如氯化铁）作为替代物。
使用铁盐的好处在于，当含铁污泥进
入下水道时，铁离子与污水中的硫化物反应，减少硫化氢产出，从而保护管网免受其腐蚀。
在污水处理过程中，这种硫化物还原反应继续进行，同样可减少厌氧消化阶段产生的硫化氢。
铁盐与磷酸盐发生沉淀反应，为下游NEWater提供更优质出水，减少水垢负荷。
目前PUB和AWMC正对其进行可行性研究和中试。
图. 在综合城市供水系统建议的铁盐使用方式
优化反渗透系统降低NEWater的运行成本
PUB和Avista公司合作开发出一款叫Black Box设备，它能在无需中断运行将RO 移出系统的情况下对其健康状况进行评估。
每个黑盒由一些小型膜样品组成，以模拟实际系统的膜功能。
他们将一个黑盒安装到Kranji NEWater厂内，进行了为期3个月的试验，直到其性能下降为止。
他们对收集的污染物进行分析，识别出RO膜污染机制，继而开发出一套特质的清洗方案来减少膜污染问题。
