据IWA国际水协会微信公众平台2018年3月30日讯 水是新加坡重要的战略和经济资本。水技术作为其经济发展的关键支柱，新加坡公共事业局（简称：PUB）和新加坡经济发展局（简称：EDB）联手其他相关政府部门、企业和科研机构，紧密合作，力求将新加坡打造成一个欣欣向荣的全球性水技术中心。2017年7月，新加坡公共事务局PUB就在其报告《Innovation in Water Singapore (新加坡水创新）》中透露了目前新加坡水处理领域的研发重点。2018年初，PUB发出三份建议邀请书，邀请全球水行业的技术供应商和研究机构为新加坡水处理工艺和运行开发提供高效的解决方案，满足其水资源可持续发展的战略目标。
　　PUB水技术创新报告分享了新加坡如何带头将水处理的研究和技术转化成实际应用，继而形成一套智能和可持续的水管理体系。
　　从想法到实践
　　2016年10月，PUB通过水资源竞争力研究项目（Competitive Research Programme for Water）征集水处理创新项目方案，拨款总额高达2500万美元。其主要资助两大类的项目：新技术的开发，以及现有实验室规模技术的转化和应用。
　　在过去，技术转化受到的关注较少，PUB这一决定是对这些新兴技术商业化应用的大胆推动。 企业和技术供应商可以申请资金，对这些新兴技术作进一步开发和商业化探索。PUB制定了一份五年计划名单，里边包括了18项尚待转化的研究技术。其中的关键技术包括了用于监测下水道污染物的微生物电化学传感器（MES）系统、压力延迟渗透膜技术（PRO Membranes）以及仿生膜技术等。

　　MES-在线毒性监测传感器
　　新加坡的污水管网也受到工业园区重金属和氰化物等意外或非法排放的困扰。PUB与新加坡国立大学的Ng How Yong（黄浩勇）教授领导的团队合作开发了一款响应快速、价格低廉的MES系统（如下图），它可以快速监测上述污染物的排放情况，便于及时作出应对措施。
　　有趣的是，这套系统最初是用作微生物燃料电池的。研究者觉得MFC是提高污水处理的电能回收的方法，但试验结果显示其电阻实际上大大限制了电力输出。尽管遇到了这样的挫折，该团队和PUB一起探索替代方案，用相同的电化学原理，发现了这项技术可以用作毒性传感器。这最终促成了目前这套MES系统的诞生，污水中的高浓度重金属和氰化物使得MES电压下降，系统引发警报，并传送给PUB中控系统。

MES毒性传感器系统的工作流程图

　　目前，已经有5套MES系统安装在一个工业污水处理站，实时监测污水的排放情况。PUB计划近期在大士（Tuas）和兀兰（Woodlands）的工业区再安装10套该系统。
　　膜技术
　　膜技术在新加坡NEWater的发展中发挥了重要作用。1974年他们建造了第一个示范项目，以研究物理化学过程回收污水的可行性。自那以后，膜技术得到发展壮大，如今NEWater已是新加坡水资源战略的重要支柱。在40多年经验基础上，新加坡的水研究人员不断探索应用和优化膜过程以及饮用水与污水处理的创新方法。
　　减少超滤膜污染
　　超滤膜的污染过去一般依靠就地清洗（Clean-in-Place，简称：CIP）得以减缓，但效率依然不尽理想。韩国的晓星（Hyosung）公司研发了一套减少污染和强化清洗的LFEC膜系统（见下图），它包含了由乙酰化甲基纤维素（AMC）制成的高强度亲水超滤膜，以及可以产生纳米气泡以提供更好的清洗效果的设备。这个系统在韩国安养（Anyang）污水厂进行了中试，结果显示纳米级气泡在几乎相同能耗的前提下，显著改善了CIP效率。该公司正在新加坡的Tuas研发场所测试LFEC膜的性能，PUB还将把其和传统PVDF膜的性能进行对比。

　　低能耗的纳滤工艺
　　新加坡的海水淡化和NEWater耗能巨大，为此，新加坡国立大学Neal Chung Tai-Shung的团队与MICRODYN-NADIR新加坡分公司的研究员合作，专门为反渗透进水的预处理工艺设计了一款纳滤中空纤维膜。这款膜（1英寸）由聚苯醚砜（PES）制成，截面图如下：

　　这款膜也可应用于RO浓缩液有机物（TOC）的处理。处理前后的效果如下：

　　模仿大自然的仿生膜
　　水通道蛋白是在生物体中天然存在的水通道蛋白。这些蛋白质通道只允许水分子通过，充当着自然界自身的水过滤系统。为了模拟这个自然现象并将其用于各种水处理，新加坡一直在开发嵌入水孔蛋白的新型膜。这些基于水通道蛋白的仿生膜（ABMs）预期会对水分子表现出更高的渗透性和选择性，这将能减少相应的能耗和成本。

四聚体水通道蛋白-Z（AQPz) (左）；基因工程单体AQPz的分子模型（右）

　　南洋理工大学一研究团队采用界面聚合（interfacial polymerisation）的方法，已经成功制造出一种平板式ABM膜，透水率比目前的商用RO膜高出40%。这种方法通过选择性层的聚合物基体保护了膜中的水通道蛋白，使其免受进水情况变化的影响，这种构造也使其能更好地承受水力冲击，提高使用寿命。
　　在此基础上，该团队还研发了中空纤维膜结构的ABM膜（见下图）。他们在RO、PRO和FO等不同应用里对该膜进行测试，结果显示其透水率远高于传统的高分子膜，同时保持了良好的脱盐率。但是，对于大规模的商业化应用，ABM模块仍需进一步开发和优化。一个10立方米/日的中试反应系统正在计划中，以测试其在海水淡化和水回用中的应用性。

　　通过PRO系统回收能量
　　压力延迟渗透膜技术（Pressure Retarded Osmosis, PRO）是利用两种不同盐浓度水体之间的渗透压差驱动水由低浓度一侧渗透过膜进入高浓度一侧，使高浓度溶液体积增大，从而将盐差能转化为动能或电能以被利用。
　　由于盐差能，水自发地从低盐度溶液（如NEWater盐水）到高盐度溶液（如海水反渗透SWRO盐水）穿过半渗透膜。这样，将高压室新增的体积抽取出来，可以通过能量转化装置转化成电能，或者通过压力交换器补偿海水淡化反渗透装置所需的高压。可提供再生能量是PRO技术的一个关键点，并且它可以应用在高盐度污水的处置上。在新加坡，这项技术有望应用于海水淡化和新生水产生的盐水处理。

PRO在新加坡的应用原理图

　　目前，该领域的研究人员正将焦点放在PRO膜的研发上，目标是生产能承受高压系统的膜，从而提高能量回收率。由新加坡国立大学Neal Chung Tai-Shung领导的研究小组已经发明了分别可承压22和20bar的平板膜和中空纤维膜。另外，由南洋理工大学Wang Rong领导的团队则研发了一款新型的PRO中空纤维膜，在15bar压力和超过200小时的测试时间里显示出了很强的稳定性。该团队同时也利用氨基硅烷合成了抗膜污染的复合膜。氨基硅烷的优点在于其亲水性，增加了膜的透水性，从而提高能量密度。这些团队下一步需要将做中试以及其他放大试验，处理能力将增至200～250立方米/日，以评估膜的长期表现。
　　从实验室到市场
　　由于缺乏天然淡水资源，自独立以来新加坡就面临着水危机。多年来技术的发展给这个国家带来了可观的水安全和可持续性。但新加坡对水技术创新依然有着很高的需求，尤其考虑到是他们计划在2060年停止从马来西亚进口淡水资源，而本国的用水需求却可能翻一番。正因如此，新加坡的研发都以商业应用为总计目标。
　　通过企业和学术届合作伙伴的支持，新加坡已经在超过510个研究项目里投入了超过3.56亿新币（约2.7亿美元），以寻求新的水处理解决方案。新加坡国家研究基金会已经承诺在未来五年追加2亿美元，强化新加坡作为水技术研发和商业化的全球中心地位。而在过去10年多的时间里，新加坡在整个水领域的投入了已经超过了4.7亿美元。
　　从实验室到市场，研究者往往要面对一个转化过渡阶段，一些时候他们会感到无从下手。对于企业，尤其是初创公司，在新技术的商业研发应用过程中，也经常在通过“死亡谷”的路上遇到困难，例如难以找到具备专业知识和经验的员工，或者缺乏资金和基础设施在实际环境中测试技术的可行性。
　　为了确保基础研究的努力最终能够得以被实际应用，以及让有前景的技术得以商业化，新加坡如今设立了多个学术和技术转化机构。其中一个是分离技术应用研发和转化中心（START），一个帮助分离技术走向市场的国家机构。它位于新加坡的清洁技术工业园(CleanTech Park)内。清洁技术工业园是新加坡首个为水处理和绿色技术企业打造的技术工业园，为该国的研究机构和水处理企业作对接。START中心召集了15～20位行业专家帮助筛选前景看好的分离技术，这些专家在材料、化工和电气工程等方面有深厚的背景。中心还提供膜生产设备，辅助系统设计开发，以及提供现实的测试设备。同时它也为行业合作伙伴的产品规模化作各种资源对接。
　　除START之外，其他研究机构还包括义安理工学院的环境与水技术创新中心（EWT-COI），该中心负责处理膜和水相关的挑战，例如水处理的生物处理和深度处理工程技术。EWT-COI在帮助当地中小型企业打入市场方面也有其独特之处。例如在2014年，EWT-COI计划开发一款膜式蒸发冷却器（MEC），其用水量比传统工业冷却塔减少20～40％，占地面积也大大减少（如下图）。新加坡本土的一家中小企业Relic Services接受了挑战，对原规模为10RT（冷吨）的样机进行中试测试。这套系统预计将在2018年3月投入商业运营，并具有50RT的容量。

左侧的MEC系统与传统冷却塔系统的对比

　　除此以外，企业研发设施也是新加坡应用型研发生态系统的重要组成。GE新加坡水技术中心于2009年由通用电气（GE）创立，位于新加坡国立大学，专注于开发突破性技术。该中心支持GE的科学家和工程师在压力驱动和电驱动的膜分离技术、膜化学品和先进分析技术等领域的探索。GE的全球客户和新加坡都是这种合作性开发的解决方案的受惠者。
　　这些机构的设置有助于加强新加坡水处理领域学术界和工业界之间的联系，使新加坡能继续作为引领水行业的发展。新加坡已经是一个活体实验室，企业可以在这里对有前景的理念和技术进行实验室规模的可行性测试，或者在实际环境中进行中试实验。PUB与初创企业、技术成果转化机构和研究机构建立了充满活力的生态系统，大家有着明确的目标和愿景。PUB也将继续与其合作伙伴合作，收集新理念和技术，加速其研发及商业化，并最终将它们带入市场并走向世界。
　　PUB《Innovation in Water Singapore (新加坡水创新）》中13个主要研究项目的概况
　　1. 利用细菌监测污水水质
　　来自南洋理工大学的恩里科·马西里（Enrico Marsili）博士和团队研发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VOCs。由于VOCs对细菌有毒性，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接近实时的VOCs信息。
　　如下图所示，他们已经开发了一款小型生物反应器，将大肠杆菌的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。

　　2. 下水道无人机
　　新加坡的超级工程Deep Tunnel Sewerage System(深隧排污系统)被视作污水处理的高速公路。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，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。

　　3. 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，但高能耗仍被视作其缺点。韩国斗山（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）替代了传统的清洗方式。

▲ 传统的MBR（左）与LENA-MBR（低能耗无曝气MBR）的对比

　　斗山集团在新加坡乌鲁班丹（Ulu Pandan）再生水厂搭建了一个1600立方米/日的示范项目（如下图）。结果显示其单位能耗为0.03～0.015千瓦小时/立方米，而传统的气洗能耗为0.1～0.15千瓦小时/立方米，能耗减少了约85%。

　　4. 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。小试结果显示沼气回收率为9～12克/平方米，模拟结果显示能回收出水中35%的沼气，相当于0.11兆焦耳/立方米出水。但这个膜接触器有一个缺点，回收沼气时二氧化碳也会同时释放出来。该团队正探索优化方案。

▲ 通过膜分离法回收溶解沼气的原理图

　　5. 实现能耗平衡的污水厂
　　PUB和苏伊士（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，成果将应用到未来大士再生水厂的设计中。

▲ 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(右)

　　6. 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班丹（Pandan）水库进行一个为期两年的研究项目，目的是探究水生植物要在何种密度和覆盖率的条件下才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Ludwigia adscendens (水丁香) 和Persicaria barbata (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。

▲ 小型试验中的Ludwigia adscendens (水丁香) 和Persicaria barbata (粉团蓼)

　　7. 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，通过加权分析底栖大型无脊椎动物对污染的敏感性，可计算水质和生态健康的生物指数。这种方法称为生物监测，但在传统上耗时较大。

　　曾为新加坡的淡水系统开发出两个指数Sing Score和BQISING的新加坡国立大学埃丝特·克卢斯（Esther Clews）和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，并解放更多人手执行其他重要任务。
　　8. 智能淋浴
　　淋浴占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开展了一项合作研究项目，以探索有何措施可减少淋浴用水。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20升水。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15升），过高和过低的目标都不利于达标。

　　9. 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的、支持异养细菌生长繁殖最好的营养基质。AOC检测可用于评判活性炭的去除效果。传统的检测方法耗费很长的时间，新加坡义安理工大学的团队研发出的新方法大大缩短了检测时间。和传统方法相比检测精度同等的情况下，可以将检测时间减少80-90%。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。

▲ 新方法与传统AOC检测方法的对比

　　10. 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。

▲ 安全水处理系统(SWaT)的流程图及实验床

　　11. 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的克兰芝（Kranji）NEWater水厂对此进行为期15个月的测试。

　　12. 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高级水资源管理中心（AWMC）的团队提议使用不含硫酸根的铁盐（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。

▲ 综合城市供水系统建议的铁盐使用方式

　　13. 优化RO系统降低NEWater运行成本
　　PUB和Avista公司合作开发了一款叫“黑盒Black Box”的设备，它无需中断RO膜运行或将RO膜移出系统即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克兰芝NEWater水厂内，进行了为期3个月的试验，直到其性能下降为止。之后研究人员对收集到的污染物进行分析，识别出RO膜污染机制，继而分析出一套有针对性的清洗方案来减少膜污染问题。

▲ 将黑盒整合到RO系统中，模拟特定位置的操作条件