新加坡水資源管理進(jìn)展與借鑒

任俊霖 肖雨心 尚奕

一、新加坡水資源概況

新加坡位于馬來西亞半島南端，毗鄰馬六甲海峽，主體為新加坡島，另有群島61座，總國(guó)土面積719km2，人口561萬（2017年數(shù)據(jù)）。水資源總量6億m3，人均擁有量為211m3，為“水量型缺水”國(guó)家。由于地處熱帶，新加坡長(zhǎng)夏無冬，降雨豐沛，多年平均降雨量2400mm，降雨密度高，持續(xù)時(shí)間短，覆蓋面積小。

面對(duì)嚴(yán)重缺水的情況，新加坡1965年獨(dú)立以后便將水資源管理作為最重要的國(guó)策之一，并制定“四大水喉”(Four National Taps)的基本方針，基本內(nèi)容為雨水收集、進(jìn)口水、新生水和海水淡化，是新加坡水資源的四大主要來源。同時(shí)還建立了完善的水資源管理法律體制，推行節(jié)約用水。據(jù)統(tǒng)計(jì)，新加坡2003年人均日用水量為165L，自2006年大力推行節(jié)水政策后，2011年人均日用水量為155L，預(yù)計(jì)2020年降至147L。而全球人均日用水量為200L，中國(guó)2015年人均日用水量為174.46L。此外，新加坡積極研發(fā)和引進(jìn)各類水處理新技術(shù)，不僅效果顯著，而且成本低廉。這不僅有利于新加坡長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，還對(duì)其他國(guó)家和地區(qū)具有借鑒意義。

二、“四大水喉”(Four National Taps)

2000年以前，新加坡用水僅有2個(gè)來源，即馬來西亞進(jìn)口水和本地蓄水區(qū)域。2001年主管水務(wù)的政府機(jī)構(gòu)PUB成立，2002年開發(fā)出新生水（NEWater）和海水淡化兩大新水源，正式確立“四大水喉”的供水架構(gòu)。目前，新加坡已經(jīng)建成了一套足夠強(qiáng)大，多樣化和可持續(xù)的供水體系（圖1）——雨水收集、進(jìn)口水、新生水和海水淡化。在進(jìn)一步整合水系統(tǒng)和最大限度地提高“四大水喉”的效益時(shí)，新加坡已經(jīng)基本克服了其水資源短缺的特質(zhì)。未來，新加坡規(guī)劃逐步擴(kuò)大新生水與海水淡化的生產(chǎn)能力和供應(yīng)比例，以滿足不斷增長(zhǎng)的需求和應(yīng)對(duì)潛在的外交風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 新加坡水循環(huán)示意圖Fig.1 The water loop of Singapore

1.雨水收集

截至目前，新加坡本土已經(jīng)建設(shè)了17個(gè)水庫，集水面積超過新加坡島面積的2/3（圖2），雨洪水通過溝渠、河流、管道等匯集并流入水庫，成為水源。

其中頗具特色的是圖1所示第13號(hào)水庫——濱海灣水庫(Marina Reservoir)。濱海灣水庫面積約667公頃，供水量占新加坡總供水量的約10%，是17座水庫中水量最大的一座。這座水庫首先通過人工填海形成海灣，然后在海灣入?？诮⒁蛔鶠I海灣大壩，分開內(nèi)海和外海。濱海灣大壩由9道冠狀鋼閘組成，橫跨350米寬的入海口，壩身高達(dá)28米。濱海灣水庫的主要作用為防洪防潮和蓄積淡水。正常情況下，閘門高度始終高于外海海面，以防止海水倒灌和潮汐影響；當(dāng)內(nèi)海遭遇大雨或洪水時(shí)，閘門開啟，內(nèi)海的多余水流向大海，起到排澇的作用；同時(shí)，對(duì)內(nèi)海海水進(jìn)行海水淡化，使其轉(zhuǎn)化為淡水水域，以供使用。

圖2 新加坡水庫分布圖Fig.2 Singapore reservoir map

2.進(jìn)口水

1962年新加坡與馬來西亞簽訂購水協(xié)議，新加坡每日可從馬來西亞Johor River進(jìn)口250萬加侖的水。1990年附加協(xié)議規(guī)定由新加坡運(yùn)營(yíng)位于Johor River附近的自來水廠，為馬來西亞提供進(jìn)口水量2%的自來水，其余自來水經(jīng)管道運(yùn)輸至新加坡。該購水協(xié)議體系將于2061年到期，鑒于兩國(guó)外交關(guān)系具有潛在的不穩(wěn)定性，該協(xié)議到期后能否續(xù)期或者兩國(guó)能否達(dá)成新的協(xié)議仍是未知數(shù)。所以新加坡政府考慮逐步降低進(jìn)口水比例，以應(yīng)對(duì)潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

3.新生水（NEWater）

新生水，即污水利用的概念于20世紀(jì)70年代被提出，限于當(dāng)時(shí)膜凈化技術(shù)高昂的成本，無法實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用。90年代以后，膜技術(shù)取得長(zhǎng)足進(jìn)步，處理成本降低，于是新加坡開始小規(guī)模試驗(yàn)。2000年，第一座試驗(yàn)廠建成，日處理水量1萬噸。其采用微濾，反滲透，再紫外消毒的工藝，對(duì)污水處理廠尾水進(jìn)行再處理，得到所謂的新生水，其水質(zhì)優(yōu)于自來水水質(zhì)要求?？紤]到公眾的接受程度，新生水被輸送至各個(gè)水庫，水庫水經(jīng)自來水廠處理后才被公眾使用。

新生水廠的數(shù)量和規(guī)模不斷增加。2003年，建成Bedok和Krani兩座水廠，日處理量分別為2.8萬噸和4.8萬噸；2004年，第三座Seletar水廠(2萬噸/日)落成；2007年，Ulu水廠(12.8萬噸/日)建成；2009年對(duì)Bedok和Krani進(jìn)行擴(kuò)容改造，改造后日處理量分別為7.2和6.8萬噸/日；2010年，規(guī)模最大的Changi新生水廠(20萬噸/日)建成。至2018年，新加坡新生水廠總供水能力達(dá)到約55.5萬噸/日，占供水需求的近40%。根據(jù)規(guī)劃，2030年，新生水供水比例將達(dá)50%；2060年，這一比例將達(dá)55%。圖3為新加坡新生水和總供水量實(shí)際數(shù)據(jù)。由圖3可見，實(shí)際生產(chǎn)中，新生水約占總飲用水供水量的30%左右，另外的生產(chǎn)能力被用作工業(yè)水生產(chǎn)。

圖3 新生水與總飲用水供水量圖Fig.3 Sales of NEWater and total potable water

相應(yīng)地，由于技術(shù)進(jìn)步和規(guī)模效應(yīng)，新生水的成本逐漸降低。2005年以前，新生水廠出水售價(jià)為1.3新元/m3；2005年，售價(jià)下調(diào)至1.15新元/ m3；2007年Ulu水廠投產(chǎn)，其投標(biāo)價(jià)格為0.3新元/ m3；2014年，Changi水廠二期投產(chǎn)，售價(jià)為0.276新元/ m3. 而據(jù)官方數(shù)據(jù)，2012年北京市自來水制水成本為3.19元/ m3(約合0.645新元/m3)。新加坡極低的新生水制水成本，為其未來水資源自給自足鋪就了一條可以預(yù)期的道路。

4.海水淡化

新加坡目前擁有3座海水淡化廠，生產(chǎn)能力為100萬加侖每天（約合45.5萬噸/日），滿足約25%的供水需求。預(yù)計(jì)2030年，海水淡化生產(chǎn)能力為現(xiàn)在的2倍；2060年為現(xiàn)在的3倍，屆時(shí)將滿足30%的供水需求。海水淡化采用超濾-反滲透工藝。2014年，新加坡生產(chǎn)一噸淡化水的成本為0.78新元（約合3.8元人民幣）。

三、水資源管理技術(shù)

1.新生水廠處理技術(shù)

新生水廠使用的工藝為雙膜處理工藝，即超濾(UF)-反滲透(RO)-UV工藝。目前可回收約75%的回用水，未來規(guī)劃將這一數(shù)字提升至90%。

同時(shí)新興工藝也在研發(fā)當(dāng)中。反向電滲析-反滲透(EDR-RO)工藝正在新加坡Ulu新生水廠進(jìn)行中試。有研究表明，EDR工藝對(duì)進(jìn)水水質(zhì)要求低于RO，但處理效果比UF好，且占地面積和運(yùn)行費(fèi)用均低于UF-RO工藝。也有研究提出，使用正滲透-反滲透(FO-RO)的組合工藝得到新生水以降低處理成本，但正滲透所使用的膜材料仍有待優(yōu)化。

2.厭氧氨氧化和污泥處理

新加坡水處理中新生水雙膜處理技術(shù)為人們所熟知，但污水并非直接由新生水廠處理，其在污水廠中的前序處理工藝也十分重要。新加坡污水處理廠正在探索使用厭氧氨氧化工藝作為生物處理工藝，該工藝是世界上目前所知的最節(jié)能的生物處理工藝。其所需碳源少，需氧量少，產(chǎn)泥量少。目前Changi污水處理廠二期已建成世界上最大的主流厭氧氨氧化反應(yīng)器，其處理量為200000m3/d 。

另一方面，新加坡現(xiàn)有污水廠的產(chǎn)泥量非常巨大，采用焚燒處理可減少污泥體積，但能耗較高。按照新加坡提出的標(biāo)準(zhǔn)，未來的“綠色污水廠”應(yīng)當(dāng)能夠?qū)崿F(xiàn)能源自給。目前的能量回收采用污泥中溫厭氧消化，配合發(fā)電機(jī)組發(fā)電，可實(shí)現(xiàn)發(fā)電0.13 KWh/ m3，相當(dāng)于工藝能源消耗的30%. 下一步將采用更高效率(38%)發(fā)電機(jī)，增加污泥前處理，以增加碳捕獲量，預(yù)計(jì)于2025年實(shí)現(xiàn)發(fā)電量0.3 kWh/ m3，最終實(shí)現(xiàn)污水廠的能源自給。

3.海水淡化工藝

目前新加坡海水淡化工藝采用反滲透，單位能耗3.5 kWh/m3。電滲析工藝被考慮用于取代反滲透工藝，因?yàn)樾≡囇b置可達(dá)到1.65 kWh/m 的能耗。2018年正在進(jìn)行一項(xiàng)3800t/d的試驗(yàn)，用以探究大水量處理時(shí)的能耗水平。有研究指出反向電滲析(EDR)也可被用于海水淡化，其處理效果和能耗均優(yōu)于現(xiàn)有工藝。還有研究證明，EDR工藝用于海水淡化時(shí)，可利用鹽差能發(fā)電，其具有能量密度高、膜污染小、投資成本較低等優(yōu)點(diǎn)。

4.深隧管網(wǎng)和水質(zhì)監(jiān)測(cè)

新加坡污水收集率達(dá)100%，其地下管網(wǎng)主要采用深隧管網(wǎng)，直徑可達(dá)6m，一般埋設(shè)在地下20～50m處。無論是供水管網(wǎng)還是污水管網(wǎng)，其中都遍布各種傳感器，用以監(jiān)測(cè)水質(zhì)和危險(xiǎn)氣體。必要時(shí)也會(huì)采用管道機(jī)器人進(jìn)行排查。在主要的水庫中，投放人造天鵝用以監(jiān)測(cè)水體各部分水質(zhì)情況。面對(duì)老舊管網(wǎng)維護(hù)的問題，新加坡多采用原位內(nèi)搪管道維護(hù)法，即用水壓將特制樹脂推入舊管道，在內(nèi)壁形成新的管道，免去開挖更換管道的麻煩。

5.系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)

新加坡決策機(jī)構(gòu)使用系統(tǒng)動(dòng)態(tài)學(xué)(System Dynamics)對(duì)水資源管理策略進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)和優(yōu)化，以幫助實(shí)現(xiàn)新加坡的可持續(xù)水資源管理。何時(shí)投資地下水存儲(chǔ)，進(jìn)行地表蓄水，加快發(fā)展新生水和海水淡化，以及未來各供水來源占多少比例才能保證實(shí)現(xiàn)水的自給自足。這些問題的解決都依賴于一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，而對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，是一種較為科學(xué)的決策方法。

四、討論

新加坡作為高度城市化的缺水型城市，在水資源管理方面已經(jīng)獲得長(zhǎng)足的發(fā)展。一定程度上，中國(guó)北京和新加坡具有可比性。表1對(duì)比了北京和新加坡兩座城市在水資源管理方面的特點(diǎn)和差異，以期獲得一些借鑒。

表1 北京與新加坡水資源管理對(duì)比2Table 1 Comparison of water resources management between Beijing and Singapore

由表1可見，北京水資源總量為新加坡的5倍，但其用水量為新加坡的7.9倍，并且北京用水量遠(yuǎn)超當(dāng)?shù)厮Y源總量，因此北京的水資源缺口十分巨大。從其他方面的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)北京水資源短缺的一些原因。

國(guó)民生產(chǎn)所用水量較大，北京市萬元GDP耗水量為14.10m3，為新加坡的4.5倍，加上北京經(jīng)濟(jì)體量超過新加坡，因此年用水量巨大。

水費(fèi)政策仍需改進(jìn)。新加坡的水價(jià)構(gòu)成為直接水費(fèi)，水資源保護(hù)稅和污水處理費(fèi)，并且隨著水處理技術(shù)進(jìn)步和規(guī)模效應(yīng)，新加坡水處理成本逐年降低，水務(wù)企業(yè)收支基本達(dá)到平衡。而中國(guó)水務(wù)企業(yè)則較難盈利，2016年，我國(guó)水務(wù)行業(yè)規(guī)模以上企業(yè)數(shù)量1620家，虧損企業(yè)達(dá)到364家，規(guī)模以上企業(yè)虧損比例達(dá)到22.47%，全年水務(wù)行業(yè)虧損總額59.7億元。國(guó)家控制水價(jià)維持民生，本是利民之策，但同時(shí)也在一定程度上制約了水處理新技術(shù)的發(fā)展和使用，增加了節(jié)水政策的推行阻力，因此我國(guó)需要更為靈活的水價(jià)政策，來保持水資源的可持續(xù)發(fā)展。

從供水體系來看，再生水比例仍有待提高，用途有待拓展。資料顯示，2015年北京再生水使用量9.5億m3，其中6億m3用于市政和園林綠化，除去再生水，北京市年需水量仍高達(dá)30億m3，與其水資源總量相當(dāng)，造成當(dāng)?shù)厮Y源負(fù)荷居高不下。以北京高碑店再生水廠為例，該水廠采用的是A2/O-反硝化生物濾池-膜過濾-臭氧脫色工藝，出水水質(zhì)為地表IV類水，只能用于景觀、市政和園林綠化。而新加坡新生水使用的UF-RO-UV工藝，出水水質(zhì)達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，部分直接運(yùn)輸至工廠使用，部分注入水庫成為飲用水源。限于工藝成本，中國(guó)目前尚不能做到污水處理成飲用水，但仍可通過探索更新工藝，拓寬再生水的用途。

學(xué)術(shù)交流方面，北京水展每年吸引數(shù)百家設(shè)備廠商，成為國(guó)內(nèi)具有一定影響力的設(shè)備交易和技術(shù)交流平臺(tái)。新加坡?lián)碛芯哂袊?guó)際影響力的新加坡國(guó)際水周，吸引來自全球各地的數(shù)千家廠商、科研機(jī)構(gòu)，乃至各國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人前來參加討論和展覽。從某種角度來說，其影響力也來源于新加坡本身在水資源管理方面的成功。