新加坡水資源管理進展與借鑒

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，總國土面積719km2，人口561萬（2017年數據）。水資源總量6億m3，人均擁有量為211m3，為“水量型缺水”國家。由于地處熱帶，新加坡長夏無冬，降雨豐沛，多年平均降雨量2400mm，降雨密度高，持續時間短，覆蓋面積小。

面對嚴重缺水的情況，新加坡1965年獨立以后便將水資源管理作為最重要的國策之一，并制定“四大水喉”(Four National Taps)的基本方針，基本內容為雨水收集、進口水、新生水和海水淡化，是新加坡水資源的四大主要來源。同時還建立了完善的水資源管理法律體制，推行節約用水。據統計，新加坡2003年人均日用水量為165L，自2006年大力推行節水政策后，2011年人均日用水量為155L，預計2020年降至147L。而全球人均日用水量為200L，中國2015年人均日用水量為174.46L。此外，新加坡積極研發和引進各類水處理新技術，不僅效果顯著，而且成本低廉。這不僅有利于新加坡長遠發展，還對其他國家和地區具有借鑒意義。

二、“四大水喉”(Four National Taps)

2000年以前，新加坡用水僅有2個來源，即馬來西亞進口水和本地蓄水區域。2001年主管水務的政府機構PUB成立，2002年開發出新生水（NEWater）和海水淡化兩大新水源，正式確立“四大水喉”的供水架構。目前，新加坡已經建成了一套足夠強大，多樣化和可持續的供水體系（圖1）——雨水收集、進口水、新生水和海水淡化。在進一步整合水系統和最大限度地提高“四大水喉”的效益時，新加坡已經基本克服了其水資源短缺的特質。未來，新加坡規劃逐步擴大新生水與海水淡化的生產能力和供應比例，以滿足不斷增長的需求和應對潛在的外交風險。

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

1.雨水收集

截至目前，新加坡本土已經建設了17個水庫，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，然后在海灣入海口建立一座濱海灣大壩，分開內海和外海。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；當內海遭遇大雨或洪水時，閘門開啟，內海的多余水流向大海，起到排澇的作用；同時，對內海海水進行海水淡化，使其轉化為淡水水域，以供使用。

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

2.進口水

1962年新加坡與馬來西亞簽訂購水協議，新加坡每日可從馬來西亞Johor River進口250萬加侖的水。1990年附加協議規定由新加坡運營位于Johor River附近的自來水廠，為馬來西亞提供進口水量2%的自來水，其余自來水經管道運輸至新加坡。該購水協議體系將于2061年到期，鑒于兩國外交關系具有潛在的不穩定性，該協議到期后能否續期或者兩國能否達成新的協議仍是未知數。所以新加坡政府考慮逐步降低進口水比例，以應對潛在的風險。

3.新生水（NEWater）

新生水，即污水利用的概念于20世紀70年代被提出，限于當時膜凈化技術高昂的成本，無法實現規模應用。90年代以后，膜技術取得長足進步，處理成本降低，于是新加坡開始小規模試驗。2000年，第一座試驗廠建成，日處理水量1萬噸。其采用微濾，反滲透，再紫外消毒的工藝，對污水處理廠尾水進行再處理，得到所謂的新生水，其水質優于自來水水質要求。考慮到公眾的接受程度，新生水被輸送至各個水庫，水庫水經自來水廠處理后才被公眾使用。

新生水廠的數量和規模不斷增加。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Bedok和Krani進行擴容改造，改造后日處理量分別為7.2和6.8萬噸/日；2010年，規模最大的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到約55.5萬噸/日，占供水需求的近40%。根據規劃，2030年，新生水供水比例將達50%；2060年，這一比例將達55%。圖3為新加坡新生水和總供水量實際數據。由圖3可見，實際生產中，新生水約占總飲用水供水量的30%左右，另外的生產能力被用作工業水生產。

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

相應地，由于技術進步和規模效應，新生水的成本逐漸降低。2005年以前，新生水廠出水售價為1.3新元/m3；2005年，售價下調至1.15新元/ m3；2007年Ulu水廠投產，其投標價格為0.3新元/ m3；2014年，Changi水廠二期投產，售價為0.276新元/ m3. 而據官方數據，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。預計2030年，海水淡化生產能力為現在的2倍；2060年為現在的3倍，屆時將滿足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

1.新生水廠處理技術

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，未來規劃將這一數字提升至90%。

同時新興工藝也在研發當中。反向電滲析-反滲透(EDR-RO)工藝正在新加坡Ulu新生水廠進行中試。有研究表明，EDR工藝對進水水質要求低于RO，但處理效果比UF好，且占地面積和運行費用均低于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能的生物處理工藝。其所需碳源少，需氧量少，產泥量少。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器，其處理量為200000m3/d 。

另一方面，新加坡現有污水廠的產泥量非常巨大，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準，未來的“綠色污水廠”應當能夠實現能源自給。目前的能量回收采用污泥中溫厭氧消化，配合發電機組發電，可實現發電0.13 KWh/ m3，相當于工藝能源消耗的30%. 下一步將采用更高效率(38%)發電機，增加污泥前處理，以增加碳捕獲量，預計于2025年實現發電量0.3 kWh/ m3，最終實現污水廠的能源自給。

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，因為小試裝置可達到1.65 kWh/m 的能耗。2018年正在進行一項3800t/d的試驗，用以探究大水量處理時的能耗水平。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于現有工藝。還有研究證明，EDR工藝用于海水淡化時，可利用鹽差能發電，其具有能量密度高、膜污染小、投資成本較低等優點。

4.深隧管網和水質監測

新加坡污水收集率達100%，其地下管網主要采用深隧管網，直徑可達6m，一般埋設在地下20～50m處。無論是供水管網還是污水管網，其中都遍布各種傳感器，用以監測水質和危險氣體。必要時也會采用管道機器人進行排查。在主要的水庫中，投放人造天鵝用以監測水體各部分水質情況。面對老舊管網維護的問題，新加坡多采用原位內搪管道維護法，即用水壓將特制樹脂推入舊管道，在內壁形成新的管道，免去開挖更換管道的麻煩。

5.系統優化技術

新加坡決策機構使用系統動態學(System Dynamics)對水資源管理策略進行分析、預測和優化，以幫助實現新加坡的可持續水資源管理。何時投資地下水存儲，進行地表蓄水，加快發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現水的自給自足。這些問題的解決都依賴于一個復雜系統，而對這個系統進行數值模擬分析，是一種較為科學的決策方法。

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獲得長足的發展。一定程度上，中國北京和新加坡具有可比性。表1對比了北京和新加坡兩座城市在水資源管理方面的特點和差異，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，并且北京用水量遠超當地水資源總量，因此北京的水資源缺口十分巨大。從其他方面的數據可以發現北京水資源短缺的一些原因。

國民生產所用水量較大，北京市萬元GDP耗水量為14.10m3，為新加坡的4.5倍，加上北京經濟體量超過新加坡，因此年用水量巨大。

水費政策仍需改進。新加坡的水價構成為直接水費，水資源保護稅和污水處理費，并且隨著水處理技術進步和規模效應，新加坡水處理成本逐年降低，水務企業收支基本達到平衡。而中國水務企業則較難盈利，2016年，我國水務行業規模以上企業數量1620家，虧損企業達到364家，規模以上企業虧損比例達到22.47%，全年水務行業虧損總額59.7億元。國家控制水價維持民生，本是利民之策，但同時也在一定程度上制約了水處理新技術的發展和使用，增加了節水政策的推行阻力，因此我國需要更為靈活的水價政策，來保持水資源的可持續發展。

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30億m3，與其水資源總量相當，造成當地水資源負荷居高不下。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，出水水質達到飲用水標準，部分直接運輸至工廠使用，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。

學術交流方面，北京水展每年吸引數百家設備廠商，成為國內具有一定影響力的設備交易和技術交流平臺。新加坡擁有具有國際影響力的新加坡國際水周，吸引來自全球各地的數千家廠商、科研機構，乃至各國領導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。