任俊霖 肖雨心 尚奕

一、新加坡水资源概况

新加坡位于马来西亚半岛南端，毗邻马六甲海峡，主体为新加坡岛，另有群岛61座，总国土面积719km2，人口561万（2017年数据）。水资源总量6亿m3，人均拥有量为211m3，为“水量型缺水”国家。由于地处热带，新加坡长夏无冬，降雨丰沛，多年平均降雨量2400mm，降雨密度高，持续时间短，覆盖面积小。

面对严重缺水的情况，新加坡1965年独立以后便将水资源管理作为最重要的国策之一，并制定“四大水喉”(Four National Taps)的基本方针，基本内容为雨水收集、进口水、新生水和海水淡化，是新加坡水资源的四大主要来源。同时还建立了完善的水资源管理法律体制，推行节约用水。据统计，新加坡2003年人均日用水量为165L，自2006年大力推行节水政策后，2011年人均日用水量为155L，预计2020年降至147L。而全球人均日用水量为200L，中国2015年人均日用水量为174.46L。此外，新加坡积极研发和引进各类水处理新技术，不仅效果显著，而且成本低廉。这不仅有利于新加坡长远发展，还对其他国家和地区具有借鉴意义。

二、“四大水喉”(Four National Taps)

2000年以前，新加坡用水仅有2个来源，即马来西亚进口水和本地蓄水区域。2001年主管水务的政府机构PUB成立，2002年开发出新生水（NEWater）和海水淡化两大新水源，正式确立“四大水喉”的供水架构。目前，新加坡已经建成了一套足够强大，多样化和可持续的供水体系（图1）——雨水收集、进口水、新生水和海水淡化。在进一步整合水系统和最大限度地提高“四大水喉”的效益时，新加坡已经基本克服了其水资源短缺的特质。未来，新加坡规划逐步扩大新生水与海水淡化的生产能力和供应比例，以满足不断增长的需求和应对潜在的外交风险。

图1 新加坡水循环示意图Fig.1 The water loop of Singapore

1.雨水收集

截至目前，新加坡本土已经建设了17个水库，集水面积超过新加坡岛面积的2/3（图2），雨洪水通过沟渠、河流、管道等汇集并流入水库，成为水源。

其中颇具特色的是图1所示第13号水库——滨海湾水库(Marina Reservoir)。滨海湾水库面积约667公顷，供水量占新加坡总供水量的约10%，是17座水库中水量最大的一座。这座水库首先通过人工填海形成海湾，然后在海湾入海口建立一座滨海湾大坝，分开内海和外海。滨海湾大坝由9道冠状钢闸组成，横跨350米宽的入海口，坝身高达28米。滨海湾水库的主要作用为防洪防潮和蓄积淡水。正常情况下，闸门高度始终高于外海海面，以防止海水倒灌和潮汐影响；当内海遭遇大雨或洪水时，闸门开启，内海的多余水流向大海，起到排涝的作用；同时，对内海海水进行海水淡化，使其转化为淡水水域，以供使用。

图2 新加坡水库分布图Fig.2 Singapore reservoir map

2.进口水

1962年新加坡与马来西亚签订购水协议，新加坡每日可从马来西亚Johor River进口250万加仑的水。1990年附加协议规定由新加坡运营位于Johor River附近的自来水厂，为马来西亚提供进口水量2%的自来水，其余自来水经管道运输至新加坡。该购水协议体系将于2061年到期，鉴于两国外交关系具有潜在的不稳定性，该协议到期后能否续期或者两国能否达成新的协议仍是未知数。所以新加坡政府考虑逐步降低进口水比例，以应对潜在的风险。

3.新生水（NEWater）

新生水，即污水利用的概念于20世纪70年代被提出，限于当时膜净化技术高昂的成本，无法实现规模应用。90年代以后，膜技术取得长足进步，处理成本降低，于是新加坡开始小规模试验。2000年，第一座试验厂建成，日处理水量1万吨。其采用微滤，反渗透，再紫外消毒的工艺，对污水处理厂尾水进行再处理，得到所谓的新生水，其水质优于自来水水质要求。考虑到公众的接受程度，新生水被输送至各个水库，水库水经自来水厂处理后才被公众使用。

新生水厂的数量和规模不断增加。2003年，建成Bedok和Krani两座水厂，日处理量分别为2.8万吨和4.8万吨；2004年，第三座Seletar水厂(2万吨/日)落成；2007年，Ulu水厂(12.8万吨/日)建成；2009年对Bedok和Krani进行扩容改造，改造后日处理量分别为7.2和6.8万吨/日；2010年，规模最大的Changi新生水厂(20万吨/日)建成。至2018年，新加坡新生水厂总供水能力达到约55.5万吨/日，占供水需求的近40%。根据规划，2030年，新生水供水比例将达50%；2060年，这一比例将达55%。图3为新加坡新生水和总供水量实际数据。由图3可见，实际生产中，新生水约占总饮用水供水量的30%左右，另外的生产能力被用作工业水生产。

图3 新生水与总饮用水供水量图Fig.3 Sales of NEWater and total potable water

相应地，由于技术进步和规模效应，新生水的成本逐渐降低。2005年以前，新生水厂出水售价为1.3新元/m3；2005年，售价下调至1.15新元/ m3；2007年Ulu水厂投产，其投标价格为0.3新元/ m3；2014年，Changi水厂二期投产，售价为0.276新元/ m3. 而据官方数据，2012年北京市自来水制水成本为3.19元/ m3(约合0.645新元/m3)。新加坡极低的新生水制水成本，为其未来水资源自给自足铺就了一条可以预期的道路。

4.海水淡化

新加坡目前拥有3座海水淡化厂，生产能力为100万加仑每天（约合45.5万吨/日），满足约25%的供水需求。预计2030年，海水淡化生产能力为现在的2倍；2060年为现在的3倍，届时将满足30%的供水需求。海水淡化采用超滤-反渗透工艺。2014年，新加坡生产一吨淡化水的成本为0.78新元（约合3.8元人民币）。

三、水资源管理技术

1.新生水厂处理技术

新生水厂使用的工艺为双膜处理工艺，即超滤(UF)-反渗透(RO)-UV工艺。目前可回收约75%的回用水，未来规划将这一数字提升至90%。

同时新兴工艺也在研发当中。反向电渗析-反渗透(EDR-RO)工艺正在新加坡Ulu新生水厂进行中试。有研究表明，EDR工艺对进水水质要求低于RO，但处理效果比UF好，且占地面积和运行费用均低于UF-RO工艺。也有研究提出，使用正渗透-反渗透(FO-RO)的组合工艺得到新生水以降低处理成本，但正渗透所使用的膜材料仍有待优化。

2.厌氧氨氧化和污泥处理

新加坡水处理中新生水双膜处理技术为人们所熟知，但污水并非直接由新生水厂处理，其在污水厂中的前序处理工艺也十分重要。新加坡污水处理厂正在探索使用厌氧氨氧化工艺作为生物处理工艺，该工艺是世界上目前所知的最节能的生物处理工艺。其所需碳源少，需氧量少，产泥量少。目前Changi污水处理厂二期已建成世界上最大的主流厌氧氨氧化反应器，其处理量为200000m3/d 。

另一方面，新加坡现有污水厂的产泥量非常巨大，采用焚烧处理可减少污泥体积，但能耗较高。按照新加坡提出的标准，未来的“绿色污水厂”应当能够实现能源自给。目前的能量回收采用污泥中温厌氧消化，配合发电机组发电，可实现发电0.13 KWh/ m3，相当于工艺能源消耗的30%. 下一步将采用更高效率(38%)发电机，增加污泥前处理，以增加碳捕获量，预计于2025年实现发电量0.3 kWh/ m3，最终实现污水厂的能源自给。

3.海水淡化工艺

目前新加坡海水淡化工艺采用反渗透，单位能耗3.5 kWh/m3。电渗析工艺被考虑用于取代反渗透工艺，因为小试装置可达到1.65 kWh/m 的能耗。2018年正在进行一项3800t/d的试验，用以探究大水量处理时的能耗水平。有研究指出反向电渗析(EDR)也可被用于海水淡化，其处理效果和能耗均优于现有工艺。还有研究证明，EDR工艺用于海水淡化时，可利用盐差能发电，其具有能量密度高、膜污染小、投资成本较低等优点。

4.深隧管网和水质监测

新加坡污水收集率达100%，其地下管网主要采用深隧管网，直径可达6m，一般埋设在地下20～50m处。无论是供水管网还是污水管网，其中都遍布各种传感器，用以监测水质和危险气体。必要时也会采用管道机器人进行排查。在主要的水库中，投放人造天鹅用以监测水体各部分水质情况。面对老旧管网维护的问题，新加坡多采用原位内搪管道维护法，即用水压将特制树脂推入旧管道，在内壁形成新的管道，免去开挖更换管道的麻烦。

5.系统优化技术

新加坡决策机构使用系统动态学(System Dynamics)对水资源管理策略进行分析、预测和优化，以帮助实现新加坡的可持续水资源管理。何时投资地下水存储，进行地表蓄水，加快发展新生水和海水淡化，以及未来各供水来源占多少比例才能保证实现水的自给自足。这些问题的解决都依赖于一个复杂系统，而对这个系统进行数值模拟分析，是一种较为科学的决策方法。

四、讨论

新加坡作为高度城市化的缺水型城市，在水资源管理方面已经获得长足的发展。一定程度上，中国北京和新加坡具有可比性。表1对比了北京和新加坡两座城市在水资源管理方面的特点和差异，以期获得一些借鉴。

表1 北京与新加坡水资源管理对比2Table 1 Comparison of water resources management between Beijing and Singapore

由表1可见，北京水资源总量为新加坡的5倍，但其用水量为新加坡的7.9倍，并且北京用水量远超当地水资源总量，因此北京的水资源缺口十分巨大。从其他方面的数据可以发现北京水资源短缺的一些原因。

国民生产所用水量较大，北京市万元GDP耗水量为14.10m3，为新加坡的4.5倍，加上北京经济体量超过新加坡，因此年用水量巨大。

水费政策仍需改进。新加坡的水价构成为直接水费，水资源保护税和污水处理费，并且随着水处理技术进步和规模效应，新加坡水处理成本逐年降低，水务企业收支基本达到平衡。而中国水务企业则较难盈利，2016年，我国水务行业规模以上企业数量1620家，亏损企业达到364家，规模以上企业亏损比例达到22.47%，全年水务行业亏损总额59.7亿元。国家控制水价维持民生，本是利民之策，但同时也在一定程度上制约了水处理新技术的发展和使用，增加了节水政策的推行阻力，因此我国需要更为灵活的水价政策，来保持水资源的可持续发展。

从供水体系来看，再生水比例仍有待提高，用途有待拓展。资料显示，2015年北京再生水使用量9.5亿m3，其中6亿m3用于市政和园林绿化，除去再生水，北京市年需水量仍高达30亿m3，与其水资源总量相当，造成当地水资源负荷居高不下。以北京高碑店再生水厂为例，该水厂采用的是A2/O-反硝化生物滤池-膜过滤-臭氧脱色工艺，出水水质为地表IV类水，只能用于景观、市政和园林绿化。而新加坡新生水使用的UF-RO-UV工艺，出水水质达到饮用水标准，部分直接运输至工厂使用，部分注入水库成为饮用水源。限于工艺成本，中国目前尚不能做到污水处理成饮用水，但仍可通过探索更新工艺，拓宽再生水的用途。

学术交流方面，北京水展每年吸引数百家设备厂商，成为国内具有一定影响力的设备交易和技术交流平台。新加坡拥有具有国际影响力的新加坡国际水周，吸引来自全球各地的数千家厂商、科研机构，乃至各国领导人前来参加讨论和展览。从某种角度来说，其影响力也来源于新加坡本身在水资源管理方面的成功。