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PUB和新加坡经济发展局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。我们将通过两期和大家解读其中的精彩内容。
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。
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Tuas和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, CIP)得以减缓，但效率依然不尽理想。韩国的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。
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10m³/day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。
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 m³/day，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50 RT的容量。
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。
未完待续
原标题：新加坡PUB水技术创新研发最新进展报告(上)
