水质和不平等

2020年3月

菲利普·戴维斯,英国伯明翰大学工程学院水技术教授

目前约有5亿人全年面临严重缺水问题,18至29亿人一年中有几个月面临这一问题。到2025年,全世界半数人口生活的地区将面临用水压力。

到2025年,全世界半数人口生活的地区将面临用水压力(图片:Max2611 / iStock / Getty Images Plus)

就水质而言,世界水资源的分布不利于使用。大多数水资源(97.5%)在海洋中,过咸无法饮用。优质地表水占世界水资源不到0.5%。在这两个极端之间,还有其他水源,例如地下水和工业废水。许多地方的地下水如果不进行处理,含盐量太大,无法饮用,而工业废水则可能含有各种各样的自然和人为的污染物。

最容易受到用水压力影响的地区是那些对饮用水和灌溉的需求超过降雨自然补给的地区,包括沙漠地区(纬度约在15到45度之间),尤其是北半球。这些地区的国家在基础设施(如水坝、管道和脱盐工厂)建设上的能力各不相同。

由于农业比直接消费需要的水多得多,进口粮食的经济能力也是一个重要因素。目前,像科威特或卡塔尔这样几乎没有天然可再生水供应的国家,通过脱盐提供饮用水和进口食品来解决这一问题。与此同时,像索马里和也门这样的国家,经济疲软,政治形势严峻,面临严重的水资源短缺。据预测,日益缺水的重点地区还包括埃及、巴基斯坦、印度以及中国的北部和西北部。

海水淡化是为世界上大部分缺水人口增加水供应的一种诱人选择。由于技术创新,海水淡化厂生产淡水的能力显著提高,过去20年内海水淡化的能耗几乎减半,成为更加经济和可负担的选择。(图片:PhotoStock-Israel / Alamy Stock Photo)

沿海海水淡化厂

文明往往沿着海岸线推进。这意味着海水淡化是为世界上大部分缺水人口增加水供应的一种诱人选择。然而,海水淡化厂的建造成本很高,而且直到最近,其耗能比传统水处理过程多出三倍。这意味着海水淡化实际的最大用户是海湾地区化石燃料丰富的富裕国家。

这些工厂使用一种称为反向渗透的工序从盐水中去除盐分,这种工序压迫水流过一种半渗透式的过滤膜,它允许水分子和离子通过,但不允许较大的盐分子通过。由于创新开发,这些膜的质量逐渐提高,增加了淡水产量。因此,海水淡化厂的产能成倍增加,每个厂现在每天产出近100万立方米淡水。

海水淡化厂使用的这项和其他技术改进在过去20年里几乎将海水淡化的能耗减半,变得更加经济和可负担。这一趋势将在一定程度上持续,但海水淡化降低能耗有无法突破的限度——最多只能将能耗从现在的水平减半。

内陆人口的解决方案

包括中国、印度和美国大部分地区在内,有许多内陆人口,对他们来说,运输淡化海水恐怕不现实或难以负担。这些地区的人经常依赖劣质的地下水。

我在印度西北部的研究让我敏锐地意识到了这种困境。根据联合国粮农组织统计,64%的农业依靠地下水。对地下水的调查显示,印度约有一半土地在含水层之上,这些含水层咸度太高,无法满足正常的饮用水标准。

然而,这种地下水的含盐量通常比海水少得多,所以理论上,对它进行淡化的能耗可以更低。这为创造性的解决方案留下了空间,使地下水脱盐更经济,因此更容易为经济弱势群体获取。

我们的技术

在伯明翰大学,我们开发了一项主要针对地下水处理的技术。地下水处理的一个特殊难题在于如何处理剩余的盐水。我们的技术“回收率高”,也就是说,尽最大可能将地下水转化为淡水,将剩余盐水的量降到最低。这很难实现,因为提高回收率不利于降低能耗。

我们首先对现有反向渗透系统的能源使用进行建模,然后设计一个专门用于节能的系统。我们提供了一种海水淡化解决方案,可以“脱离电网”工作,由可再生能源提供动力。

反向渗透系统中的“能量预算”根据热力学定律来定义——当给水压力升高时,体积减小(在标准温度下)。等式的关键是在压力环境下用来保存盐水的能耗。这种能量必须由高压泵提供,而高压泵是脱盐系统中的能耗大户。我们的系统只需要使用稍微高于热力学定义的压力,而传统系统使用的则要多几倍。

就水质而言,世界水资源的分布不利于使用。大多数水资源(97.5%)在海洋中,过咸无法饮用。优质地表水占世界水资源不到0.5%。(图片:Tom Hanley / Alamy Stock Photo)

从一开始,我们就要求自己设计一个可以完全由现成组件构建的系统。我们选择了“密闭回路”设计,循环利用盐水浓缩物,把压力保持在最小值。至关重要的是,我们的设计采用了一种阀门布置,防止循环浓缩物与给水混合,二者混合会影响效率,增加能耗。

这种新的阀门布置还能把分开进行的清除和再填充阶段变成单一一个“清除-再填充”相结合的阶段,在这个阶段高速冲洗系统,并清除过滤膜上的沉积物。这一阶段也最大限度地减少了故障停工时间,提高了系统的产出。

我们把这个系统称作“密闭回路反向渗透”,以区别于之前的反向渗透系统。与现有系统相比,我们的方法有望以80%的回收率节省33%至66%的能源。

但是我们密闭回路反向渗透系统的优势不止于此。它的设计使使用低压过滤膜成为可能,低压膜在较低的泵压下工作。我们期待这些低压膜的使用寿命更长,这会降低维护成本。它的冲洗操作也意味着系统是自清洁式的,这意味着可以由非技术人员在边远的地方操作。

申请专利

我们用现成的组件造成了这个系统。但是,我们对所有商业化模式都持开放态度,包括社会企业在内,我们选择申请专利,以便保有选择的余地。通过《专利合作条约》(PCT,我们在多个市场寻求对技术的保护。

英国伯明翰大学的研究人员开发出一种密闭回路反向渗透系统,它是一种节能的“可脱网”解决方案,由可再生能源提供动力,是经济困难社区的理想选择。(图片:ABHISHEK KUMAR SAH / iStock /Getty Images Plus)

我们在约旦河谷有一个正在进行的项目,这是一个很好的试验场,可以检验我们的技术。约旦河谷是水文上的“死胡同”,因此不出所料,这里盐分沉积,使约旦河流域成为农业用水管理的问题地区。

这个地区的地下水枯竭是个跨国问题。国际协议限制居住在西岸的巴勒斯坦人获得地下水,而管理不善导致过度抽水,水的盐度创下新高,导致种植模式发生变化。不耐盐的经济作物已被帝王椰枣Medjool所取代,否则种植需要大量的水,可能使地下水在五年内耗尽。

这个项目是之前与以色列阿拉瓦研究院学生开展合作的延续,他们帮助我们构建了技术原型。我们现在正在返回该地区,以建立和测试我们系统的升级版。我们在拉马拉的合作伙伴正在采购部件,预计将于今年晚些时候开始施工。

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