水網革命

文穎

問題突出

在許多發達國家，獲得干凈的飲用水好像十分容易——打開水龍頭便可直接飲用。但其實，相當一部分水處理設備面臨年久失修、損壞嚴重的問題。2013年，英國倫敦和英格蘭東南部的部分地區因管道破損，導致每天有6.46億升水流失，該損失足以滿足300萬人的用水需求。此后，該公司花費120多億英鎊，更換了整個供水網絡。

在美國，每年在輸水主管道上發生的滲漏事件大約有24萬起，其中僅最近美國洛杉磯發生的一起嚴重爆管事件就造成了9千萬升水的流失。2013年，美國國家環境保護局的一份報告顯示：在未來20年，美國政府預計需要投入3，840億美元修建或修補本國的飲用水基礎設施。一些人認為未來極端天氣將更加頻繁，這一投資數額或許還會增加。

德國水資源市場研究員布倫特·賈爾斯并不認同這類投資。他表示：一方面，修建或修補基礎供水設施的費用通常由喜歡宏大設計的工程師來制定，而這些工程的規模往往超出需求；另一方面，修補破損管道的過程也可能危害公眾健康。工程師往往將清潔用水管道和污水管道并行鋪設，一旦輸水管道發生泄漏就容易讓清潔的水被污染。

2007年挪威發布的一項研究結果表明，漏水管道和多例胃腸道疾病之間存在關聯。歐洲疾控中心調查2009-2010年期間的數據后發現，超過30例疾病的爆發與受污染的公共供水系統有關。為了對抗有害微生物，許多供水公司在處理水的過程中添加了少量氯氣。但也有科學家認為這會引起包括膀胱癌和基因缺陷在內的若干健康問題，這一現象已逐漸引起人們的關注。

解決之道

雷諾茲認為上述措施是治標不治本。他表示，人們真正需要做的是反思運輸水的模式：“我們弄臟了水，排進下水道，然后在龐大的污水管網里兜一大圈才能到達污水處理站進行處理，如此循環，代價極大！”

如果每一個家庭都能夠就近回收、處理廢水，使之達到飲用標準，就能夠有效減少水運輸的成本并降低供水管道泄漏帶來的健康風險。而且，對水網絡未覆蓋的地方，例如偏遠的山區甚至國際空間站，這一方案尤其有價值。這種方案依賴各種各樣的微型水凈化系統，包括集雨桶中用于篩除污染物的濾沙器、用陽光分解污染物的太陽能屋頂凈化器以及內壁布滿可殺死微生物的納米級銀粒子的凈水器等。

但是這些系統往往是小規模的，只能提供家庭部分用水量。雷諾茲正在嘗試研發稍大規模的水凈化系統。他從大學校園的一個池塘里取水，用一系列過濾器和薄膜去除水中的雜質。同時加入少量的鹽溶液，通過電解釋放出羥基自由基、氯離子以及其他相關物質作為消毒劑。關閉電流后，作為消毒劑的離子會漸漸轉化為鹽溶液，避免產生污染環境的殘余物。雷諾茲的試驗表明，如果水中常見致病菌的濃度低于衛生標準，電解處理過程只需10-20秒就可完成凈化。凈化池塘水的原理也適用于家庭廢水的處理。雷諾茲認為人們完全可以運用這一原理處理廁所或洗滌槽中排出的污水。

這幾年，雷諾茲一直在他的花棚內試驗一個更大的水凈化系統，這個系統預計每小時生產3000升水，可以滿足1500人的最基本需求。雷諾茲還和英國普茨茅斯大學合作研發了一個卡車大小的凈化系統，一個小時可處理約2萬升的污水。羅馬尼亞正在試用該系統，向過去依靠水井但如今已被嚴重污染的地區供水。值得注意的是，處理污水過程中提取出的副產品富含氮，可作農業肥料。

雷諾茲認為，即使這類小型水處理系統的開發還處在初級階段，但維護現有公共污水管網的費用遲早會迫使公眾反思。他指出：“傳統的供水網絡無法解決所有問題，小型、微型水處理系統將被大規模應用。”

除了雷諾茲以外，其他許多研究人員也在研究家庭水凈化系統。德國慕尼黑工業大學的水資源研究員研發了一個凈化系統，可以安裝在建筑物的水管中。這一系統的工作原理是利用強氧化劑和紫外線分解污染物并使用過濾膜凈化廢水，生產達到飲用標準的水。美國一家公司也推出了一系列水凈化產品，例如可以利用陽光對污染物進行無害化處理的“太陽能袋”，以及適合在無陽光地方使用的發光二極管水凈化系統。美國和澳大利亞的多家大公司也正在開發水凈化系統，它們使用覆蓋著一層有益微生物的過濾膜“過濾”含有有害物質的廢水。美國加利福尼亞州研究員克雷格·文特爾研發的水處理系統利用微生物進行處理污水，同時還能產生肥料和電力。

轉變排水系統——廢水凈化重復利用

一些發達國家的大型污水處理機構已開始使用含有可分解有機物質的“微生物活性污泥”來凈化污水。但若有氧氣存在時，大腸桿菌等細菌也會生長。所以這一方法必須結合其他過程一并進行，如反滲透處理或大規模的氯化作用。由于此類技術成本昂貴，因而目前在發展中國家很難推廣。

然而，美國得克薩斯州大學的研究員安娜和她的同事培養出了可用于廢水處理的厭氧微生物，即可在無氧狀態下生長的微生物。這些微生物分解水中的有機物質的本領優于目前使用的好氧微生物（需要氧氣才能生存的微生物）。同時，這些厭氧微生物會借助周圍金屬表面的電子進行“呼吸”，產生電流。采用這一技術，就可以在為家庭提供日常用水的同時提供用電，一舉兩得。這一可持續且易維護的解決方法也適用于缺少水處理基礎設施的發展中國家。

2015年，安娜獲得了500萬美元的資助基金，用于繼續研究該系統以生產達到飲用標準的水。很值得一提的是，安娜所采用的水處理設備僅有咖啡杯大小。

最近，安娜團隊將完善呈現整個系統，目的在于證明該系統的可行性，希望以此改變公眾的傳統觀念。公眾的看法對此類“從廁所到水龍頭”工程能否成功有著重要影響。安娜說：“其實，我還有被稱為‘從淋浴噴頭到花盆的方案。”安娜認為，對于澆花、擦地板等類似用途用水來說的，只須將污水經過初步處理即可，而不必按照飲用水的標準嚴格凈化，這能減少不必要的浪費。

安娜同時認為，這種小型水循環系統理論上能滿足所有人的需求，但它恐怕仍無法完全代替現有的公共供水網絡。在每個家庭或建筑物管理者各自生產自己所需的飲用水時，可是那些居無定所或貧窮的弱勢群體可能因無法獲得或維護自己的供水系統而成為供水盲點，無法使用到干凈的水。因此，安娜認為在向非公共網絡供水方案的轉變過程中，同時需要嚴格的管理和法律保障。好消息是，關于由家庭負責自己的過濾和管道系統這種轉變，從私人水處理系統中獲取用水的1600萬個美國家庭將為我們提供很多值得借鑒之處。