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海水淡化是与非

全球变暖正造成越来越多的干旱,这使一些地区濒临水危机的边缘。2018年2月2日,曾被认为是南非开普敦的 “零日”,即设定开普敦的水将在这一天耗尽。后来,在该地区水果种植者耗尽其水配额后,通过保护措施,该日期被重新设定为2018 年7月15日。

在许多地区,过度开发、人口增长和气候变化已经破坏了水资源使用与供应之间的平衡,从北美到南美、从澳大利亚到亚洲的诸多地区正面临饮用水日益短缺的威胁。

2018年,中国政府也打响“碧水保卫战”,投入190亿元水污染防治专项资金用于水环境综合治理。

海水淡化日益盛行

作为一颗水行星,地球表面70%以上被水覆盖。但这些水大部分为海水,饱含盐分,不可饮用。

随着全球淡水需求呈指数增长,只有不到0.01%的淡水来自湖泊和河流。为了解决这一问题,越来越多的国家开始转向海水淡化工艺,以生产清洁的饮用水, 以及农业和工业用水。据统计,全球有超过16000家的海水淡化厂,每天生产约 9500万吨饮用水。

一些国家和地区更是主要依靠海水 淡化来满足对清洁饮用水、农业和工业用水的需求。如中东地区是世界水资源严重匮乏的地区之一,对海水淡化技术和装置需求迫切,并因为丰富的石油资产而具备发展海水淡化产业的经济基础。因此,该地区的沙特、阿联酋、科威特、卡塔尔和巴林五国的海水 淡化装置总产水量,就占到全球总量的 45%左右。目前沙特海水淡化量全球最大,约占全球总产量的20%,美国、欧 洲分别占全球15%和12%。以色列海水淡化量近5.9亿立方米,约占全国饮用水总量的70%。目前该国有5座海水淡化厂,产生了全球知名的海水淡化公司 (IDE)。

美国境内,德克萨斯州有大约十几家海水淡化厂。加利福尼亚州有17家淡化厂,其中位于圣地亚哥以北35英里处耗资10亿美元的卡尔斯巴德工厂,声称为美国最大的淡化厂。它于2015年开业,提供圣地亚哥县供水量的约8%。

佛罗里达州有35家工厂,其中角珊瑚淡化厂是世界上最大的低压反渗透淡化厂。饱受困扰的坦帕湾淡化厂于2007 年并网。

在亚利桑那州,尤马工厂用来处理流入科罗拉多河的农田退水。2010年, 南内华达州水务局、南加利福尼亚州大都会水务区、亚利桑那州中部项目以及美国垦务局之间达成了一项协议,以承担工厂运营成本,它们生产的水也被输送到墨西哥。

毫无疑问,随着干旱日益频繁,世界上会有更多地区将被迫转向海水淡化以满足自身的用水需求。

海水淡化技术

海水淡化主要采用蒸馏或反渗透法进行脱盐。蒸馏包括将水煮沸,然后收集水蒸气。太阳能蒸馏是利用太阳加热海水直至蒸发,然后使蒸汽在一个冷却的表面凝结。

在真空蒸馏中,由于气压下降,从而降低了使水蒸发所需的温度。物理学中的一条基本定律是,当液体的蒸汽压力等于环境压力时,液体就会沸腾。蒸汽压力随温度升高而升高,这就使得发电或工业过程中产生的低温“废热”得以利用。

在一个叫做热电联产的过程中,发电厂提供热量使水蒸馏。大多数现行及计划中的热电联产海水淡化厂或者使用化石燃料,或者使用核能,多数位于中东或北非。在那里,各国可以利用其石油资源弥补其有限的水资源。

在能源消耗方面,发电与海水淡化双用途设施比单一用途更高效,这使得海水淡化更具可行性。

反渗透海水淡化工艺使用了一种超薄的芳香族聚酰胺薄膜,但存在许多维护难题,包括钙和镁离子污染、溶解的有机 碳、细菌、病毒、胶体、不溶性微粒,以及结垢。

海水淡化潜在危害引争议

海水淡化为淡水稀缺地区的人们提供了最重要的资源。但海水淡化的环境影响长期以来一直令人担忧。首先,由于淡化后留下的高浓度盐水通常被泵送回大海,也因此让人们担忧其对海洋生物的影响。

对进水进行预处理可以有所帮助, 但添加剂中包括用于防结垢的酸;有机聚合物聚丙烯酰胺和聚马来酸、磷酸盐和聚磷酸盐;以及氯、臭氧、次氯酸钠或次氯酸钙等杀菌剂。这些污染物通常会被释放回海洋,并对敏感的海洋栖息地造成严重 危害。

一种被称为冻融法的新型脱盐技术,是在真空中冷冻海水,然后在真空条 件下,将脱盐的冰融化并转移收集。西澳州的两个设施已经开始使用CETO——一 种利用潜标淡化海水的波浪能技术。波浪能海水淡化厂分别于2013年在澳大利亚的花园岛、2015年在珀斯开始运营。

尽管水中的生物似乎适应得比原来更好,海水淡化厂排出的盐水比之前想象 的多出50%。

有计算称,海水淡化厂每生产一升水,就产出将近1.5升的盐水,这比以前 想象的要多50%。因此,几十年来,海水的盐度一直在上升,有些地方的盐度已经比常规海水高出50%以上,也因此可能引发对沿海环境的影响。因为有研究人员在 “Science of the Total Environment“杂志上 发表报告,认为高密度盐水会降低溶解氧水平,影响海洋生物。

这种对于海水淡化横向思考的必要性从未像现在这样迫切。这是因为这种技 术中潜伏着一个令人讨厌的讽刺:海水淡化得越多,倒入大海的盐水就越多,淡化海水的成本也就越高。对于盐分越来越高的海湾沿岸的国家来说,这是一个可能被证明是尤其痛苦的讽刺。

但一份由联合国牵头的关于海水淡化对全球影响的新报告的发布,让人们相 信,这些影响可能被夸大了。研究人员认为,虽然有理由担心,但也有证据表明, 生物的适应性可能被低估了。人们发现,排水口周围的咸水区非但没有形成死亡区,反而助长了生命的形成。

阿联酋哈利法大学海水淡化厂的生态影响专家Riaan van der Merwe博士告诉 《自然》杂志,海水淡化厂出口的数百米内都有生命迹象。van der Merwe博士及同事们的研究也表明,某些被认为特别容易受到海水淡化废弃物影响的珊瑚类型,比预期的更能抵御盐的影响。

一项由以色列研究人员公布的研究也发现,细菌和微小动物也会在海水淡化 厂附近生长。

但这些变化对于整个生态系统是否有利目前尚不太清楚,因为细菌在某些情 况下对食物链有益,但在另一些情况下却会带来灾难性的结果。

根据van der Merwe博士的说法,与盐度相比,排放的盐水温度相对高可能是 更大的威胁。他认为,温度0.5℃至1.0℃时,可能就会对某些种类的珊瑚构成巨大的压力。在海水淡化将化学物质如防污剂 排入大海的同时,处理原海水的简单行为会导致无数小鱼、甲壳类及其他生命形式 的死亡。

解决办法

研究人员认为,减少对海洋环境损害的一个明显方法是减少放回海洋的盐水 的数量。然而,对阿联酋内陆储水池的研究表明,除非小心,否则被拒绝排放回海 洋的盐水会渗入深处的地下水。

有些研究人员对更激进的方法表现出日益浓厚的兴趣,这种思维建立在 “盐水不是废物,而是一种资源”的基 础上。

巴西的研究人员一直在探索利用盐水来培育某些藻类的可能性,这些藻类能够忍受盐分较高的水。其中包括螺旋藻,它是一种可以被人类消化的蓝绿藻,含有很高的蛋白质和维生素。它还具有中和一些用于海水淡化的有毒化学 物质的突出能力。

还有研究人员在研究某些类型的耐盐鱼类,以便在将海水淡化废弃物转化为资源方面发挥有效作用。

最受关注的是罗非鱼,因为它生长迅速,价格便宜,是世界上最丰产的鱼类之一。罗非鱼原本是一种淡水鱼类,但 随着时间的推移,已经适应了在咸水中生 长。事实上,这种鱼的皮肤在保护它们免受盐的影响方面是如此有效,以至于沙迦美国大学的研究人员认为,它有望成为海水淡化的膜。

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