水资源短缺威胁加剧促使水循环利用兴起

, Chris Palmer

工程（英文） ›› 2024, Vol. 33 ›› Issue (2) : 7 -10.

PDF (1884KB)
工程（英文） ›› 2024, Vol. 33 ›› Issue (2) : 7 -10. DOI: 10.1016/j.eng.2024.01.003
新闻热点

水资源短缺威胁加剧促使水循环利用兴起

作者信息 +

Increasing Threat of Scarcity Prompts Rise in Water Recycling

Author information +
文章历史 +
PDF (1928K)

引用本文

引用格式 ▾
Chris Palmer,Chris Palmer. 水资源短缺威胁加剧促使水循环利用兴起[J]. 工程（英文）, 2024, 33(2): 7-10 DOI:10.1016/j.eng.2024.01.003

登录浏览全文

4963

注册一个新账户 忘记密码

2018年1月，赛富时大厦（Salesforce Tower）（图1）竣工，这座61层的办公楼如今是美国加利福尼亚州旧金山市的最高建筑。除此之外，赛富时大厦还是世界上最大的拥有现场水循环系统的建筑物。该系统由澳大利亚的Aquacell公司（澳大利亚新南威尔士州米尔顿市）建造，每天可以清洁113 m3的污水、下水道废水、淋浴用水和其他废水，用于灌溉和冲洗厕所，每年估计能够节省35 000 m3的水[1]。根据2015年颁布的一项城市法令[1]，旧金山已经有数十座建筑配备了自己的水循环系统，该建筑只是其中之一。
旧金山市在现场水循环利用方面已处于领先地位，而面对史无前例的干旱和不断增长的水需求，全球各地的社区也正在欣然接纳各种规模的水循环利用。新加坡以及美国加利福尼亚州奥兰治县等地的集中式区域系统正在以每天数十万立方米的速度对水进行循环利用，而较小的系统则使包括住宅在内的各个建筑物都能够进行水的现场循环利用。通过这种类似于使用太阳能电池板和蓄电池来减少某些建筑物从电网中汲取电量的方式，现场水循环系统大大减少了城市供水管和下水道的使用。
美国得克萨斯州奥斯汀市现场水回用项目的监理工程师Katherine Jashinski说：“每个人都必须发挥创造性，思考如何更高效地利用水资源，因为水的回用是不可避免的。”
最近的一项研究发现，在过去30年里，世界上一半以上的湖泊流失了大量的水[2]。联合国估计，到2050年，可能将有50亿人面临水资源短缺的问题[3]。加利福尼亚大学伯克利分校土木与环境工程专业教授、《人人享有水——气候变化的全球解决方案》（耶鲁大学出版社，2023年）一书的作者David Sedlak说：“导致城市水资源短缺加剧的两大因素是人口增长和气候变化。当本地的水资源不足以满足不断发展的城市需求时，人们将不得不从外地引入水。随着某些地区变得越来越干旱且干旱的时间越来越长，从外部引入水源将面临越来越大的压力，从而迫使我们要想方设法对现有的水资源进行进一步的利用。”
水的重复利用通常需要首先对废水进行消毒和过滤，以去除水中的病原体，然后通过再次过滤去除固体和微量污染物。废水有两种形式：一种是来自卫生间、洗碗机和厨房水槽的黑水；另一种是来自洗衣机、淋浴和浴缸的灰水。仅对灰水进行重复利用就可以节约大量的水。用灰水冲厕所和洗衣服可减少40%左右的新水需求[1]。使用再生水淋浴可再减少20%的新水需求[1]。
美国加利福尼亚州的奥兰治县拥有世界上最大的水循环设施之一。通过被称为间接饮用水回用的流程，该设施净化了该县100%的水（每天500 000 m3的黑水）[4]。高度处理后的废水（通常排放到海洋中）再经过先进的三步净化工艺（即微过滤、反渗透以及紫外线和过氧化氢消毒），得到的水被注入附近的地下水，随后经当地公用事业公司处理，达到饮用水标准[1]。
尽管目前美国只有二十几个社区使用某种形式的再生水作为饮用水，但预计在未来15年内，这一数字将增加一倍以上。造成这一转变的原因是，美国国会在2021年通过了一项基础设施法案，其中包括将10亿美元用于美国西部的水回用项目[5]。
在美国正在开发的水回用项目中，最大的一个项目位于加利福尼亚州南部。据南加州大都会水务局（Metropolitan Water District of Southern California）称，该项目预计耗资34亿美元，所生产的再生水足以供50万户家庭使用，并为美国加利福尼亚州洛杉矶市及周边几个县的1900万人提供服务[6]。另一个供水状况不稳定的城市是美国亚利桑那州的菲尼克斯市，该市计划投资数十亿美元建设一座净水设施，以期到2030年，每天能够循环利用227 000 m3的废水，满足20万个家庭的饮用水需求[7]。此举将使该市的水源多样化，并减少该市对日益萎缩的科罗拉多河的依赖。
岛国新加坡由于天然水源很少，因此希望对供水进行更好的管控。樟宜污水回收厂（Changi Water Reclamation Plant）每天清洁和净化1 × 106 m3的废水。净化后的废水达到饮用水标准[8]，被叫作新生水（NEWater）。大部分新生水被用于该国严重依赖水的微芯片制造行业。
虽然水的循环利用（如奥兰治县和新加坡）几十年来一直向着集中化的趋势发展，但现场或“场地”循环利用现在正在成为一项让水资源利用更加可持续的重要战略。场地循环利用不仅可以节约用水，还可以节省长距离抽水的成本以及为了安装和更换管道而开挖街道的相关成本。最终，人们希望，配备有场地循环利用系统以及雨水和空调集水系统的建筑物可以不用再连接到下水管和供水管等中央供水基础设施，而只需在一个闭环中重复使用相同的水。不过，在一些城市中，现场系统还是需要与中央供水基础设施建立后备连接，以便在该系统进行维护或修理时保障用水需求。
未来已来，至少在旧金山是这样。该市于2015年颁布的城市法令要求，所有面积超过18 580 m2的新建筑均须配备现场循环利用系统。2022年，这一要求范围扩大至所有面积超过9290 m2的新建建筑[9]。该计划的目的是促进水循环利用的逐步变革，避免对现有建筑物进行包括开墙和重新埋设管路在内的昂贵改造。据旧金山公用事业委员会（San Francisco Public Utilities Commission）估计，该市有48个回用系统正在运行，还有29个项目正在规划中。该机构表示，到2040年，该市的现场回用水计划将每天节约5000 m3的饮用水[1]。
劳伦斯伯克利国家实验室地球与环境科学领域研究首席开发官、水资源专家Newsha Ajami说：“我住在旧金山，我认为这项政策条例非常有效。旧金山的很多高密度建筑位于市中心，那里土地稀缺且价格不菲。从经济上来说，最好是让人们对水进行现场回用，而不是试图在其他地方建立一个集中式水循环利用系统。最终，推动水循环利用的唯一途径是改变政策。”
Ajami还指出了场地循环利用一个经常被提及的经济优势：“将水从居民家中输送到废水处理厂，处理好后再输送回各家各户会产生巨大的能源足迹。当对水资源进行现场循环利用时，你使用的能源要少得多。”
以身作则，旧金山公用事业委员会的总部设有一个名为“生活机器”（ Living Machine）的黑水系统。在总部大楼周围人行道上建造的人工湿地中，该系统每天可以处理20 m3的废水。再生水也是用于冲洗节水型马桶和小便池。该系统使建筑物的外来饮用水供应量减少了65% [10]。
总部位于旧金山的Epic Cleantec公司是业内最大的一家场地循环利用系统供应商。该公司设计了一个名为OneWater的系统，声称可以处理建筑物95%的废水。OneWater系统被《时代》杂志评为2022年最佳发明之一[11]。OneWater将为美国加利福尼亚州圣何塞市正在建设的Park Habitat办公楼每天处理113 m3的黑水[3]，其中一些经过处理的黑水将用于灌溉这座20层楼外面的绿色外墙。该系统收集雨水以及来自冷却塔、淋浴、卫生间和水槽的水，然后在地下室通过多步处理工艺对收集的水进行循环，水中的固体物被分离和经灭菌后变成土壤改良剂。
预计未来100年，美国得克萨斯州奥斯汀市的用水用户数量将翻两番。该市为开发商提供高达50万美元的奖励，鼓励他们为开发的建筑安装回收利用系统[12]。截至2024年4月，该市将要求面积大于或等于23 225 m2的商业和多户住宅新开发项目必须配备现场水回用系统[13]。美国加利福尼亚州萨克拉门托市最近也强制实施了类似的规定[14]。
美国纽约市还实施了一项激励计划，为商业、工业和多户住宅业主提供25%的水费折扣，以鼓励改造固定装置和使用其他节水技术，如现场的水回用系统[12]。该市目前正在布鲁克林海滨建设的多米诺炼糖厂（Domino Sugar Refinery）改造项目每天将回收利用1500 m3的黑水，所回用水量足以支撑开发项目中的所有五座建筑不使用该市的下水道系统，并能够将多余的清洁水引入附近的河流[12]。
较小规模的家庭水循环利用技术已经开始进入市场。由Hydraloop Systems公司（荷兰吕伐登市）发明的Hydraloop水回收器（图2）荣获2020年消费电子展创新奖[15]。该设备可回收95%的家庭用水，能够对淋浴和洗衣机产生的废水进行消毒并将其用于灌溉草坪、冲厕所和给游泳池注水。位于加拿大温哥华的RainStick公司开发了一种可以反复循环利用淋浴水的系统，该系统被《时代》杂志评为2023年度最佳发明之一[16]。
“水的回用可以而且也应该在家庭、建筑物或社区等各个层面进行。”Ajami说，“目前，因为水比较便宜，个人住宅进行水回收利用的投资回报率较低。但对于公用事业而言，投资回报不只是关注是否省钱，而是要实现整个系统的可靠性。这是一项额外费用，但这是一种使供水多样化的方式。”
Ajami表示，高效的水循环技术已经问世，但还需要开发新工具和技术来帮助公用事业公司运营各个独立的现场回用系统并将其连接到集中式系统。Sedlak认为还需要开发传感器和执行器，以确保这些系统安全运行。
更广泛采用水回用技术还面临监管和基础设施方面的挑战。Sedlak说：“这方面的监管体系还没有建立起来，而且签发许可证的公共卫生官员也不熟悉这项技术。”旧金山的经验教训应该会帮助建筑物水资源现场回用技术降低成本、提高可靠性，从而使许可证签发者更放心。“在旧金山学到的经验不仅对富裕的缺水城市具有可行性，而且还可以帮助我们为非洲和亚洲快速发展的城市想象一个不同的未来，前提是这些城市的建筑从第一天起就将现场水回用技术融入其中。”

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
[1]

Robbins J. Beyond the yuck factor: cities turn to ‘extreme’ water recycling [Internet]. New Haven: Yale Environment 360; 2023 Jun 6 [cited 2023 Nov 4]. Available from:

[2]

Yao F, Livneh B, Rajagopalan B, Wang J, Crétaux JF, Wada Y, et al. Satellites reveal widespread decline in global lake water storage. Science 2023;380(6646):743‒9. . 10.1126/science.abo2812
[3]

Watts J. Water shortages could affect 5bn people by 2050, UN report warns [Internet]. London: Guardian News & Media Limited; 2018 Mar 19 [cited 2023 Nov 4]. Available from:

[4]

Smith C. California county recycles all its wastewater, a world first [Internet]. Folsom: e.Republic LLC; 2023 Apr 28 [cited 2023 Nov 4]. Available from:

[5]

Congress passes infrastructure investment and jobs act, including historic investments in water recycling [Internet]. Alexandria: WateReuse Association; 2021 Nov 6 [cited 2023 Nov 4]. Available from: 10.17918/00010518
[6]

Cahill N. As drought shrinks the Colorado river, a SoCal giant seeks help from river partners to fortify its local supply [Internet]. Sacramento: Water Education Foundation; 2022 Apr 29 [cited 2023 Nov 4]. Available from:

[7]

Seely T. Phoenix to build multibillion dollar purification plant to make wastewater drinkable by 2030 [Internet]. Phoenix: The Arizona Republic; 2023 Apr 12 [cited 2023 Nov 4]. Available from:

[8]

Abbugao M. Resource-starved Singapore turns sewage into ultra-clean water [Internet]. Douglas: Phys.org; 2021 Aug 10 [cited 2023 Nov 4]. Available from:

[9]

Onsite water reuse [Internet]. San Francisco: San Francisco Public Utilities Commission; [cited 2023 Nov 4]. Available from: 10.1021/acs.est.2c05231.s001
[10]

San Francisco Public Utilities Commission. San Francisco’s Onsite Water Reuse System Projects. San Francisco: San Francisco Public Utilities Commission; 2021.
[11]

Mock J. The Best Inventions of 2022: on-site water recycling [Internet]. New York City: Time USA, LLC; 2022 Nov 10 [cited 2023 Nov 4]. Available from:

[12]

Sisson P. Facing severe droughts, developers seek to reuse the water they have [Internet]. New York City: The New York Times Company; 2021 Aug 3 [cited 2023 Nov 4]. Available from:

[13]

Lee J. More central Texas communities are looking at reclaimed water to meet increasing water demand [Internet]. Austin: KVUE-TV; 2023 Nov 8 [cited 2023 Nov 16]. Available from:

[14]

Kehoe A. City Council approves water recycling requirement for new commercial buildings [Internet]. Sacramento: Mayor’s Office of Community Engagement, City of Sacramento; 2022 Dec 13 [cited 2023 Nov 4]. Available from:

[15]

Lewis M. Groundbreaking water recycling system Hydraloop wins CES 2020 Innovation Award [Internet]. Fremont: Electrek; 2020 Jan 7 [cited 2023 Nov 4]. Available from:

[16]

Wilser J. The Best Inventions of 2023: go with the flow [Internet]. New York City: Time USA, LLC; 2023 Oct 24 [cited 2023 Nov 4]. Available from:

AI Summary AI Mindmap
PDF (1884KB)

2355

访问

0

被引

详细
导航
相关文章

AI思维导图

/

〈 〉