气候危机使得水资源越来越匮乏，幸运的是新技术有望提高水资源管理的效率和可持续性。回收利用、薄膜渗透和过滤等方面的技术都在不断进步，可再生能源及新材料也在改变水务行业的面貌。
作者： James Chater
饮用水生产厂中的反渗透系统。图片来源：Dreamstime网站
危机何在？
气候危机本身的威力，以及对气候危机的忽视所带来的危害，都在今年显得格外强悍。在这个有历史记录以来最热最干的夏季，一边是森林大火肆虐，一边是洪水在欧洲、亚洲和美洲暴发。水——或是缺水——和上述种种灾难有着直接的关系。缺水使得广大地区不适宜人类居住，而扑灭森林大火需要大量的水。同时，突发的强降雨则需要更智慧的抗洪措施来应对。视灾情种类的不同，水既可能是灾难的源头，也可能是救灾之道。
你知道吗？
太阳能海水淡化的应用历史其实比很多人认为的更早：可以追溯到1942年。匈牙利裔美国科学家Mária Telkes为美国军队设计了一种太阳能蒸馏饮用水装置，可以为被困的驾驶员和水手提供淡水。她的开创性研究工作为她赢得了“太阳女皇”的称号，也提示了世人，水处理技术的创新也经历了漫长的传承。
海水淡化
曾经被视为最后一招的海水淡化，如今已然是对抗水资源短缺的关键手段。批评家针锋相对地指出，海水淡化的能耗高，而且会产生副产品盐卤。但技术的进步不断推动着产业可持续地发展。
2024年投产的香港将军澳海水淡化厂，就是这方面的典型代表。工厂选址于填海所得土地，既不妨碍新居民的生活，又邻近人口密集地区和原有的管网设施，从而确保高效率的输配。该厂采用了先进的ActiDAFF（溶气浮选和过滤相结合）预处理工艺，能根据水质调节能耗——水中杂质的含量较低时能耗也降低。先进的反渗透（RO）技术结合能量回收装置，可以将盐卤压力能量的96%都回收利用，将泵机的能耗降低了一半。由于采用了高效率泵机，建造了10兆瓦太阳能发电站，以及超过1800块屋顶太阳能电池板，进一步缩小了海水淡化厂的碳足迹。雨水收集和灰水回收利用，也有望将淡水的消耗量减半。
纵观中东和北美，海水淡化厂不断突破产能的边界。位于沙特阿拉伯的舒艾拜（Shoaiba）综合厂目前是全球产能最大的淡化厂，将近三百万立方米每日。其它超大规模项目包括：Ras Al Khair综合工厂（沙特阿拉伯），Jebel Ali、Fujairah和Taweelah海水淡化厂（都位于阿拉伯联合酋长国）。上述这些淡化厂结合了先进热能技术和反渗透技术，在实现产量最大化的同时提高了能效。
在摩洛哥，干旱的气候和不断减少的降雨量推动了海水淡化基础设施的投资。2022年，一座海水淡化厂在阿加迪尔附近开工，计划在生产饮用水的同时，向主要农业地区供应灌溉用水。该国计划在2031年前建成四座大规模海水淡化厂，全都排在生产规模全球前十之列。
可再生能源项目的发展，呈现出综合开发的趋势：阿曼的Sharqiyah海水淡化厂最近开工建设一座17兆瓦太阳能发电站，预计将能满足淡化厂电力需求总量的三分之一，每年减少27,200吨二氧化碳排放。就总体运行效率而言，法国威立雅集团（Veolia）位于阿布扎比的Mirfa 2海水淡化厂无疑独树一帜：每日生产550,000立方米饮用水，而能耗比老式热能系统降低约80%。
小型工厂的影响力也不容小觑。西班牙工程公司Lantania正在突尼斯为AgroCare公司建造一座日产7,500立方米的反渗透海水淡化厂，用于灌溉温室农作物。模块化膜生物反应器（MBR）的规模更小，可以满足小型社区和工业区用水，优势在于技术先进，且无需投入大笔资金进行基础建设。
用于水处理的反渗透系统和纳米滤膜。图片来源：Dreamstime网站
循环利用
海水淡化拓宽了水的供应渠道，而污水循环利用可以变污水为资源，是可持续发展的典范。有越来越多的污水处理厂是按照终端用户的需求设计建造的，具体用途包括农业灌溉、工业或饮用等。饮用级的循环利用早已不是实验性技术：它已在新加坡、纳米比亚、美国和欧洲部分地区得到应用，此外在澳大利亚珀斯市、美国圣地亚哥和洛杉矶都有新项目在建。
水处理设施中的阀门
从采水、水处理到输送，阀门在任何水务设施中都属于关键设备。其中最常用的阀门种类包括：
• 闸阀：用于隔离，常开或常关，不用于调节。闸阀开启后的流阻低，并且能紧密关闭。
• 蝶阀：用于开/关或调节，是大口径阀门的例行选择。
• 球阀：用于直径小的管道或附属管道。球阀可以快速关闭，而且压降极小。
• 止回阀：也称为单向阀，是防止回流的关键设备。
• 截止阀：常用于流体精确控制和粗调。
• 排气阀/真空阀：长输管道和管道制高点上的关键设备。
• 减压和控制阀：自动阀门，用于维持水务设施下游压力的稳定。水处理设施中的阀门
新技术
新技术正在帮助行业降低成本，使水管理更符合可持续发展的要求。例如膜生物反应器技术（MBRs），它结合了生物处理和先进的膜过滤技术，包括微滤和超滤等。在新技术加持下，污水处理的质量更高了，无论是市政、工业污水，还是环利用的水。膜生物反应器技术缩小了水处理厂的碳足迹，适合翻新改造。从美国的奥瓦通纳、明尼苏达、圣海伦娜、加利福尼亚，一直到印度的特里凡得琅，该技术已在世界各地的项目中得到应用。正渗透技术（FO）能节省能源，降低结垢程度。它依靠的不是高压泵，而是渗透梯度原理。
作为获得高品质饮用水的一种手段，先进氧化工艺（AOPs）正在逐渐吸引大家的注意。它利用羟基的氧化反应，消除水和污水中的有机物（和特定的无机物）。这种工艺的效果非常好，可以去除99%以上的杂质，将有机碳矿化成无害的副产品，甚至能实现同步杀菌。然而，先进氧化工艺（AOPs）的能耗和成本都比较高，通常只会在水处理的最后步骤中采用。
水处理和可再生能源的关联显得越来越紧密。沙特阿拉伯计划建造的NEOM/OXAGON海水淡化厂完全依靠绿氢和可再生能源发电，正是上述发展趋势的典型案例。
摩洛哥正在将海水淡化和风力发电相结合；迪拜的哈斯彦纯太阳能供电反渗透淡化厂（Hassyan SWRO）和乌克兰的Mykolaiv太阳能海水淡化项目，都是以太阳能作为电力来源。不仅是水的未来将由清洁能源助力开创，而且反之亦然——污水可以转化成能量——巴黎附近的Seine Aval污水处理厂就是利用生物沼气设施，将污水转化成能源。这些项目都在设计中体现了对水处理、能源效率和气候问题的综合考量。显然，未来的水务基础设施注重的不仅是供水的稳定，也包括了可持续性原则。
水处理公司Forward Water Technologies的工业级正渗透装置，位于Terrapure，2019。图片版权：Thornley 15–自创作品，遵循CC BY-SA 4.0知识共享许可协议（维基百科）
材料
双相不锈钢既有较高强度，又对氯离子诱发腐蚀具有一定抵抗力，因此成了现代海水淡化厂的标准材料。近年来，用双相和超级双相钢取代奥氏体和超级奥氏体钢已形成了趋势。相对而言，双相钢的“隐含能量”较低，含镍较少，使用寿命较长。从特拉维夫到海湾地区，目前大多数海水淡化厂都指定采用双相钢，因为都高度重视耐用性和成本效益。
如果说双相钢是当代海水淡化实施的主要材料，那么纳米材料绝对是渗透膜的未来。氧化石墨烯、碳纳米管和纳米吸附剂，正在陆续从实验室走向试点项目。澳大利亚的NematiQ大学和蒙纳士大学（Monash）正在一个政府资助的可行性研究计划框架下，研发更高级的石墨烯滤膜。在美国，小企业创新研究计划（SBIR）出资研发的原型样机即将应用于试验性生产，样机采用了碳纳米管强化滤膜。日本北九州市的水循环利用示范设施Water Plaza Kitakyūshū，已经完成了纳米混合材料膜在真实海水条件下的应用试验，获得了高价值的运行参数。
短期内，纳米材料应该不会取代主流的海水反渗透技术，更实际的可能是作为一种补充手段：作为预处理过滤器或针对性分离膜。不管怎样，纳米材料意味着能耗更低，对污水处理的适用范围更广，而且正在稳步从实验室走向试点生产设施，为新一代滤膜投入实际应用打开了通道。
尺寸事关重大
水处理和输送通常会用到大口径阀门。大口径输送管道（水库或处理厂至城市之间输送净水或原水的管道）常用的阀门包括：
• 蝶阀常用于不超过DN 3000mm（≈120英寸/10英尺）的管道。
• 闸阀常用于不超过DN 1200-1600mm（≈48-64英寸）的管道；若超过这个尺寸，闸阀的成本效益就偏低，而且会非常沉重，以至于难以操作。
• 止回阀（旋启式或对夹双板式）的尺寸通常也不超过DN 2000mm（≈80英寸），并且实际应用中通常尺寸会比主隔离阀小。
对于像长输渡槽（沟渠）、水电站内部流道或跨流域调水管道这样的超大口径输水系统，也有厂家在生产直径最大DN 4000mm（≈160英寸/13英尺）的蝶阀，例如AVK、伯尔梅特（Bermad）、新歌（Singer）和KSB等厂家。这些属于小众定制商品阀，通常用于水坝出口、泵站或水电站压力管道等场景。
总结
新技术加上新材料，正在改变水务行业的面貌，使其更具有可持续性，而且在可再生能源的加持下，更符合现代化环境管理理念。成本正在猛跌，我们希望这一趋势能够继续，这样才能让世界上最贫困地区——同时也是用水需求最大的地区——继续实施环保升级行动。
超滤（UF）膜侧流路径架构。图片版权：Aquabio Ltd. —— 自创作品，遵循CC BY-SA 3.0知识共享许可协议（维基百科）
选自《阀门世界亚洲》二月刊
气候危机使得水资源越来越匮乏，幸运的是新技术有望提高水资源管理的效率和可持续性。回收利用、薄膜渗透和过滤等方面的技术都在不断进步，可再生能源及新材料也在改变水务行业的面貌。
作者： James Chater
饮用水生产厂中的反渗透系统。图片来源：Dreamstime网站
危机何在？
气候危机本身的威力，以及对气候危机的忽视所带来的危害，都在今年显得格外强悍。在这个有历史记录以来最热最干的夏季，一边是森林大火肆虐，一边是洪水在欧洲、亚洲和美洲暴发。水——或是缺水——和上述种种灾难有着直接的关系。缺水使得广大地区不适宜人类居住，而扑灭森林大火需要大量的水。同时，突发的强降雨则需要更智慧的抗洪措施来应对。视灾情种类的不同，水既可能是灾难的源头，也可能是救灾之道。
你知道吗？
太阳能海水淡化的应用历史其实比很多人认为的更早：可以追溯到1942年。匈牙利裔美国科学家Mária Telkes为美国军队设计了一种太阳能蒸馏饮用水装置，可以为被困的驾驶员和水手提供淡水。她的开创性研究工作为她赢得了“太阳女皇”的称号，也提示了世人，水处理技术的创新也经历了漫长的传承。
海水淡化
曾经被视为最后一招的海水淡化，如今已然是对抗水资源短缺的关键手段。批评家针锋相对地指出，海水淡化的能耗高，而且会产生副产品盐卤。但技术的进步不断推动着产业可持续地发展。
2024年投产的香港将军澳海水淡化厂，就是这方面的典型代表。工厂选址于填海所得土地，既不妨碍新居民的生活，又邻近人口密集地区和原有的管网设施，从而确保高效率的输配。该厂采用了先进的ActiDAFF（溶气浮选和过滤相结合）预处理工艺，能根据水质调节能耗——水中杂质的含量较低时能耗也降低。先进的反渗透（RO）技术结合能量回收装置，可以将盐卤压力能量的96%都回收利用，将泵机的能耗降低了一半。由于采用了高效率泵机，建造了10兆瓦太阳能发电站，以及超过1800块屋顶太阳能电池板，进一步缩小了海水淡化厂的碳足迹。雨水收集和灰水回收利用，也有望将淡水的消耗量减半。
纵观中东和北美，海水淡化厂不断突破产能的边界。位于沙特阿拉伯的舒艾拜（Shoaiba）综合厂目前是全球产能最大的淡化厂，将近三百万立方米每日。其它超大规模项目包括：Ras Al Khair综合工厂（沙特阿拉伯），Jebel Ali、Fujairah和Taweelah海水淡化厂（都位于阿拉伯联合酋长国）。上述这些淡化厂结合了先进热能技术和反渗透技术，在实现产量最大化的同时提高了能效。
在摩洛哥，干旱的气候和不断减少的降雨量推动了海水淡化基础设施的投资。2022年，一座海水淡化厂在阿加迪尔附近开工，计划在生产饮用水的同时，向主要农业地区供应灌溉用水。该国计划在2031年前建成四座大规模海水淡化厂，全都排在生产规模全球前十之列。
可再生能源项目的发展，呈现出综合开发的趋势：阿曼的Sharqiyah海水淡化厂最近开工建设一座17兆瓦太阳能发电站，预计将能满足淡化厂电力需求总量的三分之一，每年减少27,200吨二氧化碳排放。就总体运行效率而言，法国威立雅集团（Veolia）位于阿布扎比的Mirfa 2海水淡化厂无疑独树一帜：每日生产550,000立方米饮用水，而能耗比老式热能系统降低约80%。
小型工厂的影响力也不容小觑。西班牙工程公司Lantania正在突尼斯为AgroCare公司建造一座日产7,500立方米的反渗透海水淡化厂，用于灌溉温室农作物。模块化膜生物反应器（MBR）的规模更小，可以满足小型社区和工业区用水，优势在于技术先进，且无需投入大笔资金进行基础建设。
用于水处理的反渗透系统和纳米滤膜。图片来源：Dreamstime网站
循环利用
海水淡化拓宽了水的供应渠道，而污水循环利用可以变污水为资源，是可持续发展的典范。有越来越多的污水处理厂是按照终端用户的需求设计建造的，具体用途包括农业灌溉、工业或饮用等。饮用级的循环利用早已不是实验性技术：它已在新加坡、纳米比亚、美国和欧洲部分地区得到应用，此外在澳大利亚珀斯市、美国圣地亚哥和洛杉矶都有新项目在建。
水处理设施中的阀门
从采水、水处理到输送，阀门在任何水务设施中都属于关键设备。其中最常用的阀门种类包括：
• 闸阀：用于隔离，常开或常关，不用于调节。闸阀开启后的流阻低，并且能紧密关闭。
• 蝶阀：用于开/关或调节，是大口径阀门的例行选择。
• 球阀：用于直径小的管道或附属管道。球阀可以快速关闭，而且压降极小。
• 止回阀：也称为单向阀，是防止回流的关键设备。
• 截止阀：常用于流体精确控制和粗调。
• 排气阀/真空阀：长输管道和管道制高点上的关键设备。
• 减压和控制阀：自动阀门，用于维持水务设施下游压力的稳定。水处理设施中的阀门
新技术
新技术正在帮助行业降低成本，使水管理更符合可持续发展的要求。例如膜生物反应器技术（MBRs），它结合了生物处理和先进的膜过滤技术，包括微滤和超滤等。在新技术加持下，污水处理的质量更高了，无论是市政、工业污水，还是环利用的水。膜生物反应器技术缩小了水处理厂的碳足迹，适合翻新改造。从美国的奥瓦通纳、明尼苏达、圣海伦娜、加利福尼亚，一直到印度的特里凡得琅，该技术已在世界各地的项目中得到应用。正渗透技术（FO）能节省能源，降低结垢程度。它依靠的不是高压泵，而是渗透梯度原理。
作为获得高品质饮用水的一种手段，先进氧化工艺（AOPs）正在逐渐吸引大家的注意。它利用羟基的氧化反应，消除水和污水中的有机物（和特定的无机物）。这种工艺的效果非常好，可以去除99%以上的杂质，将有机碳矿化成无害的副产品，甚至能实现同步杀菌。然而，先进氧化工艺（AOPs）的能耗和成本都比较高，通常只会在水处理的最后步骤中采用。
水处理和可再生能源的关联显得越来越紧密。沙特阿拉伯计划建造的NEOM/OXAGON海水淡化厂完全依靠绿氢和可再生能源发电，正是上述发展趋势的典型案例。
摩洛哥正在将海水淡化和风力发电相结合；迪拜的哈斯彦纯太阳能供电反渗透淡化厂（Hassyan SWRO）和乌克兰的Mykolaiv太阳能海水淡化项目，都是以太阳能作为电力来源。不仅是水的未来将由清洁能源助力开创，而且反之亦然——污水可以转化成能量——巴黎附近的Seine Aval污水处理厂就是利用生物沼气设施，将污水转化成能源。这些项目都在设计中体现了对水处理、能源效率和气候问题的综合考量。显然，未来的水务基础设施注重的不仅是供水的稳定，也包括了可持续性原则。
水处理公司Forward Water Technologies的工业级正渗透装置，位于Terrapure，2019。图片版权：Thornley 15–自创作品，遵循CC BY-SA 4.0知识共享许可协议（维基百科）
材料
双相不锈钢既有较高强度，又对氯离子诱发腐蚀具有一定抵抗力，因此成了现代海水淡化厂的标准材料。近年来，用双相和超级双相钢取代奥氏体和超级奥氏体钢已形成了趋势。相对而言，双相钢的“隐含能量”较低，含镍较少，使用寿命较长。从特拉维夫到海湾地区，目前大多数海水淡化厂都指定采用双相钢，因为都高度重视耐用性和成本效益。
如果说双相钢是当代海水淡化实施的主要材料，那么纳米材料绝对是渗透膜的未来。氧化石墨烯、碳纳米管和纳米吸附剂，正在陆续从实验室走向试点项目。澳大利亚的NematiQ大学和蒙纳士大学（Monash）正在一个政府资助的可行性研究计划框架下，研发更高级的石墨烯滤膜。在美国，小企业创新研究计划（SBIR）出资研发的原型样机即将应用于试验性生产，样机采用了碳纳米管强化滤膜。日本北九州市的水循环利用示范设施Water Plaza Kitakyūshū，已经完成了纳米混合材料膜在真实海水条件下的应用试验，获得了高价值的运行参数。
短期内，纳米材料应该不会取代主流的海水反渗透技术，更实际的可能是作为一种补充手段：作为预处理过滤器或针对性分离膜。不管怎样，纳米材料意味着能耗更低，对污水处理的适用范围更广，而且正在稳步从实验室走向试点生产设施，为新一代滤膜投入实际应用打开了通道。
尺寸事关重大
水处理和输送通常会用到大口径阀门。大口径输送管道（水库或处理厂至城市之间输送净水或原水的管道）常用的阀门包括：
• 蝶阀常用于不超过DN 3000mm（≈120英寸/10英尺）的管道。
• 闸阀常用于不超过DN 1200-1600mm（≈48-64英寸）的管道；若超过这个尺寸，闸阀的成本效益就偏低，而且会非常沉重，以至于难以操作。
• 止回阀（旋启式或对夹双板式）的尺寸通常也不超过DN 2000mm（≈80英寸），并且实际应用中通常尺寸会比主隔离阀小。
对于像长输渡槽（沟渠）、水电站内部流道或跨流域调水管道这样的超大口径输水系统，也有厂家在生产直径最大DN 4000mm（≈160英寸/13英尺）的蝶阀，例如AVK、伯尔梅特（Bermad）、新歌（Singer）和KSB等厂家。这些属于小众定制商品阀，通常用于水坝出口、泵站或水电站压力管道等场景。
总结
新技术加上新材料，正在改变水务行业的面貌，使其更具有可持续性，而且在可再生能源的加持下，更符合现代化环境管理理念。成本正在猛跌，我们希望这一趋势能够继续，这样才能让世界上最贫困地区——同时也是用水需求最大的地区——继续实施环保升级行动。
超滤（UF）膜侧流路径架构。图片版权：Aquabio Ltd. —— 自创作品，遵循CC BY-SA 3.0知识共享许可协议（维基百科）
