以色列：水的創新者

葛利云/編譯

?

以色列：水的創新者

葛利云/編譯

●海水淡化、廢水再利用和高效灌溉。

沒有比死海更能代表中東的水資源匱乏。死海的含鹽量是普通海水含鹽量的10倍，只有具有高適應性的細菌和真菌能存活其中。近年來，由于以色列、敘利亞和約旦向約旦河取水，死海的水平面以每年1米的速度在降低。由于內陸海水減退，出現了許多潮灘和數以千計的落水洞，其中一些深達25米。

處在水資源匱乏之中的以色列已成為水處理設施建設的典范。2013年，以色列政府甚至宣稱國家用水已不受異常天氣和氣候干旱的影響。一度讓國家苦惱的加利利海的水平面問題已不存在，每年更是能向約旦河輸出1億立方米的水。

作為淡化技術的世界前沿，以色列的飲用水約30%來自于5大反滲透水廠的供應。以色列85%的廢水被重復利用在灌溉中，而位居水資源循環利用率第二的西班牙僅為20%，美國更少。以色列政府集中管理水的分配，并于20世紀60年代開發出應用于農業的滴灌技術。

美國能源部長歐內斯特·莫尼茲（Ernest Moniz）曾說：“以色列的水資源管理是全世界最先進的?！蹦崞澆块L于四月參觀了以色列，與國家基礎設施部、能源以及水資源部長尤瓦·斯坦尼茲（Yuval Steintz）簽署了開展淡化、水處理和能源的合作。

莫尼茲說，來自兩國的團隊將會開展關于創新性高效節能的淡化工藝的設計競賽。兩位部長也公布了能源和水資源方向博士后的交換項目。

充滿挑戰

雖然現在以色列可以自給自足，但水資源匱乏和水質量問題依然困擾其它鄰國。約旦是個缺水的國家，大多數家庭沒有流動水。埃及所關注的尼羅河供水將在2017年中斷，因為青尼羅河上的埃塞俄比亞復興大壩將建成。受上游地區的土耳其筑壩、農業徑流污染物以及筑壩引起的水流量減少的影響，生活在幼發拉底河流域的50萬敘利亞人不得不放棄耕種。內蓋夫的本古里安大學扎克伯格水研究所的環境水文學與微生物系的奧斯納特·吉洛爾（Osnat Gillor）指出：干旱地方的敘利亞人涌向城市貧民窟，這些地方曾經是內戰的爆發地。本古里安大學負責主持以色列專屬水研究項目。

非洲撒哈拉沙漠以南地區沒有缺水問題：維多利亞瀑布日徑流量與以色列的年用水量相當。扎克伯格水研究所所長諾阿姆·韋斯布羅德（Noam Weisbrod）指出，在加納、肯尼亞以及其他國家存在主要問題是干凈的飲用水。他說，全球每年有180萬兒童死于腹瀉，絕大多數是由于飲用了污染的水。大約600個與水有關的非政府組織每年在非洲花費數十億美元卻收效甚微。

借助于農村水資源開發計劃，本古里安大學輸送教職工和學生去埃塞俄比亞、烏干達和其他非洲國家，提供技術含量低且廉價的取水措施，比如鉆井和安裝泵等。韋斯布羅德指出，盡管許多非政府組織也在做同樣的事情，但是很少會維護已安裝的設備，“那里有很多中看不中用的設備?！北竟爬锇泊髮W今年的烏干達之旅將關注水井的修復項目。

先進的反滲透技術

以色列的5個反滲透工廠每年生產6億立方的水。它們從地中海引水，用砂過濾器過濾掉大的顆粒物。通過高壓水泵，將海水打入圓柱形多級聚合物過濾器。逐級變小的微孔可過濾掉微粒、微生物以及大分子。在最后階段，近乎于純凈的水透過反滲透膜，99.8%的鹽和其他礦物質被截留下來。盡管透過的水接近純凈，反滲透的后處理系統也是必須的，它可以去除硼，硼在很低濃度下對工廠設備也是有害的。

索里克海水淡化水廠通過高壓泵將海水提升到反滲透膜裝置以去除鹽和其他污染物。作為世界上最大的反滲透工廠，索里克水廠為150萬人供應飲用水

索里克（Sorek）是世界上最新的最大的反滲透廠（見上圖）。它在2013年開始運行，每年生產1.5億立方水。它位于特拉維夫南部15千米處，它為150萬人提供飲用水。直徑為41厘米的索里克的圓柱體部分是以色列其它水廠設備的兩倍寬。它們垂直排列不僅可以節省空間，清理設備和重啟反滲透程序也更容易些。索里克使用的反滲透設備有5萬個過濾組件，每個價值2 000美元。IDE海水淡化技術公司負責 Sorek水廠和分布在 40個國家的其他400家反滲透水廠的籌建和運行管理。IDE海水淡化技術公司副總裁鮑里斯·利伯曼（Boris Liberman）說，合理的維護可以使這些水廠運轉長達10年之久。位于加利福尼亞的卡爾斯巴德反滲透水廠，在去年由IDE完成建設，它是西半球最大的反滲透水廠，每天可以處理20.4萬立方水。

全世界有125個國家共建有15 000臺反滲透廠。扎克伯格水研究所淡化和水資源處理部門的專家摩西·赫茨伯格（Moshe Herzberg）稱，這些水廠處理1立方米的水需要1.25～2.5千瓦時。其花費已從20世紀90年代的每立方米水接近1.6美元降到索里克的58美分。

反滲透設備的主要問題是膜的生物污染。經過一段時間后，隨著微生物、藻類的生長與累積，水經過過濾器的流速會變慢。類似過氧化氫這種具有氧化性質的消毒劑會損壞聚合物薄膜，因此反滲透各組件必須用洗滌劑與堿性溶液來清理。清洗工作需要在特定的地方進行，這就要求清洗時需要將反滲透膜從設備中取出來。清洗后的廢水要經過處理后才能排放。赫茨伯格說，其中一個研究方向就是要發現耐受氧化劑的多聚物。另外一個重點就是研究包裹在過濾膜外面的水凝膠。水凝膠模擬水母的表皮，使其避免生物污染。

由于鹽和其他無機物的積累，過濾器上的污垢也成為一大問題。為了預防污垢的形成，電解質除垢劑被添加到水里。但本古里安大學的研究者發現，這些聚合物會為微生物提供營養并且還會改變膜的表面性質，反而促進膜的生物污染。

本古里安大學的反滲透技術公司（ROTEC）研發了一個新型除垢器，通過周期性改變水流方向，將工藝中的第一層膜切換為最后一層。在膜組件過飽和的情況下，用基本不含鹽的進水來從反面沖刷掉已形成的污垢微粒，就不會形成大范圍的沉淀了。公司的首席執行官諾阿姆·佩爾穆特（Noam Perlmutter）稱，該款的除垢器已在荷蘭安裝，也有在中國和智利的可口可樂瓶裝工廠中使用。

扎克伯格水研究所的克里斯托弗·阿努施（Christopher Arnusch）講師正在進行一個試驗，用二維和三維打印技術為過濾膜上的聚合物涂層。與傳統的聚合物浸漬法相比，3D打印可以構建出圖案化聚合物表面。他說：“我們發現圖案化膜比傳統方法做出的膜具有更強的滲透性和脫鹽率。我們正在試圖找出原因?！?/p>

一些聚合物沉積圖案展現出了更好地預防膜的生物污染。阿努施說：“相比之下，平行條帶的膜污損最少，并且比垂直條帶膜運行的效果更好?！?D成膜技術可以簡單又廉價地組合在膜加工程序中。

廢水

以色列在污水處理方面的創新也是效果顯著。位于特拉維夫南部的夏夫丹（Shafdan）污水處理廠每天處理250萬人口產生的40萬立方米污水。擁有中東地區最大最先進的設備，該污水處理廠是周邊沙丘的最后的三相處理中的一部分。在早些的工藝中，廢水經過微生物處理后，污泥得到分離。在水滲入地下100米之前，需要經歷一個耗時幾個月的過程，整個過程中保證無污染并能通過農用水的認證。夏夫丹污水處理廠作為以色列最大的單點水源，能滿足內蓋夫沙漠60%的農業用水。

特拉維夫附近的夏夫丹污水處理廠處理由250萬人口產生的廢水。以色列的85%的廢水被循環利用于灌溉中

在以色列，處理后的廢水僅能用于灌溉，由國家管理的分配系統來供應。吉洛爾提到，以色列的農業用水標準要比世界衛生組織的要求更嚴格。

對于廢水回收利用，人們看法大有不同。由于新加坡的水大多依賴于鄰國馬拉西亞與印度尼西亞的供應，廢水經處理后也用于飲用水。而美國加州民眾強烈反對將處理后的廢水注入到地下蓄水層中。

灌溉

據本古里安大學的法國旱地農業與生物技術研究所的納夫塔利·拉扎洛維奇（Naftali Lazarovitch）研究員說，在世界范圍內，大約60%的農業用水通過蒸發、徑流、排水或泄露丟失。全球百分之四十的陸地面積是旱地，供世界人口的1/3居住。包括內蓋夫在內，以色列的75%土地均是旱地。沙漠為本古里安大學的灌溉研發提供了一個方便的野外實驗室，它有著平均9厘米的年降水量，少量降水為地殼、多巖土壤所吸收。

以色列發明了現代滴灌技術，該技術直接將水（包括處理過的廢水）傳送到植物和作物的根部。塑料滴灌管無處不在，即使是在景觀園林周圍以及在本古里安大學主校區坐落的沙漠城市比爾謝巴（Beersheba），都可以看到它們的影子。另外，與在陡峭山坡上的噴灌、滴灌工程，以及精確的液體施肥、噴灑殺蟲劑相比，現代滴灌技術可以減少水的使用量和蒸發。

為了進一步提高灌溉效率，本古里安大學研究人員開發了一個簡單的毛細管屏障以阻止來自根部的水流。它由一層置于淺溝槽底部的砂礫組成，這些淺溝就在燈籠椒的根部下邊。然后這些地溝再用土壤回填。燈籠椒產量提高了25%，并且水的用量減少。拉扎洛維奇說，農民甚至在這項試驗完成前就開始使用該技術。然而，安裝這些屏障是昂貴的，農民可能需要10年才能收回他們的投資。法國旱地農業與生物技術研究所的霍納森·埃佛拉茲（Jhonathan Ephrath）主要研究：在沙漠附近300公頃的場地上用極罕見降雨形成的唯一徑流來種植橄欖樹，被稱為集水灌溉。2000年來的實踐證明：由于貧瘠的土地不易吸收水，所以一些水庫的水可以直接澆灌樹木。集水區的面積是樹木所覆蓋面積的30倍。因為橄欖樹自然生長變化的原因很大程度上是未知的，所以需要幾年才能從試驗中得出結論。他還補充道，在發展中世界的干旱地區，可以使用集水灌溉來培育快速增長的相思樹以提供烹飪燃料。

本古里安大學開發了一種設備，可以從糞便中提取氮，并可通過滴灌的方式將這種流體氮肥用于農作物。該大學正尋求資金去擴大規模并商業化該工藝流程

在查謨和喀什米爾（印度管轄地區）的拉達克地區，那兒的灌木叢顯示特有的線型和圓型模型，以這種形式來體現持續的干旱

荒漠化修復

本古里安大學物理學家埃胡德·梅龍（Ehud Meron）研究長期干旱條件下植被的空間重組。他說，自然界有一個關于分布模式的非線性物理學的完整領域。這些模式也出現在生態系統中。梅龍說，面對長期缺水的壓力，為合理利用現有水資源，植被以不同的模式死去。低于關鍵降雨水平時，環形缺口開始形成。隨著干旱的繼續，如上圖所示，植被退變成虛線模式，然后形成圓圈。裸露的地面提供了一個額外的收集區域，剩下的植物從收集區內吸收水分來生存。

模型試驗表明，以條紋種植方式修復植被不是最佳的修復方式。因為往往在路堤上，這種布局不能復原干旱情境。相反，梅龍說，像在一個菱形網格里一樣零散種植，可能會產生一個更加可持續的生態系統。

至于死海，很長時間以來就建議把它連接到紅海。主要目的并不是拯救日益減少的水域，而是為約旦淡化海水。到上個月為止，為在紅海附近建造和運營一個海水淡化試驗廠，約旦政府向工業界尋求支持。最終，將修建管道以引入更多的水到死海附近的第二海水淡化廠。該工廠的排水將有助于補充這些水域，這對生態系統的影響尚不清楚。從紅海到死海的430米落差可用于水力發電。

但該試點項目將需要10億美元或更多的資金，尚且不清楚這筆錢將來自何處，更何況全項目需要100億美元的預算。

［資料來源：Physics Today］［責任編輯：岳 峰］