來源：水基因（微信號：WaterDNA）

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摘要

隨著全球環(huán)境問題的日益凸顯和科技水平的不斷進(jìn)步，針對不同區(qū)域不同類型的水資源短缺等問題，水處理行業(yè)不斷衍生出新穎的、小型的、模塊式的水處理技術(shù)。本文主要從飲用水凈化和污水處理兩個方面向您介紹凈水行業(yè)的黑科技，也即凈水行業(yè)的非常規(guī)工藝和技術(shù)。

☑飲用水領(lǐng)域最直接的問題就是水資源短缺、甚至沒有地表水和地下水等常見水資源，或者水資源污染，那現(xiàn)有黑科技是如何解決這些問題的呢？

☑在污水處理方面，傳統(tǒng)的工藝已經(jīng)具有非�？煽康奶幚硇Ч�，但是地域差異以及化工等領(lǐng)域的快速發(fā)展給傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)帶來了新挑戰(zhàn)，又有哪些腦洞大開的技術(shù)呢？

研究員介紹

張靜

現(xiàn)中國河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院教師和美國科羅拉多礦業(yè)大學(xué)博士后，主要研究方向為水中新興有機(jī)污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、去除效能與機(jī)制研究；水和污水的深度處理新技術(shù)開發(fā)；工業(yè)廢水的處理處置等。

王大偉

現(xiàn)美國弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)博士后，主要方向為污水深度處理新技術(shù)的開發(fā)以及環(huán)境功能材料的制備等。

飲用水領(lǐng)域

傳統(tǒng)飲用水處理工藝可以分為：混凝-沉淀-過濾-消毒四個部分。那么請大家思考，現(xiàn)有的凈水處理黑科技是徹底擺脫了傳統(tǒng)水處理工藝而進(jìn)行的創(chuàng)新呢，還是基于這一傳統(tǒng)工藝進(jìn)行的改進(jìn)呢？牛頓說：“如果說我比別人看得更遠(yuǎn)些，那是因為我站在了巨人的肩膀上。”創(chuàng)新的金字塔正是這樣一代一代壘起來的。很多時候，那些令人耳目一新的工藝中卻蘊(yùn)含了每個水處理工作者心中熟知的基本原理。所以尊重知識，理解知識，運(yùn)用知識，這也許才是智慧的開端�，F(xiàn)有飲用水領(lǐng)域的凈水黑科技主要是基于過濾和蒸餾兩種工藝，另外也有一些基于其它原理的凈水黑科技出現(xiàn)，如超聲波凈水。

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基于過濾的凈水黑科技

陶瓷凈化器

注：圖片來源[1]

【技術(shù)簡析】陶瓷凈化器由聯(lián)合國兒童基金會和水源與環(huán)境衛(wèi)生計劃共同推出。該凈化器可以去除水中99.99%的大腸桿菌。有些陶瓷過濾器鍍有膠體銀，膠體銀可以徹底抑制細(xì)菌增長或者殺滅細(xì)菌。

【成本分析】50-400美元

【實際應(yīng)用】由于陶瓷凈化器的推廣，2001年柬埔寨腹瀉率降低了50%，因此2007年柬埔寨的共生產(chǎn)陶瓷凈化器5500個。

生命之袋

注：圖片來源[1]

【技術(shù)簡析】起初“生命之袋”用來向發(fā)展中國家的各個社區(qū)發(fā)放糧食，后來也逐漸用來做太陽能凈水裝置。“生命之袋”利用太陽能來對水進(jìn)行消毒，太陽產(chǎn)生的熱能和陽光中的紫外線UV-A可以殺滅水中的微生物和細(xì)菌。同時“生命之袋”中過濾裝置可以濾除水中的顆粒物和細(xì)菌等微生物。

【成本分析】10-50美元。

【實際應(yīng)用】在發(fā)展中國家已經(jīng)有應(yīng)用。

印度生物砂濾池

注：圖片來源[2]

【技術(shù)簡析】生物砂濾池池體為水泥構(gòu)建，內(nèi)部過濾層由砂子和鵝卵石基層組成。污水在濾層上部逐漸向下擴(kuò)散，首先與生物層接觸，病毒和細(xì)菌通過靜電作用被吸附于細(xì)沙區(qū)域，由于該區(qū)域沒有病毒和細(xì)菌需要的營養(yǎng)物質(zhì)、光和氧氣，因而微生物將全部餓死。濾除微生物和顆粒物的水可以繼續(xù)向下流過鵝卵石基層，然后通過管道返回到上部的出水口。

【成本分析】生物砂濾池成本較低，僅3000盧比（約46美元），可以穩(wěn)定運(yùn)行30年，單個生物砂濾池每天的產(chǎn)水量為84升，足夠供應(yīng)10-12名成年或者70名在校兒童使用。并且運(yùn)行中無后續(xù)費(fèi)用，無需特殊維護(hù)和電能消耗。

【實際應(yīng)用】生物濾池已經(jīng)含印度等66個國家接納。

紫外消毒純水杯

注：圖片來源[3]

【技術(shù)簡析】純水杯可以在2分鐘內(nèi)對含有泥沙的水完成過濾。純水杯外形與一般的普通杯子無異，但是它有內(nèi)杯和外杯，過濾時將外杯裝滿待凈化的水，然后從外杯上面插入內(nèi)杯，打開UV消毒裝置，在2分鐘內(nèi)即得到安全可口的純凈水。內(nèi)杯底部濾膜（孔徑4微米）和紫外燈聯(lián)合可以去除水中99.9%的雜質(zhì)。

【成本分析】參考價格幾十美元。

【實際應(yīng)用】目前市場有各類改良版的純水杯。

“生命吸管”

注：圖片來源[4]

【技術(shù)簡析】生命吸管內(nèi)有2段式濾芯，可有效去除水中細(xì)菌和原生動物，人喝水時產(chǎn)生的抽吸力作為水過濾的動力。針對不同的應(yīng)用，目前還衍生出了更加便攜的小型吸管以及針對社區(qū)使用的大型裝置。

【成本分析】生命吸管杯39.95美元/個；野外用生命吸管54.95美元/個；社區(qū)生命吸管329.95美元/個

【實際應(yīng)用】2010年海地地震、2010年巴基斯坦地震、2011年泰國地震和2016年厄瓜多爾地震中均使用生命吸管制取飲用水。在肯尼亞長期干旱時，紅十字會也曾發(fā)放生命吸管過濾器給3750個學(xué)校兒童和6750個家庭。

會凈水的自行車

注：圖片來源[5]

【技術(shù)簡析】日本Nippon Basic Company 開發(fā)的凈水自行車采用騎行中產(chǎn)生的動力作為驅(qū)動力來制取清潔飲用水。凈水自行車由自行車和四個過濾器組成，一個過濾器為預(yù)過濾器，其它三個為凈水過濾器。凈水自行車主要應(yīng)用于其它機(jī)動車輛難以抵達(dá)的區(qū)域，如山區(qū)。使用者只需要騎行一分鐘就可以制得5升清潔飲用水。水源水可以為河水、湖水、游泳池水和洗浴水，但不可為海水。

【成本分析】目前該車的價格為每輛6600美元。

【實際應(yīng)用】目前該車主要是出售給日本的政府部門，只有很小一部分出售給鄰國。Nippon Basic Company計劃將該自行車推廣至孟加拉國，一方面是降低生產(chǎn)成本，另一方面是幫助孟加拉國民獲取清潔飲用水

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基于蒸餾的凈水黑科技

Slingshot

注：圖片來源[6]

【技術(shù)簡析】Slingshot設(shè)備為一個發(fā)電機(jī)和一個水蒸餾器，發(fā)電機(jī)可以使用任何可燃燒物質(zhì)作為燃料，水蒸餾器則利用發(fā)電機(jī)的電能將收集到的污水進(jìn)行蒸餾，即可得到干凈的水，每天可以生產(chǎn)約~946升，足夠100人使用。該設(shè)備對進(jìn)水的水質(zhì)沒有任何要求，進(jìn)水可以為被污染的河水、海水和生活污水。

【成本分析】Slingshot設(shè)備的大小與小型冰箱接近，初期設(shè)備的成本為幾十萬美元一臺，發(fā)明人Dean Kamen預(yù)測隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大可以將每臺設(shè)備的成本降低為2000美元。

【實際應(yīng)用】Slingshot凈水設(shè)備在洪都拉斯、加納都取得了良好的運(yùn)行效果。2013年發(fā)明人Kamen與可口可樂公司合作，宣布將于2015年底將Slingshot 設(shè)備推廣至亞洲、拉丁美洲和非洲，預(yù)期安裝運(yùn)行2000臺。

注：圖片來源[6]

2013年8月可口可樂公司在南非海德爾堡推出了第一個Ekocenter，Slingshot設(shè)備作為其組成部分，用于提供清潔水。

向空氣要水

注：圖片來源[7]

【技術(shù)簡析】在地表水源和地下水源都無法獲得時，地球大氣層中儲存的約13,000km3淡水蒸汽則成為唯一的可能水源。Eole Water公司發(fā)明的新型冷凝設(shè)備可以收集空氣中水蒸氣將其轉(zhuǎn)化為清潔的可飲用水。冷凝器采用食品安全級不銹鋼合金制成，寬約1米，長5千米，使用壽命約幾十年，不易被腐蝕。冷凝水經(jīng)過五級處理得到適合飲用的純凈水，其水質(zhì)優(yōu)于世界衛(wèi)生組織的標(biāo)準(zhǔn)。

同時該公司還發(fā)明了另外一種通過冷凝空氣獲取清潔水的小型裝置，名為LA MICRO。該裝置中旋流凈化器和活性炭過濾器可以除去空氣中的灰塵、花粉、細(xì)小顆粒物，凈化后的空氣用于提取清潔水。該裝置可以采用車載24V電池驅(qū)動，在不工作時，該裝置可以連接常規(guī)電網(wǎng)或者光伏發(fā)電板充電。

【成本分析】該技術(shù)主要在極端環(huán)境下應(yīng)用，相比技術(shù)的實用性，成本不再是首要需要考慮的因素。

【實際應(yīng)用】可以用于極端無水環(huán)境，尤其是在作戰(zhàn)過程中，當(dāng)不能確定水源水是否安全時。另外該工藝還可以用于與其他城鎮(zhèn)隔離的干旱地區(qū)，免去給水管網(wǎng)的鋪設(shè)，可以采用太陽能或者風(fēng)能作為該取水裝置的能源。

利用太陽能作為能源的簡易蒸餾設(shè)備

注：圖片來源[1]

Eliodomestico

【技術(shù)簡析】Eliodomestico凈水過程完全依靠太陽能，無需電源、馬達(dá)或者人力驅(qū)動。只需要將待凈化的水放置于Eliodomestico上部的儲水槽，然后將其在太陽下靜置8小時，就可以得到5升飲用水。

注：圖片來源[1]

Solarball

【技術(shù)簡析】Solarball每天可產(chǎn)水3升，其上半部分是透明的，因而太陽光可以通過，照射在下部的黑色儲水槽中，水蒸氣可以源源不斷的進(jìn)入上部的冷凝水槽，水中的雜質(zhì)則滯留于下部儲水槽。

【成本分析】這些利用太陽能來蒸餾凈化的水的簡易裝置成本一般較低。

【實際應(yīng)用】因而該類設(shè)備適用于偏遠(yuǎn)落后并且日照充足的區(qū)域。

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其他凈水黑科技

超聲波凈水技術(shù)

注：圖片來源[8]

【技術(shù)簡析】Aquavus設(shè)備采用超聲波技術(shù)，將不清潔的水轉(zhuǎn)化成 10微米的小水滴，這些小水滴經(jīng)過揮發(fā)-冷凝后即可轉(zhuǎn)化為純凈水，而水中鹽分、污染物和顆粒物則在揮發(fā)過程中被分離。Aquavus的產(chǎn)水量為2升/分鐘， 海水淡化設(shè)備的體積為1.5米×1.5米×1.5米，地下水和地表水凈化設(shè)備的體積為1米×1米×1米，其產(chǎn)水量均為120升/小時。第三世界國家村莊的用水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家的城市或者郊區(qū)，每個村民平均每天飲用、烹飪和洗浴的水為20升，因此一臺Aquavus設(shè)備每天產(chǎn)生的水量足以供給150位村民。Aquavus 設(shè)備采用模塊化設(shè)計，可移動性好，因此可以用于地震、海嘯、洪災(zāi)、干旱或者戰(zhàn)地中。采用的水源主要是海水、地下水和被污染的地表水。

【成本分析】該設(shè)備能耗較低，因此具有大規(guī)模應(yīng)用的前景。海水淡化設(shè)備的預(yù)期價格為每臺1000美元，地下水和地表水凈化設(shè)備的預(yù)期價格為每臺500美元。

【實際應(yīng)用】Aquavus設(shè)備仍處于研發(fā)階段，目前已經(jīng)在實驗室完成一期測試，二期測試正在進(jìn)行，二期測試主要內(nèi)容是確保該設(shè)備在偏遠(yuǎn)、不宜人居和熱帶地區(qū)的耐用性。

污水領(lǐng)域

傳統(tǒng)的污水處理工藝已經(jīng)具有非�？煽康奶幚硇Ч�，但對一些發(fā)展中國家，資金的缺乏使得大規(guī)模的市政管網(wǎng)建設(shè)在短期內(nèi)不太可行，因此有必要針對這些地區(qū)的實際情況開發(fā)一些小型的、獨(dú)立的污水處理系統(tǒng)。另外，一些特種污水，如醫(yī)用廢水和含有重金屬的工業(yè)廢水的處理也值得關(guān)注。與飲用水新技術(shù)不同的是，污水處理領(lǐng)域的創(chuàng)新往往依靠有時候會孕育著新理論和新科技的誕生。

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廁所玩出新花樣

太陽能廁所

注：圖片來源[9]

【技術(shù)簡析】我們天天都在使用廁所，但你知道嗎，廁所對公共衛(wèi)生有著至關(guān)重要的作用。在一些第三世界國家，由于缺乏廁所這一類的公共衛(wèi)生設(shè)施，人體排泄物中的細(xì)菌、病毒及寄生蟲對人體健康造成嚴(yán)重的危害。但廁所的建設(shè)往往伴隨著市政管網(wǎng)等一系列配套設(shè)施，所以對于一些人均收入低的發(fā)展中國家，獨(dú)立的廁所系統(tǒng)可能更加現(xiàn)實。針對這一情況，美國加州理工的一個團(tuán)隊針對這一情況，開發(fā)了一套太陽能驅(qū)動的電化學(xué)處理系統(tǒng)。這套系統(tǒng)利用太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，后者用于電化學(xué)電池的工作。電池的陽極能夠生成一些具有高氧化能力的活性基團(tuán)，從而分解有機(jī)物和滅活細(xì)菌。

【成本分析】目前太陽能廁所的核心裝置的成本約在2000美元，總成本則要看廁所的豪華程度了。

【實際應(yīng)用】目前這個技術(shù)在蓋茨基金的幫助下，已經(jīng)在印度部分地區(qū)開始推廣。

納膜廁所

注：圖片來源[10]

【技術(shù)簡析】為解決同樣的問題，來自英國克蘭菲爾德大學(xué)的科學(xué)家們發(fā)明了另外一種馬桶，特點是不需要水！沒有水，怎么沖呢？不用沖，用刮的。。當(dāng)人體排泄物進(jìn)入馬桶后，類似于鏟子一樣的東西會把它們收進(jìn)馬桶下面的池子里，然后被攪碎。固體被焚燒變成灰，以后可以作為肥料，而液體則會通過一個膜系統(tǒng)被凈化，可用于灌溉等用途。

【成本分析】暫無資料

【實際應(yīng)用】目前該技術(shù)已在加納推廣運(yùn)行

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特種廢水

醫(yī)用廢水[11]

【技術(shù)簡析】傳統(tǒng)的污水處理工藝主要針對民用或市政污水，但對于一些特種污水的處理效果并不理想。針對這一問題，格蘭富公司與丹麥的地方政府以及醫(yī)院開展了一系列合作，開發(fā)出了針對醫(yī)用廢水的處理系統(tǒng)。這套系統(tǒng)主要有三部分組成：生物處理系統(tǒng)、陶瓷膜系統(tǒng)以及臭氧紫外系統(tǒng)。據(jù)報道，該套系統(tǒng)對醫(yī)用廢水處理效果很好。另外，該系統(tǒng)集成度很高，每個部分都可以根據(jù)不同需求進(jìn)行改裝。

【成本分析】4200萬克朗，約合670萬美元。

【實際應(yīng)用】目前利用該技術(shù)已在丹麥的Herlev醫(yī)院旁建成第一套凈水系統(tǒng)。

重金屬

稀土元素[12]

【技術(shù)簡析】鑭、镥、鈧、釔等元素是及其寶貴的工業(yè)原料。這些元素是現(xiàn)代科技，尤其是電子技術(shù)不可缺少的重要物質(zhì)，但由于豐度較低難以分離，相關(guān)采掘、精煉和提純是典型的高能耗高污染行業(yè)。但是，這些稀有金屬的回收率非常低，只有1%。為解決這一問題， 來自美國賓夕法尼亞大學(xué)的一個團(tuán)隊開發(fā)了一類新型的有機(jī)配體，能夠輕松地從混合物中分離出這些元素。這項技術(shù)還獲得了2017年美國綠色總統(tǒng)化學(xué)獎。

【成本分析】暫無資料。

【實際應(yīng)用】目前仍在研發(fā)階段，但美國能源部正大力支持該技術(shù)朝向工業(yè)級回收的目標(biāo)發(fā)展。

砷

注：圖片來源[14]

【技術(shù)簡析】砷污染嚴(yán)重威脅人類的健康，目前應(yīng)對的方法主要是吸附法。但你肯定想不到，用一個塑料瓶就能去除水中的砷。美國蒙茅斯大學(xué)的一個團(tuán)隊開發(fā)了一項技術(shù)，通過對塑料瓶簡單的改性——在其表面修飾上巰基，就可以通過簡單的搖晃去除水中的砷。在一項他們申請的專利[13]中，他們提出可以利用一些常見的氨基酸來提供巰基，如半胱氨酸等。

【成本分析】上面提及的氨基酸都為常見的工業(yè)原料，所以該技術(shù)的成本很低。

【實際應(yīng)用】暫無資料。

總結(jié)

水是寶貴的資源，嚴(yán)峻的水資源危機(jī)已經(jīng)威脅到人類的可持續(xù)發(fā)展，但這或許也是一個契機(jī)，促使人類思考如何真正意義上地充分開發(fā)水資源。這一動力促使我們不斷嘗試新技術(shù)。在水的獲取上，人類科技的發(fā)展也體現(xiàn)的淋漓盡致。從原來只能依靠河水和井水，到將污水凈化，到利用海水，再到現(xiàn)在可以從空氣中收集水，我們不斷收獲科技給我們帶來的喜悅。而在一些發(fā)展中國家的嘗試也向我們證明，未來的水處理技術(shù)將有可能向小型化和模塊化方向發(fā)展。我們可以大膽想象，未來的世界的水將“無處不在”！

參考文獻(xiàn)

[1].https://www.globalcitizen.org/en/content/5-innovative-ways-people-in-the-developing-world-p/

[2].https://www.thebetterindia.com/13532/biosand-filters-providing-clean-drinking-water-remotest-areas-india/

[3].http://inhabitat.com/pure-water-bottle-filters-99-9-of-bacteria-with-uv-light/

[4].http://lifestraw.com/

[5].http://www.nipponbasic.ecnet.jp/e-cc.html

[6].http://science.howstuffworks.com/environmental/green-tech/remediation/slingshot-water-purifier.htm

[7].http://www.eolewater.com/

[8].http://www.prnewswire.com/news-releases/aquavus-a-revolutionary-system-for-purifying-seawater-and-unsafe-water-282134361.html

[9].http://www.caltech.edu/news/caltech-wins-toilet-challenge-23635

[10].http://www.nanomembranetoilet.org/

[11].http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0015188215301415

[12].Angew. Chem. Int. Ed.,2015, 54, 8222-8225 http://www.x-mol.com/news/7204

[13].https://www.google.com/patents/US8828235

[14].https://www.treehugger.com/clean-technology/removing-arsenic-from-water-withplastic-bottles-and-nutrition-supplements.html

研究結(jié)束

研究員們辛苦啦，聽聽大牛們怎么說~

鄭祥

中國人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授

讀完本文，才發(fā)現(xiàn)對這么陌生的黑科技進(jìn)行點評是一件比評審英文學(xué)術(shù)論文更辛苦的事情。不過說到“高、大、上”的黑科技，不得不提到飲用水污水通吃的正滲透技術(shù)（FO）。

Hydration水提取膜包是目前僅有的幾個正滲透技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用之一，由于這一過程不需要外加能源，得到的水沒有生物和外在有機(jī)物的污染，特別適用于應(yīng)急供水、野外和軍隊?wèi)?yīng)用。當(dāng)前正滲透技術(shù)還處于技術(shù)研發(fā)探索階段，尚未大范圍推廣應(yīng)用，多數(shù)在建中試項目，鮮有已成熟的示范工程。

楊陽

加州理工博士后yangyang@caltech.edu

污水處理技術(shù)無非生化或物化兩大類。文章中提到的以及現(xiàn)有的“黑科技”我個人認(rèn)為仍是新瓶裝舊酒，并沒有超出上述兩大類范疇。這些新發(fā)明的亮點在于為特定的處理技術(shù)找到了合適的用途，并通過優(yōu)秀的工業(yè)設(shè)計引起大眾關(guān)注，邁出了商業(yè)化的第一步。這些技術(shù)大多基于物化處理原理，以快速集散式污水處理為賣點。因為就大規(guī)模污水處理而言，幾乎沒有技術(shù)在經(jīng)濟(jì)性上能勝過生化法。

新型技術(shù)目前處于百花齊放的狀態(tài)。從基本原理上都能說得通，在小試規(guī)模上都能取得較好的效果。能否大規(guī)模推廣就得看長期處理效率是否穩(wěn)定，操作是否簡便，初期投資成本及運(yùn)行成本是否合理。我相信大浪淘沙，好的技術(shù)終究會脫穎而出的。

從上述的分析來看，我個人比較看好電化學(xué)的處理技術(shù)和膜分離技術(shù)。因為這些技術(shù)都是演變于成熟的化工技術(shù)。工業(yè)界已經(jīng)奠定了良好的基礎(chǔ)。二次研發(fā)的難度較低。