來源：水基因（微信號：WaterDNA）

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摘要

隨著全球環境問題的日益凸顯和科技水平的不斷進步，針對不同區域不同類型的水資源短缺等問題，水處理行業不斷衍生出新穎的、小型的、模塊式的水處理技術。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的黑科技，也即凈水行業的非常規工藝和技術。

☑飲用水領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，那現有黑科技是如何解決這些問題的呢？

☑在污水處理方面，傳統的工藝已經具有非常可靠的處理效果，但是地域差異以及化工等領域的快速發展給傳統的污水處理技術帶來了新挑戰，又有哪些腦洞大開的技術呢？

研究員介紹

張靜

現中國河海大學環境學院教師和美國科羅拉多礦業大學博士后，主要研究方向為水中新興有機污染物遷移轉化規律、去除效能與機制研究；水和污水的深度處理新技術開發；工業廢水的處理處置等。

王大偉

現美國弗吉尼亞聯邦大學博士后，主要方向為污水深度處理新技術的開發以及環境功能材料的制備等。

飲用水領域

傳統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，現有的凈水處理黑科技是徹底擺脫了傳統水處理工藝而進行的創新呢，還是基于這一傳統工藝進行的改進呢？牛頓說：“如果說我比別人看得更遠些，那是因為我站在了巨人的肩膀上。”創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，運用知識，這也許才是智慧的開端。現有飲用水領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，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]

【技術簡析】陶瓷凈化器由聯合國兒童基金會和水源與環境衛生計劃共同推出。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菌增長或者殺滅細菌。

【成本分析】50-400美元

【實際應用】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年柬埔寨的共生產陶瓷凈化器5500個。

生命之袋

注：圖片來源[1]

【技術簡析】起初“生命之袋”用來向發展中國家的各個社區發放糧食，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行消毒，太陽產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菌。同時“生命之袋”中過濾裝置可以濾除水中的顆粒物和細菌等微生物。

【成本分析】10-50美元。

【實際應用】在發展中國家已經有應用。

印度生物砂濾池

注：圖片來源[2]

【技術簡析】生物砂濾池池體為水泥構建，內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散，首先與生物層接觸，病毒和細菌通過靜電作用被吸附于細沙區域，由于該區域沒有病毒和細菌需要的營養物質、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），可以穩定運行30年，單個生物砂濾池每天的產水量為84升，足夠供應10-12名成年或者70名在校兒童使用。并且運行中無后續費用，無需特殊維護和電能消耗。

【實際應用】生物濾池已經含印度等66個國家接納。

紫外消毒純水杯

注：圖片來源[3]

【技術簡析】純水杯可以在2分鐘內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杯，打開UV消毒裝置，在2分鐘內即得到安全可口的純凈水。內杯底部濾膜（孔徑4微米）和紫外燈聯合可以去除水中99.9%的雜質。

【成本分析】參考價格幾十美元。

【實際應用】目前市場有各類改良版的純水杯。

“生命吸管”

注：圖片來源[4]

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

【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；社區生命吸管329.95美元/個

【實際應用】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，紅十字會也曾發放生命吸管過濾器給3750個學校兒童和6750個家庭。

會凈水的自行車

注：圖片來源[5]

【技術簡析】日本Nippon Basic Company 開發的凈水自行車采用騎行中產生的動力作為驅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，一個過濾器為預過濾器，其它三個為凈水過濾器。凈水自行車主要應用于其它機動車輛難以抵達的區域，如山區。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]

【技術簡析】Slingshot設備為一個發電機和一個水蒸餾器，發電機可以使用任何可燃燒物質作為燃料，水蒸餾器則利用發電機的電能將收集到的污水進行蒸餾，即可得到干凈的水，每天可以生產約~946升，足夠100人使用。該設備對進水的水質沒有任何要求，進水可以為被污染的河水、海水和生活污水。

【成本分析】Slingshot設備的大小與小型冰箱接近，初期設備的成本為幾十萬美元一臺，發明人Dean Kamen預測隨著生產規模的擴大可以將每臺設備的成本降低為2000美元。

【實際應用】Slingshot凈水設備在洪都拉斯、加納都取得了良好的運行效果。2013年發明人Kamen與可口可樂公司合作，宣布將于2015年底將Slingshot 設備推廣至亞洲、拉丁美洲和非洲，預期安裝運行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公司發明的新型冷凝設備可以收集空氣中水蒸氣將其轉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。冷凝水經過五級處理得到適合飲用的純凈水，其水質優于世界衛生組織的標準。

同時該公司還發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電池驅動，在不工作時，該裝置可以連接常規電網或者光伏發電板充電。

【成本分析】該技術主要在極端環境下應用，相比技術的實用性，成本不再是首要需要考慮的因素。

【實際應用】可以用于極端無水環境，尤其是在作戰過程中，當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隔離的干旱地區，免去給水管網的鋪設，可以采用太陽能或者風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備

注：圖片來源[1]

Eliodomestico

【技術簡析】Eliodomestico凈水過程完全依靠太陽能，無需電源、馬達或者人力驅動。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

【技術簡析】Solarball每天可產水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入上部的冷凝水槽，水中的雜質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。

【實際應用】因而該類設備適用于偏遠落后并且日照充足的區域。

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其他凈水黑科技

超聲波凈水技術

注：圖片來源[8]

【技術簡析】Aquavus設備采用超聲波技術，將不清潔的水轉化成 10微米的小水滴，這些小水滴經過揮發-冷凝后即可轉化為純凈水，而水中鹽分、污染物和顆粒物則在揮發過程中被分離。Aquavus的產水量為2升/分鐘， 海水淡化設備的體積為1.5米×1.5米×1.5米，地下水和地表水凈化設備的體積為1米×1米×1米，其產水量均為120升/小時。第三世界國家村莊的用水量遠遠低于發達國家的城市或者郊區，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設備每天產生的水量足以供給150位村民。Aquavus 設備采用模塊化設計，可移動性好，因此可以用于地震、海嘯、洪災、干旱或者戰地中。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】該設備能耗較低，因此具有大規模應用的前景。海水淡化設備的預期價格為每臺1000美元，地下水和地表水凈化設備的預期價格為每臺500美元。

【實際應用】Aquavus設備仍處于研發階段，目前已經在實驗室完成一期測試，二期測試正在進行，二期測試主要內容是確保該設備在偏遠、不宜人居和熱帶地區的耐用性。

污水領域

傳統的污水處理工藝已經具有非常可靠的處理效果，但對一些發展中國家，資金的缺乏使得大規模的市政管網建設在短期內不太可行，因此有必要針對這些地區的實際情況開發一些小型的、獨立的污水處理系統。另外，一些特種污水，如醫用廢水和含有重金屬的工業廢水的處理也值得關注。與飲用水新技術不同的是，污水處理領域的創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]

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

【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。

【實際應用】目前這個技術在蓋茨基金的幫助下，已經在印度部分地區開始推廣。

納膜廁所

注：圖片來源[10]

【技術簡析】為解決同樣的問題，來自英國克蘭菲爾德大學的科學家們發明了另外一種馬桶，特點是不需要水！沒有水，怎么沖呢？不用沖，用刮的。。當人體排泄物進入馬桶后，類似于鏟子一樣的東西會把它們收進馬桶下面的池子里，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被凈化，可用于灌溉等用途。

【成本分析】暫無資料

【實際應用】目前該技術已在加納推廣運行

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特種廢水

醫用廢水[11]

【技術簡析】傳統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院開展了一系列合作，開發出了針對醫用廢水的處理系統。這套系統主要有三部分組成：生物處理系統、陶瓷膜系統以及臭氧紫外系統。據報道，該套系統對醫用廢水處理效果很好。另外，該系統集成度很高，每個部分都可以根據不同需求進行改裝。

【成本分析】4200萬克朗，約合670萬美元。

【實際應用】目前利用該技術已在丹麥的Herlev醫院旁建成第一套凈水系統。

重金屬

稀土元素[12]

【技術簡析】鑭、镥、鈧、釔等元素是及其寶貴的工業原料。這些元素是現代科技，尤其是電子技術不可缺少的重要物質，但由于豐度較低難以分離，相關采掘、精煉和提純是典型的高能耗高污染行業。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的一個團隊開發了一類新型的有機配體，能夠輕松地從混合物中分離出這些元素。這項技術還獲得了2017年美國綠色總統化學獎。

【成本分析】暫無資料。

【實際應用】目前仍在研發階段，但美國能源部正大力支持該技術朝向工業級回收的目標發展。

砷

注：圖片來源[14]

【技術簡析】砷污染嚴重威脅人類的健康，目前應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。美國蒙茅斯大學的一個團隊開發了一項技術，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原料，所以該技術的成本很低。

【實際應用】暫無資料。

總結

水是寶貴的資源，嚴峻的水資源危機已經威脅到人類的可持續發展，但這或許也是一個契機，促使人類思考如何真正意義上地充分開發水資源。這一動力促使我們不斷嘗試新技術。在水的獲取上，人類科技的發展也體現的淋漓盡致。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。而在一些發展中國家的嘗試也向我們證明，未來的水處理技術將有可能向小型化和模塊化方向發展。我們可以大膽想象，未來的世界的水將“無處不在”！

參考文獻

[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

研究結束

研究員們辛苦啦，聽聽大牛們怎么說~

鄭祥

中國人民大學環境學院教授

讀完本文，才發現對這么陌生的黑科技進行點評是一件比評審英文學術論文更辛苦的事情。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（FO）。

Hydration水提取膜包是目前僅有的幾個正滲透技術商業化應用之一，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物的污染，特別適用于應急供水、野外和軍隊應用。當前正滲透技術還處于技術研發探索階段，尚未大范圍推廣應用，多數在建中試項目，鮮有已成熟的示范工程。

楊陽

加州理工博士后yangyang@caltech.edu

污水處理技術無非生化或物化兩大類。文章中提到的以及現有的“黑科技”我個人認為仍是新瓶裝舊酒，并沒有超出上述兩大類范疇。這些新發明的亮點在于為特定的處理技術找到了合適的用途，并通過優秀的工業設計引起大眾關注，邁出了商業化的第一步。這些技術大多基于物化處理原理，以快速集散式污水處理為賣點。因為就大規模污水處理而言，幾乎沒有技術在經濟性上能勝過生化法。

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

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