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香港原来是世界其中一个救水先锋!

水是万物之源,但人口增多、工业化、城市化等,所造成的污染正危及水源量。当水资源越来越珍贵,如何珍惜有限水源,成为各界日思夜想要解决的问题。

香港科技大学土木及环境工程学系讲座教授陈光浩的研究团队,研发最新水循环再用系统,大大改善污水处理问题,亦节省成本,满足了香港对水源日益递增的需求,这些技术更得到国际间的大力肯定。

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水污染危机有多危急?

水污染造成全球水资源短缺,是21世纪其中一个人类必须正视和解决的问题。水资源问题有多严重?一起了解以下数字背后隐藏著的危机吧!

40亿

40亿人,相等于近三分之二的世界人口,每年至少有一个月面对严重缺水问题

23亿

23亿人,生活在供水不足的国家,当中7.33 亿人活在严重缺水国度,例如巴基斯坦、厄立特里亚、土库曼斯坦和博茨瓦纳

2030

到 2030 年,约 7 亿人可能因严重缺水而流离失所 。此外,许多极度和高度缺水的地区都出现冲突,水可能是爆发冲突的原因之一。这些地区包括以色列、利比亚、也门、阿富汗、叙利亚和伊拉克

2040

到 2040 年,全世界大约四分之一的儿童将生活在极度缺水的地区,例如非洲东部与南部

2025

到 2050 年,世界上一半的人口可能会生活在面临缺水的地区

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香港的水资源又如何?

洗脸、刷牙、洗手、冲厕…….我们生活每一个细节都跟用水密不可分。据统计,七百多万人口的香港每天制造近280万吨生活污水,足以每天注满约1120个标准泳池,消耗之大,可想而知。

为有效运用水资源,香港设有海水供应系统,为全港八成居民供应海水冲厕。现时香港是全球广泛使用海水冲厕的极少数地区之一,每年因而节省约2亿7000万立方米的食水。

香港同时从珠三角进口淡水(东江水),并利用双管系统供应冲厕用海水(占淡水总需求量的22%),但这种双管系统的维修保养成本很高。

究竟应该如何满足香港的用水需求呢?随之造成的水污染又如何控制呢?

陈教授的研究团队分别从两大方向研究香港的水问题,更为水资源问题提供两大解决方案,分别为「杀泥技术」和「未来水工场」,继续阅读再逐一了解吧!

杀泥技术

在了解杀泥技术之前,先了解如何处理污水。

污水处理厂主要去除污水内两种主要来自人类的排泄物的污染物质:有机物和氮磷营养元素。污水处理厂一般采用生物处理法,例如活性污泥法,利用微生物「吃掉」污水中的污染物,以净化污水;然而这样同时会产生污泥,内里包含繁殖过剩的微生物、微生物残余物,以及微生物无法吃掉的污染物质。如何有效地处理污泥,是多年来让人头痛的问题。

以一座每天处理10万吨污水的污水处理厂为例,每天产生约50至70吨污泥。在污水厂内直接处理污泥,占污水厂总成本约30%至50%,而且占用空间。再者,厂内将污泥消化脱水后,就要送出厂外处置,但也只有两个选择:

(1) 送去堆填区,但会占用土地,亦附带臭味和温室气体弥散和渗滤液再次污染;

(2) 焚烧,但随之产生飞灰和废气,是另一个要处理的污染问题。

究竟如何能够低污染、高效能地处理污水呢?陈教授的研究团队发明的杀泥技术,正好带来了解决方案!

杀泥技术

研究团队与荷兰代尔夫特理工大学、南非开普敦大学共同研究,并与香港机场管理局、水务署及渠务署合作 ,希望从源头着手,在污水处理过程中就可减少污泥产量。

为达到这效果,团队塑造特定环境,让繁殖慢的微生物取代繁殖快的微生物,诱发出一个新的微生物组合,大大减低污泥产量。此项技术全名,是「硫酸盐还原、自养反硝化和硝化一体化」(Sulphate reduction, Autotrophic denitrification and Nitrification Integrated,SANI)其英文简称(SANI)的读音有如中文的「杀泥」,刚好反映技术直接带来的效果。

陈教授指出,所塑造的环境就是此技术精要所在:「这些微生物本身就在自然中存在的,不是我们加入的,我们只是让一些怎么吃也不肥的微生物长起来,取代原有吃一点就肥的微生物,把污水处理的方程式改变了不少。」

团队早在2003年开始研究,后于2007年开始跳出实验室,分别在东涌污水泵房及沙田污水处理 厂先后试验新技术,结果分别减少了九成至七成污泥量,成绩令人欣喜,更发现新技术同时舒缓臭味、减低能源消耗及温室气体排放,连处理污水的运营成本及占用空间也减低三成以上 。研究团队花了18年,为污水处理技术带来了新突破。

崭新的杀泥技术有效提升污水处理的效能,有助解决世界各地处理污水与污泥问题,在国际间得到广泛回响。

以下为杀泥技术所得到的讚誉:

• 国际水协:「此项以香港「海水冲厕」结合「杀泥技术」的系统,为全球最成功的水资源管理系统之一。」

• 国际学术期刊Water Research主编、丹麦科技大学环境及资源学系教授 Mogens Henze :「『 杀泥技术』最适宜与『海水冲厕』及『污水回用』一起使用,大量节省淡水,减少污泥产生,为中国沿海城市日后因缺水而改用海水冲厕的可持续发展,提供便宜及可持续的解决方法 。」

• 斯德哥尔摩水奖获得者、荷兰代尔夫特理工大学应用生物技术学院教授Mark van Loosdrecht: 「 『 杀泥技术』利用的硫循环是污水处理中常被视为问题的特殊过程,但这一过程却被巧妙地「转危为机」。『 杀泥技术』已经进行到示范级别的研究,这样的科技研发进度已非常迅速。见到这一科研成果我也非常兴奋,很期待在不久的将来能看到杀泥工艺更加商业化并达至全面运用。」

• 技术先后取得中国、美国及日本专利

• 获邀应用技术到中国、日本、古巴及荷兰等地示范,秘鲁、西班牙、泰国和菲律宾等亦表示感兴趣

• 深受联合国教科文组织关注,用以推广可持续水资源的运用

• 陈光浩教授成为首位获颁发国际水协杰出院士的香港学者

杀泥技术获得以下奖项:

2019 香港绿色创新大奖金奖 2018 (绿色环保领域的奥斯卡奖);
2018 国际水协项目创新奖“突破性科研”铜奖 2018(首位获奖的香港学者)
2017 全国创新争先奖状(首位获奖的香港学者);
2015 国际水协杰出院士(全中国(包括港澳台地区),2015年仅3位,目前仅5位)
2012 国际水协应用研究类项目创新奖-东亚荣誉奖
2012 国际水协应用研究类项目创新奖-全球荣誉奖
2012 国际水协创新可持续城市水管理实际应用奖
2012 西班牙巴塞罗那世界智慧城市-项目类决赛奖
2012 德国国际海柏技术奖-亚军

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未来水工场

杀泥技术的成功,并未令陈教授在研究水资源上停步。解决了污泥问题,他更以崭新思维带来崭新技术,想出了另一个方法进一步提升水资源运用。

「循环再用水」已成为全球众多大城市供水系统中不可或缺的重要部分,这确保淡水供应,并提高了水的安全度。世界各地也有城市直接或间接地将污水安全地循环再用成饮用水,澳洲及新加坡也有值得参考的「循环再用水」事例。这些例子均显示,污水经处理后是能够回到饮用水状态,可以循环再用。

Water cycle 4.0+

陈教授的研究团队以「水资源回收工厂」的意念,开发一种崭新的水系统,采用关键性技术,将含盐污水转换为安全、可靠和实惠的替代淡水资源,此系统命名为「Water cycle 4.0+」。此项目正与香港大学、香港城市大学、香港理工大学及香港中文大学合作,预计于2024年底完成研究。

往下一页了解「Water cycle 4.0+」的四步曲

「Water cycle 4.0+」的四步曲

第一步
• 开发先进的正渗透和反渗透一体化系统(HFRO),作为污水处理的第一步。
o 大部分含微量污染物的水,将透过此系统转换为饮用水
o 这个系统将污水浓缩,令容量减少至原有的10-50%

第二步
• HFRO系统的渗透液,进一步透过新研发的氯胺/紫外线 AOP 技术过程处理
利用氯化物降解当中的微污染物质、灭活病原体及耐药性细菌,有助于「循环再用水」的后消毒程序。

第三步
• 浓缩了的污水将由一个基于微生物反应过程的新技术(Sulfur-conversion and anamMOX (SMOX)),清除污水中的有机碳污染物和无机氮污染物。这个程序只会产生少量的剩余污泥及消耗少量的氧气。

第四步
• SMOX技术会最大程度的降低生物污泥的产生,而且这些剩余污泥中富有非常有价值的生物活性化合物。团队发明的高值化合物生产技术,可在污泥中回收这些珍贵的化学物质,以抵销再生水和处理污泥的成本。

整个「四步曲」新技术程序正在测试阶段,以评估其技术及经济可行性,以及对生态、环境及健康的影响。

研究贡献

有关研究预计于2024年底完成,在五间大学跨校合作下,研究团队在首18个月内,已就研究发表了60多篇学术期刊论文,以及得到6项专利。

「Water cycle 4.0+」示范了「水归水、资源归资源,循环不息」的概念,有关研究将为水资源问题带来不同程度的影响与贡献:

‧ 节省资源
与传统技术相比「水资源回收工厂」预计将节省*:
空间 30 - 50%
能源消耗 20 - 40%
温室气体排放 20 - 40%
运营成本 15 - 35%
(*更精确的数据预计在项目结束后确定)

‧ 本地贡献
研究成果有助香港改造传统常规的城市水系统,或在发展新市镇时引入突破性的供水系统,为饮用水的供应提供替代方案

‧ 国际贡献
研究将可缓解世界各地岛屿、沿海地区、依赖地下咸水的农业地区所面对的淡水短缺及相关问题。此研究有助香港成为新的水资源研究国际中心,协助其他缺水地区同时实现联合国于水、农业、公共卫生和卫生方面制定的目标。

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自由探索 成就另类「臭味相投」

陈光浩教授来自中国名水乡浙江嘉兴,河边嬉戏、游泳是他成长回忆的重要一部分,对水有一份莫名的情感,以至他偷偷的将自己的名字由「陈光豪」变成「陈光浩」,以一个水字旁的「浩」相伴一生。

他长期在港专注研究水污染问题,专职环保工程领域,纵然长期在污水处理厂与污水臭味为伍,亦无减他对研究污水的热情。而这种另类的「臭味相投」,为人类的水资源问题带来深远的贡献。走过段段漫展的研究之路,陈教授寄语后起之秀:

「做科研最好是不为目的去做,有目的就会焦虑;如果纯粹为探索去做,失败就无所谓了。社会就是需要这批去自由探索的人。」