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香港原來是世界其中一個救水先鋒!

水是萬物之源,但人口增多、工業化、城市化等,所造成的污染正危及水源量。當水資源越來越珍貴,如何珍惜有限水源,成為各界日思夜想要解決的問題。

香港科技大學土木及環境工程學系講座教授陳光浩的研究團隊,研發最新水循環再用系統,大大改善污水處理問題,亦節省成本,滿足了香港對水源日益遞增的需求,這些技術更得到國際間的大力肯定。

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水污染危機有多危急?

水污染造成全球水資源短缺,是21世紀其中一個人類必須正視和解決的問題。水資源問題有多嚴重?一起了解以下數字背後隱藏著的危機吧!

40億

40億人,相等於近三分之二的世界人口,每年至少有一個月面對嚴重缺水問題

23億

23億人,生活在供水不足的國家,當中7.33 億人活在嚴重缺水國度,例如巴基斯坦、厄立特里亞、土庫曼斯坦和博茨瓦納

2030

到 2030 年,約 7 億人可能因嚴重缺水而流離失所 。此外,許多極度和高度缺水的地區都出現衝突,水可能是爆發衝突的原因之一。這些地區包括以色列、利比亞、也門、阿富汗、敘利亞和伊拉克

2040

到 2040 年,全世界大約四分之一的兒童將生活在極度缺水的地區,例如非洲東部與南部

2025

到 2050 年,世界上一半的人口可能會生活在面臨缺水的地區

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香港的水資源又如何?

洗臉、刷牙、洗手、沖廁…….我們生活每一個細節都跟用水密不可分。據統計,七百多萬人口的香港每天製造近280萬噸生活污水,足以每天注滿約1120個標準泳池,消耗之大,可想而知。

為有效運用水資源,香港設有海水供應系統,為全港八成居民供應海水沖廁。現時香港是全球廣泛使用海水沖廁的極少數地區之一,每年因而節省約2億7000萬立方米的食水。

香港同時從珠三角進口淡水(東江水),並利用雙管系統供應沖廁用海水(佔淡水總需求量的22%),但這種雙管系統的維修保養成本很高。

究竟應該如何滿足香港的用水需求呢?隨之造成的水污染又如何控制呢?

陳教授的研究團隊分別從兩大方向研究香港的水問題,更為水資源問題提供兩大解決方案,分別為「殺泥技術」和「未來水工場」,繼續閱讀再逐一了解吧!

殺泥技術

在了解殺泥技術之前,先了解如何處理污水。

污水處理廠主要去除污水內兩種主要來自人類的排泄物的污染物質:有機物和氮磷營養元素。污水處理廠一般採用生物處理法,例如活性污泥法,利用微生物「吃掉」污水中的污染物,以淨化污水;然而這樣同時會產生污泥,內裡包含繁殖過剩的微生物、微生物殘餘物,以及微生物無法吃掉的污染物質。如何有效地處理污泥,是多年來讓人頭痛的問題。

以一座每天處理10萬噸污水的污水處理廠為例,每天產生約50至70噸污泥。在污水廠內直接處理污泥,佔污水廠總成本約30%至50%,而且佔用空間。再者,廠內將污泥消化脫水後,就要送出廠外處置,但也只有兩個選擇:

(1) 送去堆填區,但會佔用土地,亦附帶臭味和溫室氣體彌散和滲濾液再次污染;

(2) 焚燒,但隨之產生飛灰和廢氣,是另一個要處理的污染問題。

究竟如何能夠低污染、高效能地處理污水呢?陳教授的研究團隊發明的殺泥技術,正好帶來了解決方案!

殺泥技術

研究團隊與荷蘭代爾夫特理工大學、南非開普敦大學共同研究,並與香港機場管理局、水務署及渠務署合作 ,希望從源頭着手,在污水處理過程中就可減少污泥產量。

為達到這效果,團隊塑造特定環境,讓繁殖慢的微生物取代繁殖快的微生物,誘發出一個新的微生物組合,大大減低污泥產量。此項技術全名,是「硫酸鹽還原、自養反硝化和硝化一體化」(Sulphate reduction, Autotrophic denitrification and Nitrification Integrated,SANI)其英文簡稱(SANI)的讀音有如中文的「殺泥」,剛好反映技術直接帶來的效果。

陳教授指出,所塑造的環境就是此技術精要所在:「這些微生物本身就在自然中存在的,不是我們加入的,我們只是讓一些怎麼吃也不肥的微生物長起來,取代原有吃一點就肥的微生物,把污水處理的方程式改變了不少。」

團隊早在2003年開始研究,後於2007年開始跳出實驗室,分別在東涌污水泵房及沙田污水處理 廠先後試驗新技術,結果分別減少了九成至七成污泥量,成績令人欣喜,更發現新技術同時舒緩臭味、減低能源消耗及溫室氣體排放,連處理污水的運營成本及佔用空間也減低三成以上 。研究團隊花了18年,為污水處理技術帶來了新突破。

嶄新的殺泥技術有效提升污水處理的效能,有助解決世界各地處理污水與污泥問題,在國際間得到廣泛迴響。

以下為殺泥技術所得到的讚譽:

• 國際水協:「此項以香港「海水沖廁」結合「殺泥技術」的系統,為全球最成功的水資源管理系統之一。」

• 國際學術期刊Water Research主編、丹麥科技大學環境及資源學系教授 Mogens Henze :「『 殺泥技術』最適宜與『海水沖廁』及『污水回用』一起使用,大量節省淡水,減少污泥產生,為中國沿海城市日後因缺水而改用海水沖廁的可持續發展,提供便宜及可持續的解決方法 。」

• 斯德哥爾摩水獎獲得者、荷蘭代爾夫特理工大學應用生物技術學院教授Mark van Loosdrecht: 「 『 殺泥技術』利用的硫循環是污水處理中常被視為問題的特殊過程,但這一過程卻被巧妙地「轉危為機」。『 殺泥技術』已經進行到示範級別的研究,這樣的科技研發進度已非常迅速。見到這一科研成果我也非常興奮,很期待在不久的將來能看到殺泥工藝更加商業化並達至全面運用。」

• 技術先後取得中國、美國及日本專利

• 獲邀應用技術到中國、日本、古巴及荷蘭等地示範,秘魯、西班牙、泰國和菲律賓等亦表示感興趣

• 深受聯合國教科文組織關注,用以推廣可持續水資源的運用

• 陳光浩教授成為首位獲頒發國際水協傑出院士的香港學者

殺泥技術獲得以下獎項:

2019 香港綠色創新大獎金獎 2018 (綠色環保領域的奧斯卡獎);
2018 國際水協項目創新獎“突破性科研”銅獎 2018(首位獲獎的香港學者)
2017 全國創新爭先獎狀(首位獲獎的香港學者);
2015 國際水協傑出院士(全中國(包括港澳台地區),2015年僅3位,目前僅5位)
2012 國際水協應用研究類項目創新獎-東亞榮譽獎
2012 國際水協應用研究類項目創新獎-全球榮譽獎
2012 國際水協創新可持續城市水管理實際應用獎
2012 西班牙巴塞羅那世界智慧城市-項目類決賽獎
2012 德國國際海柏技術獎-亞軍

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未來水工場

殺泥技術的成功,並未令陳教授在研究水資源上停步。解決了污泥問題,他更以嶄新思維帶來嶄新技術,想出了另一個方法進一步提升水資源運用。

「循環再用水」已成為全球眾多大城市供水系統中不可或缺的重要部分,這確保淡水供應,並提高了水的安全度。世界各地也有城市直接或間接地將污水安全地循環再用成飲用水,澳洲及新加坡也有值得參考的「循環再用水」事例。這些例子均顯示,污水經處理後是能夠回到飲用水狀態,可以循環再用。

Water cycle 4.0+

陳教授的研究團隊以「水資源回收工廠」的意念,開發一種嶄新的水系統,採用關鍵性技術,將含鹽污水轉換為安全、可靠和實惠的替代淡水資源,此系統命名為「Water cycle 4.0+」。此項目正與香港大學、香港城市大學、香港理工大學及香港中文大學合作,預計於2024年底完成研究。

往下一頁了解「Water cycle 4.0+」的四步曲

「Water cycle 4.0+」的四步曲

第一步
• 開發先進的正滲透和反滲透一體化系統(HFRO),作為污水處理的第一步。
o 大部分含微量污染物的水,將透過此系統轉換為飲用水
o 這個系統將污水濃縮,令容量減少至原有的10-50%

第二步
• HFRO系統的滲透液,進一步透過新研發的氯胺/紫外線 AOP 技術過程處理
利用氯化物降解當中的微污染物質、滅活病原體及耐藥性細菌,有助於「循環再用水」的後消毒程序。

第三步
• 濃縮了的污水將由一個基於微生物反應過程的新技術(Sulfur-conversion and anamMOX (SMOX)),清除污水中的有機碳污染物和無機氮污染物。這個程序只會產生少量的剩餘污泥及消耗少量的氧氣。

第四步
• SMOX技術會最大程度的降低生物污泥的產生,而且這些剩餘污泥中富有非常有價值的生物活性化合物。團隊發明的高值化合物生產技術,可在污泥中回收這些珍貴的化學物質,以抵銷再生水和處理污泥的成本。

整個「四步曲」新技術程序正在測試階段,以評估其技術及經濟可行性,以及對生態、環境及健康的影響。

研究貢獻

有關研究預計於2024年底完成,在五間大學跨校合作下,研究團隊在首18個月內,已就研究發表了60多篇學術期刊論文,以及得到6項專利。

「Water cycle 4.0+」示範了「水歸水、資源歸資源,循環不息」的概念,有關研究將為水資源問題帶來不同程度的影響與貢獻:

‧ 節省資源
與傳統技術相比「水資源回收工廠」預計將節省*:
空間 30 - 50%
能源消耗 20 - 40%
溫室氣體排放 20 - 40%
運營成本 15 - 35%
(*更精確的數據預計在項目結束後確定)

‧ 本地貢獻
研究成果有助香港改造傳統常規的城市水系統,或在發展新市鎮時引入突破性的供水系統,為飲用水的供應提供替代方案

‧ 國際貢獻
研究將可緩解世界各地島嶼、沿海地區、依賴地下鹹水的農業地區所面對的淡水短缺及相關問題。此研究有助香港成為新的水資源研究國際中心,協助其他缺水地區同時實現聯合國於水、農業、公共衛生和衛生方面制定的目標。

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自由探索 成就另類「臭味相投」

陳光浩教授來自中國名水鄉浙江嘉興,河邊嬉戲、游泳是他成長回憶的重要一部分,對水有一份莫名的情感,以至他偷偷的將自己的名字由「陳光豪」變成「陳光浩」,以一個水字旁的「浩」相伴一生。

他長期在港專注研究水污染問題,專職環保工程領域,縱然長期在污水處理廠與污水臭味為伍,亦無減他對研究污水的熱情。而這種另類的「臭味相投」,為人類的水資源問題帶來深遠的貢獻。走過段段漫展的研究之路,陳教授寄語後起之秀:

「做科研最好是不為目的去做,有目的就會焦慮;如果純粹為探索去做,失敗就無所謂了。社會就是需要這批去自由探索的人。」