5.3: «Яка водна технологія врятує Каліфорнію від її тривалої сухої смерті?» By Кікі Сенфорд

Last updated
Save as PDF

Page ID: 47590

$ \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } $ $ \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} $$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Західна частина Сполучених Штатів існує в стані навмисного незнання про воду. Прокинутися буде непросто, і це буде дорого.

Вода ускладнена—особливо на Заході.

Протягом багатьох років вольове невігластво переважало. Інфраструктурні проекти дозволяли воді текти в місцях, де вона інакше не була б знайдена. Здавалося б, рясні поставки дозволили сільському господарству процвітати. Каліфорнія мчала стати провідним виробником фруктів, овочів, горіхів та вина. Вода вилилася з кранів, трималася дешевою чистою політичною силою волі, вкладеної в підтримку блаженного міражу достатку води.

Звичайно, ми відчували труднощі з водою в минулому. Посуха 1976-77 років у Каліфорнії популяризувала прислів'я, яке застрягло на повторі в моїй голові, як дратівливий вушний черв'як: «Якщо він жовтий, нехай він м'який; якщо він коричневий, змийте його вниз».

Посуха наприкінці 1980-х років зміцнила звички збереження води для багатьох у штаті.

Однак з часом ми забули ці труднощі, тому що легше існувати в вірі, що наша вода завжди буде там, коли нам це потрібно. Тож, коли історія повторилася, Каліфорнія 2014 року була здивована, виявивши серйозну проблему з водою на руках.

Раптом він пропав. Колодязі висохли. Люди почали красти воду. Екстремальні умови посухи, скорочення запасів води та скорочення водоносних горизонтів вплинули на рішення губернатора Каліфорнії Брауна про подальше обмеження використання води всіма.

Мандат вимагає від каліфорнійців скоротити водокористування на 20%. Крім того, міста тепер можуть штрафувати води, а деякі населені пункти сприяють впровадженню посухостійких дворів. Чи вирішить ці зусилля наші проблеми з дефіцитом води?

Коротка відповідь - ні. Ось цифри, які допоможуть вам зрозуміти, чому:

Каліфорнія управляє близько 40 мільйонів акрів футів (13 трильйонів галонів) прісної води на рік, при цьому міське використання сприяє лише близько однієї п'ятої частини від загальної кількості (близько 9.1 мільйона акрів футів на рік). Зниження міського щорічного використання на 20% вплине на загальну суму приблизно на 1,8 мільйона акрів футів по всій державі. Тихоокеанський інститут оцінює, що житлове міське використання може бути фактично більш ефективним за рахунок колосальних 40-60%, а міський бізнес та промисловість можуть покращити на 30-60%. Тим не менш, якби ми дозволили зменшити 60%, це допомогло б лише звільнивши 5,5 мільйонів акрів футів від загальної кількості.

За даними NASA, однак, держава має дефіцит майже 34 мільйони акрів футів води.

Як - після того, як ми закінчимо молитися і танцювати під дощем - чи можемо ми придумати різницю? Доведеться виготовити його самостійно.

Я не маю на увазі, що нам доведеться виробляти воду de novo, як магію. Це все про належне застосування науки, за допомогою техніки, щоб перетворити непридатну воду в прісну.

Існують дві основні галузі технологій, які зараз розробляються та випрошують увагу новаторів: опріснення та рекультивація води. Обидва передбачають відділення прісної води від речей, які роблять її непридатною для використання людиною, таких як солі, забруднювачі та людські відходи.

Опріснення, як правило, розглядається як очищення морської води рослинами, побудованими в прибережних районах, тоді як меліорація займається очищенням води, яка була забруднена людиною або промисловим використанням. Два основних питання, що впливають на їх використання та реалізацію, - це витрати та екологічні проблеми.

Коли справа доходить до опріснення, ті рослини, які існують, використовують добре налагоджений, але досить старий процес, званий зворотним осмосом, який змушує воду через проникну фільтраційну мембрану. Левова частка вартості лежить в енергії, зазвичай подається у вигляді дорогої електроенергії з електромережі, необхідної для переміщення води через цю мембрану. Крім того, мембрани забруднюються, вимагають очищення хімічними речовинами і потребують регулярної заміни, що істотно збільшує витрати на експлуатацію установок.

Потім слід розглянути солоний, хімічно наповнений розсолом після продукту опріснення. Куди він дівається? Часто його перекачують назад в прибережну екосистему, де вона може збільшити локальні концентрації солі далеко за межі нормального діапазону, але є й інші варіанти утилізації ропи, які залежать від специфіки розташування заводу. Також діють правила, щоб переконатися, що будь-яка запропонована установка для опріснення належним чином оцінює вплив на морське життя та навколишнє середовище.

У новітній історії Каліфорнії інвестиції в опріснювальні установки зіткнулися з важкою битвою внаслідок загалом низьких витрат на воду порівняно з вартістю води, що забезпечується таким об'єктом, періодичними бумами водопостачання та законними занепокоєннями щодо впливу на навколишнє середовище.

Тепер, коли витрати на воду зараз стрімко зростають у багатьох районах штату, і вчені прогнозують мега-посуху, яка може тривати 50 років і більше, вдосконалена технологія опріснення знову є гарячою темою.

Усі ці фактори можуть вплинути на політиків та інвесторів на користь опріснення в короткостроковій перспективі.

За словами Крістіни Доннеллі, наукового співробітника програми водних ресурсів Тихоокеанського інституту Берклі, Каліфорнія, опріснення є економічно життєздатним лише в часи екстремального дефіциту. Опріснення не використовується в основному для сільського господарства, яке використовує основну частину води Каліфорнії. Вона сказала: «Деякі невеликі підприємства переробляють підземні води для сільського господарства, але великі заводи занадто дорогі».

Доннеллі продовжував пояснювати, що фермери платять $100-200 за акр фут, тоді як міські райони стягуються вгору $1000-2000 за ту ж кількість води. Вона підкреслила, що житлові райони іноді діють з почуття страху та терміновості під час посухи, коли їм більше виграють від зосередження уваги на збереженні та вимірі. Вони підписують довгострокові контракти з постачальниками опріснення, які замикають їх платити за капітальні витрати на воду, які їм більше не потрібні, коли знову починає дощ. Є приклади опріснювальних установок, що будуються під час посухи лише для закриття через кілька років.

Вартість опріснення в даний час становить близько 2000 доларів за акр фут, що знаходиться на крайньому високому кінці того, що люди платять прямо зараз, але не зовсім необгрунтовано, оскільки вода стає все більш обмеженою. Просування технологій може призвести до більш ефективних та доступних процесів опріснення, але на даний момент жоден з них не є товарним або комерційним. За словами пані Доннеллі, «Зворотний осмос - це галузевий стандарт і найкращий варіант». Поки технології не просуваються за межі демонстраційної стадії, вони такі ж гарні, як зміїна олія.

Одна компанія, WaterFX, прагне забезпечити комерційне опріснення сільськогосподарських стічних вод і покладається на щось інше, ніж зворотний осмос. Їх технологія сонячної термічної дистиляції - це новий поворот на старій техніці, яка елегантно поєднує опріснення та рекультивацію води. Використовуючи тепло від сонця, WaterFX зміг підвищити ефективність того, що по суті є концентрованою сонячною нерухомістю, реалізуючи дистиляцію з декількома ефектами або MED.

У МЕД існує кілька стадій, кожна з яких називається «ефектом», при якому вода, що проходить через неї, кип'ятиться. Хитрість, з тим, що WaterFX називає свою технологію Aqua4, полягає в тому, що вони використовують світло від сонця для перегонки:

«Система - це концентрована сонячна енергія, яка використовує великі сонячні батареї для захоплення сонячної теплової енергії від сонця. Сонце нагріває мінеральне масло, яке потім надходить до системи багатоефектної дистиляції (MED), яка випаровує прісну воду з вихідної води».

Доктор Метью Штубер, співзасновник і директор з інженерії технологічних систем для WaterFX, розповів мені, що зрошення в районах з поганим дренажем ґрунту призводить до накопичення солей у ґрунті - потенційно погано для врожайності сільськогосподарських культур. Рішенням для багатьох фермерів є встановлення під землею дренажних труб, які відводять воду у випаровувальні ставки. Він працює, щоб зберегти ґрунти продуктивними, але вимагає великих площ землі, щоб піти на пар. Ці ставки насправді є великою проблемою для фермерів та відділів водного господарства через концентроване накопичення солі, яке може статися.

Виходячи з результатів своєї демонстраційної установки, доктор Штубер каже, що вони здатні виділяти солі за допомогою процесу дистиляції в концентровану форму, яка може покинути навколишнє середовище, і боротися з ними іншими способами, включаючи виготовлення гіпсу. Процес здатний утилізувати 93% дренажної води, яка надходить в систему як прісноводна, одночасно виробляючи ропу «побічний продукт».

WaterFX щойно оголосив, що буде розширювати свій пілотний демонстраційний завод поблизу Firebaugh, Каліфорнія у водному районі Panoche в 35 акрів установки з потенціалом вирости до 70 акрів. Вони кажуть, що цей завод HydroRevolution «в кінцевому підсумку зможе генерувати до 5000 акрів води на рік, достатньо води для 10 000 будинків або 2000 акрів сільськогосподарських угідь».

Голова компанії, Аарон Манделл, підраховує, що з очікуваними досягненнями в їх технології протягом наступних п'яти років, площа землі в дві квадратні милі буде достатньою, щоб забезпечити 100 мільйонів галонів води на день за ціною всього $450 за акр фут. Це чверть від ціни стандартного опріснення.

І, це тільки початок для Гідрореволюції. Підраховано, що в Центральній долині Каліфорнії є майже один мільйон акрів футів дренажної води. І, за словами доктора Штубера, WaterFX дивиться на інші локації для реалізації. Він описав проблеми, з якими острівні держави в таких місцях, як Карибський басейн, стикаються з посухою, підняттям морів та зменшенням прісних підземних вод. У міру скорочення запасів морська вода зазіхає, в результаті чого стає більш солонувата питна вода. Ще один потенційний клієнт: центри обробки даних, які потребують великої кількості чистої води для охолодження процесорів, і виграють від ефективної переробки.

Каже Штубер: «Це все нова проблема дизайну... Оскільки наше джерело енергії залежить від місцевого клімату, кожне місце отримує різний дизайн та дещо інше рішення. І це те, що ми досягли успіху, це надання оптимальних рішень для розташування, для виду води, і переконавшись, що наш акцент завжди приділяється цьому відновлюваному компоненту. І що діяльність, яку ми робимо, не сприяє екологічній проблемі, з якою ми стикаємося».

WaterFX також стверджує, що підтримує філософію з відкритим кодом. Вони активно шукають людей, які внесуть свій внесок у дослідження в цій галузі, щоб перебирати її та ще швидше просунути розробку систем з підвищеною ефективністю. Це бізнес-модель, яка може бути надзвичайно успішною, якщо дивитися крізь призму нашого середовища.

У Сполучених Штатах посилюються узгоджені зусилля, щоб просунути інновації у всіх областях водних технологій. Дві організації, Федерація водного середовища (ВЕФ) та Фонд досліджень водного середовища (WERF) створили програму під назвою LIFT, інноваційний форум лідерів технологій, яка працює над тим, щоб отримати ідеї водних технологій від концепції до комерціалізації.

Відповідно до цього, Каліфорнія створила свою ініціативу Innovation Hub (iHub), щоб отримати більше технологій на ринок по всій державі. Крім того, Альянс прибережних технологій та коаліція 10 урядових установ, некомерційних організацій та університетів ініціювали виклик розробити недорогий, точний та простий у використанні датчик поживних речовин для води: забруднення нітратами та фосфатами - проблема в 2 мільярди доларів для прісної води управління.

Бізнес-середовище, здається, дозріло для нових ідей для підвищення ефективності та зменшення витрат, пов'язаних з водою.

Навіть якщо розроблені дивовижні технології, хоча, отримати їх прийняття водними агентствами є ще однією проблемою цілком.

Згідно з захоплюючим документом, опублікованим Партнерством з технологічних інновацій та навколишнього середовища, «Існує дефіцит кваліфікованих працівників у секторі стічних вод, і це погіршується, оскільки нинішнє покоління експертів комунальних послуг виходить на пенсію. Більшість університетів, які готують керівників стічних вод, не викладають системного мислення, а малим та середнім муніципалітетам не вистачає ресурсів, щоб найняти професіоналів з досвідом, щоб вийти за рамки щоденного ремонту до стратегічних модернізацій та як їх фінансувати».

Я хотів би сказати, що буде технологічна срібна куля для води. Але вода складна. WaterFX та інші технології, що розвиваються для датчиків, мембрани прямого осмосу та нанотрубки, можуть бути невід'ємною частиною набагато більшої водної стратегії, але жодна з них не показує чіткого шляху з сухого лісу.

Це займе багато грошей. Це буде приймати співпрацю в масштабах, яких захід ніколи не бачив.

ПРО АВТОРА

Доктор Кікі Санфорд є експертом з наукових комунікацій з PhD акцент в нейрофізіології від UC Davis. Вона є творцем, продюсером та ведучою популярного та неповажного щотижневого «TWIS» («This Week in Science») подкасту та радіо-шоу, а також ведуча «Розумні мами додатків. » Психічна стимуляція завжди дає їй кайф.