交流刊物

交流刊物封面照
2022-03
2022世界水資源日—強化地下水資源重要性
World Water Day 2022 – increasing importance of groundwater

今年世界水資源日的主題是讓無形水變為可見水,特別強調地下水的重要性,地下水占地球淡水的近99%,只有透過對這一寶貴水資源的永續管理,才有可能為後代提供充足的飲用水。地下水約提供了全球人口一半的家庭用水,尤其是缺乏供水系統的農村人口,也提供約25%的灌溉水源。然而地下水資源的重要性往往被低估,常被錯誤管理和濫用。

農業用水減少和洪水威脅

聯合國警告由於冰川退縮和永久凍土融化,水文變化正接近不可逆轉的地步,IPCC的新報告更指出了迫在眉睫的水危機以及水資源管理所面臨的巨大挑戰,融雪水量減少與冰川損失,將進一步減少農業用水、水力發電廠操作以及城市供水,而在另一些地區,隨著氣溫上升,直接的洪水威脅與損失都將增加。

地下水資源的重要性日益增加

根據IPCC報告,除了氣候變遷風險,管理不善的調適措施也會帶來風險,例如灌溉措施可以減少乾旱的風險,但同時會加速地下水的枯竭,加劇土壤鹽化。若地下水受到化肥和殺蟲劑污染、工業廢水污染以及公共衛生設施管理不善的污水污染等影響,都會影響到地下水資源的可用性。

聯合國教科文組織也呼籲需為地下水資源收集更完善的資料,同時建議石油、天然氣和礦業公司,跟公共當局分享他們的內部數據,以更妥善的進行地下水資源之管理與利用。

健康的河流可確保健康的地下水

為了保護地下水資源,歐洲公民組織推動保護河流和地下水中健康生態系統聯繫的行動,如河流被疏導或築壩,將可能會破壞地下水的生物多樣性,從而影響水質。因此必須保護地下水生物多樣性的獨特地位,該組織認為當地水道受到3,500多個大壩項目的威脅,可能威脅地下水資源和當地社區飲用水的可得性,因此需要進一步討論整體大壩的管理議題,以保護地下水資源。

參考資料

Mihajlo Vujasin, 2022. World Water Day 2022 – increasing importance of groundwater. Balkan Green Energy News.

United Nations, 2022. World Water Day.

交流刊物封面照
2022-04
2022世界經濟論壇—淡水資源的未來
World Economic Forum 2022 – A Fresh Water Future

2022年於瑞士達沃斯(Dovos)舉辦的世界經濟論壇年會(World Economic Forum,簡稱WEF),於5月23日展開,會議中談論到了日漸加劇的氣候變遷導致的水資源短缺;如何解決用水問題將會是攸關民生與經濟發展的重要問題,與會的政府高層及專家共同討論缺乏水資源造成的衝擊及如何保育水資源。

新加坡國務資政兼社會政策統籌部長尚達曼(Tharman Shanmugaratnam)

水資源的短缺是氣候變遷的首要衝擊,荷蘭總理馬克(Mark Rutte)也呼應 ,全球環環相連,在撒拉哈地區發生的乾旱也有可能發生在其他國家,因此沒有人能置身事外。

世界需要找到能夠同時解決水資源短缺和氣候危機的解決方案,因為這兩個問題是複雜交織在一起的。他更強調需強化教育大眾意識到,水資源短缺已經是氣候危機下的 "第一個犧牲品",但它也可以是解決方案的一部分。水資源的問題可以通過科技來解決,並透過正確的政府治理,可以以公平的方式進行投資來強化這些解決方案。

全球各級政府須對節水做出直接的行動。比如新加坡建立了一個永續的供水系統,政府稱之為「四個水龍頭」- 在地水源(local catchment water)、高度淨化回收水(highly-purified reclaimed water, 又稱NEWater)、淡化水(desalinated water)以及輸入水(imported water)。他也提及以色列在先進的水技術和水管理方面是另一個世界領導者,值得各國效法。

肯亞環境和氣候活動學家伊莉莎白(Elizabeth Wathuti)

肯亞每年有300萬人、非洲有2000萬人因乾旱導致飢荒,而且很多企業及政府過去對於節水的承諾並沒有履行。氣候變遷已是刻不容緩,自然正在被難以復原的速度破壞,必須立刻採取行動。

可口可樂董事長詹姆斯(James Quincey)

在過去半個世紀中,灌溉農作物所需的水增長了超過一倍,而灌溉用水約佔每年取水量的67%。他提出應致力研發智慧農業,減少水資源浪費並促進水資源再利用。另外,可口可樂公司也將資金援助水資源短缺的地區,並將製造飲料用的水源回收再利用,還給大自然。他也強調應將ESG(永續投資)融入企業理念,推廣種樹增強水資源吸收。

「世界最大泵製造商」葛蘭富公司總裁保羅(Paul Due Jensen)

隨著經濟成長與個人財富增加,使飲食習慣由澱粉類轉為更耗水的肉類或乳製品。一杯咖啡需要140公升的水、1公升的牛奶需600公升的水、一公斤牛肉需要15,000公升的水等,因此保羅總裁呼籲人們降低肉奶類攝取量。

參考資料

Brandon Tanoto, 2022. Solutions needed to solve both water and climate crisis together: Tharman. CNA.

Justin Ong, 2022. Tharman appointed co-chair of global project to transform water governance. The Straits Times.

World Economic Forum, 2022. A Fresh Water Future. The World Economic Forum Annual Meeting 2022.

TVBS,2022。世界經濟論壇/全球1/3人口「高度缺水」 保育水資源刻不容緩。

交流刊物封面照
2022-05
智能水管理市場 – 成長、趨勢與展望 (2020 - 2025)
Smart Water Management Market - Growth, Trends, and Forecast (2020 - 2025)

根據Xylem公司表示,西元2025年時,全球將有三分之二以上的人口生活在缺水的地區。到西元2050年時,由於人類發展造成的水資源污染,人類對水的需求較2015年增加55%。

人口的增長、都市化的快速發展以及產業內老舊設備的維護,導致全球對水資源的需求量增加,再加上各國政府為因應環境快速變化的新水資源政策,均促使智能水管理市場的增長。

同樣的,隨著物聯網的普及,智慧城市在各個地區也將促使市場研究的增長。智能電錶與產品相間的通訊方式(SCADA,GIS等)的結合,亦為相關的技術帶來進步,改變水管理的模式。解決水利產業,居民和工業在用水費計算的爭議和水管理方面所面臨的挑戰。

由於全球對水資源的需求,水資源管理的營運問題極為重要。因此,採用智能的水管理技術有望獲得廣泛關注。智能水管理生態系統係由傳感器、智能電錶、通訊基礎設施和支持雙向通訊的軟件組成。因此,從該系統可以允許用戶收集用水相關資訊,針對這些資訊優化水資源的分配和使用情況,並做出明智的決策。

智能水管理的市場內包含了許多科技大廠,像是IBM、施耐德電機、日立有限公司、Utility Systems、蘇伊士集團……等。它們提供先進的雲端的監測技術,亦應用於智能水的管理;智能電錶的製造商,如:Honeywell和Sensus等廠商)以及軟體的供應商,例如Esri亦即i20Water Solutions。

市場主要趨勢-住宅垂直行業滲透率很高

在全球用水量中,住宅用水占了很大一部分。然而,水資源被認為是一種奢侈品,需要妥善且有效的將其保存起來。因此,智能水管理的技術在此時發揮至關重要的作用,促使人們對水資源的使用更有責任感,避免水資源的浪費。

隨著軟硬體的價格更加親民,消費者可以透過更換智能水管理的軟硬體對住宅進行改善,這將有助於增加智能水管理系統的使用率。

例如,供應商WEGoT提供了應用於傳感器的物聯網(IoT)設備和軟件平台VenAqua。該平台有效地間降低用水需求至少50%以上,尤其是在住宅建築中,透過即時的流量紀錄,可以分析從住宅建築中的所安裝的各傳感器所收集的詳細數據,並且用戶端可以透過移動裝置上的應用軟體讀取這些資訊。

隨著物聯網技術的應用,透過改變智能水管理系統與住宅環境互動的方式,將水資源利用的資訊數字化呈現,影響智能水管理解決方案的所有應用。

亞太地區 - 將以最快的速度增長

在亞太地區,有超過21億的人口居住在城市。到2025年時,預估有三分之二的人生活在都市。而在這些地區內有許多無收益水量(NRW)極高的國家,像是印度(幾乎佔可分配水量的六成)。而這些數字的呈現,說明智能水管理的應用在該地區市場具有增長的潛力。

在這些快速發展智慧城市的地區中,將為智能水管理系統的供應商創造巨大的商機。印度預計花費約50萬美金,在2022年前建造超過100座的智慧城市,預計將影響10億的總人口數。此外,新加坡也在2019年的財政規劃超過10億美金在智慧城市的建設,為該地區在智慧城市的建設上採用先進的計量基礎設施有更多發展空間。

在馬來西亞、越南和泰國等亞洲地區,有開發智能水管理系統的需求,這表明智能水管理的市場在亞洲地區具有增長的空間。而無收益水量(NRW)相對較低的日本,該國不斷地在水管理基礎設施投資,其亦計畫在日本水研究中心(JWRC)的幫助下,在2025年實現100%的智能水錶普及率。

印度等國家或地區正對初創企業進行越來越多的投資。2019年10月,以物聯網技術新創的公司,WEGoT,宣布其獲得200萬美金的種子資金。該公司提供即時的水管理解決方案,以預防和解決水危機。

競爭格局

由於大量公司的存在導致智能水管理的市場支離破碎。一些主要公司包括IBM、GE、Siemens 等,市場上最近的一些主要發展包括:

2019年9月,IBM應用大數據技術改善了肯亞北部的用水安全。IBM Research-Africa開發了一個雲端的水管理平台,該平台利用網路與傳感器連接,用於監視水井中的水位和地下水抽取率。

2019年9月,Siemens和Grundfos簽署了數位合作夥伴關係框架,以促進兩家公司之間的戰略合作。新的合作夥伴關係專注於雙方在三個主要領域提供的互補產品和解決方案:水和廢水處理應用、工業自動化和建築技術。

參考資料

GLOBE NEWSWIRE, 2020. Smart Water Management Market - Growth, Trends, and Forecast (2020 - 2025).

Polaris Market Research, 2022. Global Smart Water Management Market Size Revenue Will Reach USD 31.73 Billion By 2030, at a CAGR of 10.3%: Polaris Market Research.

交流刊物封面照
2022-06
科學家展示關鍵新興淨水科技
Scientists reveal key insights into emerging water purification technology

美國科羅拉多州大學土木與環境工程學系實驗室正針對一種稱為薄膜蒸餾的新興淨水技術進行研究。薄膜蒸餾技術是透過一疏水性薄膜及熱端與冷端之蒸氣壓差進行過濾。在此過程中,水蒸氣穿過薄膜並將鹽分或污染物從污水中分離,薄膜蒸餾技術比RO逆滲透等其他技術有更多的優勢,如RO無法處理鹽度過高的污水,像是海水淡化或水力裂解程序產生的污水。

儘管薄膜蒸餾被視為重要新興淨水技術,但目前發展並非完美。一個關鍵的挑戰是需在保持薄膜高淨水效率下,同時確保所得淨水零污染。科羅拉多州大學土木環工系和機械工程系的材料科學家聯手研究了設計這種完美薄膜過濾技術背後所需的基礎科學。他們在《自然通訊》描述的新實驗中,研究人員提供了新的研發資訊,說明為何薄膜蒸餾中使用的某些設計會比其他類型的薄膜設計更有效率。

在這個研究成果中,可協助科學界對薄膜微孔基質內水蒸氣傳輸機械原理有更多的瞭解,並有可能對薄膜蒸餾的未來設計提供指引。在薄膜蒸餾中是透過加熱給水進料,藉由蒸氣壓的差異分離水中純淨和不純淨的成分。而所採用的薄膜類型就是該技術的關鍵元件,因為它可允許水蒸氣通過,但不允許全部含雜質液體通過。傳統上為了只讓水蒸氣通過,大多採用疏水膜作為主要技術元件。

但是這些疏水膜有可能會失效,如頁岩油生產污水等具低表面張力污水,會因為低表面張力特性而通過膜孔產生洩漏,導致污染另一側的純淨產水,這種現象稱為膜濕潤。過去研究曾嘗試採用全疏膜作為解決方案,這種特殊的薄膜具有疏離所有液體的特性,包括水與低張力液體,以確保水蒸氣與液體之分離效果。但是,採用全疏膜通常會減慢通過薄膜的水蒸氣的速度和數量,導致大幅降低整個過濾過程的效率。

美國科羅拉多州立大學的研究人員正著手研究為什麼在疏水膜和全疏膜之間存在這種差異,研究發現傳統的疏水膜會形成更大的液-氣介面面積,可增加可通過的蒸發量;而在全疏膜中,他們看到了較小的液體-蒸汽介面面積,解釋了兩種薄膜之間的性能差異。

在實驗中所使用的疏水膜是在不沉積額外顆粒的情況下製成的,因此研究人員能夠確定他們的觀察結果不是因薄膜結構變化所產生的結果。儘管目前研究還無法針對此差異提供解決方案,但他們的研究成果展示了促使薄膜蒸餾為成功技術的核心挑戰,透過本研究已確定了造成技術限制之機制,可作為未來我們解決問題之重要依據。

例如,未來智慧型薄膜就是一個重要發展方向,此創新薄膜技術具有卓越的全疏膜特性與更大的液-氣介面面積,將可以使薄膜蒸餾成為一種可靠性高且經濟可行的高級水淨化工藝。該團隊已啟動更多的研究合作來設計此類智慧薄膜,致力於提高薄膜蒸餾效率,透過於表面科學和薄膜技術的跨領域合作來系統性展開這項研發工作。

南韓慶熙大學研究團隊進一步提出應用奈米科技來強化全疏膜功能的解決方案,該團隊研發之新型態的薄膜展現極佳的疏水性與抗拮逅能力,未來可能可有效強化薄膜蒸餾性能之應用。

參考資料

Eunjoo Koh, Yong Taek Lee, 2021. Preparation of an omniphobic nanofiber membrane by the self-assembly of hydrophobic nanoparticles for membrane distillation. Separation and Purification Technology, Volume 259 :118134.

Science News, 2020. Scientists reveal key insights into emerging water purification technology.

交流刊物封面照
2022-07
聯合國呼籲改善水資源管理以強化氣候變遷韌性
UN-Water Urges Managing Water for Climate Resilience

聯合國水資源組織發表了一份關於水資源和氣候變遷的政策報告,提出了對氣候變遷和水資源管理採取綜合性管理的想法,因為預計水循環會有更大的可變性,水資源將會出現嚴重短缺,各方對水資源的競爭也會越來越激烈。整體來說,該組織主張從氣候變遷韌性的角度來管理水資源。

在聯合國永續發展高峰論壇會議期間,在大會的會外活動上發表《水資源和氣候政策簡報》,簡報中說明氣候變遷在能源、農業、工業和人類消費等領域對水資源需求增加的影響,將會有明顯感受。因此及時做出合理的權衡因應是至關重要的,聯合國聯盟呼籲各國應加速制定相關政策,以確保所有利益攸關方的代表性、參與性、行為改變和可計制度;並制定適當適應計畫,以幫助低收入族群和受氣候變遷影響最大的人群。該政策簡報還呼籲需要加速增加投資,以蒐集建立更完整的水文資料,加強水資源的機構和治理,並著手進行風險評估、分享知識、加強水資源教育,以建構更好的水資源管理能力。

根據聯合國統計,自1992年以來氣候變遷所造成之災害事件(包含水災與旱災),累積已造成42億人口受到影響,並導致1.3兆美元的經濟損失。這些災難事件更突顯跨國合作之重要性,尤其是脆弱性特別高的區域。而建立氣候韌性也與水資源管理議題之關係密切,如水量、水質、水溫、水域生態與發生極端氣候事件之機率等。聯合國歐洲經濟委員會(UNECE)正致力於促進跨國氣候變遷調適之合作,以強化對自然災害與水資源匱乏之韌性,目前所發展之”世界跨國調適策略”已針對超過30個流域提供協助。也與國際流域網絡組織(INBO)合作,創立環球交流平台,促進跨國調適經驗與策略之交流,並促進在發展中國家展開各項重要現地實驗研究計畫。

在全球和區域層面,聯合國水資源組織建議需讓更多的國家和地方政府機構和部會參與《氣候公約》(UNFCCC),例如水資源、衛生、能源和農業部門等機構和部會。建議共同設定適應氣候變遷的水資源和衛生管理措施為全球優先事項,尤其是弱勢族群服務應最為優先,包括目前具大規模人口流離失所的地區。組織另優先確保在氣候變遷相關討論和協定中,必須意識到水資源管理在減輕氣候變遷影響方面的作用。聯合國水資源組織還呼籲現有和新的氣候基金,應通過改善水資源治理和管理來支援韌性相關建設。

在國家和國家以下各級組織層面,聯合國水資源組織建議應更新現有的各個國家確定的貢獻(NDCs)、國家適應計畫(NAPs)和其他與氣候相關的戰略,以便酌情納入與全球氣候目標相一致的,且基於風險考量的供水和水資源管理做法;並促進各部會之間的對話、支援對低後悔、適應氣候和針對具體情況的水資源和衛生基礎設施和技術的學術研究。最後在該簡報的結論是:水資源管理同時是減緩和適應氣候變遷的有利因素和限制因素,各國應加速檢視國家相關政策與措施,以協力共同因應與適應氣候變遷衝擊,協力發展水資源永續管理。

許多國家也展開相關研究與應用,根據伊朗德黑蘭大學最新研究,該團隊以SWAT與MODSIM等水資源管理模式進行模擬,建立5個面向的量化指標來協助評估水資源之氣候韌性,包括可靠性、恢復性、脆弱性、抗災性與生態性等指標。研究並以此評估機制,嘗試比較各種可能的水資源管理情境之效果。在以境內最大供水源爾米亞湖做為研究標的進行分析後,結果顯示大幅降低農業用水量是該區最經濟可行,且效果最佳的策略,可大幅提升區域水資源之韌性。

參考資料

Delia Paul, 2019. UN-Water Urges Managing Water for Climate Resilience. IISD.

Behboudian, M., & Kerachian, R., 2021. Evaluating the resilience of water resources management scenarios using the evidential reasoning approach: The Zarrinehrud river basin experience. Journal of Environmental Management, 284, 112025.

UNECE, 2022. Building resilience through better water management.</p>

交流刊物封面照
2022-08
非傳統的海水淡化法能改變全球的水管理系統
Unorthodox Desalination Method Could Transform Global Water Management

水資源的安全正成為全球迫在眉睫的挑戰。目前全球已有數億人口生活在缺水地區。聯合國預測,到2030年,全球約一半的人口將生活在缺水嚴重的地區。即便是像美國這樣的發達國家來說也將是一場危機,美國境內40個州的水資源管理者預計,未來10年內將出現淡水短缺。隨著全球人口和GDP的增長,對淡水的需求也將增加。並且,隨著全球氣溫的持續上升,水資源短缺只會變得更加嚴重。

目前,有越來越多的地方依靠海水淡化的方式來增加供水量。實際上,全球海水淡化能力預計在2016年至2030年之間翻倍成長。但是這些過程成本高昂,並且可能對環境具有傷害性。海水淡化的副產品,超高鹽度鹽水,其鹽度可以是海水的數倍,這將對於內陸的海水淡化設施的選擇具有挑戰性(如亞利桑那州、加利福尼亞州、佛羅里達州和德克薩斯州的設施)。

在過去的一年中,哥倫比亞工程學院的研究員不斷地在改進他們對高鹽度鹽水的非傳統脫鹽方法-變溫溶劑萃取(TSSE)-研究顯示該技術在未來具有廣泛應用的潛能。TSSE與傳統方法在本質上有極大的差異。TSSE的技術是是用溶劑萃取,它既不使用薄膜且也不以蒸發相變進行海水淡化:它是具有有效、高效、可擴展且可持續供電的技術。於6月23日在《環境科學與技術》上線上發表的新論文中,研究報告中指出,他們的方法使他們能夠實現超高鹽度鹽水的節能零液體排放(ZLD),這是TSSE進行ZLD脫鹽的首次演示。

領導這項研究的地球與環境工程助理教授Ngai Yin Yip說:&ldquo;零液體排放是海水淡化的最後一個領域;蒸發和冷凝水是ZLD的當前做法,但它非常耗能且成本過高。我們能夠在不使水沸騰的情況下實現ZLD-這是對超高鹽度鹽水進行脫鹽的一重大進步,這證明了我們的TSSE技術可以成為全球水處理行業的改革性技術。

Yip的TSSE過程始於將低極性溶劑與高鹽度鹽水混合。在低溫下(該研究使用的溫度為5&deg;C)TSSE溶劑從鹽水中提取水,但不從鹽中提取水(鹽以離子形式存在於鹽水中)。通過控制溶劑與鹽水的比例,該團隊可以將鹽水中的所有水提取到溶劑中,從而引起鹽的沉澱-在所有水被&ldquo;吸入&rdquo;到溶劑中之後,鹽形成固體晶體並沉澱下來至底部,然後便可以輕鬆分離結晶以及水。

在研究員將沉澱的鹽分離後,他們將含水的萃取溶劑加熱到大約70度的中等溫度。在較高的溫度下,溶劑對水的溶解度降低,水像海綿一樣便可從溶劑中擠出。溶劑與水分離後形成上下兩層,並且分離出的水所含鹽的含量比初始鹽水少得多。經由加熱分層的水與粹取溶劑可以容易地以虹吸方式去除掉溶劑,然後可以將再生的溶劑重新用於下一個TSSE循環。

Yip說:我們並不期望TSSE能夠像過往的技術一樣運作良好;實際上,當我們討論TSSE對ZLD的潛力時,我們恰恰相反,該過程可以在因為鹽分過多而無法進行海水淡化的傳統方法中發揮有效的作用。

美國西部近年持續受到嚴重旱災的衝擊,甚至創下1,200年來最嚴重的紀錄,高達44%以上區域顯示有乾旱的情形,因此地球最大水體海洋之海水淡化被視為重要解決方案之一,而各項技術中TSSE技術具有不需使用薄膜、尺度彈性高、低成本等優勢,為目前重點發展技術項目之一。此外,美國能源部於2022年辦理太陽能海水淡化創意大賽,以鼓勵研發應用低成本太陽能於處理高鹽度污水或生產淡水之科技,半決賽中共有6個研發團隊入選,其中之一即為變溫溶劑萃取技術團隊,證實該技術極具發展潛力,有希望發展為抗旱重要解決方案之一。

參考資料

Boo, C., Billinge, I. H., Chen, X., Shah, K. M., &amp; Yip, N. Y., 2020. Zero liquid discharge of ultrahigh-salinity brines with temperature swing solvent extraction. Environmental Science &amp; Technology, 54(14), 9124-9131.

National Renewable Energy Laboratory, 2022. Solar Desalination Prize Round 2 Semifinalists Announced- Six Teams Named Semifinalists at the Conclusion of the Prize&rsquo;s Teaming Contest.

Renee Cho, 2021. A 1,000 Year Drought is Hitting the West. Could Desalination Be a Solution? Columbia University.

School of Engineering and Applied Science, Columbia University, 2020. Unorthodox Desalination Method Could Transform Global Water Management. Newswise, Inc.