如何在变暖的世界中提供可靠的水——这些城市正在测试处理系统和废水回收

大型城市供水系统可能会出现很多问题。泵故障。阀门破裂。管道泄漏。即使系统正常运行，水也可能长时间滞留在管道中。缺水也是一个问题 气候变暖的世界中日益严重的问题, ，作为美国西南部的社区并且在许多发展中国家正在发现。

这就是为什么城市开始尝试小规模替代方案，包括废水回收和被称为分散或分布式系统的局部水处理策略。

我 研究大型和小型水系统, ，专注于创新的系统设计，允许当地使用可能会被浪费的水源。随着技术的进步，城市正在发现一些东西 农村社区早已知道:小型水处理， 正确设计的, ，比集中式系统更便宜、更容易维护，并且可以改善水安全和 甚至环境.

净化水——大自然的教训

几乎所有的水都有价值，都可以净化并利用。

大自然做了一个 自然净化水的伟大工作 当它流过地面时。土壤以物理方式过滤水，化学和生物过程有助于随着时间的推移去除污染物。

那些流程 可以模仿 水处理厂和过滤器变得越来越有效。

传统上，城市依赖于 集中供水系统 在中央设施处理来自河流或含水层的淡水，然后通过大型管道网络进行分配。但随着时间的推移，基础设施变得越来越容易受到破坏。气候变化、水资源短缺和人口增长增加了系统的压力。

所以，一些 城市正在尝试 所谓的分布式系统。这些是小型水处理、回收和再循环工厂，旨在在靠近水源和用户的地方收集、处理和再利用水。 有些是单独的操作. 。其他的则以混合模型连接到更大的系统。

例如，分散式系统可能会处理城市地区的废水，并将其回收以供同一用户在该区域内再利用，例如 德克萨斯州埃尔帕索, ，正在做。或者它可以 收集暴雨径流和废水 从家里和 专门将其重新定向用于灌溉或补给地下水, ， 作为 德克萨斯州奥斯汀, ， 和 旧金山 做。

纳米比亚温得和克, 这座拥有约 43 万人口的城市被干旱的环境所包围，自 1968 年以来一直在处理废水以达到饮用标准，并将其返回家庭用于各种用途，包括烹饪和饮用。雨水径流、工业用水、废水甚至农业径流 可以用现代技术进行处理和回收 变得可以饮用。加利福尼亚州水资源控制委员会 批准的法规 继科罗拉多州采取类似举措后，该州将于 2023 年 12 月最终允许该州的供水系统将废水转化为饮用水。

所有这些方法，无论是连接到主系统还是作为单独的封闭系统，都可以减少社区对河流或含水层淡水的总体需求。

技术使更多的水更可重复利用

小规模处理的范围包括从单个家庭内的先进过滤器到为家庭或商业、工业和农业设施服务的水箱的处理。

通常，处理后的水会流向 非饮用水用途，例如冲厕所 或补充地下水。但 技术进步 正在使这些分散的供水系统更加可行并扩大其用途。

基于膜的和电化学过程 在从废水中回收淡水、营养物质（可用作肥料）和能源方面显示出巨大的潜力。这些过程包括反渗透（将水推过半透膜以去除杂质）和电渗析（使用电场）。

微生物燃料电池更进一步，利用废水中存在的微生物来发电并同时促进废水处理。另一种能量回收方法涉及在缺氧的情况下从废水中分解的有机物中捕获沼气，主要是甲烷。

与大规模运作的传统处理技术不同，这些新兴的处理工艺采用模块化设计，可以轻松扩大或缩小规模。

它们还可以通过用处理过的水补充大型集中式系统来创建混合系统，特别是在供水稀缺的干旱地区。

混合动力系统如何帮助休斯顿

为了测试混合系统如何帮助避免因系统中断而导致的水资源短缺，我和我的同事创建了 休斯顿的模型, ，一座拥有 7,000 英里管道和 220 万居民的城市。我们模拟了不同类型的停水可能对大型集中式供水造成的影响，以及分布式水源如何帮助减少影响。

总体而言，我们发现安装混合系统比单独的集中式系统在供水和避免城市低流量方面效果更好，特别是在低水压常见的地区。

再生水的加压流还可以限制污染的扩散，例如再生水源附近的恐怖袭击。

当然，这并不意味着新水源没有风险。连接到大型水系统的其他来源也可能引入新的潜在污染源，因此系统的设计很重要。

一些 决定配水效果的因素. 。人口和建筑密度、当地需水量、土壤特性、气候条件、基础设施和现有水利基础设施状况都会发挥作用。研究表明，具有 高能量需求 用于配水、当地重要的用水需求以及废水再利用的能力 才能获得最大的收获.

尤其， 旧金山已成为先驱 在 极端的权力下放, ，并将举措延伸至单个建筑层面。在一些建筑物中，地下室的水箱、过滤器和处理装置会产生水 可重复用于冲厕所等活动.

是什么阻碍了我们？

尽管有这些好处，但水的再利用仅占美国总用水量的不到 1%。今天。

公众对再生水的看法 是一项挑战，包括 持久的怀疑 关于再生水的安全性、可靠性和适当使用。

正确回收的废水被认为可以安全饮用 甚至可能含有较少的毒性风险 比我们已经饮用的水源。然而，未经过适当处理的水 可能对人类健康造成重大风险. 。一个 稳健的商业模式 也是 需要建立去中心化系统 成本效益，加上支持性的治理结构。

作为 联邦基金 倾注资金重振美国的水利基础设施，美国社区有一个绝佳的机会通过分散的方法来加强其大型供水系统。在全球范围内，随着气候变化助长极端风暴并使许多地区的供水变得不太可靠，小型分散系统可以提供水安全并增加当今服务不足地区的供水。

本文最初发表于 12 月。2023 年 12 月 15 日，已根据加州新法规进行了更新。