随着气候变暖，地球上许多干旱地区将变得更加干燥——而人口和他们的用水需求却在不断增长。到2025年，全球高达60%的人口可能面临严重的水资源短缺。
地球上的水资源有97%是海水，剩余的3%大部分无法获取，要么冻结在冰川或永久冻土中。只有很小一部分，约0.5%，以人类可以利用的淡水形式存在于含水层和河流中。然而，一种称为海水淡化的工艺，使我们能够从海洋中获取水源来满足我们的饮水需求。
海水淡化技术已经存在了几十年，并被用于将海水和含盐地下水转化为可饮用水。但科学家认为，在更温暖、更干燥的未来，它将变得越来越重要。在一项联合国牵头进行的近期审查中，研究人员指出，“常规”水源，如降雨、融雪以及储存在湖泊、河流和含水层中的河水径流，已经不足以满足缺水地区的人类需求。
在2019年美国地球物理联盟会议的一次媒体圆桌会议上，劳伦斯伯克利国家实验室水-能源韧性研究所主任Peter Fiske讨论了为什么我们可能需要更积极地考虑这项技术——这项技术有时因其高昂的成本和能源消耗而被忽视——以稳定未来的水供应。以下是您需要了解的内容。
从海洋到水龙头
海水淡化顾名思义：就是去除水中盐分的过程。海水淡化当然可用于海水，也可用于含盐的地下含水层。目前，全球有约16,000家海水淡化厂在177个国家和地区运营，日产水量约9500万立方米，相当于38,000个奥林匹克标准游泳池。其中约一半的水量产自中东和北非。沙特阿拉伯生产全球15.5%的海水淡化水，阿拉伯联合酋长国生产10.1%。但海水淡化也是美国沿海地区重要的水源，占全球淡化水产量的11.2%。
早在20世纪30年代，第一批海水淡化器是通过煮沸海水，收集蒸馏出的淡水。但如今，新建的工厂通常采用一种称为反渗透的技术，其能耗低于旧的热力工艺。反渗透利用压力将海水推过膜。只有淡水能够穿过屏障，留下浓盐水留在另一边。这个过程本身仍然相当耗能，因为你在强迫发生与不干预时相反的过程——淡水通过膜扩散到含盐量更高的水中，直到盐度相等。水越咸，跨膜移动所需的能量就越多。这就是为什么海水淡化厂需要稳定的能源供应来生产淡水。
这些工厂从一定体积的盐水中提取淡水的量各不相同，但对于海水来说，大约是进水量的50%。这意味着每两加仑海水，海水淡化就会产生一加仑淡水和一加仑浓盐水。
海水淡化的弊端
从设计上看，海水淡化需要消耗大量能量。将水推过膜需要增加压力，迫使水克服其自然的渗透倾向。即使在过去20年里有所改进，从海洋生产淡水仍然比获取任何其他饮用水源（包括抽取淡水含水层或河流，或处理微咸水——盐度介于海水和淡水之间）消耗更多的能源。
但在一些干旱地区，从远处进口水，海水淡化可能比长途运输淡水消耗的能量多不了多少。Fiske说，当圣地亚哥官员考虑州水工程（加州最大的能源消耗项目，该项目管理着一条444英里长的输水渠，将水从萨克拉门托-圣华金三角洲输送到中央谷地和南加州）所消耗的能量时，SWP每生产一单位水的总能量与卡尔斯巴德海水淡化厂生产的水所消耗的能量相当。水很重；每升水的重量超过两磅。任何时候需要将水向上泵送到我们的水龙头，我们都会消耗巨大的能量。
此外，Fiske补充说，其中一些遥远的水源并不特别可靠。科罗拉多河也是加州的重要水源，但已被过度分配——这意味着水务管理者承诺给农场和城市的水量超过了河流的实际流量。尤其是在干旱年份，依赖这些地表水源的用户将面临短缺。
但海水淡化还有其他环境问题，其中最严重的是盐水的处理。这些废物盐度极高且具有腐蚀性。更糟糕的是，其中还含有工艺过程中残留的一些化学物质，包括用于絮凝颗粒的凝聚剂和抗菌剂。上述联合国研究估计，全球每天生产1.415亿立方米的盐水——这比生产的淡水量多50%，相当于56,600个奥林匹克标准游泳池的污水，需要找到处理去处。在海水淡化厂，这些盐水被排回海中。如果它与周围的水充分混合，则问题不大。但如果盐水聚集起来，就会形成对海洋生物有毒的水团。
海水淡化还可能通过吸入海水的进水管道对海洋生物造成伤害。浮游生物和鱼类幼体可能会被吸入工厂，较大的生物会被卡在管道入口的网格上。这两种情况最终都是致命的。通过将进水管道埋在沙子下，沙子可以充当天然过滤器，从而减轻这种影响。但太平洋研究所（一个全球水务智囊团）的研究主管Heather Cooley表示，这种方法并非总是可行——如果海底过于岩石或黏土质，则无法奏效。
稳定水供应
虽然淡化水自问世以来价格一直在下降，但它仍然比传统水源贵得多。Fiske说，对于圣地亚哥地区居民来说，科罗拉多河的水每英亩英尺约1100美元，而淡化水每英亩英尺约2200美元。（然而，根据一份近期报告，到2019年6月，淡化水的价格甚至更高，为每英亩英尺2685美元。）自工厂于2015年开始供水以来，居民的水费账单每月大约增加5美元。尽管存在如此巨大的差异，Fiske表示，当地水务部门认为，拥有一个不会因气候变暖而改变的水源是值得的。
Cooley说，我们还没有完全认识到改进供水的方法。“我们在加州发现，在许多地方，我们仍然有更便宜、能耗更低、对环境影响更小的选择，”她说。
节约用水就是其中一种方法。Cooley说，尽管人口和经济增长，许多加州城市的用水量却低于30年前。这得益于各种措施带来的用水效率提升，包括更换低流量马桶和滚筒式洗衣机。将雨水收集起来用于补充地下水，而不是排入大海，也可以增加我们的供水。Cooley说，处理废水并重复利用，而不是将其排入河流，也是一种具有成本效益的供水选择。
NALCO Water的水处理系统审查化学工程师Jane Kucera表示，目前用于海水的反渗透技术效率已接近理论极限。虽然新的纳米材料可以通过降低将水推过膜所需的能量来提供一些好处，但海水淡化厂还需要其他升级来减少其碳足迹。Kucera说，一个步骤是利用可再生能源为工厂供电，使用太阳能、风能和波浪能等资源。Fiske补充说，另一项改进是用电气化消毒技术（如紫外线）取代生产过程需要大量能源的消毒化学品。
尽管成本高昂，Fiske表示，海水淡化可能是应对气候变化造成的缺水问题的答案。他说，沿海城市可以依靠海水淡化，而内陆社区可以利用该工艺从地下咸水中取水或重复利用废水。确定何时建造工厂的关键在于能够准确估算未来几年的水供应量，以便我们能够预测何时何地会有足够的需求，使淡化水物有所值。
Fiske还认为，改变我们建造海水淡化基础设施的方式可以大大降低成本。“我们目前大多数海水淡化设施往往是大型的、定制设计的，它们需要很多很多年才能设计、获得许可、建造和调试，”他说。“如果我们打算利用所有这些非传统水源，我们将不得不制造更多集成化和模块化的水处理系统。”
Fiske设想了大量小型设施，可以根据社区使用的水源，针对不同的盐度水平进行定制。这些工厂将充当一种抗旱保险，防止居民在干旱年份用水短缺。如果他的设想（或其某个版本）得以实现，Fiske说：“我认为，更多地使用（通过海水淡化生产的）再生水和循环水，可以解决我们21世纪的水资源短缺问题。”
