荒漠中造良田 水科技輸出大國以色列 - 農業知識入口網

以色列理工大學的水資源研究院（GWRI）成立於1993 年，專注於科學、科技、工程及管理等水資源各面向的研究，尤其是與以色列水資源發展方向的議題，包含水處理、海( 鹹) 水淡化、水再生利用、水資源保育、水文、水環境微生物、水資源政策及管理等。本次參訪，GWRI 簡介了以色列的水資源概況及部分研究現況：

(1) 以色列水資源概況
以色列全境包含加薩及猶太- 撒馬利亞地區的淡水資源約每年17 億噸，實際屬於以色列管轄區的淡水資源則為每年12 億噸，以目前840萬的人口計算，平均每人每年分配的淡水資源為143 噸，遠低於聯合國指出的每人每年最低需求量1 千噸。過去，以色列有20 到25％的淡水資源來自於北邊的內陸海──加利利海，但由於利用汙水再生、海水淡化等技術開發其他水源，現今對加利利海的依賴性已大幅下降。

(2) 汙水處理再生
以色列目前約有90％的民生汙水經處理後可再利用，汙水再生的水價約一般水價的三分之二。汙水處理再生須移除重金屬、微量有機汙染物、溶解性有機物、一般鹽類、營養鹽等雜質，面臨的挑戰包含過程中產生的濃鹽度鹵水處理，以及處理單元的薄膜物理性或生物性積垢問題。GWRI 介紹薄膜技術進行淡化處理前的汙水預處理研究，作為解決薄膜積垢的方法。研究發現生物處理反應槽搭配高級氧化程序，可進一步提升水質，並可提升後續薄膜技術進行淡化處理程序的效能。

(3) 水淡化技術
目前全世界水資源的使用，有1.7％來自於海（半鹹）水淡化，淡化水量已達每天0.8 億噸，淡化水量的年成長率達10 到12％。其中，以色列海（半鹹）水淡化的水資源量已達每年6 億噸，處理過程中產生的濃縮廢水再回流入海。

目前最先進的淡化技術為逆滲透（Reverse Osmosis，簡稱RO），現階段RO 技術的能源耗用程度與早年相比已大幅下降。1970 年代，每處理1噸水的能源需求是15 千瓦‧ 時，目前已可降至約2 千瓦‧ 時。

淡化技術的初置成本約占總成本的38％，能源支出成本約占32％。而能源支出的主要原因為處理程序的積垢問題，其對策包含較低的水通量、提升前處理的出流水水質及化學清潔等方式，各有優缺點。例如，較低的水通量要達到相同處理水量，意味著處理廠面積需求較大。若提升前處理規格，也需額外的處理設備及操作維護成本，而化學清潔則有系統中斷及薄膜損壞的問題。目前正在研發具自我清潔能力的薄膜技術（Self-cleaning Membrane），希望能解決積垢問題，有效提升薄膜處理程序的持久運作性、可靠性並減少能源耗用支出。

(4) 實驗設備參觀：
模場規模的RO 海水淡化實驗
RO 技術需要外部施加壓力於原水端，使水分子通過鹽類無法通過的薄膜達到淨化目的。在以色列，RO淡化水的技術有一半運用於海水淡化。然而，如何移除海水中的硼也是個問題，由於硼於一般中性水質不帶電，故可通過薄膜而無法移除。移除硼須將pH 值調高使其帶電，才能有效透過RO 移除，然而在高pH 值下，碳酸鈣結晶形成將導致積垢問題。而海水中的鈣成分極高。海水中的總溶解固體達每公升37 公克。

為了解決上述問題，首先須調降原海水pH 值，此時碳酸的來源──二氧化碳於水中為未解離態，不帶電且具揮發性，此時再進行曝氣，可將二氧化碳趕出水中，使水中的碳酸成分移除。移除水中二氧化碳後即可提升pH 值，此時再進行RO 程序便可移除水中的硼。
 

Hadera 海水淡化廠為政府BOT 專案，由IDE 集團建造，以逆滲透薄膜技術處理淡化海水，並利用IDE 獨家壓力控制的專利及硼移除系統等技術提升產量，減少耗能並提供高品質的再生水，最大淡水產量達每日52.5 萬噸，被視為利用海水逆滲透（SWRO）的旗艦代表作。

海水淡化程序有幾個重要步驟，包括取水設施、前處理、逆滲透單元、脫硼及後處理（礦化）。其中前處理是利用過濾技術移除懸浮固體物，而逆滲透單元利用IDE 高壓控制技術，有能源回收系統，從進流到出流僅45 分鐘，每噸淡水的產出耗能為3.2 千瓦‧ 時。另外，由於RO 處理過的流水純度高，不適合飲用，所以在作為自來水配送出去前，須在廠區進行礦化處理，添加石灰以增加水中礦物質成分。
 

以色列中部山區因地質因素，地下水屬半鹹水，並依地勢往西部沿海地下水層移動。為防止此情形，並減緩沿海一帶地下水鹽化，而有了以色列海岸地下水層復育計畫。此計畫規劃由北到南設置40 個地下鹽水層水井，構築成一系列井牆，將地下鹽水抽出後進行淡化，作為民生用水，並減緩沿海一帶地下水鹽化的情形。

以色列海岸地下水層復育計畫的執行單位為國家水資源公司Mekorot，於以色列及賽普勒斯地區共有39 座半鹹水淡化廠及4 座海水淡化廠，每年淡化處理超過2 億噸的水。而處理地下鹽水的淡化廠除了Granot 及Lahat 外，Gat 也負擔少部分的處理。上述三廠的處理量分別為每年1,400 萬、1,400 萬及150 萬噸，水淡化後的濃縮鹵水透過30 公里長的輸送水路排放至地中海，移除的總溶解固體每年達5 萬噸。

雖然以色列飲用水質標準中，氯鹽可達400ppm，但根據該國淡化技術相關法規，處理過的水氯鹽含量不得超過20ppm。淡化後的水須符合以色列水資源管理總局的標準，包含硼為0.35ppm，氯為20ppm，濁度為0.5NTU 等。另外，濃縮鹵水排放入海前，也須符合海放的磷酸鹽及硝酸鹽標準。

一般的原水水質總溶解固體飲用水標準約為500ppm，Granot 及Lahat 廠約為1,900ppm。Granot 的原水須先透過過濾設施去除懸浮物質後，才進行逆滲透單元，主要是為了保護維護費用最高的薄膜。整體而言，半鹹水淡化廠尚有矽酸鹽類積垢及鹵水處置的問題等。

Shafdan 是以色列最大，也是全球最大的汙水處理廠，每天處理30 萬噸水，涵蓋特拉維夫地區250 萬人產生的汙水量，可回收85％的家庭與工業廢水，經
潔淨後用在農業上，但不作為民生用水。

整個廢汙水收集輸送系統由4 組直徑120 到300 公分的輸水管組成，共7 個加壓泵站，全長120 公里，總流量可達每小時1 萬4 千噸，每日處理量37 萬噸。Shafdan 共有數個處理程序，包括前處理、初沉池、生物反應槽及終沉池。其中初沉池及終沉池的汙泥透過濃縮程序濃縮至5％固體量、製成肥料加工程序、厭氧消化、離心去水濃縮至25% 固體量及處理過汙泥儲存設施，最終可作為農業用肥料。

前處理、初沉池、生物反應槽、終沉池單元說明如下。

(1) 前處理：利用間距100、20 及6 公釐等不同等級之攔汙柵移除廢汙水中的大型固體物，並能將砂石及礫石等從水中分離移除。

(2) 初沉池：目前共20 個初沉池，每個45 公尺長，12 公尺寬。可有效移除水中高比例的懸浮固體物，產生的汙泥送至厭氧消化槽。

(3) 生物反應槽：目前共4 個生物反應槽，每個容量達5 萬5 千立方公尺，各有36 個機械式表面曝氣設備。廢汙水在生物反應槽中可進行有機物的氧化、硝化、脫硝等生物反應。停留時間為16 小時。

(4) 終沉池：共12 個終沉池，每個7 千5 百立方公尺，停留時間約5 小時。處理過後的水會再送至高級處理程序，產生的汙泥則將送至汙泥濃縮單元。

經過Shafdan 的二級放流水，會再輸送到南方內蓋夫沙漠地區由Mekorot Group 進行高級處理，將其灌注在土壤（Soil Aquifer Treatment，簡稱SAT），利用天然土壤及其中微生物進行過濾、吸附、離子交換及有機物質的生物分解作用，進一步改善水質。當水灌注於土壤後下滲成為地下水，停留約1 年再抽取上來作為再生水利用。目前抽取井數已達120 個，並透過150 公里的管線供應給再生水利用端。

每年Shafdan 及SAT 處理後的再生水量可達1.3 億噸，約以色列年需水量的1 成，作為內蓋夫沙漠地區的農業灌溉用水。另外，實際由地下水井抽水量達1.55 億噸，以確保所有再生水皆抽出再利用。

以色列南部沙漠Aryeh Pool 汙水淨化中心接收南部貝爾謝巴前處理後的生活汙水，再由淨化水池進行處理。利用過濾技術及紫外線消毒，將處理後的水源用於農業灌溉及公園綠地景觀澆灌，大部分出流水輸送到Tifrah 回收水蓄水庫。高品質的水源帶給當地農業多樣選擇，除了原有的棉花及牛飼料外，農夫還能種植蔬果。此外，回收水價格比自來水便宜，農夫可開墾更多荒地。

貝爾謝巴為以色列第3 大城，其民生汙水經前處理廠進行固體物移除後，才進入私有的Aryeh Pool 進行二級及高級處理淨化程序。Aryeh Pool 的淨化程序包含一個類似氧化塘概念的池子，透過微生物分解汙水中的有機質。較特別的是氧化塘的水以砂濾床循環進行過濾，移除懸浮固體物，再經UV 光解消毒後送至調節池蓄水，並進一步輸送至Tifrah 回收水蓄水庫，作為農業灌溉用水，而在Tifrah 附近正進行回收水淡化處理後對作物生長的研究。

Netafim 是1965 年成立的滴灌技術公司，隔年推出全球第1 個商業化的滴灌設備，2007 年則推出全球第1 個低流量滴灌設備。滴灌及微灌技術實現低壓且精準的配水願景，水及其中營養鹽直接被傳輸到植物可利用的根系土壤，再搭配不同作物、土壤型態及氣候等特化供水期程細密控制，使水及營養鹽的使用效率大幅提升，作物產量也明顯增長。

目前全球農地的灌溉方式有80％的土地是利用雨育，僅20％是有系統的灌溉行為；而這20％中，又有80％是用漫灌或溝灌，12％是用噴灌，其餘僅少數為有效率的灌溉。透過滴灌技術可減少使用一半的水量、灌溉效率可提升30％且產量提升200％，目前全球已有1 千萬公頃的農地使用Netafim 的滴灌技術。滴灌技術的應用極為廣泛，從小農到大規模的農場、各式作物及土壤地形等皆能應用。除了供應滴灌設備，Netafim 也提供管路、灑水系統、作物管理及溫網室栽培等全方位解決方案。

文‧ 圖／ 謝明凱 淡江大學水資源管理與政策研究中心
朱孝恩 農田水利處灌溉管理科
劉日順 農業工程研究中心
(豐年6619.6620)