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四種水龍頭確保新加坡用水安全

李柏昱
・2014/08/28 ・1489字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 510 ・六年級

2014年,台灣原本逐漸吃緊的用水危機,靠著6月準時報到的梅雨獲得緩解。但是一旦遭遇空梅或晚梅,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。

問題的解答或許就在新加坡─這個缺乏天然含水層與湖泊的小島國家,在過去五十年來利用各種創新手法來解決水資源不足的問題,並已經解決國家的用水安全威脅。

新加坡的國家水務機構在過去五十年來,利用各種創新手法來解決水資源不足的問題,解決國家的用水安全威脅(圖片來源:Wikimedia Commons 作者:Merlion444)。
新加坡的國家水務機構在過去五十年來,利用各種創新手法來解決水資源不足的問題,解決國家的用水安全威脅(圖片來源:Wikimedia Commons 作者:Merlion444)。

在這場用水戰爭前線打頭陣的,正是新加坡的國家水務機構(Singapore’s national water agency, PUB),PUB負責蒐集、生產、分配與開發新加坡的水資源,監督管理新加坡多樣化的用水來源。

新加坡的用水來自「國家的四個水龍頭」,包含在地水源(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)。

在地水源(local catchment water)

新加坡透過有效蒐集本地的降水成功提高水源供給,PUB想盡辦法在有限的國土內,利用各種渠道、運河、河流、池塘以及水庫,並結合推動世界上少見的大規模雨水回收計畫,將雨水儲存起來,之後再將這些水淨化到可以飲用的水準。自2011年起,蒐集雨水的面積已經從國土的一半提升到三分之二,並完成三座水庫,PUB將在地水源形容為「新加坡永續用水的支柱」。

高度淨化回收水(highly-purified reclaimed water, NEWater)

淨化回收水是另一個新加坡用水的主要來源,能滿足新加坡用水需求的30%,PUB計畫在2060年以前將淨化回收水的容量提升三倍,能滿足未來用水需求的55%。藉由RO逆滲透以及紫外線消毒,淨化後的水質能安全給人們飲用,不過其主要用途仍然是用於生產製程以及冷卻用水,以及透過回收水的使用讓其他更乾淨的飲用水源更為寬裕。新加坡的第一座回收水淨化廠於2003年開始運作,至今已經有四座營運中的廠址。

淡化水(desalinated water)

新加坡擁有亞洲最大的RO逆滲透海水淡化廠,目前每天能提供三千萬加侖的乾淨用水,能滿足10%的用水需求。在2013年,第二座海水淡化廠動工,預計產能將能擴展到每天一億加侖,相當於新加坡目前用水需求的25%,並預計在2061年以前都維持這樣的產量。

輸入水(imported water)

由於先天環境上的限制,過去新加坡高度仰賴由鄰國馬來西亞輸入用水。目前兩國之間簽訂多個水資源交易協定,最久的協定將維持到2061年。然而,馬來西亞近年遭逢嚴重乾旱使該國的水資源提供能力下降,兩國之間對於水資源交易費用也一直談不攏,目前馬來西亞政府並不保證在2061年後還會持續供應用水給新加坡。因此,PUB正試圖透過上述的其他三種方法,減少新加坡對於輸入水的依賴,並希望在最後一個水資源交易過期之前讓新加坡達到用水自給。

台灣也是座四面環海的海島型國家,每年春季亦經常發生缺水危機。目前水利署已經在離島設置海水淡化廠解決離島用水問題,惟本島除了特別供應核三廠的海水淡化廠,並無其他大規模海水淡化廠的計畫。工業局也正推動公共汙水處理廠放流水回收計畫,希望透過汙水回收再利用,將再生水作為部分替代水源。

新加坡的水資源開拓方式當然不能照搬到台灣,必須考慮台灣的社會與自然環境,不過新加坡的水資源取得方式對台灣而言也是值得參考的借鏡。(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿/2014年/7月)

責任編輯:鄭國威│元智大學資訊社會研究所

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

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李柏昱
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成大都市計劃所研究生,現為防災科普小組編輯。喜歡的領域為地球科學、交通運輸與都市規劃,對於都市面臨的災害以及如何進行防災十分感興趣。


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如何幫畜牧業減排溫室氣體?——教會小奶牛上廁所,可有效降低「一氧化二氮」排放!

阿咏_96
・2021/10/17 ・2612字 ・閱讀時間約 5 分鐘

近年來,大眾對於「氣候變遷」這個詞越來越不陌生,國際間也會簽訂不同協議與政策,來減緩溫室氣體的排放,講到這邊,我們通常會想到化石燃料的使用,但較少被人們注意到的是,畜牧業也是排放甲烷、二氧化碳、一氧化二氮等溫室氣體的大宗,甚至會造成水污染及空氣污染。

最近由心理學家團隊發表的研究,提出一種可能的解決方案,以減少畜牧業對環境的影響,也就是——「教小奶牛上廁所」!

看到這邊一定頭上冒出好幾個問號,為什麼畜牧業會對氣候變遷造成影響?是哪方面的影響?為什麼教奶牛尿尿可能可以減緩對環境的衝擊呢?要怎麼教?

圖/Pixabay

畜牧業和氣候變遷到底有什麼關係?

首先,根據聯合國糧食與農業組織 (FAO) 的報告,全球畜牧業每年約排放 7.1 兆噸的二氧化碳,大約是人為排放溫室氣體的 14.5%,其中,牛是排放量最大的物種,佔畜牧業排放量的 65 %,而大約來自於腸道發酵、糞便儲存與加工、飼料生產過程、其他能源使用等活動,FAO 也提出了目前評估可實行的減緩方案,其中一項便是提高奶牛的飼料開發以及飼養技術,來減少消化過程中和分解糞便時產生的甲烷 (CH4) 與一氧化二氮 (N2O) 。

而這篇研究的主角之一就是一氧化二氮 (N2O) ,雖然它只佔全球溫室氣體總排放量的 5% ,但它把熱留在地球的能力卻將近是二氧化碳的 300 倍!除此之外,每次排放的一氧化二氮 (N2O) 都會停留在大氣中超過一世紀,可以說是一種「長壽」的溫室氣體。從 1990 年起,紐西蘭的一氧化二氮排放量增加了五成,主要是來自乳製品業擴展以及氮肥使用,因此紐西蘭政府制定了一個目標,要在 2050 年之前將一氧化二氮的排放減少到淨零。

但這和牛有什麼關係呢?

紐西蘭的一氧化二氮排放量增加與乳製品業擴展有關。 圖/Pixabay

從「牛尿尿」開始的氮旅程

原因是牛尿液中氮含量很高,而動物尿液中的氮來源主要是尿素  (CH₄N₂O),在紐西蘭和澳洲,通常將牛飼養在戶外,牠們排尿之後,就開始一趟名為「氮循環」的旅程,首先尿素會迅速在土壤裡被水解成銨鹽 (NH4+) ,再經過微生物「亞硝化菌」氧化成亞硝酸根 (No2),接著,另外一群微生物「硝化菌」,將亞硝酸鹽 (No2) 再氧化成硝酸根 (NO3),以上的過程稱為「硝化作用 (Nitrification) 」。

當然,旅程還沒有結束,另一群稱作「脱硝菌」或「脫氮菌」的微生物會將硝酸鹽還原成氮氣 (N2),叫做「去硝化作用」或「脫氮作用」,而一氧化二氮 (N2O) 是反應的中間產物,會直接被釋放到大氣中。

難道把牛飼養在牛舍裡就沒有問題了嗎?

代誌不是憨人想得這麼簡單!當牛尿液中的氮和地板上的糞便混在一起時,會產生另一種空氣污染物——氨 (NH4)。

File:Nitrogen Cycle 2.svg
生態環境中的氮循環系統。細菌在其中扮演了關鍵角色,將氮源轉換為各種化合物,能夠被生物利用。圖/WIKIPEDIA

所以,如果牛的尿液可以被收集處理,裡面所含的氮就可以被轉換,減緩對環境的衝擊,但是要怎麼收集牛的尿液呢?

最直接的方式就是,教小牛到「廁所」裡尿尿。

要怎麼教會小牛尿尿?獎勵和拆解步驟是關鍵

研究團隊利用行為心理學的原理,訓練小牛到特定的地方排尿,這個原理便稱為「操作制約 (Operant Conditioning)」,由美國哈佛大學心理學教授史金納 (B.F. Skinner) 於 1938 年提出,當時有個著名的動物實驗稱為「史金納箱 (Skinner Box)」,將飢餓的小白鼠放在箱子裡,內有電動裝置紀錄動物的正確反應次數和頻率,因飢餓不安而活動的小白鼠,偶然壓到槓桿就會得到少量食物,當以後小白鼠看到槓桿,再去壓桿的頻率就會比以前高。對小白鼠來說,因反應而出現的食物是「強化物」,對壓桿這個「操作性反應」產生了強化作用。

除此之外,他們還運用訓練小孩上廁所,一種叫做「反向鏈接技術 (Backward Chaining Technique) 」的方式,將目標拆解成小步驟,從最後一步開始訓練到第一步。

首先,小牛被限制在圍欄設置成的廁所區域裡,當小牛排尿後再給予牠們喜歡的食物進行強化。然後,把小牛帶到圍欄外的一條走廊上,並再次強化進去廁所裡尿尿的行為,如果小牛在走廊上就排尿,便會用讓牠稍微不開心的噴水阻止牠。

經過幾次強化訓練,他們訓練的八頭小牛中,有七隻學會了在廁所尿尿,而且學習的速度和人類小孩差不多快!牠們大約只受了 15 天的訓練,大部分的小牛在 20 至 25 次排尿後學會了整套,比三到四歲的人類小孩還快。

小奶牛在廁所尿尿的影片。資料來源/參考資料 1

由此,研究團隊得到了兩個結論,第一是牛能夠學會注意自己的排尿反射,在準備尿尿時會移動到廁所裡;第二,在可以得到獎勵的情況下,牠們學會先憋尿,除非到了正確的地方。

牛牛學會了,然後呢?

在知道可以訓練牛牛到廁所排尿後,下一步要怎麼做才能夠離減排溫室氣體的目標越來越近呢?

作者認為希望未來可以優化廁所裝置,自動檢測排尿以及給予獎勵,就像是放大版的史金納箱一樣。除技術層面外,像是紐西蘭、澳洲等地的畜牧業,大多將牛飼養在開放的圍場,應該要把廁所設在哪裡,或者牛願意走多遠過來上廁所,都是需要進一步了解的問題,也才能夠將這項技術真正運用在不同國家的畜牧業,實際做到減緩畜牧業對氣候變遷的影響。

參考資料

  1. Dirksen, N., Langbein, J., Schrader, L., Puppe, B., Elliffe, D., Siebert, K., … & Matthews, L. (2021). Learned control of urinary reflexes in cattle to help reduce greenhouse gas emissions. Current Biology, 31(17), R1033-R1034.
  2. Gerber, P. J., Steinfeld, H., Henderson, B., Mottet, A., Opio, C., Dijkman, J., … & Tempio, G. (2013). Tackling climate change through livestock: a global assessment of emissions and mitigation opportunities. Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO).
  3. 張春興(民80)。教育心理學:三化取向的理論與實踐。台灣東華書局。
  4. Backward Chaining Technique
  5. 全國法規資料庫:空氣污染防治法施行細則
  6. The science of nitrous oxide

阿咏_96
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