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下水道、无尘室和氯革命

文章来源:/  2017年10月26日  点击数:1020

1856年12月,芝加哥一个名叫埃利斯的工程师远渡重洋,造访了巴黎、伦敦、汉堡、阿姆斯特丹及其他六个城市。他不是来学习卢浮宫或大本钟的建筑风格,反而想学欧洲这些巨大城市中看不见的成就——下水道。这趟看似不起眼的旅程最终引发了一场规模浩大的清洁革命,让全球数十亿人喝上了清洁的饮用水,甚至成为芯片工业的皇冠——处理器中的重要组成部分。

清洁革命1:芝加哥宏伟的下水道工程

19世纪中叶,芝加哥这座城市迫切需要排污技术。芝加哥作为粮食和商品运输的交通枢纽,在几十年的时间内从小村庄发展成大都市,很多基础设施都不够完善。而且,芝加哥有两个个明显不利的地方:第一,芝加哥地势异常平坦,不利于排水。在19世纪,城市的下水道系统主要靠污水自身重力来导流。第二,芝加哥地势透水能力极差,一到下雨天,由于很难将雨水排入地底,城市地面到处是淤泥和污水。

到了19世纪50年代,芝加哥开始高速发展,城市规模剧增至原来的三倍。高速的发展带来了许多问题,其中最突出的问题与粪便息息相关。城市里新增的10万居民会排泄大量的粪便,如何处理好这些排泄物是关系到城市发展的大问题。当然,在19世纪,芝加哥不仅要处理人类排泄物,还得处理动物粪便。当时,芝加哥的主要交通工具是马车,据统计,19世纪中期的芝加哥约有30万匹马,而每匹马每天会产生15-35磅马粪,一年下来就是10万吨马粪。这些马粪就是最早的城市污染,其严重程度远远超过今天北京的雾霾。马粪不仅散发臭味,观感令人作恶,他们还是苍蝇、寄生虫和传染病的温床。粪便携带的病菌污染了水源,导致痢疾和霍乱这类流行病时常发生,大量居民因为粪便污染丧生。

19中期芝加哥主要的交通工具——马车


尽管在当时,细菌学说并未得到发展,人们还不知道粪便中含有致病菌,芝加哥政府已经开始意识到清洁城市才能让居民获得健康。1855年2月14日,为了解决日益严重的粪便污染问题,芝加哥成立了下水道管理委员会,并聘请埃利斯担任总工程师。19世纪在芝加哥修建下水道系统是个十分艰巨的任务。刚开始,下水道委员会提供了一种方案:在芝加哥地底挖掘隧道,在地下深处修建下水道,从而形成人造降坡,利用重力将污水导流排除。但该方案很快被否决了,因为造价十分昂贵,而且挖掘技术水平也达不到工程需要的水准。埃利斯有过铁路和运河建设方面的经验,他创造性地想出了一个替代方案:用千斤顶将城市抬起来,然后开始建设下水道。他发起了19世界规模最宏大的工程之一——芝加哥下水道建设工程。芝加哥的一座座建筑被大批建筑工人用难以计数的千斤顶抬起来,不管是旅馆还是住宅,无一例外。工人们开始给每栋建筑物建造新的地基,并在建筑物底部安装下水管,下水管链接芝加哥河附近的垃圾堆填区。就这样,整个芝加哥市被平均抬高了接近10英尺,这是一个伟大的工程,足以媲美地面上那些高耸巨大的摩天大楼。下水道工程结束后,芝加哥成为全美第一个拥有现代化下水道系统的城市,不到30年,其他城市也陆续跟进。下水道系统工程的建设经验,催生了一个规模宏大的地底支撑系统:地铁、地下人行道、电话线和光纤在下水道工程完工后不久诞生,为地面上五彩斑斓的现代城市提供交通运输和信号传输支持。可以这么说,没有下水道清洁系统,就没有今天的超级都市。

最容易让人忽视却又让人无比震惊的是:下水道系统解决了几千年困扰人类的问题——随时随地安全地喝上一口洁净的饮用水。自然界中,动物为了优质水源会进行你死我活的争斗,人类也不例外。历史上,人们想出了各种各样的办法来获得洁净的饮用水,比如,将水煮沸或酿成啤酒后饮用。仅在150年前的欧洲,喝掉未经煮沸或酿造的水简直是一种玩命行为,因为供水系统污染严重,往往引起疾病。19世纪70年代初,芝加哥的供水系统变得恶劣不堪,因为水源地密歇根湖已经被城市的排泄物污染,甚至连水池或浴缸中都能发现死鱼。规划良好的下水管道和供水管道并不能解决最根本的问题,要想保持城市的洁净和居民的健康,我们还需要知道微生物世界在发生什么。

清洁革命2:漂白粉和洁净饮用水

对于19世纪的大多数欧洲人来说,淋浴这个概念十分陌生。自中世界开始,欧洲普遍的健康观念认为,将身体浸入水中是一件特别不健康甚至很危险的事,用污垢和油脂堵住毛孔,才能让你远离疾病。太阳王路易十四一生洗澡不超过7次,只能靠香水掩盖身上的体味,这是香水最初的用途。伊丽莎白一世每月洗一次澡,已经十分罕见,甚至被同时代的人认为有洁癖。但从19世纪早期开始,人们对淋浴的态度逐渐开始转变,在美国和英国尤为明显。一些小众的自助图书和小册子开始出现,详细地指导人们如何洗澡。1869年出版的《美国女人居家指南》中开始提倡每日淋浴。在19世纪最后一个10年,清洁开始成为一种新潮的美国生活方式。

洗澡逐渐开始流行起来,与科技的发展和公共基础设施的进步是分不开的,人们开始在自家浴缸里享受沐浴的乐趣。这意味着跟几十年前相比,水变得更洁净了。最重要的是,科学家已经了解了有关洁净的细菌理论,并获得了社会的广泛认同。首先是医生约翰?斯诺在流行病学研究方面的进展,他通过调查证实:霍乱并不是由毒气引起的,罪魁祸首是被污染的水。受制于当时的显微镜技术,斯诺并未发现直接引起霍乱的细菌,但他间接证明了这些生物体的存在。19世纪70年代初,玻璃的一项创新对公共健康领域做出了深远的影响,德国镜片制造商蔡氏光学开始生产新的显微镜。新的显微镜帮助科学家罗伯特?科赫和路易?巴斯德发展并传播了引起疾病的微生物理论。值得一提的是,科赫因其在识别霍乱细菌方面的贡献获得1905年诺贝尔生理学和医学奖,他不仅看到了细菌,而且研发了能够测量一定体积水中细菌密度的方法。巴斯德则引领人类进入了细菌学时代,其发明的巴氏消毒法现在仍然沿用至今。

显微镜和细菌测量法很快在抗击微生物的战斗中开辟了一条新战线。在这条战线上,新泽西医生约翰?李尔是先行者。美国内战期间,李尔的父亲因为喝了感染细菌的水而身亡,父亲的去世让李尔立志为公共健康事业献身,成为了一名医生。李尔实验了各种杀菌技术,在1898年,他发现“漂白粉”次氯酸钙具有良好的杀菌效果而且低毒。但在当时,将化学物质掺入饮用水中消毒的方法受到了大多数人的反对。漂白粉刺激的气味让人觉得难受,更别说喝下有微量漂白粉的水了。不过,李尔并未放弃,他坚信自己的实验结论:只要剂量适当,漂白粉能清除水中的危险细菌,而且不会对饮水人造成危害。终于,机会来了,李尔在新泽西供水公司找到了一份工作,监管河流集水区70亿加仑的饮用水。这份工作为公共健康历史上最大胆的干预做好了准备。

1908年,新泽西供水公司被指控未能提供“洁净而卫生”的水,法庭责令他们建造昂贵的下水管道,将病菌和饮用水隔离开。李尔知道,下水管道并不管用,他决定在水库中加入氯来杀菌。在未经政府许可的条件下,李尔秘密在水库周围安装了一个“漂白粉供应设备”。这是历史上对城市供水的首次大规模氯化,考虑到人们对漂白粉的恐惧,李尔的行为确实是胆大包天,他甚至被部分居民当成恐怖主义者。在李尔进行实验后三个月,他受到了法庭的传唤。李尔在法庭上据理力争,始终为这项伟大的公共卫生创新而辩护。终于,案子尘埃落定,李尔胜诉,饮用水氯化技术开始获得了政府和广大民众的认可和接受。由于,李尔并未申请氯化技术的专利,饮用水氯化法很快在全世界推广开来。据统计,在1900年至1930年间,经过氯化法处理的洁净饮用水让美国城市人口总死亡率下降了43%,其中婴儿的死亡率下降了74%,挽救了不计其数的生命。

氯化法不仅能挽救生命,同时还能带来乐趣。第一次世界大战后,由于氯化法的逐渐推广,美国有一万个加氯消毒的公共泳池开张营业,人们再也不用担心将身体暴露在水中会危及生命了。20世纪20年代至40年代之间,女式泳装开始变得越来越短,大腿、双肩、腹部和后背都可以公开展示了,毫无疑问,加氯消毒的游泳池加速了女装的时尚化进程。当李尔将漂白粉倒入新泽西水库时,他绝不会想到游泳池中女性暴露的大腿。但是,这就像蜂鸟的翅膀一样,次氯酸钙将数以亿计的危险细菌杀死,阴差阳错地让泳装变得越来越小,改变了人们对女性着装的态度,甚至启蒙了早期的女权主义。

20世纪20年代左右的女式泳装



整个19世纪,清洁技术发展十分迅速,各式各样的清洁产品开始出现。在李尔实验后的几年,加州一家商店的老板娘安妮突然想到,既然漂白粉能在工厂使用外,那能不能在家里使用呢?安妮的创意促进了美国家用商业漂白粉行业的诞生,她创建了第一个快消品牌——高乐氏(Clorox)。同时出现了其他各种家用卫生畅销产品,比如:肥皂、漱口水和止汗剂,世界上最大的快消公司宝洁也在不久后成立。清洁用品公司开始在报纸、广播和电视中投放大量广告,尤其是在电视剧播放的间隙,人们把这些电视剧统称为“肥皂剧”。这是当代文化更为奇特的蜂鸟效应,细菌理论引发的氯革命不仅大幅降低了水污染导致的婴儿死亡率,而且还引领了现代广告业的潮流。

时至今天,清洁产业的估值将近800亿美元。走进超市,你会发现有上千种清洁产品,有清洁餐具,马桶,衣服的卫生用品,也有清洁牙齿,头发的洗漱用品,俨然是一个巨大的细菌战争军火库。但过度的清洁也有其副作用,因为幼年时接触的细菌太少,很多人有哮喘和过敏的症状。两个世纪以来,随着细菌理论的逐步完善和清洁产品的日益增多,人类赢得了对细菌的战争,让细菌致死率逐渐降低,也促进了人口大爆发和超级都市的形成。在1800年之前,没有一个城市的人口能超过200万,人们拥挤在城市中,深受流行病之苦。在工程师埃利斯开始建设芝加哥复杂的下水道系统之后的150年,人类已经掌握了清洁技术,解决了饮用水和垃圾处理两大问题后,超级都市开始出现,纽约和北京的城市人口都超过了2000万。人类的预期寿命更长,传染病的发病率也急剧降低。然而,今天全世界仍然有超过30亿人口生活在贫困地区,缺乏洁净的饮用水和卫生系统。因此,我们现在面临的问题是该如何把清洁革命带给这30亿人。其实,并不需要在贫困地区照搬芝加哥的经验,建设大规模的下水道系统,那样太费时费力,而且与当地的地理环境和社会现实不符。创新者们意识到,历史无需重演,我们拥有弯道超车的可能性。众所周知,一些非洲发展中国家通过直接铺设无线网络来建设全国性通信系统,绕过了费时费力的有线电话线路铺设工程,抢得发展的先机。同样,我们也可以借鉴这些经验在贫困地区利用新的科技推进清洁革命,改善当地居民的生活。

清洁革命3:比尔盖茨的“厕所重生计划”和芯片工业的超纯水

2011年,比尔和梅琳达盖茨基金会发起了“厕所重生计划”,旨在征集每个使用者每天花费不超过5美分的厕所设计方案。获胜作品是加州理工学院设计的厕所系统,它由太阳能电池和电化学反应器组成,反应器将人类排泄物电解,产生冲水所需的洁净水和能作为燃料的氢气。这一系统完全自给自足,不需要电网、洁净水和下水道系统,还能产生可作为燃料的氢气。目前,比尔和梅琳达盖茨基金会已在非洲贫困地区大力推广这些高科技厕所,这些厕所让我们避免花费高昂代价修建大型下水道系统,清洁革命在非洲大地上真正开始了弯道超车。

比尔盖茨的“厕所重生计划”


加州理工学院研发的厕所需要计算机芯片来监控和调节系统,从某种程度上来说,计算机芯片中的微处理器本身就是清洁革命导致的副产品。计算机芯片极其精妙复杂,其中原件的尺度达到了微米级,即百万分之一米。电流携带着代表二进制代码0和1的信号穿过微处理器中的晶体管,晶体管微小到只有0.1微米,是人类头发宽度的的千分之一。一粒灰尘落在微处理器里,就好像是小行星撞击地球,会引发灾难性的后果,因此,芯片必须出奇地洁净。美国德州仪器公司的芯片工厂无尘室是地球上最简洁的地方之一,进入这个地方之前,你得从头到脚全部用无菌材料武装起来,因为你的头发、身上的灰尘和携带的细菌都会对芯片造成损坏。当然,生产芯片的过程中也要用到水,但与我们日常生活中的饮用水不同的是,这种水中的任何细菌、矿物质和其他元素都被过滤掉了,成为了芯片中理想的溶剂,科学家称这种水为“超纯水”。超纯水不适合饮用,由于渗透压太小,它会吸收你身体中的矿物质,对身体造成损害。


19世纪,埃利斯主导的芝加哥规模宏大的下水道工程和医生李尔勇敢发起的氯革命,帮助我们处理了城市排泄物污染问题,净化了饮用水。而在150年后的今天,我们制造了过于洁净,不适合饮用的超纯水,这真是一种奇妙的循环。下水道和无尘室是清洁史上的两个极端,它们让我们远离传染病,并推动了芯片工业和数字革命的进步。当我们看到超级大都市熙熙攘攘的人群和手中功能越来越强大的手机时,我们并不会想到它们,但它们是真正的无名英雄,静静地躺在那里,支撑着我们的科技进步和美好生活。

原文来源:无尘无菌洁净室专家  微信号:rfilter   /


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