Water in the desert

Topics

Water disinfection and recycling, desalination, drip irrigation:
Israel shares its expertise internationally

 

 

«Necessity is the mother of invention» is a well-known, sometimes overused proverbial saying. But it seems fitting as a shorthand explanation of how a country that is 60% desert, that has historically suffered from perpetual water shortages and is experiencing a rapidly expanding population, has managed to produce 20% more water than it needs.

Only a few years ago, the growing gap between demand and available water supplies was becoming the national nightmare. Yet, Israel managed to avoid that parched future through pioneering technological innovation and infrastructure. If a need is the driving force for most new inventions, as the saying has it, then as a very small country with not enough water, a finite resource, there was a challenge that had to be met.

Some of the major inventions, innovations and patents come from Israel’s southern Negev region, a living laboratory of arid lands science and technology. Promoting and shepherding the development of technologies dealing with desert-related challenges is DeserTech, one the newest innovation communities. The community was founded by the Merage Foundation Israel, a catalytic foundation aiming to promote economic growth in the Negev region, relying on the territory’s competitive advantages. The Merage Foundation Israel saw the potential of creating an innovation cluster in the Negev, and joined forces with the Israel Innovation Institute, Israel’s Ministry of Environmental Protection and Ben-Gurion University of the Negev. Together they initiated the DeserTech Community. DeserTech is located in Be’er-Sheva, the so-called “capital of the Negev”. It promotes the development, adaptation and commercialization of technologies that enable sustainable living in arid climates, particularly in the areas most affected by water scarcity. It runs international seminars for the development and adaptation of desert-related technologies and creates hundreds of business opportunities for Israeli startups in the fields of water, agriculture, renewable energy and infrastructure.

The presence of thousands of startups and more engineers per capita than anywhere else in the world, makes Israel a natural hub for innovation. How to support and bring together all the diverse companies, academic centers and startups that address global needs is a challenge being met by the non-profit Israel Innovation Institute. The mission of this do-tank is to establish innovation communities in which entrepreneurs and startups in fields including healthcare, agriculture, transportation and climate change can share mutual challenges and solutions. The Institute helps the communities find resources, make connections and – vitally – exchange knowledge with industry players: how to match needs with solutions and create business opportunities. In addition, the Israel Innovation Institute accompanies and supports international organizations that join the Israeli innovation ecosystem.

«Israel’s prime minister David Ben-Gurion was clever enough to understand that 60% of the country is desert, and if we don’t manage to live in this desert we will not survive», states Prof. Amit Gross, director of Ben-Gurion University of the Negev’s Zuckerberg Institute for Water Research. «Water issues have been a major concern since the beginning. We had to find solutions to water scarcity, where in other countries it wasn’t an issue. So, we have the advantage of several years during which we dealt with these concerns».

«Israel is a kind of an isolated island, and when we have problems we have to find our own solutions», comments Steve Elbaz, vice-president of Watergen, a company which invented a technology creating – literally – drinking water out of air. Like Iron Dome, the mobile air defense system developed by Israeli defense industries, says Elbaz, «when you need a bubble of protection, you build it; when you don’t have water, you create it». Watergen’s technology sucks out the moisture from the air using solar energy, creating clean drinking water on the spot. Water-from-air units are currently being used in 65 countries, including the Gaza Strip and rural villages in Central Africa.

Watergen is one of many Israeli companies, startups and academic research centers which have developed and are building successful technologies to deal with the existential problem of lack of water. Most, if not all, of the solutions have been developed in Israel’s south, an area now famous for innovative water conservation measures. Perhaps the oldest, and one of Israel’s greatest innovations, is the drip irrigation system invented and developed in the mid-1960s in Kibbutz Hatzerim, in the arid south. The then revolutionary method slowly applies water directly to the roots of crops through a network of tubes, valves and drippers. Today the multinational drip irrigation company Netafim, founded by the Kibbutz, operates in 150 countries, and drip irrigation waters 75% of Israel’s crops.

Oddly, perhaps, for a country on the sea, Israel came fairly late to large-scale seawater desalination. Israel only started implementation in 2005, though the development of the practical use of reverse osmosis which revolutionized water desalination. It was developed by Sidney Loeb at Ben-Gurion University’s Zuckerberg Institute for Water Research.
Traditionally, desalination is an expensive undertaking, but Israeli advances have made it much cheaper today, allowing it to expand its desalination program. There are now five large operational facilities in Israel with two more in development, allowing it to export water to other countries facing shortages, such as Jordan.

For decades Israel has been famous for treating wastewater. Today it uses about 90% of its wastewater for agriculture, more than any other country. But because the system includes toilet water, beginning in 2003 researchers at the Zuckerberg Institute looked for a way of efficiently using of what is called greywater, that is wastewater generated in households or office buildings (sinks, bathtubs, washing machines etc.) but without toilet wastewater. «We realized that if you separate the domestic sources, and even exclude the kitchen stream, then the initial wastewater quality is much higher», explains Prof. Gross of the Zuckerberg Institute. The system, he says, had to be economically feasible and risk-free health-wise. The team set up what proved to be a successful experiment which ultimately led to the creation of guidelines for implementation.
Though today the greywater system is employed by country clubs and other locations in Israel, the Health Ministry has not approved its wide-spread use in the country. «It’s a bit strange that we’re the leader in the world in terms of research on greywater, but in terms of practice Israeli research is being applied in many other countries, including Australia», states Gross.

Almost all countries have wastewater treatment plants. But even the most modern plants must deal with the serious problem of levels of pollution that are higher than the system can manage. The Israeli company Kando has developed a highly accurate technology – a wastewater intelligence platform – that monitors incoming raw materials, identifying the sources of dangerous pollution, thus making the process more efficient.
«Sometimes the quality of the incoming wastewater is so poor that the processes can’t cope. Often the plants have to shut down because there is no way to treat the wastewater; so it’s just dumped into the sea or river, because there are no other options», explains Jenny Gelman, head of Kando’s marketing and communications division. «That cycle can sometimes happen a few times a week». The Kando technology is a combination of hardware and software that gathers and analyzes data from different sources, and eventually alerts management so the situation can be handled in real time. «The Kando solution gives plants the ability to detect events in the network, track the source and make an impact on the wastewater facility», states Gelman.
Another revolutionary and practical use of the wastewater intelligence platform is epidemiological, which came to light during the Covid-19 pandemic. Even before people showed signs of being sick, it turned out that the virus manifested itself in the wastewater. In a joint project with Ben-Gurion University, the company developed a technique to improve screening of wastewater for variants of Covid, that gives health authorities advance warning of a potential outbreak. The application has already been adopted by Israel’s Health Ministry. According to Kando CEO Ari Goldfarb the company is helping governments around the world analyze their water to guide public health policy, including an early warning system on airplane toilets. The company has also detected sudden upticks of the polio virus in Israel, which is helping the government direct resources to unvaccinated neighborhoods.
At least two billion people around the world use water from contaminated sources, particularly in the developing world, where access to clean water resources is often unaffordable or inaccessible. Water is taken from community taps or wells, sometimes even directly from rivers where the quality is often q uestionable. Contaminated water is even a problem in Israel, in the unrecognized rural enclaves in the south.

One Israeli startup also dealing with the world-wide challenge of safe drinking water is a branch of Tel Aviv University’s Water Energy Lab, in the Fleischman Faculty of Engineering. The lab, headed by Prof. Hadas Mamane, has developed a technology that uses LED lighting and solar energy to disinfect water. The laptop-sized device, called SoLED, operates without any chemicals or electricity to kill 99.9% of bacteria and viruses from water, making it less costly and easier to use than existing solutions in remote areas. The SoLED prototype is now being tested in rural India. The ultimate goal, of course, is to produce a version that can be manufactured for mass distribution.

As a result of the climate crisis, billions of people in the world today – it is estimated one person in every four – experience extreme water scarcity, for at least part of the year. As the impact of climate change increases, water scarcity will affect nearly half the world’s population by 2025, according to expert estimates. This is not only true of poor countries: large parts of the U.S. are running out of water too as a result of global warming.
On both the private and academic level, Israel is sharing its expertise, technologies and policy strategies with other water-deprived countries. According to the Washington Institute for Near East Policy, while Israel is located in the most water-scarce region of the world, it «is leading the way in developing innovative technologies for this sector. From water recycling to desalination and drip irrigation, Israeli companies are at the forefront of marrying ingenuity and science to ameliorate this global problem».

 

«Il primo ministro israeliano David Ben-Gurion è stato così abile da capire che, essendo noi una nazione desertica per il 60%, se non riusciamo a resistere al deserto non sopravviveremo», afferma il Prof. Amit Gross, direttore dell’Istituto Zuckerberg per le Ricerche sull’Acqua dell’Università Ben Gurion del Negev. «Le tematiche idriche sono state la nostra principale occupazione sin dall’inizio. Abbiamo dovuto trovare soluzioni alla scarsità d’acqua, mentre in altri stati ciò non ha mai rappresentato un problema. Di conseguenza, custodiamo un vantaggio di diversi anni durante i quali abbiamo affrontato questo tipo di istanze».

«È come se Israele fosse un’isola a sé stante, e quando ci sono problemi dobbiamo autonomamente trovare soluzioni», commenta Steve Elbaz, vicepresidente di Watergen, azienda che ha messo a punto un procedimento capace di creare – letteralmente – acqua potabile dall’aria. Come per Iron Dome, afferma Elbaz, sistema mobile di difesa aerea sviluppato dalle industrie di difesa israeliane, «quando hai bisogno di una barriera protettiva, la costruisci; quando non hai acqua, la ricrei». La tecnologia di Watergen aspira l’umidità dall’aria utilizzando l’energia solare, creando così acqua potabile in loco. Le centraline di acqua dall’aria sono già in uso in 65 paesi, tra cui la Striscia di Gaza e alcuni villaggi rurali dell’Africa centrale.

Watergen non è che una delle tante aziende, startup e centri di ricerca accademici israeliani che hanno sviluppato e stanno implementando tecnologie di successo per affrontare il problema vitale della mancanza di acqua. La maggior parte – se non tutte – le soluzioni sono state messe a punto nel sud di Israele, area ormai nota per l’innovatività delle misure di conservazione idrica.
Probabilmente la più antica, e certamente una delle più proficue innovazioni israeliane, è il sistema di irrigazione a goccia creato e sviluppato a metà degli anni ’60 nel Kibbutz Hatzerim, nel sud più arido. Il metodo, allora giudicato rivoluzionario, porta l’acqua lentamente e direttamente alle radici delle colture attraverso una rete di tubi, valvole e gocciolatoi. Oggi la multinazionale dell’irrigazione a goccia Netafim, fondata dal Kibbutz, opera in 150 paesi e l’irrigazione a goccia disseta il 75% dei raccolti di Israele.

Per la sua natura di nazione sul mare, può sembrare strano che Israele sia giunta relativamente tardi alla desalinizzazione su larga scala dell’acqua marina, di cui ha avviato l’implementazione solo nel 2005, nonostante l’attuazione della pratica di osmosi inversa che ha rivoluzionato la desalinizzazione dell’acqua. Una pratica sviluppata da Sidney Loeb presso l’Istituto Zuckerberg per le Ricerche sull’Acqua della Ben-Gurion University. Tradizionalmente la desalinizzazione è sempre stata un’impresa costosa, ma i progressi israeliani l’hanno resa oggi molto più accessibile, consentendo l’allargamento del programma. Attualmente cinque grandi strutture sono operative in Israele, più altre due in fase di sviluppo, che consentono anche l’esportazione di acqua in nazioni in difficoltà come la Giordania.

Per decenni Israele si è resa capofila del trattamento delle acque reflue, di cui attualmente riutilizza circa il 90% per l’agricoltura, più di qualsiasi altra nazione. Ma poiché il sistema include il riutilizzo dell’acqua dei servizi igienici, a partire dal 2003 i ricercatori dello Zuckerberg Institute si sono impegnati nella ricerca di un modo di utilizzo più efficiente di quelle definite acque grigie, ossia acque reflue provenienti da abitazioni o da uffici (lavandini, vasche da bagno, lavatrici etc.), che fossero separate dalle acque reflue da toilette. «Ci siamo resi conto che se si separano le fonti domestiche, escludendo anche il flusso proveniente dalla cucina, la qualità iniziale delle acque reflue è molto più alta», spiega il Prof. Gross dello Zuckerberg Institute. Il sistema, dice, doveva essere reso economicamente sostenibile e privo di rischi per la salute. Il team ha così avviato quello che si è rivelato un esperimento di successo, che alla fine ha portato alla creazione di linee guida per l’implementazione.
Sebbene oggi il sistema delle acque grigie sia impiegato da country club e altre location in Israele, il Ministero della Salute non ne ha approvato l’uso diffuso nella nazione. «È strano che siamo leader mondiali in termini di ricerca sulle acque grigie, ma in termini pratici la ricerca israeliana venga applicata in altri stati, Australia inclusa», rileva Gross.

Quasi tutte le nazioni si sono dotate di impianti di trattamento delle acque reflue. Ma anche gli impianti più moderni devono fare i conti con il grave problema di livelli di inquinamento superiori a quelli che il sistema può gestire. L’azienda israeliana Kando ha sviluppato una tecnologia estremamente accurata – una piattaforma di intelligence delle acque reflue – che monitora il flusso in ingresso, identificando le materie di inquinamento pericolose e rendendo così il processo più efficiente.
«A volte, la qualità delle acque reflue in entrata è così scadente che i processi non riescono a smaltirle. Spesso gli impianti devono chiudere perché non c’è modo di trattarle; di conseguenza vengono scaricate in mare o nei fiumi, non riuscendo a disporre di alternative», spiega Jenny Gelman, capo della divisione marketing e comunicazione di Kando. «Quel tipo di ciclo, a volte, incorre ripetutamente in una sola settimana». La piattaforma Kando è una combinazione di hardware e software che raccoglie e analizza dati da diverse fonti, ed eventualmente avvisa la gestione in modo che la situazione possa essere governata in tempo reale. «La tecnologia Kando offre agli impianti la capacità di rilevare difformità nella rete, tracciarne la fonte e avere un impatto migliorativo sull’impianto di smaltimento delle acque reflue», afferma Gelman.

Un altro uso rivoluzionario e pratico della piattaforma di intelligence delle acque reflue è quello epidemiologico, emerso durante la pandemia di Covid-19. Anche prima che le persone mostrassero segni di malattia, si è scoperto che il virus si palesava nelle acque reflue. In un progetto congiunto con l’Università Ben-Gurion, l’azienda ha sviluppato una tecnica per migliorare lo screening delle acque reflue per le varianti Covid, che fornisce alle autorità sanitarie un preavviso di potenziale focolaio. L’applicazione è già stata adottata dal Ministero della Salute israeliano. Secondo il CEO di Kando Ari Goldfarb, l’azienda sta aiutando i governi di tutto il mondo ad analizzare le loro acque per governare le politiche di salute pubblica, incluso un sistema di allerta precoce sulle toilette degli aerei. La società ha anche rilevato improvvisi aumenti del virus della poliomielite in Israele, supportando il governo nell’indirizzare risorse verso i quartieri dove la popolazione non è vaccinata.

Almeno due miliardi di persone nel mondo utilizzano acqua proveniente da fonti contaminate, in particolare nei paesi in via di sviluppo, dove l’accesso a risorse idriche sicure è spesso inaccessibile o proibitivo. L’acqua viene prelevata dai rubinetti o dai pozzi della comunità, a volte anche direttamente da fiumi la cui qualità è spesso discutibile. L’acqua contaminata è un problema anche in Israele, nelle enclave rurali misconosciute del sud. Una startup israeliana che si occupa anche della sfida mondiale dell’acqua sicura da bere è una filiale del Water Energy Lab dell’Università di Tel Aviv, nella Facoltà di Ingegneria Fleischman. Il laboratorio, guidato dal Prof. Hadas Mamane, ha sviluppato una tecnologia che utilizza l’illuminazione a LED e l’energia solare per disinfettare l’acqua. Il dispositivo, delle dimensioni di un laptop, battezzato SoLED, funziona senza sostanze chimiche o elettricità per debellare il 99,9% di batteri e virus dall’acqua, il che lo rende meno costoso e più facile da utilizzare rispetto alle soluzioni esistenti in aree più remote. Il prototipo SoLED è ora in fase di testing nelle zone rurali dell’India. L’obiettivo finale, ovviamente, è quello di produrne una versione da mettere in commercio per la distribuzione di massa.

A causa della crisi climatica, oggi miliardi di persone nel mondo – si stima una persona su quattro – sperimentano un’estrema scarsità d’acqua, almeno per una parte dell’anno. Con l’aumento dell’impatto del cambiamento climatico, la scarsità d’acqua colpirà quasi la metà della popolazione mondiale entro il 2025, secondo le stime degli esperti. Ciò non vale solo per i paesi poveri: anche gran parte degli Stati Uniti sta esaurendo l’acqua a causa del riscaldamento globale.
Sia a livello privato che accademico, Israele condivide le sue competenze, le sue tecnologie e le sue strategie politiche con altri stati privi di risorse idriche. Secondo il Washington Institute for Near East Policy, mentre Israele si trova nella regione più povera d’acqua del mondo, il paese «sta aprendo la strada allo sviluppo di tecnologie innovative in questo settore. Dal riciclaggio dell’acqua alla desalinizzazione e all’irrigazione a goccia, le aziende israeliane sono in prima linea nel coniugare ingegno e scienza per porre rimedio a questo problema globale».