推進水處理新技術，實現可持續發展未來！

　　水對所有生物都是必不可少的，從小的微生物到大的樹木。聯合國估計，美國普通人每天使用590升水進行洗澡和飲用等活動。但在非洲馬里，由于缺少獲得清潔水和生活方式等因素，每天的用水量只有11升。

　　鑒于水對衛生設施和維持生命方面的重要性，聯合國已將水和衛生設施作為可持續發展的目標之一。

　　然而，對于全世界數十億人，特別是發展中地區的人們來說，缺乏清潔飲用水、個人和環境衛生已經是一個緊迫的全球問題。在人口稠密、收集和儲存有限雨水的國家，確保可持續供水是一個優先重要的事情。氣候變化和污染也使清潔水的供應更加困難。

　　為了應對世界各地社區和國家面臨的水資源挑戰，新加坡南洋理工大學（NTU Singapore）的研究人員正在開發凈化水以及有效處理廢水的創新方法。

　　重金屬過濾器

　　重金屬對水的污染是一個嚴重的問題。由于采礦和工業活動，河流和地下水等水源越來越容易受到這種污染的影響。來自新加坡南洋理工大學和瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETHZ）的科學家利用花生油和葵花籽油生產過程中產生的植物廢料，創造了一種低成本的方法來過濾水中的有毒重金屬，使其符合國際飲用水標準。

開發由植物廢料制成的重金屬過濾器的科學家。（左起）博士生 宋偉龍;阿里·米塞雷斯教授;和南洋理工大學客座教授拉斐爾·梅贊加 。
 

　　該研究由NTU材料科學與工程學院和生物科學學院的Ali Miserez教授以及NTU健康科學與技術系的訪問教授Raffaele Mezzenga領導。該團隊首先從油籽粕中提取蛋白質，油籽粕是植物油生產過程中留下的富含蛋白質的副產品，并將它們轉化為納米大小的淀粉樣纖維，這是由緊密纏繞的蛋白質組成的繩狀結構。

　　然后，科學家們用這些原纖維和活性炭制作了一種混合膜。

　　淀粉樣纖維就像分子海綿一樣，在重金屬離子通過膜時將重金屬離子捕獲在水中，這個過程稱為吸附。

　　根據NTU材料科學與工程學院的博士生Soon Wei Long的說法，這是花生和向日葵蛋白的淀粉樣纖維首次用于凈化水。

　　研究人員發現，該膜可去除高達99.89%的重金屬。在測試的三種金屬中，過濾器在去除鉛和鉑方面最有效，其次是鉻。

　　研究人員估計，需要16公斤葵花籽蛋白來過濾被十億分之400（ppb）鉛污染的奧運會規模的游泳池。

　　“與傳統的過濾方法不同，我們的蛋白質膜是通過綠色和可持續的工藝制造的，幾乎不需要電力運行，這使得它們可以在世界各地使用，特別是在欠發達的國家，”Miserez教授說。

　　科學家們目前正在與蘇黎世聯邦理工學院的歐洲水過濾衍生公司BluAct一起探索其膜的商業應用，并且正在秘魯，斯里蘭卡和印度對過濾器進行試點測試，這些國家的飲用水供應通常面臨重金屬污染。

　　將花生油和葵花籽油生產的植物廢物轉化為可以去除水中重金屬的膜的過程 。

　　去除砷

　　來自新加坡南洋理工大學和尼泊爾的研究人員建立了一個生物砂過濾系統，可以去除地下水中發現的有毒砷，為尼泊爾的兒童及其社區提供安全的飲用水。該項目得到了Lien環境獎學金（LEF）的支持，這是一個非營利性計劃，使來自選定的南亞和東南亞國家的學者和研究人員能夠應對本國水污染的挑戰。

　　清潔水設施位于尼泊爾地下水中砷含量較高的Newalparasi地區，由三個按降序排列的1，000升水箱組成。沉淀池放置在最高的支架上。在這里，懸浮在水中的顆粒被允許沉淀出來。接下來，將水轉移到中間水箱，在那里使用鐵釘、磚屑和沙子的組合進行過濾。水中的砷被釘子中的鐵吸引并從水中去除。然后將干凈的水儲存在第三個也是最低的水箱中，用戶可以通過水龍頭輕松取用。

　　南洋環境與水研究所（NEWRI）執行主任Shane Snyder教授表示，該系統的簡單設計使其在不需要專業技術支持的情況下長期維護更具可持續性。NEWRI通過其慈善機構NEWRI社區發展（NEWRIComm）為水設施建設提供了工程和技術支持。

　　此設施預計將使該地區Shree Janta中學的600多名學生和教職員工受益。

　　生物砂過濾系統由三個儲罐組成。

　　脫鹽膜

　　在像新加坡這樣土地稀缺的國家，獲得足夠的清潔和飲用水也是一個挑戰，因為沒有足夠的空間建造水庫來收集和儲存水。

　　通過去除海水中的鹽分，海水淡化是滿足日益增長的飲用水需求的重要工具。它涉及一個稱為反滲透的過程，其中使用高壓迫使海水通過部分可滲透的膜，將水分子與鹽等污染物分離。

　　然而，這個過程需要大量的能量，這些能量是通過燃燒化石燃料產生的。

　　為了提高海水淡化的能源效率，NTU新加坡的NEWRI正在與新加坡國家水務局PUB合作，測試減少海水淡化過程中能源使用的新材料膜。

　　NTU新瑞區膜技術中心主任王榮教授（左）和該中心的研究員賴國成博士拿著一卷水通道蛋白膜和制造膜的機器。

　　領導這項研究的NIWRI新加坡膜技術中心主任王榮教授說：“與用于海水淡化的商用膜相比，這些新膜對水的滲透性提高了40-50%，因此它們需要更少的能量來去除鹽分以獲得相同數量的純凈飲用水。使用更少的能源有助于減少碳排放，這對于氣候變化的擔憂非常重要。

　　王教授和她的團隊開發了一種稱為水通道蛋白的水通道蛋白膜。這些蛋白質使水能夠迅速輸送到植物和動物細胞中，顯然改善了膜對水的滲透性。他們開發的另一種膜使用生物分子，也可以提高其透水性。

　　由于水分子可以更容易地通過這些膜，因此在海水淡化過程中將水泵壓入膜所需的能量比傳統海水淡化膜低 10%。

　　基于水通道蛋白的膜和用于測試其性能的設備。

　　3D打印膜

　　隨著工業化和城市化進程的加快，人們越來越需要在排放之前處理由此產生的廢水，并盡量減少其造成的污染。

　　來自新加坡南洋理工大學土木與環境工程學院的孫達倫副教授開發了一種膜，可以比現有膜更快地過濾廢水。

　　南洋理工大學新加坡副教授孫達倫（左）和Nanosun聯合創始人黃安濟

　　該技術已由NTU新加坡分拆公司Nanosun商業化，該公司旨在開發和部署膜解決方案，以解決廢水污染的挑戰。

　　與使用傳統技術制造的傳統膜相比，Nanosun的膜是通過3D打印數百萬種聚合物納米纖維制成的。

　　這些纖維，每根比一根頭發還細五倍，彼此分層并融合成薄片形成膜。

　　膜的結構增加了其捕獲或排斥污染物的表面積，同時允許水分子通過的速度比傳統聚合物膜快五倍。

　　與傳統膜相比，制造過程的勞動強度也更低，因為它是全自動的，需要的人力減少了30倍。

　　Nanosun已經投標并中標在中國，印度尼西亞，菲律賓，新加坡和泰國部署的項目，用于處理工業和城市廢水。迄今為止，該公司估計，自部署其解決方案以來，累計處理了超過1800萬噸水。

 

　　利用細菌去除廢水中的磷

　　全球變暖導致氣溫上升，預計將阻礙從廢水中去除磷的過程，但NTU研究人員已經找到了一種用細菌來的解決方法。

　　環境中來自未經處理的高含量磷廢水會使藻類快速生長。它們會導致水中的氧氣耗盡，并可能釋放出高含量的毒素，這兩者都會殺死魚類等水生生物。

　　然而，目前在廢水排放前去除廢水中磷的生物方法在25°C以上的溫度下可能無效。

　　新加坡南洋理工大學和新加坡國立大學的新加坡環境生命科學工程中心（SCELSE）科學家使用累積桿菌念珠菌開發了一種在25°C以上溫度下工作的廢水中去除磷的方法。

　　在廢水處理廠中發現的細菌可以從廢水中吸收超出生長所需的磷，并將其作為聚磷酸鹽顆粒儲存在細胞中。

　　SCELSE副中心主任Stefan Wuertz教授與進行細菌和廢水實驗的生物反應器一起。

　　在實驗中，由SCELSE副中心主任NTU教授Stefan Wuertz領導的研究人員在保持中性pH和30-35°C溫度的反應器中培養細菌。六個小時后，細菌從廢水中去除了大部分磷，這種情況持續了300天。

　　“我們的解決方案不僅可以幫助面向未來的生物磷去除，還可以儲存元素，然后將其重新引入農業系統，”來自新加坡南洋理工大學土木與環境工程學院的Wuertz教授說。

　　新加坡國家水務局PUB也參與了這項研究，它將在未來水回收廠的設計中考慮這項研究的結果。