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SDG 6—清洁饮水和卫生设施

有没有想过平时用的水来自哪里？ 如果答案是“水龙头”, 说明你属于全球人口中占比 74% 的幸运儿 [1]。 水是地球所有生命的命脉, 是日常生活的必需品。 不幸的是, 现有超过 20 亿人口因糟糕的卫生系统无法获得清洁饮用水。 并非所有水源都可直接使用:地下水需要抽取至地表处理, 地表水需要去除化学物质和微生物, 海水则需要脱盐淡化。 许多降雨稀少的干旱地区国家 （如沙特阿拉伯） 正面临供水危机。 当地下水的水位下降时, 这一风险将进一步加剧。 目前约有 22 个国家的缺水风险极高 [1]。

我们必须珍惜水资源并思考如何合理利用。 正因如此, 联合国提出了SDG 6 （清洁饮水和卫生设施）, 作为17项可持续发展目标之一, 旨在解决全球水资源危机, 确保人人享有清洁饮水和卫生设施, 同时减少污染物及有害化学物质排放, 保护珍贵水源 [2]。

SDG 6 还揭示了一个常被忽视的潜在水源: 废水, 即使用后被排放的水。 虽然废水比上述其他水源更难处理, 但它是唯一一种所有国家都拥有的稳定水源。 将处理后的废水作为主要水源, 既能保障供水稳定, 又可缓解淡水资源压力。 尽管任务艰巨, 但只要我们共同努力就能完成！ 新加坡是践行 SDG 6 的典范:这个拥有 500-700 万人口的岛国没有地下水, 也无法完全储存丰沛降雨 [3], 却通过废水回收技术构建出“完美水循环”, 确保一滴水都不浪费 [3]。 科技解决重大挑战的力量令人惊叹！

废水从何而来？

如厕、 淋浴、 洗衣等日常活动都会产生废水:冲一次马桶大概会产生 6 升废水, 洗 10 分钟的澡大概会产生 65 升废水, 洗一次衣服最多可产生 95 升废水。 日常生产活动的耗水量更加惊人: 仅仅种出1公斤苹果便需要 822 升水, 生产1公斤牛肉竟需要 1.5 万升水； 制作一件衬衫需消耗 2700 升水, 甚至制造一部 iPhone 手机也需要 1.2 万升水。 面对每日巨量废水, 净化并回收利用在保护环境和节约资源方面意义重大 [4]。

废水处理技术的类型

想了解废水处理的历史吗？ 让我们从 18 世纪说起:当时的人们发现将废水排入河流会导致水质污染, 使饮水者生病, 便建造出了史上首座废水处理厂 （WWTP） 来减少废水中的污染物 （图 1A）。 其工作原理为:废水先流经水平沉淀池, 使杂质沉底, 再通过装满不同粒径砂石的垂直过滤罐截留细小颗粒, 这便是 过滤 [1]。 1854 年, 废水处理厂开始在流程末端加氯杀灭细菌等病原体, 这便是消毒 （图 1B） [4]。 到了 1913 年, 两位科学家发现某些好氧微生物 （有益细菌） 能“吞噬”污染物, 净化废水, 由此诞生活性污泥法。 移除有益细菌后, 水体经消毒即可安全排放 （图 2A）。 此种方法比普通过滤更加高效快速, 至今仍在使用。 不过, 随着大城市中人口不断增长, 用水需求越来越大, 科学家正在开发更先进的废水净化技术 [4]。

高效净水新技术

废水处理的能耗巨大。 在全球能源仍主要依赖化石燃料的背景下, 我们在向太阳能、 风能等可再生能源过渡的同时, 应尽可能降低所有活动的能耗。 为此, 我们团队开始探索低能耗净水方法, 并研发出一种利用极小的厌氧微生物的新技术。 这些微生物可在无氧环境下分解废水中的杂质, 将其转化为甲烷。 甲烷可收集作为废水处理厂或其他工艺流程的能源。

我们将厌氧微生物与膜技术结合, 开发出了厌氧膜生物反应器系统。 “生物反应器”指用于有益细菌处理废水时发生的生物反应的设备。 最后增加紫外线消毒环节, 通过破坏微生物 DNA 实现灭菌 （图 2B）。 成果如何呢？ 我们获得了富含植物和种粮所需营养物质的洁净水！ 为实地测试此工艺, 我们在沙特建造了一座小型示范性废水处理厂, 规模介于实验室装置与标准工厂之间, 目前的运行数据显示: 仅靠系统自身产生的能量, 就能获得非常适合植物生长的洁净水 [5]！

我们的发现

本文探讨了水资源短缺这一重大议题。 联合国号召科学家与公众共同探索解决方案。 每个人都能通过合理用水贡献一份力量。 请牢记, 所有用水者都是废水生产者, 支持 SDG 6 人人有责。

如何为改善用水与废水管理方式做出贡献呢？ 我们可以减少用水量, 提高亲友的节水防污意识。 例如, 可缩短淋浴时间、 刷牙时关闭水龙头、 避免将药物冲入马桶、 用桶收集雨水浇灌植物。

另一大关键在于建立对净化水的信任, 相信它是提供稳定淡水和清洁环境的宝贵资源。 令人振奋的是, 目前很多国家正效仿新加坡的废水处理与循环利用方式 （图 3）。 科威特和卡塔尔等国已实现 100% 废水处理, 确保对环境零负面影响, 这证明即便在中东这类极度缺水地区也能安全回收利用废水 [6]。 令人欣慰的是, 全球已有 58% 的废水得到处理 [1], 但我们仍需努力实现全球 100% 废水循环利用的终极目标。

术语表

废水 (Wastewater): ↑ 含有污染物、需净化处理的水。

沉淀 (Sedimentation): ↑ 大颗粒物质随时间沉降至溶液底部的过程。

过滤 (Filtration): ↑ 通过尺寸分离从水中去除颗粒物的过程。

消毒 (Disinfection): ↑ 使用化学品或紫外线照射经过处理的水, 确保杀灭细菌等有害生物的过程。

活性污泥法 (Activated Sludge): ↑ 利用有益细菌吞噬污染物并形成可移除菌团来净化废水, 使水体安全回归自然的方法。

厌氧 (Anaerobic): ↑ 不存在氧气的环境。

厌氧膜生物反应器 (Anaerobic Membrane Bioreactor): ↑ 一种在无氧条件下运行并配备膜过滤装置的工程系统。

利益冲突声明

作者声明本研究不涉及任何潜在商业或财务关系。

致谢

谨向阿卜杜拉国王科技大学 （KAUST） 的 Ruben Costa 与 Nicki Talbot 致以诚挚谢意, 感谢他们在初始撰写和审校阶段提供的宝贵支持, 本系列的完成离不开他们的专业贡献。 同时向 KAUST 可持续发展办公室与联合国开发计划署沙特阿拉伯国家办公室表示谢意, 感谢他们始终致力于提升公众对联合国可持续发展目标 （SDG） 的认知, 共同推动世界走向更可持续的未来。

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