水对所有生物都是必不可少的，从小的微生物到大的树木。联合国估计，美国普通人每天使用590升水进行洗澡和饮用等活动。但在非洲马里，由于缺少获得清洁水和生活方式等因素，每天的用水量只有11升。

　　鉴于水对卫生设施和维持生命方面的重要性，联合国已将水和卫生设施作为可持续发展的目标之一。

　　然而，对于全世界数十亿人，特别是发展中地区的人们来说，缺乏清洁饮用水、个人和环境卫生已经是一个紧迫的全球问题。在人口稠密、收集和储存有限雨水的国家，确保可持续供水是一个优先重要的事情。气候变化和污染也使清洁水的供应更加困难。

　　为了应对世界各地社区和国家面临的水资源挑战，新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）的研究人员正在开发净化水以及有效处理废水的创新方法。

　　重金属过滤器

　　重金属对水的污染是一个严重的问题。由于采矿和工业活动，河流和地下水等水源越来越容易受到这种污染的影响。来自新加坡南洋理工大学和瑞士苏黎世联邦理工学院（ETHZ）的科学家利用花生油和葵花籽油生产过程中产生的植物废料，创造了一种低成本的方法来过滤水中的有毒重金属，使其符合国际饮用水标准。

开发由植物废料制成的重金属过滤器的科学家。（左起）博士生 宋伟龙;阿里·米塞雷斯教授;和南洋理工大学客座教授拉斐尔·梅赞加 。
 

　　该研究由NTU材料科学与工程学院和生物科学学院的Ali Miserez教授以及NTU健康科学与技术系的访问教授Raffaele Mezzenga领导。该团队首先从油籽粕中提取蛋白质，油籽粕是植物油生产过程中留下的富含蛋白质的副产品，并将它们转化为纳米大小的淀粉样纤维，这是由紧密缠绕的蛋白质组成的绳状结构。

　　然后，科学家们用这些原纤维和活性炭制作了一种混合膜。

　　淀粉样纤维就像分子海绵一样，在重金属离子通过膜时将重金属离子捕获在水中，这个过程称为吸附。

　　根据NTU材料科学与工程学院的博士生Soon Wei Long的说法，这是花生和向日葵蛋白的淀粉样纤维首次用于净化水。

　　研究人员发现，该膜可去除高达99.89%的重金属。在测试的三种金属中，过滤器在去除铅和铂方面最有效，其次是铬。

　　研究人员估计，需要16公斤葵花籽蛋白来过滤被十亿分之400（ppb）铅污染的奥运会规模的游泳池。

　　“与传统的过滤方法不同，我们的蛋白质膜是通过绿色和可持续的工艺制造的，几乎不需要电力运行，这使得它们可以在世界各地使用，特别是在欠发达的国家，”Miserez教授说。

　　科学家们目前正在与苏黎世联邦理工学院的欧洲水过滤衍生公司BluAct一起探索其膜的商业应用，并且正在秘鲁，斯里兰卡和印度对过滤器进行试点测试，这些国家的饮用水供应通常面临重金属污染。

　　将花生油和葵花籽油生产的植物废物转化为可以去除水中重金属的膜的过程 。

　　去除砷

　　来自新加坡南洋理工大学和尼泊尔的研究人员建立了一个生物砂过滤系统，可以去除地下水中发现的有毒砷，为尼泊尔的儿童及其社区提供安全的饮用水。该项目得到了Lien环境奖学金（LEF）的支持，这是一个非营利性计划，使来自选定的南亚和东南亚国家的学者和研究人员能够应对本国水污染的挑战。

　　清洁水设施位于尼泊尔地下水中砷含量较高的Newalparasi地区，由三个按降序排列的1，000升水箱组成。沉淀池放置在最高的支架上。在这里，悬浮在水中的颗粒被允许沉淀出来。接下来，将水转移到中间水箱，在那里使用铁钉、砖屑和沙子的组合进行过滤。水中的砷被钉子中的铁吸引并从水中去除。然后将干净的水储存在第三个也是最低的水箱中，用户可以通过水龙头轻松取用。

　　南洋环境与水研究所（NEWRI）执行主任Shane Snyder教授表示，该系统的简单设计使其在不需要专业技术支持的情况下长期维护更具可持续性。NEWRI通过其慈善机构NEWRI社区发展（NEWRIComm）为水设施建设提供了工程和技术支持。

　　此设施预计将使该地区Shree Janta中学的600多名学生和教职员工受益。

　　生物砂过滤系统由三个储罐组成。

　　脱盐膜

　　在像新加坡这样土地稀缺的国家，获得足够的清洁和饮用水也是一个挑战，因为没有足够的空间建造水库来收集和储存水。

　　通过去除海水中的盐分，海水淡化是满足日益增长的饮用水需求的重要工具。它涉及一个称为反渗透的过程，其中使用高压迫使海水通过部分可渗透的膜，将水分子与盐等污染物分离。

　　然而，这个过程需要大量的能量，这些能量是通过燃烧化石燃料产生的。

　　为了提高海水淡化的能源效率，NTU新加坡的NEWRI正在与新加坡国家水务局PUB合作，测试减少海水淡化过程中能源使用的新材料膜。

　　NTU新瑞区膜技术中心主任王荣教授（左）和该中心的研究员赖国成博士拿着一卷水通道蛋白膜和制造膜的机器。

　　领导这项研究的NIWRI新加坡膜技术中心主任王荣教授说：“与用于海水淡化的商用膜相比，这些新膜对水的渗透性提高了40-50%，因此它们需要更少的能量来去除盐分以获得相同数量的纯净饮用水。使用更少的能源有助于减少碳排放，这对于气候变化的担忧非常重要。

　　王教授和她的团队开发了一种称为水通道蛋白的水通道蛋白膜。这些蛋白质使水能够迅速输送到植物和动物细胞中，显然改善了膜对水的渗透性。他们开发的另一种膜使用生物分子，也可以提高其透水性。

　　由于水分子可以更容易地通过这些膜，因此在海水淡化过程中将水泵压入膜所需的能量比传统海水淡化膜低 10%。

　　基于水通道蛋白的膜和用于测试其性能的设备。

　　3D打印膜

　　随着工业化和城市化进程的加快，人们越来越需要在排放之前处理由此产生的废水，并尽量减少其造成的污染。

　　来自新加坡南洋理工大学土木与环境工程学院的孙达伦副教授开发了一种膜，可以比现有膜更快地过滤废水。

　　南洋理工大学新加坡副教授孙达伦（左）和Nanosun联合创始人黄安济

　　该技术已由NTU新加坡分拆公司Nanosun商业化，该公司旨在开发和部署膜解决方案，以解决废水污染的挑战。

　　与使用传统技术制造的传统膜相比，Nanosun的膜是通过3D打印数百万种聚合物纳米纤维制成的。

　　这些纤维，每根比一根头发还细五倍，彼此分层并融合成薄片形成膜。

　　膜的结构增加了其捕获或排斥污染物的表面积，同时允许水分子通过的速度比传统聚合物膜快五倍。

　　与传统膜相比，制造过程的劳动强度也更低，因为它是全自动的，需要的人力减少了30倍。

　　Nanosun已经投标并中标在中国，印度尼西亚，菲律宾，新加坡和泰国部署的项目，用于处理工业和城市废水。迄今为止，该公司估计，自部署其解决方案以来，累计处理了超过1800万吨水。

 

　　利用细菌去除废水中的磷

　　全球变暖导致气温上升，预计将阻碍从废水中去除磷的过程，但NTU研究人员已经找到了一种用细菌来的解决方法。

　　环境中来自未经处理的高含量磷废水会使藻类快速生长。它们会导致水中的氧气耗尽，并可能释放出高含量的毒素，这两者都会杀死鱼类等水生生物。

　　然而，目前在废水排放前去除废水中磷的生物方法在25°C以上的温度下可能无效。

　　新加坡南洋理工大学和新加坡国立大学的新加坡环境生命科学工程中心（SCELSE）科学家使用累积杆菌念珠菌开发了一种在25°C以上温度下工作的废水中去除磷的方法。

　　在废水处理厂中发现的细菌可以从废水中吸收超出生长所需的磷，并将其作为聚磷酸盐颗粒储存在细胞中。

　　SCELSE副中心主任Stefan Wuertz教授与进行细菌和废水实验的生物反应器一起。

　　在实验中，由SCELSE副中心主任NTU教授Stefan Wuertz领导的研究人员在保持中性pH和30-35°C温度的反应器中培养细菌。六个小时后，细菌从废水中去除了大部分磷，这种情况持续了300天。

　　“我们的解决方案不仅可以帮助面向未来的生物磷去除，还可以储存元素，然后将其重新引入农业系统，”来自新加坡南洋理工大学土木与环境工程学院的Wuertz教授说。

　　新加坡国家水务局PUB也参与了这项研究，它将在未来水回收厂的设计中考虑这项研究的结果。