世界では毎年、数千億立方メートルという膨大な量の排水が発生していますが、処理されているのは約半分にすぎません。
水ストレス、エネルギー需要の増加、肥料への依存、インフラの老朽化により、現在の排水処理における直線的なアプローチは正当化が難しくなっています。
新たな科学的アプローチがこの状況を変える一助となるかもしれません。微生物を活用して排水を処理しながら、エネルギー、栄養素、その他の資源を回収するものです。
世界では毎年、約3億5900万立方メートルの排水が発生しています。これはレマン湖を4回満たせる量にほぼ相当しますが、処理されているのは約半分にすぎません。
処理システムが導入されている場合でも、多くのシステムは依然として、排水を集め、汚染物質を除去し、処理水を放流し、エネルギーコストを負担するという、直線的でエネルギー集約型のモデルを前提に設計されています。
この直線的モデルは、公衆衛生と環境衛生の大きな改善をもたらしてきましたが、一方で排水インフラを、廃棄物の流れに内在する価値を見落とす、高コストな論理に縛りつけてもきました。
水ストレス、エネルギー需要の増加、肥料への依存、インフラの老朽化により、直線的なアプローチは正当化がますます難しくなっています。こうした背景において、排水は処分すべき問題というより、見過ごされた機会として捉えられ始めています。
排水に流れ去る三つの資源
排水には、通常は別々に管理される三つの資源の流れが含まれています。エネルギー、栄養素、そして水そのものです。
世界の1年分の排水に含まれる有機物には、化学エネルギーとして80万ギガワット時を超えるが含まれています。これは米国の年間総発電量のおよそ5分の1に相当し、有機物が分解される際に放出されます。
排水には、窒素やリンも大量に含まれています。これら二つの栄養素は現代農業に欠かせないものであり、多くの場合、エネルギー集約型または有限の供給網を通じて生産されています。
さらに水そのものもあります。処理後の再生水は、灌漑、景観整備、工業用冷却、地下水涵養に再利用できるほか、さらに高度な処理を施せば飲用にも利用可能です。
ここで新たな問いが浮かび上がります。長らく主に処分を目的として管理されてきた排水の流れから、排水処理はどれほどの価値を回収できるのでしょうか。処分から回収への転換は、排水システムの設計と資金調達の在り方を大きく変える可能性があります。
微生物が価値を回収する仕組み
私たちが最近発表した『Frontiers in Science』の論文では、排水からエネルギーや資源を回収する新たなアプローチの一つとして、微生物電気化学技術（METs）を検討しています。METsでは、電気化学的に活性な微生物が、排水中の有機物を分解する際に電極へ電子を受け渡します。これにより、分解時に放出されるエネルギーを捕捉し、活用することが可能になります。
構成によっては、METsは電力を生み出すことも、直接の電力よりも貯蔵可能な燃料の方が価値が高い場合に水素やメタンを製造することも、作物生産に重要な栄養素を回収することもできます。
METsは、循環型インフラ、水の強靭性、産業効率、資源安全保障の交差点に位置しています。その意義は、排水処理をより多機能なシステムへと転換させる点にあります。
統合こそが近い将来の最善の目標
事業者が、従来型の処理施設と完全に実験的な施設のどちらかを選ぶ場面はまれです。多くの場合、事業者は特定の課題の解決を目指しています。たとえば、高濃度の産業排水、エネルギーコストの上昇、栄養素除去の要件、オフグリッドの衛生設備、あるいはモニタリングの不備などです。
微生物燃料電池が公益事業規模で主要な発電源になる可能性は低いと考えられます。そのため、METsは既存の処理システムを対象とした的を絞った改善策として、独立した代替技術としてではなく、近い将来においてはるかに魅力的なものとなります。
METsは、排水がまだ比較的高濃度である場所、たとえば処理工程の初期段階や、汚泥処理・嫌気性消化に関連する副流において、最も適しています。こうした位置では、流れの中のエネルギーや栄養素の一部を回収でき、下流工程の負荷を軽減するとともに、排水管理全体の循環性を高めることができます。
有望な活用事例
METsの最も強力な初期の機会は、従来型の処理が高コストであったり、拡張が難しかったり、地域のニーズに合わなかったりする状況で生まれつつあります。特に、高濃度の産業排水、分散型の衛生環境、モニタリングや回収の用途においてです。特に有望な例は次のとおりです。
農業および食品加工の廃棄物流。排水が高濃度であるため、資源回収の魅力が高まり、処理コストも無視しにくくなっています。
グラストンベリーや、ウガンダ、ケニア、南アフリカでの現地試験において、トイレの照明に電力を供給してきたような分散型衛生システム。
排水処理、栄養素回収、植物の生育を同一の設備内で組み合わせる水耕栽培システム。
微生物の電気信号を利用して水質や処理性能を監視する、自己給電型のバイオセンサー。
排水からの資源回収を拡大する際の課題
実験室から実際の排水処理へと移行することは、依然として大きな技術的障壁です。
変動が大きく、汚染されており、予測の難しい流れを扱い始めると、性能はしばしば低下します。小規模では良好に機能する反応器も、内部抵抗が増加し、電極や分離膜などの部品が時間とともに汚れることで、連続運転の効率が低下し、コストが高くなる場合があります。
したがって、実際の運転条件下でも持続的な性能を発揮できる材料と反応器設計に、進展がかかっています。
制度上の障壁は、さらに克服が難しいかもしれません。
排水システムは、汚染物質の除去に重点を置いた直線的モデルのために構築された規制、調達ルール、減価償却の周期、性能指標によって統治されており、二次的な価値の流れを生み出すシステムを想定していません。
多くの国では、回収された製品は依然として法的なグレーゾーンに置かれています。たとえば、尿由来の肥料は、化学的に問題がない場合でも、大規模な利用を複雑にする制約を受ける可能性があります。
資金調達においても同様の摩擦が生じています。公益事業者や資金提供者は、費用と便益が確立されている既存の処理設備に投資しやすい傾向があります。一方、回収された資源の価値は、事業評価においては定量化が難しいことが多いのです。
より循環型の排水経済を実現するには、技術的な検証だけでは不十分です。汚染物質の除去だけでなく、回収を前提とした規制の枠組み、指標、ビジネスモデルが必要となるでしょう。
コンプライアンスから循環性へ
排水処理はこれまで、放流前に流れから何を除去しなければならないかによって定義されてきました。より野心的なモデルでは、何を回収できるのか、そしてその回収が衛生システムを強化し、エネルギー需要を抑え、肥料への依存を減らし、より強靭なインフラを生み出すことにどうつながるのかを問います。
この転換は重要です。特に、約34億人が依然として安全に管理された衛生設備を利用できず、その多くは従来型の処理を拡張することが難しい地域に暮らしている世界においては、なおさらです。
METsは、排水インフラに新たな論理をもたらします。進展は緩やかである可能性が高いものの、これらの技術は、都市、公益事業者、産業界が排水そのものを見る視点を変えうるものです。管理すべき負担としてではなく、目に見えるところに隠れている、見過ごされてきた資産の流れとしてです。
