明日の都市はあなたのトイレの水で動く

私たちの頭上にあるサンフランシスコの40階建てのアパートの住人たちは贅沢な暮らしをしているかもしれませんが、実際は私たちと何ら変わりません。シャワーを浴び、手を洗い、洗濯をしています。アメリカでは通常、彼らの排水はすべて処理施設に流され、最終的には水域に放出されます。このようにして、毎日全国で340億ガロン（約1350億リットル）もの排水が処理されています。しかし、猛暑、水不足、急激な人口増加など、都市が抱える複数の問題が重なり合う中、科学者たちは流されてしまう水を有効活用するための巧妙な方法を次々と発見しています。

この地下室では、Epic Cleantecという会社が建物内の雑排水（人間の排泄物や食べ残しを含まない汚水）を集水し、タンクと複雑な配管を通し、精密ろ過と塩素と紫外線による消毒を行っています。その後、処理水は上階のトイレや小便器に再び送られ、汚水から少なくとも一部の「廃棄物」が取り除かれています。

「規制により、水の再利用は飲料水以外の用途に限られています」と、Epic Cleantecの共同創業者兼CEOであるアーロン・タルタコフスキー氏は語る。「科学的に考えれば、飲料水と同等の品質の水を生産できるのです」。実際、同社はこの建物から回収した水を使ってビールを醸造した。（ケルシュという名前にご興味があれば、そちらもどうぞ。）「私たちは廃水――私見では、この言葉は早急にリブランドすべきだと思います――をきれいな水、再生可能エネルギー、そして土壌に変えているのです」とタルタコフスキー氏は言う。

理論上、家庭から排出される使用済み水には、処理施設で処理するのに必要なエネルギーの10倍ものエネルギーが含まれています。また、貴重な栄養素やミネラルも豊富に含まれていると、水道事業者の支援を受けている米国の非営利団体、ウォーター・リサーチ・ファウンデーションのCEO、ピーター・グレヴァット氏は述べています。そこでエピック・クリーンテックは、水のリサイクルに加え、建物の廃水からエネルギーを抽出し、上階に送り返す水を温めることで光熱費を削減できる熱交換器の実験を行っています。同社はまた、住民の汚水（し尿や台所のシンク、食器洗い機から出る食品有機物など）を土壌改良剤に加工するシステムも開発しています。

このアパートの向かいにあるエピック・クリーンテックのオフィスで、タルタコフスキー氏は病原菌を除去する処理が施されたこの堆肥を一掴みした。「触ったり、匂いを嗅いだり、自分が心地よいと思う方法でどうぞ」とタルタコフスキー氏は言う。（私は両方試した。感触も匂いも堆肥そのものだった。）

こうした水の再利用は自治体レベルでもますます進んでおり、最先端の施設では、水を自然に放出するのではなく、循環利用しています。Epic Cleantec社が実現したのは、水再生プラントの機能を高層ビルの地下室に収まるシステムに縮小することで、自治体の下水処理の負担を軽減し、水道供給への圧力を軽減することです。

蛇口をひねる

どのようなシステムであれ、今後数十年で水のリサイクルを大幅に拡大する必要がある。現在、人類の56%が都市部に居住しているが、2050年までにその割合は70%に跳ね上がると予想されている。都市部は大量の水を消費しており、特に人口が豊かになり（したがって無駄遣いも増え）、都市部の産業活動が活発化するにつれて、その傾向は顕著になる。同時に、気候変動によって、米国南西部など、人々が集まる多くの地域が干上がっている。「既に最も深刻な水ストレスに直面している地域を見ると、その多くは最も急速に成長している地域です」とグレヴァット氏は言う。「資源をどのように回収するかを考えることは、極めて重要です。」

最近の研究では、都市の成長がどのように展開していくのかという驚くべきダイナミクスが明らかになりました。温室効果ガスは都市の成長に伴って非線形的に増加します。つまり、人口増加率よりも緩やかな増加率で増加します。これは、公共交通機関などの効率化が一因です。埋め立て地に廃棄される固形廃棄物は線形的に増加します。つまり、人口の変化と足並みを揃えて増加するのです。一方、廃水は超線形的に増加するため、人口増加率よりも速いペースで増加します。

言い換えれば、都市が大きくなるほど、エネルギー利用は効率化されるにもかかわらず、水の無駄遣いは増えるということです。「その理由を解明するのは困難でした」と、この研究の共著者であるニューヨーク大学の産業生態学者ミンジェン・ルーは述べています。「私たちが思いついた最良の説明は、富の創出と強い関連がある可能性があるということです。富の創出自体は都市の規模と非常に比例しています。人間社会として生み出されるお金は、必ず水を消費します。一方で、富が増えれば、より多くの水を、より贅沢に使うようになるという議論もあるかもしれません。」

都市部での水使用量が増加するにつれ、従来通りの廃水処理、つまり環境への排出が続くリスクが高まっています。「未来の社会が考える最も狂気じみた事態の一つは、私たちが廃水を農地に還流させるのではなく、海に捨ててきたことだと思います」と、論文の共著者であるサンタフェ研究所の理論物理生物学者クリス・ケンプス氏は述べています。

廃水から真水を抽出する技術は数十年前から存在している。1981年から水のリサイクルを行っているサンディエゴでは、2つの水再生プラントが合計で毎日2,100万ガロン（年間平均）の水を生産しており、今後数年間でさらに生産能力が増強される予定だ。技術的には、この水は飲料水とはみなされないため、農業や工業に利用される。しかし、2026年には、サンディエゴはさらに高度な浄化技術により、飲料水の供給を開始する。廃水はオゾンで殺菌され、細菌やウイルスが除去された後、フィルターを通過させ、次に基本的に水分子しか通せないほど小さな孔を持つ超微粒子膜を通過させる。最終的には1日あたり3,000万ガロンの水を生産できる規模に増強し、2035年までに市の飲料水の半分をこの方法で供給することを目指している。

このプロセスは費用がかかるものの（水処理施設の建設には多額の費用がかかり、微細な膜に液体を通すには膨大なエネルギーが必要になる）、技術は成熟しつつあり、コストは低下している。「本当に驚くべきことは、水資源が豊富な他の機関や地域からの来訪者がいたことです」と、サンディエゴの公共事業局長、フアン・ゲレイロ氏は語る。「彼らがこうしたプロジェクトを推進したいとは思わないでしょう。しかし、環境管理の観点から、すでに下水処理システムに含まれている水をリサイクルすることは非常に有益であることに気づき始めています」。リサイクルは、例えば河川水の需要を減らすことに貢献し、そこに生息する魚類の保護にもつながる。

汚れ仕事

排水リサイクルにおいて最も難しいのは、施設に蓄積される固形の排泄物、いわゆる汚泥です。米国では、発生する汚泥の56%が土壌に施用され、27%が埋め立て処分され、16%が焼却されています。私たちが口にする食物由来の二酸化炭素に加え、汚泥には私たち（そして企業）が排水溝に流す化学物質が混入しています。

メイン州は2022年、発がん性やホルモン異常に関連する化学物質群であるPFAS汚染のため、汚泥の肥料としての使用を禁止しました。汚泥にはマイクロプラスチックが大量に含まれていることでも知られています。洗濯をすると、何百万本もの合成繊維が剥がれ落ち、下水処理場に流れ込みます。畑に施用された汚泥は、環境を汚染するマイクロプラスチックの主要な発生源であることが判明しています。

グレヴァット氏によると、業界はこれらの汚染物質を分離する方法を研究しており、環境への排出を防ぐと同時に、廃棄物に含まれる炭素と栄養素の潜在能力を安全に引き出すことを目指しているという。「これは非常に困難な課題です」とグレヴァット氏は語る。「廃水処理施設はPFASの生産者ではありませんが、様々な発生源からPFASを受け取っているのです。」

ヘドロに代わる選択肢として、バイオ炭があります。この有機物を専用の容器で加熱する（熱分解と呼ばれるプロセス）と、濃縮炭素に変換されます。スタートアップ企業は、トウモロコシの茎などの農業廃棄物をこの方法で炭や油に変え、地中に埋めています。（これらの植物は成長するにつれて炭素を固定するため、この場合は大気中の炭素を地中に還元することで、実際に除去していることになります。）農家は畑にバイオ炭を散布することで、作物の収穫量を向上させ、土壌に炭素を供給しています。

研究者たちは、同じ技術を廃水固形物に適用する実験を進めており、基本的には汚泥を固形物に変える。「熱分解（熱化学反応、つまり加熱処理）すれば、バクテリア、病原菌、ウイルスを死滅させることができます。はるかにクリーンな方法です」と、コーネル大学で廃水を研究するエンジニア、フェンチー・ユー氏は語る。さらに、汚泥は重くて扱いにくい液体であり、施設から農場へ輸送するには不便だ。「汚泥には大量の水が含まれており、密度は低いです。しかし、バイオ炭は軽く、袋に入れることができるため、輸送が容易です」。そのため、生産者はバイオ炭を遠方の農場へ容易に輸送できるだけでなく、より地元、つまり廃水発生源に近い都市部の農場へも配送できるようになる。

下水処理施設は、無酸素チャンバー内で燃料を生成することもできます。微生物が固形廃棄物を分解し、副産物としてメタン「バイオガス」を放出します。「このバイオガスを燃焼させて熱を発生させることができます」とユー氏は言います。ニューヨーク州イサカでは、このバイオガスで下水処理施設自体の電力を賄うことができますが、ユー氏はバイオガスを使って医療センターなどの近隣の建物を暖房する実験も行っています。天然ガスで建物を暖房すると大気中に二酸化炭素が排出されますが、バイオガスは私たちが食べる作物や下水システムに排出する排泄物から生成されます。下水システムは大気中の二酸化炭素を吸収して成長したため、バイオガスを燃焼させることで炭素循環が形成されます。

これらの微生物はバイオガスを生成する前に、揮発性脂肪酸も生成します。コロラド州立大学で廃水を研究する環境エンジニア、シビル・シャーベル氏は、これらの脂肪酸はジェット燃料、あるいは都市部の車両燃料にさえなり得ると述べています。「こうした揮発性脂肪酸には、様々な価値が秘められています」とシャーベル氏は言います。

エピック・クリーンテックが実験しているように、廃棄物固形物を堆肥として利用するだけでなく、シャーヴェル氏は、作物用に消毒された廃水をリサイクルし、窒素とリンを残しておくことで都市農場に恩恵をもたらす可能性があると指摘する。これらは植物にとって不可欠な栄養素だが、実際には水から除去するのが難しい。「窒素とリンをシステム内に残すことができれば、それらの栄養素を直接利用することで、はるかにエネルギー効率の高い方法になります」とシャーヴェル氏は言う。

総じて言えば、水源から都市、そして海へと至る直線的な水の流れは、曲がり始めています。廃水の未来は循環型であり、飲料水、都市農場の堆肥、そしてエネルギーへと循環されます。トイレの水を再利用して飲むことは、不自然なことではなく、自然が意図した資源の活用と言えるでしょう。「リサイクルは自然界に遍在しています」とケンプス氏は言います。「未開発のエネルギー源や栄養源があれば、誰かがそれを利用する方法を見つけます。肥料を作り、水を浄化し、同時に熱と電気を生み出すことができれば、それは何十億年にもわたる生物の進化の過程を反映しています。」