Благодарим ви, че посетихте Nature.com.Версията на браузъра, която използвате, има ограничена поддръжка на CSS.За най-добро изживяване ви препоръчваме да използвате актуализиран браузър (или да деактивирате режима на съвместимост в Internet Explorer).Междувременно, за да осигурим постоянна поддръжка, ние ще визуализираме сайта без стилове и JavaScript.
Челси Уолд е журналист на свободна практика, базиран в Хага, Холандия, и автор на Daydream: An Urgent Global Quest to Change Toilets.
Специализирани тоалетни системи извличат азот и други хранителни вещества от урината за използване като тор и други продукти.Кредит за изображение: MAK/Georg Mayer/EOOS NEXT
Готланд, най-големият остров на Швеция, има малко прясна вода.В същото време жителите се борят с опасни нива на замърсяване от селското стопанство и канализационните системи, които причиняват вреден цъфтеж на водорасли около Балтийско море.Те могат да убият риба и да разболеят хората.
За да помогне за решаването на тази поредица от екологични проблеми, островът възлага надеждите си на едно малко вероятно вещество, което ги свързва: човешката урина.
От 2021 г. изследователският екип започва да работи с местна компания, която дава под наем преносими тоалетни.Целта е да се съберат повече от 70 000 литра урина за период от 3 години в безводни писоари и специални тоалетни на различни места през летния туристически сезон.Екипът дойде от Шведския университет за селскостопански науки (SLU) в Упсала, който отдели компания, наречена Sanitation360.Използвайки процес, разработен от изследователите, те изсушиха урината на парчета, подобни на бетон, които след това смилаха на прах и пресоваха в гранули за тор, които пасват на стандартното земеделско оборудване.Местните фермери използват тора за отглеждане на ечемик, който след това се изпраща в пивоварни за производство на бира, която може да се върне обратно в цикъла след консумация.
Притви Симха, химически инженер в SLU и технически директор на Sanitation360, каза, че целта на изследователите е да „надминат концепцията и да приложат на практика“ повторното използване на урина в голям мащаб.Целта е да се осигури модел, който може да бъде емулиран по целия свят.„Нашата цел е всеки, навсякъде, да прави това упражнение.“
В експеримент в Готланд, оплоден с урина ечемик (вдясно) е сравнен с неоплодени растения (в центъра) и с минерални торове (вляво).Кредит на изображението: Джена Сенекал.
Проектът Gotland е част от подобно световно усилие за отделяне на урината от другите отпадъчни води и рециклирането й в продукти като тор.Практиката, известна като отклоняване на урина, се изучава от групи в Съединените щати, Австралия, Швейцария, Етиопия и Южна Африка, наред с други.Тези усилия далеч надхвърлят университетските лаборатории.Безводните писоари са свързани със системи за изхвърляне на мазета в офиси в Орегон и Холандия.Париж планира да инсталира тоалетни за отклоняване на урина в екозона с 1000 жители, която се изгражда в 14-ти район на града.Европейската космическа агенция ще постави 80 тоалетни в централата си в Париж, която ще започне работа по-късно тази година.Поддръжниците на отклоняването на урина казват, че може да намери приложение на места, вариращи от импровизирани военни постове до бежански лагери, богати градски центрове и разпръснати бедни квартали.
Учените казват, че отклоняването на урината, ако се използва в голям мащаб по света, може да донесе огромни ползи за околната среда и общественото здраве.Това отчасти се дължи на факта, че урината е богата на хранителни вещества, които не замърсяват водните тела и могат да се използват за наторяване на култури или в промишлени процеси.Симха изчислява, че хората произвеждат достатъчно урина, за да заменят около една четвърт от сегашните азотни и фосфатни торове в света;съдържа също калий и много микроелементи (вижте „Съставки в урината”).Най-хубавото е, че като не изхвърляте урината в канализацията, вие спестявате много вода и намалявате тежестта върху застаряващата и претоварена канализационна система.
Според експерти в областта, много компоненти за отклоняване на урина може скоро да станат широко достъпни благодарение на напредъка в тоалетните и стратегиите за изхвърляне на урина.Но има и големи пречки пред фундаменталната промяна в един от най-фундаменталните аспекти на живота.Изследователите и компаниите трябва да се справят с безброй предизвикателства, от подобряване на дизайна на тоалетни, отклоняващи урината, до улесняване на обработката на урината и превръщането й в ценни продукти.Това може да включва системи за химическо третиране, свързани с индивидуални тоалетни или сутеренно оборудване, обслужващи цялата сграда и предоставящи услуги за възстановяване и поддръжка на получения концентриран или втвърден продукт (вижте „От урина до продукт“).Освен това съществуват по-широки проблеми на социалната промяна и приемане, свързани както с различната степен на културни табута, свързани с човешките отпадъци, така и с дълбоко вкоренени конвенции относно индустриалните отпадъчни води и хранителните системи.
Докато обществото се бори с недостига на енергия, вода и суровини за селското стопанство и промишлеността, отклоняването и повторната употреба на урината е „голямо предизвикателство пред това как осигуряваме канализация“, казва биологът Лин Бродус, базиран в Минеаполис консултант по устойчивост..„Жанр, който ще става все по-важен.Минесота, той е бивш президент на Водната федерация на Александрия, Вирджиния, световна асоциация на професионалисти по качеството на водата.„Това всъщност е нещо ценно.“
Някога урината е била ценна стока.В миналото някои общества са го използвали за наторяване на култури, производство на кожа, пране на дрехи и производство на барут.След това, в края на 19-ти и началото на 20-ти век, модерният модел на централизирано управление на отпадъчните води възниква във Великобритания и се разпространява в целия свят, кулминирайки в така наречената уринарна слепота.
В този модел тоалетните използват вода за бързо източване на урина, изпражнения и тоалетна хартия в канализацията, смесени с други течности от битови, промишлени източници и понякога дъждовни канали.В централизираните пречиствателни станции за отпадъчни води енергоемките процеси използват микроорганизми за пречистване на отпадъчни води.
В зависимост от местните правила и условия на пречиствателната станция, отпадъчните води, изхвърлени от този процес, все още могат да съдържат значителни количества азот и други хранителни вещества, както и някои други замърсители.57% от световното население изобщо не е свързано към централизирана канализационна система (виж „Човешка канализация“).
Учените работят, за да направят централизираните системи по-устойчиви и по-малко замърсяващи, но като се започне от Швеция през 90-те години, някои изследователи настояват за по-фундаментални промени.Напредъкът в края на тръбопровода е „просто още една еволюция на същото проклето нещо“, каза Нанси Лав, инженер по околна среда в Университета на Мичиган в Ан Арбър.Отклоняването на урината ще бъде „трансформиращо“, казва тя.В проучване 1, което симулира системи за управление на отпадъчни води в три американски щата, тя и нейните колеги сравняват конвенционалните системи за пречистване на отпадъчни води с хипотетични системи за пречистване на отпадъчни води, които отклоняват урината и използват възстановени хранителни вещества вместо синтетични торове.Те изчисляват, че общностите, използващи отклоняване на урината, могат да намалят общите емисии на парникови газове с 47%, потреблението на енергия с 41%, потреблението на прясна вода с около половината и замърсяването на отпадъчните води с хранителни вещества с 64%.използвана технология.
Концепцията обаче остава нишова и до голяма степен ограничена до автономни райони като скандинавски еко-селища, селски стопански постройки и разработки в райони с ниски доходи.
Туве Ларсен, инженер-химик в Швейцарския федерален институт за водни науки и технологии (Eawag) в Дюбендорф, казва, че голяма част от изоставането се дължи на самите тоалетни.Представени за първи път на пазара през 90-те и 2000-те години, повечето тоалетни с отклоняване на урината имат малък леген пред тях за събиране на течността, настройка, която изисква внимателно насочване.Други дизайни включват задвижвани с крак транспортни ленти, които позволяват на урината да се оттича, докато оборският тор се транспортира до контейнера за компост, или сензори, които управляват клапани за насочване на урината към отделен изход.
Прототип на тоалетна, който разделя урината и я изсушава на прах, се тества в централата на шведската водопроводна и канализационна компания VA SYD в Малмьо.Кредит за изображение: EOOS NEXT
Но в експериментални и демонстрационни проекти в Европа хората не са прегърнали използването им, каза Ларсен, оплаквайки се, че са твърде обемисти, миризливи и ненадеждни.„Наистина бяхме отблъснати от темата за тоалетните.“
Тези опасения преследваха първото широкомащабно използване на тоалетни с отклоняване на урина, проект в южноафриканския град Етеквини през 2000-те години.Антъни Одили, който изучава здравен мениджмънт в Университета на Квазулу-Натал в Дърбан, каза, че внезапното разширяване на границите на града след апартейда е довело до това властите да превземат някои бедни селски райони без тоалетна и водна инфраструктура.
След епидемията от холера през август 2000 г. властите бързо разположиха няколко санитарни съоръжения, които отговаряха на финансови и практически ограничения, включително около 80 000 сухи тоалетни с отделяне на урина, повечето от които се използват и днес.Урината се оттича в почвата изпод тоалетната, а изпражненията се озовават в склад, който градът изпразва на всеки пет години от 2016 г.
Одили каза, че проектът е създал по-безопасни санитарни съоръжения в района.Социалните научни изследвания обаче идентифицираха много проблеми с програмата.Въпреки идеята, че тоалетните са по-добри от нищо, проучвания, включително някои от проучванията, в които той участва, по-късно показаха, че потребителите като цяло не ги харесват, каза Одили.Много от тях са изградени с некачествени материали и са неудобни за използване.Докато такива тоалетни теоретично трябва да предотвратяват миризмите, урината в тоалетните на eThekwini често се озовава в хранилището за фекалии, създавайки ужасна миризма.Според Одили хората „не можеха да дишат нормално“.Освен това урината практически не се използва.
В крайна сметка, според Одили, решението за въвеждане на сухи тоалетни с отклоняване на урината е взето отгоре надолу и не е взело предвид предпочитанията на хората, главно от съображения за обществено здраве.Проучване от 2017 г.3 установи, че повече от 95% от респондентите на eThekwini искат достъп до удобните тоалетни без мирис, използвани от богатите бели жители на града, и много планират да ги инсталират, когато условията позволяват.В Южна Африка тоалетните отдавна са символ на расово неравенство.
Въпреки това, новият дизайн може да бъде пробив в отклоняването на урина.През 2017 г., водена от дизайнера Harald Grundl, в сътрудничество с Larsen и други, австрийската дизайнерска фирма EOOS (отделена от EOOS Next) пусна капан за урина.Това елиминира необходимостта потребителят да се прицелва, а функцията за отклоняване на урина е почти невидима (вижте „Нов вид тоалетна“).
Той използва склонността на водата да полепва по повърхностите (наричан ефект на чайника, защото действа като неудобен капещ чайник), за да насочи урината от предната част на тоалетната в отделен отвор (вижте „Как да рециклирате урина“). Разработен с финансиране от фондацията на Бил и Мелинда Гейтс в Сиатъл, Вашингтон, която подкрепи широка гама от изследвания в иновациите в тоалетните за среда с ниски доходи, капанът за урина може да бъде включен във всичко - от керамични модели на пиедестал от висок клас до пластмасови клекове тигани. Разработен с финансиране от фондацията на Бил и Мелинда Гейтс в Сиатъл, Вашингтон, която подкрепи широка гама от изследвания в иновациите в тоалетните за среда с ниски доходи, капанът за урина може да бъде включен във всичко - от керамични модели на пиедестал от висок клас до пластмасови клекове тигани. Разработен с финансиране от фондацията на Бил и Мелинда Гейтс в Сиатъл, Вашингтон, която подкрепи широка гама от изследвания за иновации в тоалетни с ниски доходи, капанът за урина може да бъде вграден във всичко - от модели с керамични пиедестали до пластмасови клекове.саксии. Разработен с финансиране от фондацията на Бил и Мелинда Гейтс в Сиатъл, Вашингтон, която подкрепя задълбочени изследвания в иновациите в тоалетните за хора с ниски доходи, колекторът за урина може да бъде вграден във всичко - от модели от висок клас на керамична основа до пластмасови тави за клекове.Швейцарският производител LAUFEN вече пуска продукт, наречен “Save!”за европейския пазар, въпреки че цената му е твърде висока за много потребители.
Университетът на Квазулу-Натал и Градският съвет на eThekwini също тестват версии на тоалетни с капан за урина, които могат да отклоняват урината и да изхвърлят прахови частици.Този път проучването се фокусира повече върху потребителите.Оди е оптимист, че хората ще предпочетат новите тоалетни за отклоняване на урината, защото миришат по-добре и са по-лесни за използване, но отбелязва, че мъжете трябва да седнат, за да уринират, което е огромна културна промяна.Но ако тоалетните „се приемат и приемат и от квартали с високи доходи – от хора от различни етнически произход – това наистина ще помогне за разпространението“, каза той.„Винаги трябва да имаме расова гледна точка“, добави той, за да сме сигурни, че няма да развият нещо, което се разглежда като „само чернокожи“ или „само бедни“.
Отделянето на урина е само първата стъпка в трансформирането на канализацията.Следващата част е да разберете какво да направите по въпроса.В селските райони хората могат да го съхраняват в вани, за да унищожат всякакви патогени и след това да го прилагат върху земеделските земи.Световната здравна организация дава препоръки за тази практика.
Но градската среда е по-сложна – там се произвежда по-голямата част от урината.Не би било практично да се изградят няколко отделни канализация в целия град, за да се доставя урина на централно място.И тъй като урината е около 95 процента вода, тя е твърде скъпа за съхранение и транспортиране.Ето защо изследователите се фокусират върху изсушаването, концентрирането или извличането по друг начин на хранителни вещества от урината на нивото на тоалетна или сграда, оставяйки вода след себе си.
Няма да е лесно, каза Ларсън.От инженерна гледна точка „пикнята е лошо решение“, каза тя.В допълнение към водата, по-голямата част е урея, богато на азот съединение, което тялото произвежда като страничен продукт от протеиновия метаболизъм.Уреята е полезна сама по себе си: синтетичната версия е обикновен азотен тор (вижте Изисквания за азот).Но също така е сложно: когато се комбинира с вода, уреята се превръща в амоняк, който придава на урината характерната миризма.Ако не е включен, амонякът може да мирише, да замърсява въздуха и да отнема ценен азот.Катализирана от повсеместния ензим уреаза, тази реакция, наречена хидролиза на урея, може да отнеме няколко микросекунди, което прави уреазата един от най-ефективните известни ензими.
Някои методи позволяват хидролизата да продължи.Изследователите на Eawag са разработили усъвършенстван процес, който превръща хидролизираната урина в концентриран хранителен разтвор.Първо, в аквариума микроорганизмите превръщат летливия амоняк в нелетлив амониев нитрат, обичаен тор.След това дестилаторът концентрира течността.Дъщерно дружество, наречено Vuna, също базирано в Дюбендорф, работи за комерсиализиране на система за сгради и продукт, наречен Aurin, който е одобрен в Швейцария за хранителни растения за първи път в света.
Други се опитват да спрат реакцията на хидролиза чрез бързо повишаване или понижаване на pH на урината, което обикновено е неутрално, когато се отделя.В кампуса на Мичиганския университет, Love си партнира с нестопанската организация Earth Abundance Institute в Братълборо, Върмонт, за да разработи система за сгради, която премахва течната лимонена киселина от отклоняващите се тоалетни и безводните тоалетни.Водата изригва от писоарите.След това урината се концентрира чрез многократно замразяване и размразяване5.
Екип на SLU, ръководен от инженера по околна среда Bjorn Winneros на остров Готланд, разработи начин за изсушаване на урината в твърда урея, смесена с други хранителни вещества.Екипът оценява най-новия си прототип, свободностояща тоалетна с вградена сушилня, в централата на шведската компания за вода и канализация VA SYD в Малмьо.
Други методи са насочени към отделните хранителни вещества в урината.Те биха могли да бъдат по-лесно интегрирани в съществуващите вериги за доставки на торове и промишлени химикали, казва инженер-химикът Уилям Тарпех, бивш постдокторант в Love's, който сега е в Станфордския университет в Калифорния.
Често срещан метод за възстановяване на фосфор от хидролизирана урина е добавянето на магнезий, което причинява утаяване на тор, наречен струвит.Tarpeh експериментира с гранули от адсорбиращ материал, който може селективно да отстранява азот като амоняк6 или фосфор като фосфат.Неговата система използва различна течност, наречена регенерант, която протича през балоните, след като те се изчерпят.Регенерантът поема хранителните вещества и подновява топките за следващия кръг.Това е нискотехнологичен, пасивен метод, но търговските регенерати са лоши за околната среда.Сега екипът му се опитва да направи по-евтини и по-екологични продукти (вижте „Замърсяването на бъдещето“).
Други изследователи разработват начини за генериране на електричество чрез поставяне на урина в микробни горивни клетки.В Кейптаун, Южна Африка, друг екип е разработил метод за правене на нетрадиционни строителни тухли чрез смесване на урина, пясък и бактерии, произвеждащи уреаза, в калъп.Те се калцират във всякаква форма без изпичане.Европейската космическа агенция разглежда урината на астронавтите като ресурс за изграждане на жилища на Луната.
„Когато мисля за широкото бъдеще на рециклирането на урина и рециклирането на отпадъчни води, ние искаме да можем да произвеждаме възможно най-много продукти“, каза Тарпе.
Тъй като изследователите преследват набор от идеи за комодифициране на урината, те знаят, че това е трудна битка, особено за една утвърдена индустрия.Компаниите за торове и храни, фермерите, производителите на тоалетни и регулаторите се забавиха да направят значителни промени в своите практики.„Тук има много инерция“, каза Симча.
Например в Калифорнийския университет, Бъркли, изследователската и образователна инсталация на LAUFEN save!Това включва разходи за архитекти, строителство и спазване на общинските разпоредби - и това все още не е направено, каза Кевин Она, инженер по околна среда, който сега работи в университета на Западна Вирджиния в Моргантаун.Той каза, че липсата на съществуващи кодекси и наредби създава проблеми за управлението на съоръженията, така че той се присъедини към групата, която разработва нови кодекси.
Част от инерцията може да се дължи на страх от съпротива на купувачите, но проучване от 2021 г. сред хора в 16 държави7 установи, че на места като Франция, Китай и Уганда желанието да се консумира храна, обогатена с урина, е близо 80% (вижте Ще ядат ли хората то?').
Пам Елардо, която ръководи Администрацията за отпадъчни води като заместник-администратор на Агенцията за опазване на околната среда на Ню Йорк, каза, че подкрепя иновации като отклоняване на урина, тъй като ключовите цели на нейната компания са допълнително намаляване на замърсяването и рециклиране на ресурсите.Тя очаква, че за град като Ню Йорк най-практичният и рентабилен метод за отклоняване на урина ще бъдат системите извън мрежата в модернизирани или нови сгради, допълнени от операции по поддръжка и събиране.Ако иноваторите могат да решат проблем, „те трябва да работят“, каза тя.
Като се има предвид този напредък, Ларсен прогнозира, че масовото производство и автоматизирането на технологията за отклоняване на урина може да не е далече.Това ще подобри бизнес случая за този преход към управление на отпадъците.Отклоняването на урината „е правилната техника“, каза тя.„Това е единствената технология, която може да реши проблемите с домашното хранене за разумен период от време.Но хората трябва да вземат решение.”
Hilton, SP, Keoleian, GA, Daigger, GT, Zhou, B. & Love, NG Environ. Hilton, SP, Keoleian, GA, Daigger, GT, Zhou, B. & Love, NG Environ.Хилтън, SP, Keoleyan, GA, Digger, GT, Zhou, B. и Love, NG Environ. Hilton, SP, Keoleian, GA, Daigger, GT, Zhou, B. & Love, NG Environ. Hilton, SP, Keoleian, GA, Daigger, GT, Zhou, B. & Love, NG Environ.Хилтън, SP, Keoleyan, GA, Digger, GT, Zhou, B. и Love, NG Environ.науката.технология.55, 593–603 (2021).
Sutherland, K. et al.Изпразващи впечатления от отклоняваща тоалетна.Фаза 2: Пускане на план за валидиране на UDDT на град eThekwini (Университет на Квазулу-Натал, 2018 г.).
Mkhize, N., Taylor, M., Udert, KM, Gounden, TG & Buckley, CAJ Water Sanit. Mkhize, N., Taylor, M., Udert, KM, Gounden, TG & Buckley, CAJ Water Sanit.Mkhize N, Taylor M, Udert KM, Gounden TG.и Бъкли, CAJ Water Sanit. Mkhize, N., Taylor, M., Udert, KM, Gounden, TG & Buckley, CAJ Water Sanit。 Mkhize, N., Taylor, M., Udert, KM, Gounden, TG & Buckley, CAJ Water Sanit.Mkhize N, Taylor M, Udert KM, Gounden TG.и Бъкли, CAJ Water Sanit.Управление на обмена 7, 111–120 (2017).
Mazzei, L., Cianci, M., Benini, S. & Ciurli, S. Angew. Mazzei, L., Cianci, M., Benini, S. & Ciurli, S. Angew. Mazzei, L., Cianci, M., Benini, S. & Churli, S. Angue. Mazzei, L., Cianci, M., Benini, S. & Ciurli, S. Angew. Mazzei, L., Cianci, M., Benini, S. & Ciurli, S. Angew. Mazzei, L., Cianci, M., Benini, S. & Churli, S. Angue.химически.Международен райски английски.58, 7415–7419 (2019).
Noe-Hays, A., Homeyer, RJ, Davis, AP & Love, NG ACS EST Engg. Noe-Hays, A., Homeyer, RJ, Davis, AP & Love, NG ACS EST Engg. Noe-Hays, A., Homeyer, RJ, Davis, AP & Love, NG ACS EST Engg. Noe-Hays, A., Homeyer, RJ, Davis, AP & Love, NG ACS EST Engg. Noe-Hays, A., Homeyer, RJ, Davis, AP & Love, NG ACS EST Engg。 Noe-Hays, A., Homeyer, RJ, Davis, AP & Love, NG ACS EST Engg. Noe-Hays, A., Homeyer, RJ, Davis, AP & Love, NG ACS EST Engg. Noe-Hays, A., Homeyer, RJ, Davis, AP & Love, NG ACS EST Engg.https://doi.org/10.1021/access.1c00271 (2021 г.).