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 непрекъсната поддръжка, ще рендираме сайта без стилове и JavaScript.
Челси Уолд е журналист на свободна практика, живеещ в Хага, Нидерландия, и автор на „Мечта: Спешно глобално търсене на тоалетни“.
Специализирани тоалетни системи извличат азот и други хранителни вещества от урината, за да ги използват като тор и други продукти. Снимка: 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 вредно цъфтене на водорасли около Балтийско море. Те могат да убият риби и да разболеят хората.
За да помогне за решаването на тази поредица от екологични проблеми, островът възлага надеждите си на едно необичайно вещество, което ги свързва: човешката урина.
От 2021 г. изследователският екип започва да работи с местна компания, която отдава под наем преносими тоалетни. Целта е да се съберат над 70 000 литра урина за период от 3 години в безводни писоари и специални тоалетни на множество места по време на летния туристически сезон. Екипът е от Шведския университет по селскостопански науки (SLU) в Упсала, който е отделил компания, наречена Sanitation360. Използвайки разработен от изследователите процес, те изсушават урината на бетоноподобни парчета, които след това смилат на прах и пресоват в торови гранули, подходящи за стандартно селскостопанско оборудване. Местните фермери използват тора, за да отглеждат ечемик, който след това се изпраща в пивоварни за производство на ейл, който може да се върне в цикъла след консумация.
Притхви Симха, химически инженер в SLU и главен технически директор на Sanitation360, каза, че целта на изследователите е „да надхвърлят концепцията и да приложат на практика“ повторното използване на урина в голям мащаб. Целта е да се предостави модел, който може да бъде подражаван по целия свят. „Нашата цел е всички, навсякъде, да направят това упражнение.“
В експеримент в Готланд, ечемик, наторен с урина (вдясно), е сравнен с неторени растения (в центъра) и с минерални торове (вляво). Снимка: Джена Сенекал.
Проектът „Готланд“ е част от подобни световни усилия за отделяне на урината от други отпадъчни води и рециклирането ѝ в продукти като торове. Практиката, известна като отклоняване на урината, 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 отвеждане на отпадъци в мазета в офиси в Орегон и Холандия. Париж планира да инсталира тоалетни с отклоняване на урината в екозона с 1000 жители, която се изгражда в 14-ти район на града. Европейската космическа агенция ще разположи 80 тоалетни в централата си в Париж, която ще започне да функционира по-късно тази година. Поддръжниците на отклоняването на урината казват, че то би могло да намери приложение на места, вариращи от импровизирани военни постове до бежански лагери, богати градски центрове и разрастващи се бедняшки квартали.
Учените казват, че отклоняването на урината, ако бъде внедрено в голям мащаб по целия свят, би могло да донесе огромни ползи за околната среда и общественото здраве. Това е отчасти защото урината е богата на хранителни вещества, които не замърсяват водните басейни и могат да се използват за торене на култури или в промишлени процеси. Симха изчислява, че хората произвеждат достатъчно урина, за да заменят около една четвърт от настоящите азотни и фосфатни торове в света; тя съдържа също калий и много микроелементи (вижте „Съставки в урината“). Най-хубавото е, че като не изхвърляте урината в канализацията, спестявате много вода и намалявате натоварването на стареещата 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 обезвреждане на урина. Но съществуват 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 тоалетните за отклоняване на урина до улесняване на обработката на урината и превръщането ѝ в ценни продукти. Това може да включва системи за химическа обработка, свързани с отделни тоалетни, или оборудване в мазето, обслужващо цялата сграда и предоставящо услуги за възстановяване и поддръжка на получения концентриран или втвърден продукт (вижте „От урина до продукт“). Освен това съществуват по-широки въпроси, свързани със социалната промяна и приемането, свързани както с различната степен на културни табута, свързани с човешките отпадъци, така и с дълбоко вкоренени конвенции относно промишлените отпадъчни води и хранителните системи.
Тъй като обществото се бори с недостиг на енергия, вода и суровини за селското стопанство и промишлеността, отклоняването на урината и повторната ѝ употреба са „основно предизвикателство пред начина, по който осигуряваме санитария“, казва биологът Лин Броудъс, консултант по устойчиво развитие, базиран в Минеаполис. „Жанр, който ще става все по-важен. В Минесота той беше бивш президент на Водната федерация на Александрия, Вирджиния, световна асоциация на специалисти по качеството на водата. „Това всъщност е нещо ценно.“
Някога урината е била ценна стока. В миналото някои общества са я използвали за торене на култури, производство на кожи, пране на дрехи и производство на барут. След това, в края на 19-ти и началото на 20-ти век, във Великобритания възниква съвременният модел на централизирано управление на отпадъчните води, който се разпространява по целия свят, достигайки кулминацията си в така наречената уринарна слепота.
В този модел тоалетните използват вода за бързо оттичане на урина, изпражнения и тоалетна хартия в канала, смесени с други течности от битови, промишлени източници и понякога от канализацията. В централизираните пречиствателни станции за отпадъчни води енергоемките процеси използват микроорганизми за пречистване на отпадъчните води.
В зависимост от местните правила и условията на пречиствателната станция, отпадъчните води, изпускани 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 с централизирана канализационна система (вижте „Човешки отпадъчни води“).
Учените работят, за да направят централизираните системи по-устойчиви и по-малко замърсяващи, но започвайки с Швеция през 90-те години на миналия век, 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 Мичиганския университет в Ан Арбър. Отклоняването на урината ще бъде „трансформиращо“, казва тя. В Проучване 1, което симулира системи за управление на отпадъчните води в три щата на САЩ, 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 наполовина и замърсяването с хранителни вещества на отпадъчните води с 64%.
Концепцията обаче остава нишова и до голяма степен ограничена до автономни райони като скандинавски екоселища, селски стопански постройки и жилищни комплекси в райони с ниски доходи.
Тове 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. Поставени за първи път на пазара през 90-те и 2000-те години, повечето тоалетни с разпределение на урината имат малък басейн пред тях за събиране на течността – настройка, която изисква внимателно насочване. Други конструкции включват конвейерни ленти с крачно управление, които позволяват на урината да се отцежда, докато оборският тор се транспортира до контейнера за компост, или сензори, които управляват клапани, за да насочват урината към отделен изход.
Прототип на тоалетна, която отделя урината и я изсушава на прах, се тества в централата на шведската компания за водоснабдяване и канализация VA SYD в Малмьо. Снимка: EOOS NEXT
Но в експериментални и демонстрационни проекти в Европа хората не са се възползвали от употребата им, каза Ларсен, оплаквайки се, че са твърде обемисти, миризливи и ненадеждни. „Темата за тоалетните наистина ни отблъсна.“
Тези опасения преследваха първото мащабно използване на тоалетни с отклоняване на урина, проект в южноафриканския град Етеквини през 2000-те години. Антъни Одили, който изучава здравен мениджмънт в университета 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 водоснабдителна инфраструктура.
След избухването на холерата през август 2000 г. властите бързо разположиха няколко санитарни съоръжения, които отговаряха на финансови и практически ограничения, включително около 80 000 сухи тоалетни с отклоняване на урина, повечето от които все още се използват днес. Урината се оттича в почвата изпод тоалетната, а фекалиите попадат в склад, който градът изпразва на всеки пет години от 2016 г. насам.
Одили каза, че проектът е създал по-безопасни санитарни съоръжения в района. Изследвания в областта на социалните науки обаче са идентифицирали много проблеми с програмата. Въпреки схващането, че тоалетните са по-добри от нищо, проучвания, включително някои от проучванията, в които той е участвал, по-късно показват, че потребителите като цяло не ги харесват, каза Одили. Много от тях са построени с нискокачествени материали и са неудобни за използване. Въпреки че подобни тоалетни теоретично би трябвало да предотвратяват миризми, урината в тоалетните на eThekwini често попада в контейнера за фекалии, създавайки ужасна миризма. Според Одили хората „не са могли 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 било взето отгоре надолу и не е отчитало предпочитанията на хората, главно по причини, свързани с общественото здраве. Проучване от 2017 г.3 установи, че повече от 95% от анкетираните на eThekwini искат достъп до удобните тоалетни без мирис, използвани от богатите бели жители на града, и много от тях планират да ги инсталират, когато условията го позволяват. В Южна Африка тоалетните отдавна са символ на расово неравенство.
Новият дизайн обаче може да бъде пробив в отклоняването на урината. През 2017 г., ръководена от дизайнера Харалд Грундл, в сътрудничество с Ларсен и други, австрийската дизайнерска фирма EOOS (отделена от EOOS Next) пусна на пазара капан за урина. Това елиминира необходимостта потребителят да се прицелва, а функцията за отклоняване на урината е почти невидима (вижте „Нов вид тоалетна“).
Използва склонността на водата да залепва по повърхностите (наричан ефект на чайник, 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 фондация „Бил и Мелинда Гейтс“ в Сиатъл, Вашингтон, която е подкрепила широк кръг от изследвания в областта на иновациите в тоалетните за хора с ниски доходи, капанът за урина може да бъде вграден във всичко - от висок клас керамични модели на пиедестал до пластмасови тоалетни чинии. Разработен с финансиране от фондация „Бил и Мелинда Гейтс“ в Сиатъл, Вашингтон, която е подкрепила широк кръг от изследвания в областта на иновациите в тоалетните за хора с ниски доходи, капанът за урина може да бъде вграден във всичко - от висок клас керамични модели на пиедестал до пластмасови тоалетни чинии. Разработен с финансиране от фондация „Бил и Мелинда Гейтс“ в Сиатъл, Вашингтон, която е подкрепила широк спектър от изследвания за иновации в тоалетните за хора 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 фондация „Бил и Мелинда Гейтс“ в Сиатъл, Вашингтон, която подкрепя обширни изследвания в областта на иновациите в тоалетните за хора с ниски доходи, колекторът за урина може да бъде вграден във всичко - от висок клас модели на керамична основа до пластмасови тави за клек.Швейцарският производител LAUFEN вече пуска на пазара продукт, наречен „Save!“, въпреки че цената му е твърде висока за много потребители.
Университетът на Квазулу-Натал и Общинският съвет на еТеквини също тестват версии на тоалетни с уловители за урина, които могат да отклоняват урината и да изхвърлят твърди частици. Този път проучването се фокусира повече върху потребителите. Оди е оптимист, че хората ще предпочетат новите тоалетни с 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 „бъдат възприети и приети от квартали с високи доходи – от хора с различен етнически произход – това наистина ще помогне за разпространението“, каза той. „Винаги трябва да имаме расова перспектива“, добави той, за да сме сигурни, че те не развиват нещо, което се възприема като „само за чернокожи“ или „само за бедни“.
Отделянето на урина е само първата стъпка в трансформирането на канализацията. Следващата част е да се разбере какво да се направи по въпроса. В селските райони хората могат да я съхраняват в резервоари, за да убият всички патогени, и след това да я прилагат върху земеделските земи. Световната здравна организация дава препоръки за тази практика.
Но градската среда е по-сложна – именно там се произвежда по-голямата част от урината. Не би било практично да се изградят няколко отделни канализации в целия град, които да доставят урината до централно място. И тъй като урината е около 95 процента вода, съхранението и транспортирането ѝ е твърде скъпо. Затова изследователите се фокусират върху сушенето, концентрирането или друг начин за извличане на хранителни вещества от урината на ниво тоалетна или сграда, оставяйки след себе си вода.
Няма да е лесно, каза Ларсън. От инженерна гледна точка, „урината 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 често срещан азотен тор (вижте Изисквания за азот). Но е и сложно: когато се комбинира с вода, уреята се превръща в амоняк, който придава на урината характерната ѝ 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. Изследователи от Eawag са разработили усъвършенстван процес, който превръща хидролизираната урина в концентриран хранителен разтвор. Първо, в аквариума, микроорганизмите превръщат летливия амоняк в нелетлив амониев нитрат, често срещан тор. След това дестилаторът концентрира течността. Дъщерно дружество, наречено Vuna, също базирано в Дюбендорф, работи по комерсиализацията 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, като бързо повишават или понижават pH на урината, която обикновено е неутрална, когато се отдели. В кампуса на Мичиганския университет, Лав си партнира с нестопанската организация „Институт за изобилие на Земята“ в Братълборо, Върмонт, за да разработи система за сгради, която премахва течната лимонена киселина от отклоняващите се тоалетни и тоалетните без вода. Вода изригва от писоарите. След това урината се концентрира чрез многократно замразяване и размразяване5.
Екип от SLU, ръководен от екологичния инженер Бьорн Винерос на остров Готланд, разработи начин за изсушаване на урината до твърда урея, смесена с други хранителни вещества. Екипът оценява най-новия си прототип, свободностояща тоалетна с вградена сушилня, в централата на шведската компания за водоснабдяване и канализация VA SYD в Малмьо.
Други методи са насочени към отделни хранителни вещества в урината. Те биха могли да бъдат по-лесно интегрирани в съществуващите вериги за доставки на торове и промишлени химикали, казва химическият инженер Уилям Тарпех, бивш постдокторант в Love's, който сега е в Станфордския университет в Калифорния.
Често срещан метод за възстановяване на фосфора от хидролизирана урина е добавянето на магнезий, което причинява утаяване на тор, наречен струвит. Тарпех експериментира с гранули от адсорбентен материал, който може селективно да отстранява азота като амоняк6 или фосфора като фосфат. Неговата система използва различна течност, наречена регенерант, която преминава през балоните, след като те свършат. Регенерантът приема хранителните вещества и подновява топките за следващия кръг. Това е нискотехнологичен, пасивен метод, но търговските регенерати са вредни за околната среда. Сега екипът му се опитва да произвежда по-евтини и по-екологични продукти (вижте „Замърсяване 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 производство на неконвенционални строителни тухли чрез смесване на урина, пясък и бактерии, произвеждащи уреаза, в калъп. Те се калцифицират 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, искаме да можем да произвеждаме колкото се може повече продукти“, каза Тарпех.
Докато изследователите преследват редица идеи за превръщането на урината в стока, те знаят, че това е трудна битка, особено за една дълбоко вкоренена индустрия. Компаниите за торове и храни, фермерите, производителите на тоалетни и регулаторните органи бавно правят значителни промени в практиките си. „Тук има много инерция“, каза Симча.
Например, в Калифорнийския университет в Бъркли, изследователската и образователна инсталация на LAUFEN спестява! 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 разпоредби създава проблеми за управлението на съоръженията, затова се присъединил към групата, която разработвала нови кодекси.
Част от инерцията може да се дължи на страх от съпротивата на купувачите, но проучване от 2021 г. сред хора в 16 държави7 установи, че на места като Франция, Китай и Уганда готовността за консумация на храна, обогатена с урина, е близо 80% (вижте „Ще я ядат ли хората?“).
Пам Елардо, която ръководи Администрацията за отпадъчни води като заместник-администратор на Агенцията за опазване на околната среда на Ню Йорк, заяви, че подкрепя иновации като отклоняването на урината, тъй като ключовите цели на нейната компания са допълнително намаляване на замърсяването и рециклиране на ресурси. Тя очаква, че за град като Ню Йорк най-практичният и рентабилен метод за отклоняване на урината ще бъдат автономните системи в обновени или нови сгради, допълнени от поддръжка и операции по събиране. Ако новаторите могат да решат даден проблем, „те трябва да работят“, каза тя.
Предвид тези постижения, Ларсен прогнозира, че масовото производство и автоматизацията на технологията за отклоняване на урината може да не са далеч. Това ще подобри бизнес аргументите 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 храненето у дома в разумен срок. Но хората трябва да вземат решение.“
Хилтън, СП, Кеолеян, ГА, Дайгър, Г.Т., Джоу, Б. и Лав, НГ Енвирон. Хилтън, СП, Кеолеян, ГА, Дайгър, Г.Т., Джоу, Б. и Лав, НГ Енвирон.Хилтън, СП, Кеолян, ГА, Дигър, ГТ, Джоу, Б. и Лав, НГ Енвирон. Хилтън, СП, Кеолеиан, ГА, Дайгър, ГТ, Джоу, Б. и Лав, НГ Енвирон. Хилтън, СП, Кеолеиан, ГА, Дайгър, ГТ, Джоу, Б. и Лав, НГ Енвирон.Хилтън, СП, Кеолян, ГА, Дигър, ГТ, Джоу, Б. и Лав, НГ Енвирон.науката. технологии. 55, 593–603 (2021).
Съдърланд, К. и др. Отпечатъци от изпразване на отклоняваща се тоалетна. Фаза 2: Публикуване 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 борсите 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.).