Благодаря ви, че посетихте Nature.com. Версията на браузъра, която използвате, има ограничена поддръжка на CSS. За най -добър опит препоръчваме да използвате актуализиран браузър (или режим на съвместимост на деактивиране в Internet Explorer). Междувременно, за да гарантираме постоянна поддръжка, ние ще направим сайта без стилове и JavaScript.
Челси Уолд е журналист на свободна практика със седалище в Хага, Холандия и автор на Daydream: спешен глобален стремеж за смяна на тоалетни.
Специализирани тоалетни системи извличат азот и други хранителни вещества от урина за използване като тор и други продукти. Кредит за изображения: MAK/GEORG MAYER/EOOS след това
Готланд, най -големият остров в Швеция, има малко прясна вода. В същото време жителите се борят с опасни нива на замърсяване от селското стопанство и канализационните системи, които причиняват вредни цъфтежи на водорасли около Балтийско море. Те могат да убиват риба и да разболеят хората.
За да помогне за решаването на тази поредица от екологични проблеми, островът приковава надеждите си на едното малко вероятно вещество, което ги обвързва: човешка урина.
От 2021 г. изследователският екип започва да работи с местна компания, която издава 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 множество места през летния туристически сезон. Екипът дойде от Шведския университет по селскостопански науки (SLU) в Uppsala, която се завъртя от компания, наречена Sanitation360. Използвайки процес, който изследователите са разработили, те изсушиха урината в парчета, подобни на бетон, които след това се смилат на прах и се притискаха в гранули за торове, които отговарят на стандартното селско оборудване. Местните фермери използват тор за отглеждане на ечемик, който след това се изпраща на пивоварни, за да произвежда ейл, който може да се върне в цикъла след консумация.
Притви Симха, химически инженер в SLU и CTO на Sanitation360, заяви, че целта на изследователите е да „надхвърлят концепцията и да приложат на практика“ повторна употреба на урината в голям мащаб. Целта е да се осигури модел, който може да се подражава по целия свят. „Нашата цел е всички, навсякъде, да направим това упражнение.“
В експеримент в Готланд, ечемикът, определен от урина (вдясно), се сравнява с неплодизирани растения (в центъра) и с минерални торове (вляво). Кредит за изображение: Джена Сенекал.
Проектът в Готланд е част от подобни усилия в световен мащаб за отделяне на урината от други отпадни води и рециклиране на продукти като тор. Практиката, известна като отклоняване на урината, се изучава от групи в Съединените щати, Австралия, Швейцария, Етиопия и Южна Африка, наред с други. Тези усилия надхвърлят университетските лаборатории. Безводни писоари са свързани със системите за изхвърляне на мазе в офиси в Орегон и Холандия. Париж планира да инсталира тоалетни за разделяне на урина в екозозона от 1000 резидента, която е построена в 14-ия Arrondissement в града. Европейската космическа агенция ще постави 80 тоалетни в парижката си централа, която ще започне операции по -късно тази година. Привържениците на отклоняването на урината казват, че може да намери приложения на места, вариращи от импровизирани военни аванпости до бежански лагери, заможни градски центрове и разпръснати бедняшки квартали.
Учените казват, че отклонението на урината, ако бъде разположено в голям мащаб по целия свят, може да донесе огромни ползи за околната среда и общественото здраве. Отчасти това е така, защото урината е богата на хранителни вещества, които не замърсяват водните тела и могат да се използват за оплождане на култури или в индустриални процеси. Симха изчислява, че хората произвеждат достатъчно урина, за да заменят около една четвърт от текущите азотни и фосфатни торове в света; Той също така съдържа калий и много следи елементи (виж „Съставници в урината“). Най -хубавото е, че не промивате урината надолу в канализацията, спестявате много вода и намалявате тежестта върху стареенето и претоварената канализационна система.
Според експерти в тази област, много компоненти за отклоняване на урина скоро могат да станат широко достъпни благодарение на напредъка на тоалетните и стратегиите за изхвърляне на урината. Но има и големи пречки за фундаментална промяна в един от най -фундаменталните аспекти на живота. Изследователите и компаниите трябва да се справят с безброй предизвикателства, от подобряването на дизайна на тоалетните за разделяне на урината до улесняване на урината по-лесна за обработка и превръщане в ценни продукти. Това може да включва системи за химическо пречистване, свързани с отделни тоалетни или мазе, обслужващо цялата сграда и предоставяне на услуги за възстановяване и поддръжка на получения концентриран или втвърден продукт (вижте „От урина до продукт“). В допълнение, има по-широки проблеми с социалните промени и приемане, свързани както с различните степени на културни табута, свързани с човешките отпадъци, така и с дълбоките конвенции относно индустриалните отпадни води и хранителни системи.
Тъй като обществото се бори с недостиг на енергия, вода и суровини за селското стопанство и промишлеността, отклоняването и повторната употреба на урината са „основно предизвикателство за това как ние осигуряваме санитария“, казва биологът Лин Бродудус, консултант по устойчивост, базиран в Минеаполис. . „Жанр, който ще стане все по -важен. Минесота, той беше миналия президент на Александрията на Александрия, Ваший, Световната асоциация на професионалистите по качество на водата. „Всъщност това е нещо ценно.“
Някога урината беше ценна стока. В миналото някои общества са го използвали за оплождане на култури, приготвяне на кожа, измиване на дрехи и приготвяне на барут. След това, в края на 19 и началото на 20 век, съвременният модел на централизирано управление на отпадъчните води възникна във Великобритания и се разпространи по целия свят, кулминирайки в така наречената слепота на урината.
В този модел тоалетните използват вода за бързо източване на урина, изпражнения и тоалетна хартия надолу по канализацията, смесени с други течности от битови, промишлени източници и понякога бурни канали. В централизираните пречиствателни станции за отпадни води, енергийно-интензивните процеси използват микроорганизми за лечение на отпадни води.
В зависимост от местните правила и условия на пречиствателната станция, изхвърляните от този процес отпадни води, 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 (виж „Човешка канализация“).
Учените работят, за да направят централизираните системи по -устойчиви и по -малко замърсяващи, но като започнаха с 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“, казва Нанси Лав, екологичен инженер в Университета в Мичиган в Ан Арбър. Превключването на урината ще бъде „трансформативна“, казва тя. В проучване 1, което симулира системите за управление на отпадъчните 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 смятат, че общностите, използващи отклоняване на урината, могат да намалят общите емисии на парникови газове с 47%, консумацията на енергия с 41%, консумацията на сладка вода с около половината и замърсяването на хранителните вещества на отпадъчните води с 64%. използвана технология.
Концепцията обаче остава ниша и до голяма степен ограничена до автономни области като скандинавски екологични усилия, селски стопански постройки и развитие в райони с ниски доходи.
Tove Larsen, химически инженер от Швейцарския Федерален институт за водни науки и технологии (EAWAG) в Дюбендорф, казва, че голяма част от изоставането е причинено от самите тоалетни. Първо въведен на пазара през 90-те и 2000-те години, повечето тоалетни с дива на урината имат малък леген пред себе си, за да събират течността, обстановка, която изисква внимателно насочване. Други дизайни включват конвейерни ленти, управлявани от краката, които позволяват да се оттичат урината, тъй като оборският тор се транспортира до кошчето за компост или сензори, които работят на клапаните, за да насочат урината към отделен изход.
Тоалетната на прототипа, която разделя урината и я изсушава на прах, се тества в централата на шведската компания за вода и канализация VA Syd в Малмьо. Кредит за изображение: EOO след това
Но в експериментални и демонстрационни проекти в Европа хората не са приели употребата си, каза Ларсен и се оплаква, че са твърде обемисти, миризливи и ненадеждни. „Наистина бяхме отложени от темата за тоалетните.“
Тези притеснения преследват първото мащабно използване на тоалетни за разделяне на урината, проект в южноафриканския град Ethekwini през 2000-те години. Антъни Одили, който изучава здравното управление в университета в Квазулу-Натал в Дърбан, заяви, че внезапното разширяване на границите на града след апартейда е довело до това, че властите поемат някои лоши селски райони без тоалетна и водна инфраструктура.
След избухването на холера през август 2000 г. властите бързо разгърнаха няколко санитарни съоръжения, които отговарят на финансови и практически ограничения, включително около 80 000 сухи тоалетни, които се разделят на урина, повечето от които и до днес се използват. Урината се оттича в почвата изпод тоалетната, а изпражненията се озовават в съоръжение за съхранение, което градът се изпразва на всеки пет години от 2016 г.
Одили каза, че проектът е създал по -безопасни санитарни съоръжения в района. Изследванията на социалните науки обаче идентифицират много проблеми с програмата. Въпреки схващането, че тоалетните са по -добри от нищо, проучванията, включително някои от проучванията, в които участва, по -късно показват, че потребителите по принцип не ги харесват, каза Одили. Много от тях са изградени с материали с лошо качество и са неудобни за използване. Докато подобни тоалетни трябва теоретично да предотвратяват миризмите, урината в тоалетните на Ethekwini често се озовава във фекалното съхранение, създавайки ужасна миризма. Според Одили хората „не са могли да дишат нормално“. Освен това, урината на практика не се използва.
В крайна сметка, според Одили, решението за въвеждане на сухи тоалетни за разделяне на урината е било отгоре надолу и не е взело предвид предпочитанията на хората, главно по причини за общественото здраве. Проучване от 2017 г. установи, че повече от 95% от анкетираните на Ethekwini искат достъп до удобните, без мирис тоалетни, използвани от заможните жители на града, и мнозина планират да ги инсталират, когато условията са разрешени. В Южна Африка тоалетните отдавна са символ на расовото неравенство.
Новият дизайн обаче може да бъде пробив в отклонението на урината. През 2017 г., ръководен от дизайнера Харалд Грундл, в сътрудничество с Ларсен и други, австрийската дизайнерска фирма EOOS (отвърна се от EOOS след това) пусна капан за урина. Това елиминира необходимостта потребителят да се стреми и функцията за отклоняване на урината е почти невидима (вижте „Нов вид тоалетна“).
Той използва тенденцията на водата да се придържа към повърхности (наречен ефект на чайника, тъй като действа като неудобно капеща чайник), за да насочи урината от предната част на тоалетната в отделна дупка (вижте „Как да рециклирате урината“). Разработен с финансиране от Фондация Бил и Мелинда Гейтс в Сиатъл, Вашингтон, която подкрепи широка част от изследванията на тоалетните иновации за настройки с ниски доходи, капана на урината може да бъде включен във всичко-от керамични модели на керамичен пиедестал до пластмасови тигани. Разработен с финансиране от Фондация Бил и Мелинда Гейтс в Сиатъл, Вашингтон, която подкрепи широка част от изследванията на тоалетните иновации за настройки с ниски доходи, капана на урината може да бъде включен във всичко-от керамични модели на керамичен пиедестал до пластмасови тигани. Разработен с финансиране от фондация Bill & Melinda Gates в Сиатъл, Вашингтон, която подкрепи широк спектър от иновационни изследвания с ниски доходи, урината може да бъде вградена във всичко-от модели с керамични пиедестали до пластмасови клекове.саксии. Разработен с финансиране от фондация Bill & Melinda Gates в Сиатъл, Вашингтон, която подкрепя обширни изследвания на тоалетните иновации с ниски доходи, колекторът на урината може да бъде вграден във всичко-от висок клас керамични модели до пластмасови тави.Швейцарският производител Laufen вече пуска продукт, наречен „Save!“ За европейския пазар, въпреки че цената му е твърде висока за много потребители.
Университетът в Квазулу-Натал и Общинския съвет на Етеквини също тестват версии на тоалетните за урина, които могат да отклонят урината и да изхвърлят праховите частици. Този път проучването се фокусира повече върху потребителите. Odie е оптимист, че хората ще предпочетат новите тоалетни за разделяне на урината, защото миришат по-добре и са по-лесни за използване, но той отбелязва, че мъжете трябва да седнат, за да уринират, което е огромна културна промяна. Но ако тоалетните „също са приети и приети от квартали с високи доходи-от хора от различни етнически произход-това наистина ще помогне за разпространението“, каза той. „Винаги трябва да имаме расов обектив“, добави той, за да сме сигурни, че те не развиват нещо, което се разглежда като „само черно“ или „само бедно“.
Разделянето на урината е само първата стъпка в трансформирането на санитария. Следващата част е да разберем какво да правя по въпроса. В селските райони хората могат да го съхраняват във вани, за да убият всякакви патогени и след това да го прилагат в земеделските земи. Световната здравна организация дава препоръки за тази практика.
Но градската среда е по -сложна - тук се произвежда по -голямата част от урината. Не би било практично да се изграждат няколко отделни канализации в целия град, за да доставят урина на централно място. И тъй като урината е около 95 процента вода, тя е твърде скъпа за съхранение и транспортиране. Следователно изследователите се фокусират върху сушенето, концентрирането или извличането на хранителни вещества по друг начин от урината на нивото на тоалетна или сграда, оставяйки вода зад себе си.
Няма да е лесно, каза Ларсън. От инженерна гледна точка „Piss е лошо решение“, каза тя. В допълнение към водата, по-голямата част е урея, богато на азот съединение, което тялото произвежда като страничен продукт на протеиновия метаболизъм. Уреята е полезна сама по себе си: Синтетичната версия е общ азотен тор (виж изискванията за азот). Но също така е сложно: когато се комбинира с вода, уреята се превръща в амоняк, което придава урината му характерна миризма. Ако не е включен, амонякът може да мирише, да замърси въздуха и да отнеме ценен азот. Катализирана от повсеместната ензимна уреаза, тази реакция, наречена хидролиза на урея, може да вземе няколко микросекунди, което прави уреаза един от най -ефективните ензими известни.
Някои методи позволяват да продължи хидролизата. Изследователите на EAWAG са разработили напреднал процес, който превръща хидролизираната урина в концентриран разтвор на хранителни вещества. Първо, в аквариума микроорганизмите превръщат летливия амоняк в нелебилен амониев нитрат, общ торове. След това дестилаторът концентрира течността. Дъщерно дружество, наречено Vuna, също базирана в Dübendorf, 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 рН на урината, която обикновено е неутрална, когато се отделя. В кампуса на Университета в Мичиган любовта си партнира с нестопанския институт за изобилие на Земята в Братълборо, Върмонт, за да разработи система за сгради, които премахва течната лимонена киселина от отклоняване на тоалетни и безводни тоалетни. Водата изригва от писоари. След това урината се концентрира чрез многократно замръзване и размразяване5.
Екип на SLU, ръководен от екологичния инженер Bjorn Winneros на остров Готланд, разработи начин да изсуши урината в твърда урея, смесена с други хранителни вещества. Екипът оценява най-новия им прототип, самостоятелна тоалетна с вградена сушилня, в централата на шведската компания за вода 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 за торове и индустриални химикали, казва химическият инженер Уилям Тарпе, бивш докторантура 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 утаяването на тора, наречен Struvite. Tarpeh експериментира с гранули от адсорбентен материал, които могат да селеят избирателно азот като ammonia6 или фосфор като фосфат. Системата му използва различна течност, наречена регенерант, която тече през балоните, след като изтекат. Регенератът взема 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 „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 превръщането на нетрадиционни строителни тухли чрез смесване на бактерии за производство на урина, пясък и уреаза във форма. Те калцират във всякаква форма, без да стрелят. Европейската космическа агенция разглежда урината на астронавтите като ресурс за изграждане на жилища на Луната.
„Когато се замисля за широкото бъдеще на рециклирането на урина и рециклирането на отпадни води, искаме да можем да произвеждаме колкото се може повече продукти“, каза Тарпех.
Докато изследователите преследват редица идеи за кодиране на урината, те знаят, че това е трудна битка, особено за вкоренена индустрия. Компаниите за торове и храни, земеделски производители, производители на тоалетни и регулатори са бавни, за да направят значителни промени в своите практики. "Тук има много инерция", каза Симча.
Например в Калифорнийския университет, Бъркли, изследователската и образователната инсталация на Laufen Save! Това включва разходите за архитекти, изграждане и спазване на общинските разпоредби - и това все още не е направено, заяви Кевин Она, екологичен инженер, който сега работи в Университета Западна Вирджиния в Моргантаун. Той каза, че липсата на съществуващи кодове и разпоредби създава проблеми за управлението на съоръженията, така че той се присъедини към групата, която разработва нови кодове.
Част от инерцията може да се дължи на страх от съпротива на купувача, но проучване на 2021 г. на хора в 16 страни7 установи, че на места като Франция, Китай и Уганда желанието да се консумират хранителна храна, е била близо 80% (вижте дали хората ще я изядат? “).
Пам Елардо, който ръководи администрацията на отпадъчните води като заместник -администратор на Агенцията за опазване на околната среда в Ню Йорк, заяви, че подкрепя иновации като отклоняване на урината, тъй като основните цели на нейната компания са за по -нататъшно намаляване на замърсяването и рециклирането на ресурси. Тя очаква, че за град като Ню Йорк, най-практичният и рентабилен метод за отклоняване на урината ще бъде системи извън мрежата в модернизиране или нови сгради, допълнени от операции за поддръжка и събиране. Ако новаторите могат да решат проблем, „те трябва да работят“, каза тя.
Като се има 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 случая за този преход към управление на отпадъците. Диверсирането 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 решават. "
Hilton, SP, Keoleian, GA, Dager, GT, Zhou, B. & Love, NG Environment. Hilton, SP, Keoleian, GA, Dager, GT, Zhou, B. & Love, NG Environment.Hilton, SP, Keoleyan, GA, Digger, GT, Zhou, B. and Love, NG Environment. Hilton, SP, Keoleian, GA, Dager, GT, Zhou, B. & Love, NG Environment。 Hilton, SP, Keoleian, GA, Dager, GT, Zhou, B. & Love, NG Environment。Hilton, SP, Keoleyan, GA, Digger, GT, Zhou, B. and Love, NG Environment.Науката. Технология. 55, 593–603 (2021).
Съдърланд, K. et al. Изпразване на впечатления от отклоняваща се тоалетна. Фаза 2: Издаване на План за валидиране на UDDT Ethekwini City (University of Kwazulu-Natal, 2018).
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.Мениджмънт на обмен 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 език. 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 G.).