Спасибо за посещение Nature.com. Версия браузера, которую вы используете, имеет ограниченную поддержку CSS. Для наилучшего опыта мы рекомендуем использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer). В то же время, чтобы обеспечить постоянную поддержку, мы будем отдавать сайт без стилей и JavaScript.
Челси Волд - независимый журналист из Гааги, Нидерланды и автор Daydream: срочное глобальное стремление к изменению туалетов.
Специализированные туалетные системы извлекают азот и другие питательные вещества из мочи для использования в качестве удобрения и других продуктов. Изображение предоставлено: Mak/Georg Mayer/EOOS Далее
Готланд, крупнейший остров в Швеции, имеет маленькую пресную воду. В то же время жители сталкиваются с опасным уровнем загрязнения из сельскохозяйственных и канализационных систем, которые вызывают вредные цветы водорослей вокруг Балтийского моря. Они могут убить рыбу и избавиться от людей.
Чтобы помочь решить эту серию экологических проблем, остров возлагает свои надежды на одно маловероятное вещество, которое их связывает: человеческая моча.
Начиная с 2021 года, исследовательская группа начала работать с местной компанией, которая арендует переносные туалеты. Цель состоит в том, чтобы собрать более 70 000 литров мочи в течение 3-летнего периода в безводных писсуарах и специальных туалетах в нескольких местах в течение летнего туристического сезона. Команда пришла из Шведского университета сельскохозяйственных наук (SLU) в Упсале, которая оттолкнула компанию под названием Sanitation360. Используя процесс, разработанный исследователями, они высушивали мочу в бетонные куски, которые затем выращивали в порошок и прижались к гранулам удобрений, которые соответствуют стандартному сельскохозяйственному оборудованию. Местные фермеры используют удобрения для выращивания ячменя, которое затем отправляют на пивоваренные заводы для производства эля, который может вернуться в цикл после потребления.
Притхви Симха, инженер -химик в SLU и технический директор Sanitation360, сказал, что цель исследователей состоит в том, чтобы «выйти за рамки концепции и применять на практике повторное использование мочи в больших масштабах. Цель состоит в том, чтобы предоставить модель, которая может быть эмулирована по всему миру. «Наша цель - для всех, везде, выполнять это упражнение».
В эксперименте в Готленде ячмень с оплодотворением мочи (справа) сравнивали с неплощенными растениями (в центре) и с минеральными удобрениями (слева). Изображение предоставлено: Дженна Сенекал.
Проект Готленда является частью аналогичных всемирных усилий по отделению мочи от других сточных вод и переработки ее в такие продукты, как удобрение. Практика, известная как диверсия мочи, изучается группами в Соединенных Штатах, Австралии, Швейцарии, Эфиопии и Южной Африке, среди прочих. Эти усилия выходят далеко за рамки университетских лабораторий. Безводные писсуары связаны с системами утилизации подвалов в офисах в Орегоне и Нидерландах. Париж планирует установить туалеты, отведенные мочой в экозоне из 1000 резидентов, построенной в 14-м округе города. Европейское космическое агентство поместит 80 туалетов в своей штаб -квартире Парижа, которые начнут операции в конце этого года. Сторонники диверсии мочи говорят, что он может найти использование в местах, начиная от самодельных военных форпостов до лагерей беженцев, богатых городских центров и растянутых трущоб.
Ученые говорят, что отвлечение мочи, если они развернуты в больших масштабах по всему миру, может принести огромные выгоды для окружающей среды и общественного здравоохранения. Отчасти это связано с тем, что моча богата питательными веществами, которые не загрязняют водоемы и могут использоваться для оплодотворения сельскохозяйственных культур или промышленных процессов. По оценкам Симха, люди производят достаточное количество мочи, чтобы заменить около четверти нынешних азотных и фосфатных удобрений в мире; Он также содержит калий и многие следы отслеживания (см. «Составляющие в моче»). Лучше всего, не промывая мочу вниз, вы сохраняете много воды и уменьшаете бремя на стареющую и перегруженную канализационную систему.
По словам экспертов в этой области, многие компоненты диверсии мочи могут вскоре стать широко доступными благодаря достижениям в туалетах и ​​стратегиях утилизации мочи. Но есть также большие препятствия для фундаментальных изменений в одном из самых фундаментальных аспектов жизни. Исследователи и компании должны решать множество проблем, от улучшения дизайна туалетов, направляющих мочу, до облегчения обработки мочи и превращения в ценные продукты. Это может включать системы химической обработки, подключенные к отдельным туалетам или подвальному оборудованию, обслуживающему все здание, и предоставляют услуги для восстановления и обслуживания полученного концентрированного или закаленного продукта (см. «От мочи к продукту»). Кроме того, существуют более широкие проблемы социальных изменений и принятия, связанные как с различной степенью культурных табу, связанных с человеческими отходами, так и с глубоко укоренившимися соглашениями о промышленных сточных водах и пищевых системах.
Поскольку общество борется с нехваткой энергии, воды и сырья для сельского хозяйства и промышленности, отвлечение и повторное использование мочи является «серьезной проблемой для того, как мы предоставляем санитарию»,-говорит биолог Линн Броддус, консультант по устойчивому развитию в Миннеаполисе. Полем «Жанр, который станет все более важным. Миннесота, он был бывшим президентом Федерации водных средств Александрии, штат Вирджиния, всемирной ассоциации специалистов по качеству воды. «Это на самом деле что -то ценное».
Когда -то время моча была ценным товаром. В прошлом некоторые общества использовали его для оплодотворения сельскохозяйственных культур, изготовления кожи, мытья одежду и сделать порох. Затем, в конце 19-го и начале 20-го веков, современная модель централизованного управления сточными водами возникла в Великобритании и распространилась по всему миру, кульминацией которой стала так называемая слепота мочи.
В этой модели туалеты используют воду для быстрого слива мочи, кала и туалетной бумаги вниз по сливке, смешаны с другими жидкостями из бытовых, промышленных источников, а иногда и штормовых стоков. На централизованных очистных сооружениях сточных вод, энергоемкие процессы используют микроорганизмы для обработки сточных вод.
В зависимости от местных правил и условий очистных сооружений сточные воды, сброшенные из этого процесса, могут по -прежнему содержать значительные количества азота и других питательных веществ, а также некоторые другие загрязнители. 57% населения мира вообще не связано с централизованной канализационной системой (см. «Человеческие сточные воды»).
Ученые работают над тем, чтобы сделать централизованные системы более устойчивыми и менее загрязняющими, но, начиная с Швеции в 1990 -х годах, некоторые исследователи стремятся к более фундаментальным изменениям. Достижения в конце трубопровода - это «просто еще одна эволюция той же чертовой вещи», сказала Нэнси Лав, инженер -экологи в Мичиганском университете в Энн -Арборе. Отвращение мочи будет «преобразующей», говорит она. В исследовании 1, которое моделировало системы управления сточными водами в трех штатах США, она и ее коллеги сравнивали обычные системы очистки сточных вод с гипотетическими системами очистки сточных вод, которые отвлекают мочу и используют восстановленные питательные вещества вместо синтетических удобрений. Они оценивают, что сообщества, использующие отвлечение мочи, могут сократить общие выбросы парниковых газов на 47%, потребление энергии на 41%, потребление пресной воды примерно на половину и загрязнение сточных вод питательных веществ на 64%. технология используется.
Тем не менее, эта концепция остается нишей и в значительной степени ограниченной автономными областями, такими как скандинавские эко-свиты, сельские хозяйственные постройки и разработки в районах с низким доходом.
Тове Ларсен, инженер -химик в Швейцарском федеральном институте водных наук и техники (EAWAG) в Дюбендорфе, говорит, что большая часть отставания вызвана самими туалетами. Впервые представленные на рынке в 1990-х и 2000-х годах, большинство туалетов с мочой имеют небольшой бассейн перед ними для сбора жидкости, что требует тщательного нацеливания. Другие конструкции включают в себя конвейерные ленты, которые позволяют моче сливаться, когда навоз должен транспортироваться в бин компоста, или датчики, которые управляют клапанами для направления мочи в отдельную розетку.
Прототип туалета, который отделяет мочу и высыхает ее в порошок, тестируется в штаб -квартире шведской воды и канализационной компании VA Syd в Мальмё. Изображение предоставлено: EOOS NEXT
Но в экспериментальных и демонстрационных проектах в Европе люди не приняли свое использование, сказал Ларсен, жалуясь, что они слишком громоздкие, вонючие и ненадежные. «Мы были действительно отложены темой туалетов».
Эти опасения преследуют первое крупномасштабное использование туалетов, направляющих мочу, проект в южноафриканском городе Экетвини в 2000-х годах. Энтони Одили, который изучает управление здоровьем в Университете Квазулу-Натала в Дурбане, сказал, что внезапное расширение городских границ после апартеида привело к тому, что власти захватили некоторые бедные сельские районы без туалетной и водной инфраструктуры.
После вспышки холеры в августе 2000 года власти быстро развернули несколько санитарных учреждений, которые соответствовали финансовым и практическим ограничениям, в том числе около 80 000 сухих туалетов, подавляющих мочу, большинство из которых все еще используются сегодня. Моча сливается в почву из -под туалета, и фекалии оказываются в хранилище, который город опустошал каждые пять лет с 2016 года.
Одили сказал, что проект создал более безопасные санитарные объекты в этом районе. Тем не менее, исследования в области социальных наук определили много проблем с программой. Несмотря на представление о том, что туалеты лучше, чем ничего, исследования, в том числе некоторые исследования, в которых он участвовал, позже показали, что пользователи обычно не любят их, сказал Одили. Многие из них построены с низкокачественными материалами и неудобны в использовании. В то время как такие туалеты должны теоретически предотвратить запахи, моча в туалетах Ethekwini часто оказывается в хранилище фекалий, создавая ужасный запах. По словам Одили, люди «не могли дышать нормально». Более того, моча практически не используется.
В конечном счете, по словам Одили, решение о внедрении сухих туалетов, подавляющих мочу, было сверху вниз и не учитывало предпочтения людей, в основном по соображениям общественного здоровья. Исследование 2017 года 3 показало, что более 95% респондентов Этеквини хотели получить доступ к удобным, без запаха, используемых богатыми жителями города города, и многие планировали установить их при разрешении условий. В Южной Африке туалеты долгое время были символом расового неравенства.
Тем не менее, новый дизайн может стать прорывом в утечке мочи. В 2017 году, возглавляемая дизайнером Харальдом Грундлом, в сотрудничестве с Ларсеном и другими, австрийская дизайнерская фирма EOOS (Spun Off Eos Next) выпустила ловушку мочи. Это устраняет необходимость прицела пользователя, а функция диверсии мочи почти невидима (см. «Новый вид туалета»).
Он использует тенденцию воды прилипать к поверхностям (называемому эффектом чайника, потому что она действует как неловкий капающий чайник), чтобы направить мочу с передней части туалета в отдельное отверстие (см. «Как перерабатывать мочу»). Разработанный с финансированием Фонда Билла и Мелинды Гейтс в Сиэтле, штат Вашингтон, который поддержал широкий штраф исследований туалетных инноваций для условий с низким доходом, ловушка мочи может быть включена во все, от высококлассных моделей керамических пьедесталов до пластиковых приседаний. Разработанный с финансированием Фонда Билла и Мелинды Гейтс в Сиэтле, штат Вашингтон, который поддержал широкий штраф исследований туалетных инноваций для условий с низким доходом, ловушка мочи может быть включена во все, от высококлассных моделей керамических пьедесталов до пластиковых приседаний. Разработанный с финансированием Фонда Bill & Melinda Gates в Сиэтле, штат Вашингтон, который поддерживает широкий спектр исследований туалетных инноваций с низким доходом, ловушка мочи может быть встроена во все, от моделей с керамическими пьедесталами до пластиковых приседаний.горшки Разработанный с финансированием Фонда Bill & Melinda Gates в Сиэтле, штат Вашингтон, который поддерживает обширные исследования в туалетных инновациях с низким доходом, коллекционер мочи может быть встроен во все, от высококачественных моделей на основе керамики до пластиковых приседаний.Швейцарский производитель Laufen уже выпускает продукт под названием «Сохранить!» Для европейского рынка, хотя его стоимость слишком высока для многих потребителей.
Университет Квазулу-Натала и городской совет Этеквини также проверяет версии туалетов для ловушек мочи, которые могут отвлечь мочу и вымывать частицы. На этот раз исследование больше фокусируется на пользователях. Оди оптимистичен, что люди предпочитают новые туалеты, отвлекаясь, потому что они пахнут лучше и их легче использовать, но он отмечает, что мужчины должны сесть на мочеиспускание, что является огромным культурным сдвигом. Но если туалеты «также приняты и приняты районами с высоким уровнем дохода-людьми из разных этнических фонов-это действительно поможет распространиться»,-сказал он. «У нас всегда нужно иметь расовую линзу», - добавил он, чтобы убедиться, что они не разрабатывают что -то, что считается «только черным» или «только бедным».
Разделение мочи - это только первый шаг в преобразовании санитарии. Следующая часть - выяснить, что с этим делать. В сельской местности люди могут хранить его в чанах, чтобы убить любые патогенные микроорганизмы, а затем применять их на сельскохозяйственные угодья. Всемирная организация здравоохранения дает рекомендации для этой практики.
Но городская среда сложнее - именно здесь производится большая часть мочи. Было бы не практично построить несколько отдельных канализационных труд по всему городу, чтобы доставить мочу в центральное место. А поскольку моча составляет около 95 процентов воды, она слишком дорогой для хранения и транспортировки. Следовательно, исследователи сосредотачиваются на сушке, концентрации или ином случае извлечения питательных веществ из мочи на уровне туалета или здания, оставляя воду позади.
Это не будет легко, сказал Ларсон. С инженерной точки зрения «Писс - плохое решение», сказала она. В дополнение к воде большинство-мочевина, богатое азотом соединение, которое организм производит в качестве побочного продукта белкового метаболизма. Мочевина полезна сама по себе: синтетическая версия является распространенным азотным удобрением (см. Требования к азоту). Но это также сложно: в сочетании с водой мочевина превращается в аммиак, что дает мочу характерный запах. Если не включить, аммиак может пахнуть, загрязнять воздух и забрать ценный азот. Эта реакция, катализируемая вездесущей ферментной уреазой, называется гидролизом мочевины, может принимать несколько микросекунд, что делает уреазу одним из наиболее эффективных известных ферментов.
Некоторые методы позволяют гидролизу продолжаться. Исследователи EAWAG разработали расширенный процесс, который превращает гидролизованную мочу в концентрированный питательный раствор. Во-первых, в аквариуме микроорганизмы превращают летучий аммиак в нелетую нитрат аммония, общее удобрение. Затем дистиллятор концентрирует жидкость. Дочерняя компания под названием Vuna, также базирующаяся в Дюбендорфе, работает над коммерциализацией системы для зданий и продукта под названием Aurin, который был одобрен в Швейцарии для пищевых растений впервые в мире.
Другие пытаются остановить реакцию гидролиза, быстро поднимая или понижая рН мочи, которая обычно нейтральна при выводе. В кампусе Мичиганского университета Love сотрудничает с некоммерческим Институтом изобилия Земли в Браттлборо, штат Вермонт, для разработки системы для зданий, которые удаляют жидкое лимонное кислоту из отвлечения туалетов и без водяных туалетов. Вода изрывается с писсуаров. Затем моча концентрируется путем повторного замораживания и оттаивания5.
Команда SLU, возглавляемая инженером -экологов Бьорн -Виннеросом на острове Готланд, разработал способ высушить мочу в твердую мочевину, смешанную с другими питательными веществами. Команда оценивает свой последний прототип, отдельно стоящий туалет со встроенной сушилкой, в штаб-квартире шведской воды и канализационной компании VA Syd в Malmö.
Другие методы нацелены на отдельные питательные вещества в моче. Они могут быть легче интегрированы в существующие цепочки поставок для удобрений и промышленных химических веществ, говорит инженер -химик Уильям Тарпех, бывший постдокторский сотрудник Love's, который сейчас учится в Стэнфордском университете в Калифорнии.
Обычным методом восстановления фосфора из гидролизованной мочи является добавление магния, которое вызывает осаждение удобрения, называемого штрувитом. Tarpeh экспериментирует с гранулами адсорбентного материала, которые могут выборочно удалять азот в виде аммиака6 или фосфора в качестве фосфата. В его системе используется другая жидкость, называемая регенераном, которая течет через воздушные шары после того, как они закончились. Регенерант берет питательные вещества и обновляет шарики для следующего раунда. Это низкотехнологичный, пассивный метод, но коммерческие регенераты вредны для окружающей среды. Теперь его команда пытается сделать более дешевые и более экологически чистые продукты (см. «Загрязнение будущего»).
Другие исследователи разрабатывают способы выработки электроэнергии путем размещения мочи в микробных топливных элементах. В Кейптауне, Южная Африка, другая команда разработала метод превращения нетрадиционных строительных кирпичей, смешивая мочу, песок и уреазы, продуцирующие бактерии в форму. Они кальцифицируют любую форму без стрельбы. Европейское космическое агентство рассматривает мочу астронавтов как ресурс для строительства жилья на Луне.
«Когда я думаю о широком будущем утилизации мочи и переработки сточных вод, мы хотим иметь возможность производить как можно больше продуктов», - сказал Тарпех.
Поскольку исследователи преследуют ряд идей для коммодизирующей мочи, они знают, что это тяжелая битва, особенно для укоренившейся отрасли. Компании удобрений и пищевых продуктов, фермеры, производители туалетов и регуляторы не спешат вносить существенные изменения в свою практику. «Здесь много инерции», - сказал Симча.
Например, в Калифорнийском университете, Беркли, исследование и образовательная установка Laufen Save! Это включает в себя расходы на архитекторов, строительство и соблюдение муниципальных норм - и это еще не сделано, сказал Кевин Оня, инженер -экологи, который сейчас работает в Университете Западной Вирджинии в Моргантауне. Он сказал, что отсутствие существующих кодов и правил создало проблемы для управления объектами, поэтому он присоединился к группе, которая разрабатывала новые коды.
Часть инерции может быть связана с страхом сопротивления покупателям, но в 2021 году опрос людей в 16 странах7 обнаружил, что в таких местах, как Франция, Китай и Уганда, готовность потреблять пищу, поддерживаемую мочу, была почти 80% (см. Сможет ли люди ее съесть? »).
Пэм Элардо, которая возглавляет Администрацию сточных вод в качестве заместителя администратора Агентства по охране окружающей среды Нью -Йорка, сказала, что поддерживает такие инновации, как Differion мочи, поскольку ключевые цели ее компании - еще больше сократить загрязнение и переработку ресурсов. Она ожидает, что для такого города, как Нью-Йорк, наиболее практичным и экономически эффективным методом отвлечения мочи будет автономные системы в модернизации или в новых зданиях, дополненных операциями по техническому обслуживанию и сбору. Если новаторы могут решить проблему, «они должны работать», сказала она.
Учитывая эти достижения, Ларсен прогнозирует, что массовое производство и автоматизация технологии диверсии мочи может быть не далеко. Это улучшит бизнес -обоснование для этого перехода к управлению отходами. Расвящение мочи «это правильная техника», сказала она. «Это единственная технология, которая может решать проблемы с питанием на дому за разумное время. Но люди должны решить.
Hilton, SP, Keoleian, GA, Daiger, GT, Zhou, B. & Love, NG Environ. Hilton, SP, Keoleian, GA, Daiger, GT, Zhou, B. & Love, NG Environ.Hilton, SP, Keoleyan, GA, Digger, GT, Zhou, B. and Love, NG Environ. Hilton, SP, Keoleian, GA, Daiger, GT, Zhou, B. & Love, NG Environ。 Hilton, SP, Keoleian, GA, Daiger, GT, Zhou, B. & Love, NG Environ。Hilton, SP, Keoleyan, GA, Digger, GT, Zhou, B. and Love, NG Environ.Наука. технология. 55, 593–603 (2021).
Сазерленд, К. и соавт. Ополостные впечатления от отвлекающего туалета. Фаза 2: Выпуск Плана валидации UDDT города Этеквини (Университет Квазулу-Натала, 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 Бакли, Кадж Уотер Саньт. 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 Бакли, Кадж Уотер Саньт.Exchange Management 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.Химический. Международный райский английский. 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.).