Спасибо, что посетили Nature.com.Используемая вами версия браузера имеет ограниченную поддержку CSS.Для оптимальной работы мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer).Тем временем, чтобы обеспечить постоянную поддержку, мы будем отображать сайт без стилей и JavaScript.
Челси Уолд — независимый журналист из Гааги, Нидерланды, автор книги «Daydream: An Urgent Global Quest to Change Toilets».
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 NEXT
На Готланде, самом большом острове Швеции, мало пресной воды.В то же время жители борются с опасными уровнями загрязнения от сельского хозяйства и канализационных систем, которые вызывают вредоносное цветение водорослей вокруг Балтийского моря.Они могут убить рыбу и сделать людей больными.
Чтобы помочь решить эту серию экологических проблем, остров возлагает надежды на одно маловероятное вещество, которое их связывает: человеческая моча.
Начиная с 2021 года исследовательская группа начала работать с местной компанией, которая сдает в аренду переносные туалеты.Цель состоит в том, чтобы собрать более 70 000 литров мочи за 3-летний период в безводных писсуарах и специальных туалетах в нескольких местах во время летнего туристического сезона.Команда прибыла из Шведского университета сельскохозяйственных наук (SLU) в Уппсале, который выделил компанию под названием Sanitation360.Используя процесс, разработанный исследователями, они высушивали мочу в бетоноподобные куски, которые затем измельчали ​​в порошок и прессовали в гранулы удобрения, которые подходят для стандартного сельскохозяйственного оборудования.Местные фермеры используют удобрение для выращивания ячменя, который затем отправляется на пивоварни для производства эля, который после употребления может вернуться в цикл.
Притхви Симха, инженер-химик SLU и технический директор Sanitation360, сказал, что цель исследователей состоит в том, чтобы «выйти за рамки концепции и реализовать на практике» повторное использование мочи в больших масштабах.Цель состоит в том, чтобы предоставить модель, которой можно будет подражать во всем мире.«Наша цель — сделать так, чтобы все и везде выполняли это упражнение».
В эксперименте на Готланде удобренный мочой ячмень (справа) сравнивали с неудобренными растениями (в центре) и с минеральными удобрениями (слева).Изображение предоставлено: Дженна Сенекал.
Готландский проект является частью аналогичных всемирных усилий по отделению мочи от других сточных вод и переработке ее в такие продукты, как удобрения.Практика, известная как отведение мочи, изучается, в частности, группами в США, Австралии, Швейцарии, Эфиопии и Южной Африке.Эти усилия выходят далеко за рамки университетских лабораторий.Безводные писсуары подключены к подвальным системам утилизации в офисах в Орегоне и Нидерландах.Париж планирует установить туалеты с отводом мочи в экозоне с населением 1000 человек, строящейся в 14-м округе города.Европейское космическое агентство разместит 80 туалетов в своей парижской штаб-квартире, которая начнет работу в конце этого года.Сторонники отвода мочи говорят, что она может найти применение в самых разных местах, от импровизированных военных аванпостов до лагерей беженцев, богатых городских центров и обширных трущоб.
Ученые говорят, что отведение мочи, если оно будет развернуто в больших масштабах по всему миру, может принести огромную пользу окружающей среде и здоровью населения.Отчасти это связано с тем, что моча богата питательными веществами, которые не загрязняют водоемы и могут использоваться для удобрения сельскохозяйственных культур или в промышленных процессах.По оценкам Симхи, люди производят достаточно мочи, чтобы заменить около четверти нынешних азотных и фосфорных удобрений в мире;он также содержит калий и многие микроэлементы (см. «Составные вещества в моче»).Лучше всего то, что, не смывая мочу в канализацию, вы экономите много воды и снижаете нагрузку на стареющую и перегруженную канализационную систему.
По мнению экспертов в этой области, многие компоненты отвода мочи вскоре могут стать широко доступными благодаря достижениям в области туалетов и стратегий удаления мочи.Но есть также большие препятствия для фундаментальных изменений в одном из самых фундаментальных аспектов жизни.Исследователям и компаниям необходимо решить множество задач, от улучшения конструкции туалетов с отводом мочи до упрощения обработки мочи и превращения ее в ценные продукты.Сюда могут входить системы химической обработки, подключенные к отдельным туалетам или подвальное оборудование, обслуживающее все здание и предоставляющее услуги по восстановлению и обслуживанию полученного концентрированного или отвержденного 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, отведение и повторное использование мочи является «серьезной проблемой для обеспечения санитарии», — говорит биолог Линн Броддус, консультант по устойчивому развитию из Миннеаполиса..«Жанр, который будет становиться все более важным.Миннесота, он был бывшим президентом Водной федерации Александрии, штат Вирджиния, всемирной ассоциации профессионалов в области качества воды.«На самом деле это нечто ценное».
Когда-то моча была ценным товаром.В прошлом некоторые общества использовали его для удобрения посевов, изготовления кожи, стирки одежды и производства пороха.Затем, в конце 19 — начале 20 веков, в Великобритании возникла и распространилась по всему миру современная модель централизованного управления сточными водами, завершившаяся так называемой мочевой слепотой.
В этой модели туалеты используют воду для быстрого слива мочи, фекалий и туалетной бумаги в канализацию, смешанную с другими жидкостями из бытовых, промышленных источников, а иногда и ливневых стоков.На централизованных очистных сооружениях в энергоемких процессах используются микроорганизмы для очистки сточных вод.
В зависимости от местных правил и условий очистных сооружений сточные воды, сбрасываемые в результате этого процесса, могут содержать значительное количество азота и других питательных веществ, а также некоторые другие загрязняющие вещества.57% населения земного шара вообще не подключено к централизованной канализационной системе (см. «Человеческие нечистоты»).
Ученые работают над тем, чтобы сделать централизованные системы более устойчивыми и менее загрязняющими окружающую среду, но, начиная со Швеции в 1990-х годах, некоторые исследователи настаивают на более фундаментальных изменениях.Достижения в конце конвейера — это «еще одна эволюция одной и той же чертовой штуки», — сказала Нэнси Лав, инженер-эколог из Мичиганского университета в Анн-Арборе.По ее словам, отведение мочи будет «преобразовывать».В исследовании 1, в котором моделировались системы управления сточными водами в трех штатах США, она и ее коллеги сравнили обычные системы очистки сточных вод с гипотетическими системами очистки сточных вод, которые отводят мочу и используют восстановленные питательные вещества вместо синтетических удобрений.По их оценкам, сообщества, использующие отвод мочи, могут сократить общие выбросы парниковых газов на 47%, потребление энергии на 41%, потребление пресной воды примерно наполовину и загрязнение сточных вод питательными веществами на 64%.используемая технология.
Тем не менее, концепция остается нишевой и в значительной степени ограничена автономными районами, такими как скандинавские экопоселения, сельские хозяйственные постройки и застройки в районах с низким доходом.
Туве Ларсен, инженер-химик из Швейцарского федерального института водных наук и технологий (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 отведением мочи имеют перед собой небольшой бассейн для сбора жидкости, что требует тщательного выбора.Другие конструкции включают конвейерные ленты с ножным приводом, которые позволяют моче стекать по мере того, как навоз транспортируется в бункер для компоста, или датчики, которые управляют клапанами для направления мочи в отдельный выход.
Прототип туалета, который отделяет мочу и высушивает ее в порошок, проходит испытания в штаб-квартире шведской компании по водоснабжению и канализации VA SYD в Мальмё.Кредит изображения: EOOS СЛЕДУЮЩИЙ
Но в экспериментальных и демонстрационных проектах в Европе люди не восприняли их использование, сказал Ларсен, жалуясь на то, что они слишком громоздкие, вонючие и ненадежные.«Нас действительно оттолкнула тема туалетов».
Эти опасения преследовали первое крупномасштабное использование туалетов с отводом мочи, проект в южноафриканском городе Этеквини в 2000-х годах.Энтони Одили, изучающий управление здравоохранением в Университете Квазулу-Наталь в Дурбане, сказал, что внезапное расширение границ города после апартеида привело к тому, что власти захватили некоторые бедные сельские районы без туалетов и инфраструктуры водоснабжения.
После вспышки холеры в августе 2000 г. власти быстро развернули несколько санитарно-технических сооружений, которые соответствовали финансовым и практическим ограничениям, в том числе около 80 000 сухих туалетов с отведением мочи, большинство из которых используются до сих пор.Моча стекает в почву из-под унитаза, а фекалии попадают в хранилище, которое город опорожняет каждые пять лет с 2016 года.
Одили сказал, что благодаря проекту в этом районе были созданы более безопасные санитарно-технические сооружения.Однако исследования в области социальных наук выявили множество проблем с программой.По словам Одили, несмотря на представление о том, что туалеты лучше, чем ничего, исследования, в том числе некоторые из исследований, в которых он участвовал, позже показали, что пользователи в целом не любят их.Многие из них построены из некачественных материалов и неудобны в использовании.В то время как такие туалеты теоретически должны предотвращать запахи, моча в туалетах eThekwini часто попадает в хранилище для фекалий, создавая ужасный запах.По словам Одили, люди «не могли нормально дышать».При этом моча практически не используется.
В конечном итоге, по словам Одили, решение о введении сухих туалетов с отводом мочи было принято сверху вниз и не учитывало предпочтения людей, в основном по соображениям общественного здравоохранения.Исследование 2017 года3 показало, что более 95% респондентов eThekwini хотели иметь доступ к удобным туалетам без запаха, которыми пользуются богатые белые жители города, и многие планировали установить их, когда позволят условия.В Южной Африке туалеты уже давно стали символом расового неравенства.
Однако новый дизайн может стать прорывом в отведении мочи.В 2017 году под руководством дизайнера Харальда Грундла в сотрудничестве с Ларсеном и другими австрийская дизайнерская фирма EOOS (выделившаяся из EOOS Next) выпустила ловушку для мочи.Это избавляет пользователя от необходимости прицеливаться, а функция отвода мочи практически незаметна (см. «Новый вид унитаза»).
Он использует склонность воды прилипать к поверхностям (так называемый эффект чайника, потому что он действует как неудобный капающий чайник), чтобы направить мочу из передней части унитаза в отдельное отверстие (см. «Как перерабатывать мочу»). Разработанная при финансовой поддержке Фонда Билла и Мелинды Гейтс в Сиэтле, штат Вашингтон, который поддержал широкий спектр исследований инноваций в области туалетов для малообеспеченных семей, ловушка для мочи может быть встроена во все, от моделей с керамическими пьедесталами до пластиковых приседаний. кастрюли. Разработанная при финансовой поддержке Фонда Билла и Мелинды Гейтс в Сиэтле, штат Вашингтон, который поддержал широкий спектр исследований инноваций в области туалетов для малообеспеченных семей, ловушка для мочи может быть встроена во все, от моделей с керамическими пьедесталами до пластиковых приседаний. кастрюли. Разработанный при финансовой поддержке Фонда Билла и Мелинды Гейтс в Сиэтле, штат Вашингтон, который поддержал широкий спектр исследований в области инновационных туалетов для малоимущих, ловушка для мочи может быть встроена во все, от моделей с керамическим основанием до пластиковых приседаний.горшки. Разработанный при финансовой поддержке Фонда Билла и Мелинды Гейтс в Сиэтле, штат Вашингтон, который поддерживает обширные исследования в области инновационных туалетов для малоимущих, сборщик мочи может быть встроен во все, от моделей на керамической основе высокого класса до пластиковых лотков для сидения на корточках.Швейцарский производитель LAUFEN уже выпускает продукт под названием «Экономьте!»для европейского рынка, хотя его стоимость слишком высока для многих потребителей.
Университет Квазулу-Натал и городской совет eThekwini также тестируют версии туалетов с ловушками для мочи, которые могут отводить мочу и смывать твердые частицы.На этот раз исследование больше фокусируется на пользователях.Оди с оптимизмом смотрит на то, что люди предпочтут новые туалеты с отводом мочи, потому что они лучше пахнут и ими проще пользоваться, но он отмечает, что мужчинам приходится садиться, чтобы помочиться, что является огромным культурным сдвигом.Но если туалеты «также будут приняты и приняты районами с высоким доходом — людьми разного этнического происхождения — это действительно поможет распространению», — сказал он.«У нас всегда должна быть расовая линза», — добавил он, чтобы убедиться, что они не разрабатывают что-то, что рассматривается как «только для черных» или «только для бедных».
Отделение мочи — это только первый шаг к преобразованию санитарии.Следующая часть — выяснить, что с этим делать.В сельской местности люди могут хранить его в чанах, чтобы убить любые патогены, а затем применять его на сельскохозяйственных угодьях.Всемирная организация здравоохранения дает рекомендации для этой практики.
А вот городская среда сложнее — именно здесь вырабатывается большая часть мочи.Было бы нецелесообразно строить несколько отдельных коллекторов по всему городу для доставки мочи в центральное место.А поскольку моча примерно на 95 процентов состоит из воды, ее хранение и транспортировка слишком дороги.Поэтому исследователи сосредоточены на сушке, концентрировании или ином извлечении питательных веществ из мочи на уровне туалета или здания, оставляя воду позади.
Это будет нелегко, сказал Ларсон.С инженерной точки зрения «моча — плохое решение», — сказала она.В дополнение к воде большую часть составляет мочевина, богатое азотом соединение, которое организм вырабатывает как побочный продукт белкового метаболизма.Мочевина полезна сама по себе: синтетическая версия является обычным азотным удобрением (см. Требования к азоту).Но и тут хитрость: при соединении с водой мочевина превращается в аммиак, который и придает моче характерный запах.Если не включить, аммиак может пахнуть, загрязнять воздух и забирать ценный азот.Катализируемая вездесущим ферментом уреазой, эта реакция, называемая гидролизом мочевины, может занять несколько микросекунд, что делает уреазу одним из наиболее эффективных известных ферментов.
Некоторые методы позволяют продолжать гидролиз.Исследователи Eawag разработали передовой процесс, который превращает гидролизованную мочу в концентрированный питательный раствор.Во-первых, в аквариуме микроорганизмы превращают летучий аммиак в нелетучий нитрат аммония, обычное удобрение.Затем дистиллятор концентрирует жидкость.Дочерняя компания Vuna, также базирующаяся в Дюбендорфе, работает над коммерциализацией системы для зданий и продукта под названием Aurin, который впервые в мире был одобрен в Швейцарии для пищевых предприятий.
Другие пытаются остановить реакцию гидролиза, быстро повышая или понижая рН мочи, которая при выделении обычно нейтральна.В кампусе Мичиганского университета Лав сотрудничает с некоммерческим Институтом изобилия Земли в Брэттлборо, штат Вермонт, для разработки системы для зданий, которая удаляет жидкую лимонную кислоту из туалетов с отводом воды и безводных туалетов.Вода извергается из писсуаров.Затем моча концентрируется путем многократного замораживания и оттаивания5.
Команда SLU под руководством инженера-эколога Бьорна Виннероса на острове Готланд разработала способ высушивания мочи в твердую мочевину, смешанную с другими питательными веществами.Команда оценивает свой последний прототип, отдельно стоящий туалет со встроенной сушилкой, в штаб-квартире шведской компании по водоснабжению и канализации VA SYD в Мальмё.
Другие методы нацелены на отдельные питательные вещества в моче.Их можно было бы легче интегрировать в существующие цепочки поставок удобрений и промышленных химикатов, говорит инженер-химик Уильям Тарпе, бывший научный сотрудник Love's, который сейчас работает в Стэнфордском университете в Калифорнии.
Распространенным методом восстановления фосфора из гидролизованной мочи является добавление магния, который вызывает осаждение удобрения, называемого струвитом.Tarpeh экспериментирует с гранулами адсорбирующего материала, которые могут избирательно удалять азот в виде аммиака6 или фосфор в виде фосфатов.В его системе используется другая жидкость, называемая регенерантом, которая течет через воздушные шары после того, как они заканчиваются.Регенерант забирает питательные вещества и обновляет шарики для следующего раунда.Это низкотехнологичный, пассивный метод, но коммерческие регенераты вредны для окружающей среды.Сейчас его команда пытается сделать более дешевую и экологически чистую продукцию (см. «Загрязнение будущего»).
Другие исследователи разрабатывают способы выработки электроэнергии, помещая мочу в микробные топливные элементы.В Кейптауне, Южная Африка, другая команда разработала метод изготовления нетрадиционных строительных кирпичей путем смешивания мочи, песка и бактерий, вырабатывающих уреазу, в форму.Они кальцифицируются в любую форму без обжига.Европейское космическое агентство рассматривает мочу астронавтов как ресурс для строительства жилья на Луне.
«Когда я думаю о широком будущем рециркуляции мочи и рециркуляции сточных вод, мы хотим иметь возможность производить как можно больше продуктов», — сказал Тарпех.
Поскольку исследователи разрабатывают ряд идей по превращению мочи в товар, они знают, что это тяжелая битва, особенно для укоренившейся отрасли.Компании по производству удобрений и продуктов питания, фермеры, производители туалетов и регулирующие органы не спешат вносить существенные изменения в свою практику.«Здесь много инерции, — сказал Симха.
Например, в Калифорнийском университете в Беркли исследовательская и образовательная установка LAUFEN save!Это включает расходы на архитекторов, строительство и соблюдение муниципальных правил — и это еще не сделано, сказал Кевин Она, инженер-эколог, который сейчас работает в Университете Западной Вирджинии в Моргантауне.Он сказал, что отсутствие существующих кодексов и правил создает проблемы для управления объектами, поэтому он присоединился к группе, которая разрабатывала новые кодексы.
Частично инерция может быть связана со страхом перед сопротивлением покупателей, но опрос, проведенный в 2021 году среди людей в 16 странах7, показал, что в таких местах, как Франция, Китай и Уганда, готовность потреблять пищу, обогащенную мочой, была близка к 80% (см. Будут ли люди есть? это?').
Пэм Элардо, возглавляющая Управление по очистке сточных вод в качестве заместителя администратора Агентства по охране окружающей среды города Нью-Йорка, заявила, что поддерживает такие инновации, как отвод мочи, поскольку основными целями ее компании являются дальнейшее сокращение загрязнения и переработка ресурсов.Она ожидает, что для такого города, как Нью-Йорк, наиболее практичным и экономически эффективным методом отвода мочи будут автономные системы в модернизированных или новых зданиях, дополненные операциями по техническому обслуживанию и сбору.Если новаторы могут решить проблему, «они должны работать», — сказала она.
Учитывая эти достижения, Ларсен предсказывает, что массовое производство и автоматизация технологии отведения мочи не за горами.Это улучшит экономическое обоснование перехода к обращению с отходами.Отведение мочи «это правильный метод», сказала она.«Это единственная технология, которая может решить проблемы с едой в домашних условиях за разумное время.Но люди должны принять решение».
Хилтон, С.П., Кеолеян, Г.А., Дайггер, Г.Т., Чжоу, Б. и Лав, Н.Г. Энвирон. Хилтон, С.П., Кеолеян, Г.А., Дайггер, Г.Т., Чжоу, Б. и Лав, Н.Г. Энвирон.Хилтон, С.П., Кеолеян, Г.А., Диггер, Г.Т., Чжоу, Б. и Лав, Н.Г. Энвайрон. Hilton, SP, Keoleian, GA, Daigger, GT, Zhou, B. & Love, NG Environ。 Hilton, SP, Keoleian, GA, Daigger, GT, Zhou, B. & Love, NG Environ。Хилтон, С.П., Кеолеян, Г.А., Диггер, Г.Т., Чжоу, Б. и Лав, Н.Г. Энвайрон.наука.технологии.55, 593–603 (2021).
Сазерленд, К. и др.Опорожнение впечатления от отвлекающего туалета.Фаза 2: выпуск плана проверки eThekwini City UDDT (Университет Квазулу-Наталь, 2018 г.).
Мхизе, Н., Тейлор, М., Удерт, К.М., Гаунден, Т.Г. и Бакли, CAJ Water Sanit. Мхизе, Н., Тейлор, М., Удерт, К.М., Гаунден, Т.Г. и Бакли, CAJ Water Sanit.Мхизе Н., Тейлор М., Удерт К.М., Гаунден Т.Г.и Бакли, CAJ Water Sanit. Мхизе Н., Тейлор М., Удерт К.М., Гаунден Т.Г. и Бакли, CAJ Water Sanit. Мхизе, Н., Тейлор, М., Удерт, К.М., Гаунден, Т.Г. и Бакли, CAJ Water Sanit.Мхизе Н., Тейлор М., Удерт К.М., Гаунден Т.Г.и Бакли, CAJ Water Sanit.Управление обменом 7, 111–120 (2017).
Маццеи, Л., Чианчи, М., Бенини, С. и Чюрли, С. Ангью. Маццеи, Л., Чианчи, М., Бенини, С. и Чюрли, С. Ангью. Маццеи, Л., Чианчи, М., Бенини, С. и Чурли, С. Анге. Маццеи, Л., Чианчи, М., Бенини, С. и Чюрли, С. Анжу. Маццеи, Л., Чианчи, М., Бенини, С. и Чюрли, С. Анжу. Маццеи, Л., Чианчи, М., Бенини, С. и Чурли, С. Анге.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. Ноэ-Хейс, А., Хомейер, Р. Дж., Дэвис, А. П. и Лав, Н. Г. 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.).