Спасибо за посещение Nature.com. Версия браузера, которую вы используете, имеет ограниченную поддержку CSS. Для наилучшего опыта мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer). В то же время, чтобы обеспечить постоянную поддержку, мы будем отображать сайт без стилей и JavaScript.
Челси Уолд — независимый журналист из Гааги, Нидерланды, и 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. Кредит изображения: 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 убивать рыбу и вызывать заболевания у людей.
Чтобы помочь решить эту серию экологических проблем, остров возлагает надежды на единственное неожиданное вещество, которое их связывает: человеческую мочу.
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 в течение 3-летнего периода в безводных писсуарах и специализированных туалетах в нескольких местах во время летнего туристического сезона. Команда пришла из Шведского университета сельскохозяйственных наук (SLU) в Уппсале, который выделил компанию под названием Sanitation360. Используя разработанный исследователями процесс, они высушили мочу в куски, похожие на бетон, которые затем измельчили в порошок и спрессовали в гранулы удобрения, которые подходят для стандартного сельскохозяйственного оборудования. Местные фермеры используют удобрение для выращивания ячменя, который затем отправляют на пивоварни для производства эля, который можно вернуть в цикл после потребления.
Притхви Симха, инженер-химик в SLU и технический директор Sanitation360, заявила, что цель исследователей — «выйти за рамки концепции и внедрить на практике» повторное использование мочи в больших масштабах. Цель — предоставить модель, которую можно будет использовать по всему миру. «Наша цель — чтобы все и везде выполняли это упражнение».
В эксперименте на Готланде ячмень, удобренный мочой (справа), сравнивали с неудобренными растениями (в центре) и с минеральными удобрениями (слева). Изображение предоставлено: Дженна Сенекал.
Проект Gotland является частью аналогичной всемирной инициативы по отделению мочи от других сточных вод и ее переработке в такие продукты, как удобрения. Практика, известная как отвод мочи, изучается группами в Соединенных Штатах, Австралии, Швейцарии, Эфиопии и Южной Африке, среди прочих. Эти усилия выходят далеко за рамки университетских лабораторий. Безводные писсуары подключены к системам утилизации подвалов в офисах в Орегоне и Нидерландах. Париж планирует установить туалеты с отводом мочи в экозоне на 1000 жителей, которая строится в 14-м округе города. Европейское космическое агентство установит 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 форпостов до лагерей беженцев, богатых городских центров и разрастающихся трущоб.
Ученые говорят, что отвод мочи, если его широко внедрить по всему миру, может принести огромную пользу окружающей среде и общественному здравоохранению. 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 мировых азотных и фосфатных удобрений; она также содержит калий и много микроэлементов (см. «Составные части мочи»). 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 широкодоступными благодаря достижениям в области туалетов и стратегий утилизации мочи. Но существуют также большие препятствия для фундаментальных изменений в одном из самых фундаментальных аспектов жизни. Исследователям и компаниям необходимо решить множество проблем: от улучшения конструкции туалетов с отводом мочи до упрощения обработки мочи и превращения ее в ценные продукты. Это может включать в себя системы химической обработки, подключенные к отдельным туалетам или подвальному оборудованию, обслуживающему все здание и предоставляющему услуги по восстановлению и обслуживанию полученного концентрированного или затвердевшего продукта (см. «От мочи к продукту»). Кроме того, существуют более широкие вопросы социальных изменений и принятия, связанные как с различной степенью культурных табу, связанных с человеческими отходами, так и с глубоко укоренившимися условностями относительно промышленных сточных вод и пищевых систем.
Поскольку общество борется с нехваткой энергии, воды и сырья для сельского хозяйства и промышленности, переработка и повторное использование мочи является «серьезной проблемой в том, как мы обеспечиваем санитарию», — 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, Вирджиния, всемирной ассоциации профессионалов в области качества воды. «Это на самом деле нечто ценное».
Когда-то давно моча была ценным товаром. В прошлом некоторые общества использовали ее для удобрения посевов, выделки кожи, стирки одежды и изготовления пороха. Затем, в конце 19-го и начале 20-го веков, в Великобритании возникла современная модель централизованного управления сточными водами, которая распространилась по всему миру, достигнув кульминации в так называемой мочевой слепоте.
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 энергоемкие процессы используют микроорганизмы для очистки сточных вод.
В зависимости от местных правил и условий работы очистных сооружений сточные воды, сбрасываемые в ходе этого процесса, могут по-прежнему содержать значительное количество азота и других питательных веществ, а также некоторые другие загрязняющие вещества. 57% населения мира вообще не подключены к централизованной системе канализации (см. «Сточные воды человека»).
Ученые работают над тем, чтобы сделать централизованные системы более устойчивыми и менее загрязняющими, но, начиная со Швеции в 1990-х годах, некоторые исследователи настаивают на более фундаментальных изменениях. Достижения в конце конвейера — это «просто еще одна эволюция той же чертовой штуки», — сказала Нэнси Лав, инженер-эколог из Мичиганского университета в Энн-Арборе. Отвод мочи будет «преобразующим», — говорит она. 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. Они подсчитали, что сообщества, использующие отвод мочи, могут сократить общие выбросы парниковых газов на 47%, потребление энергии на 41%, потребление пресной воды примерно вдвое и загрязнение сточных вод питательными веществами на 64%. используемая технология.
Однако эта концепция остается узкоспециализированной и в основном ограничивается автономными территориями, 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 задержек вызвана самими туалетами. Впервые представленные на рынке в 1990-х и 2000-х годах, большинство туалетов с отводом мочи имеют небольшую чашу перед собой для сбора жидкости, установка, требующая тщательного нацеливания. Другие конструкции включают в себя конвейерные ленты с ножным приводом, которые позволяют моче стекать, пока навоз транспортируется в компостный ящик, или датчики, которые управляют клапанами, чтобы направлять мочу в отдельный выход.
Прототип туалета, который отделяет мочу и высушивает ее в порошок, проходит испытания в главном офисе шведской водопроводной и канализационной компании VA SYD в Мальмё. Кредит изображения: EOOS NEXT
Но в экспериментальных и демонстрационных проектах в Европе люди не приняли 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, который изучает управление здравоохранением в Университете Квазулу-Натал в Дурбане, сказал, что внезапное расширение границ города после апартеида привело к тому, что власти заняли некоторые бедные сельские районы без туалетов и инфраструктуры водоснабжения.
После вспышки холеры в августе 2000 года власти быстро развернули несколько санитарных объектов, которые соответствовали финансовым и практическим ограничениям, включая около 80 000 сухих туалетов с отводом мочи, большинство из которых используются и сегодня. Моча стекает в почву из-под туалета, а фекалии попадают в хранилище, которое город опорожняет каждые пять лет с 2016 года.
Одили сказал, что проект создал более безопасные санитарные условия в этом районе. Однако исследования в области социальных наук выявили много проблем с программой. Несмотря на представление о том, что туалеты лучше, чем ничего, исследования, включая некоторые из исследований, в которых он принимал участие, позже показали, что пользователи в целом их не любят, сказал Одили. Многие из них построены из некачественных материалов и неудобны в использовании. Хотя такие туалеты теоретически должны предотвращать появление запахов, моча в туалетах eThekwini часто оказывается в хранилище фекалий, создавая ужасный запах. По словам Одили, люди «не могли нормально дышать». Более того, моча практически не используется.
В конечном итоге, по словам Одили, решение о внедрении 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 бы 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 долгое время были символом расового неравенства.
Однако новый дизайн может стать прорывом в отведении мочи. В 2017 году австрийская дизайнерская фирма EOOS (отпочковавшаяся от EOOS Next) под руководством дизайнера Харальда Грундла в сотрудничестве с Ларсеном и другими выпустила мочеприемник. Это устраняет необходимость для пользователя целиться, а функция отведения мочи практически незаметна (см. «Новый вид туалета»).
Он использует свойство воды прилипать к поверхностям (это называется эффектом чайника, потому что он действует как неуклюжий капающий чайник), чтобы направить мочу из передней части унитаза в отдельное отверстие (см. «Как перерабатывать мочу»). Разработанный при финансовой поддержке Фонда Билла и Мелинды Гейтс в Сиэтле, штат Вашингтон, который поддержал широкий спектр исследований в области инноваций в области туалетов для малообеспеченных слоев населения, уловитель мочи может быть встроен в любую модель — от высококачественных керамических пьедесталов до пластиковых унитазов. Разработанный при финансовой поддержке Фонда Билла и Мелинды Гейтс в Сиэтле, штат Вашингтон, который поддержал широкий спектр исследований в области инноваций в области туалетов для малообеспеченных слоев населения, уловитель мочи может быть встроен в любую модель — от высококачественных керамических пьедесталов до пластиковых унитазов. Разработанный при финансовой поддержке Фонда Билла и Мелинды Гейтс в Сиэтле, штат Вашингтон, который поддержал широкий спектр исследований инноваций в области туалетов для малообеспеченных слоев населения, мочеиспускательный бачок может быть встроен в любую модель — от моделей с керамическими пьедесталами до пластиковых приседаний.горшки. Разработанный при финансовой поддержке Фонда Билла и Мелинды Гейтс в Сиэтле, штат Вашингтон, который поддерживает обширные исследования в области инноваций для туалетов для малообеспеченных слоев населения, мочеприемник может быть встроен в любую модель: от дорогих керамических моделей до пластиковых поддонов для сидения на корточках.Швейцарский производитель LAUFEN уже выпускает для европейского рынка продукт под названием «Save!», хотя его стоимость для многих потребителей слишком высока.
Университет Квазулу-Натал и городской совет Этеквини также тестируют версии туалетов с мочевым затвором, которые могут отводить мочу и смывать твердые частицы. На этот раз исследование больше фокусируется на пользователях. Оди оптимистично настроен, 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 в районах с высоким уровнем дохода — людьми из разных этнических групп — это действительно поможет распространению», — сказал он. «Мы всегда должны иметь расовую линзу», — добавил он, чтобы убедиться, что они не развивают что-то, что будет рассматриваться как «только для черных» или «только для бедных».
Разделение мочи — это только первый шаг в преобразовании санитарии. Следующий шаг — выяснить, что с этим делать. В сельской местности люди могут хранить ее в чанах, чтобы убить любые патогены, а затем применять ее на сельскохозяйственных угодьях. Всемирная организация здравоохранения дает рекомендации по этой практике.
Но городская среда сложнее — именно там производится большая часть мочи. Было бы непрактично строить несколько отдельных канализаций по всему городу, чтобы доставлять мочу в центральное место. И поскольку моча на 95 процентов состоит из воды, ее слишком дорого хранить и перевозить. Поэтому исследователи сосредотачиваются на сушке, концентрации или ином извлечении питательных веществ из мочи на уровне туалета или здания, оставляя воду позади.
Это будет нелегко, сказала Ларсон. С инженерной точки зрения «моча — плохое решение», — сказала она. Помимо воды, большую часть составляет мочевина, богатое азотом соединение, которое организм вырабатывает как побочный продукт метаболизма белков. Мочевина полезна сама по себе: синтетическая версия — это обычное азотное удобрение (см. Потребности в азоте). Но это также сложно: при соединении с водой мочевина превращается в аммиак, который придает моче ее 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 самых эффективных известных ферментов.
Некоторые методы позволяют гидролизу продолжаться. Исследователи Eawag разработали усовершенствованный процесс, который превращает гидролизованную мочу в концентрированный питательный раствор. Сначала в аквариуме микроорганизмы преобразуют летучий аммиак в нелетучий нитрат аммония, распространенное удобрение. Затем дистиллятор концентрирует жидкость. Дочерняя компания 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 повышая или понижая pH мочи, которая обычно нейтральна при выделении. В кампусе Мичиганского университета Лав сотрудничает с некоммерческим Институтом изобилия Земли в Браттлборо, штат Вермонт, чтобы разработать систему для зданий, которая удаляет жидкую лимонную кислоту из отводных туалетов и безводных туалетов. Вода вырывается 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 водопроводной и канализационной компании 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 Тарпех, бывший постдокторант Love's, который сейчас работает в Стэнфордском университете в Калифорнии.
Распространенным методом восстановления фосфора из гидролизованной мочи является добавление магния, что вызывает осаждение удобрения, называемого струвитом. Тарпех экспериментирует с гранулами адсорбирующего материала, который может избирательно удалять азот в виде аммиака6 или фосфор в виде фосфата. Его система использует другую жидкость, называемую регенерантом, которая протекает через шарики 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. Теперь его команда пытается производить более дешевые и экологически чистые продукты (см. «Загрязнение будущего»).
Другие исследователи разрабатывают способы получения электроэнергии путем помещения мочи в микробные топливные элементы. В Кейптауне, Южная Африка, другая группа разработала метод изготовления нетрадиционных строительных кирпичей путем смешивания мочи, песка и бактерий, вырабатывающих уреазу, в форме. Они кальцинируются в любую форму без обжига. Европейское космическое агентство рассматривает мочу астронавтов в качестве ресурса для строительства жилья на Луне.
«Когда я думаю о будущем переработки мочи и сточных вод, я хочу иметь возможность производить как можно больше продукции», — сказал Тарпех.
Поскольку исследователи рассматривают 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 экономит! Это включает расходы на архитекторов, строительство и соблюдение муниципальных норм — 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 создало проблемы для управления объектами, поэтому он присоединился к группе, которая разрабатывала новые кодексы.
Частично инертность может быть обусловлена ​​страхом сопротивления покупателей, однако опрос, проведенный в 2021 году среди людей в 16 странах7, показал, что в таких местах, как Франция, Китай и Уганда, готовность потреблять обогащенную мочой пищу приближается к 80% (см. «Будут ли люди это есть?»).
Пэм Элардо, которая возглавляет Управление по очистке сточных вод в качестве заместителя администратора Агентства по охране окружающей среды города Нью-Йорк, сказала, что поддерживает такие инновации, как отвод мочи, поскольку основные цели ее компании заключаются в дальнейшем сокращении загрязнения и переработке 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 прогнозирует, что массовое производство и автоматизация технологии отвода мочи могут быть не за горами. Это улучшит экономическое обоснование этого перехода к управлению отходами. Отвод мочи «является правильным методом», сказала она. «Это единственная технология, которая может решить проблемы домашнего питания в разумные сроки. Но людям нужно определиться».
Хилтон, С.П., Кеолеан, Джорджия, Дайггер, Г.Т., Чжоу, Б. и Лав, Н.Г. Environ. Хилтон, С.П., Кеолеан, Джорджия, Дайггер, Г.Т., Чжоу, Б. и Лав, Н.Г. Environ.Хилтон, С.П., Кеолеян, Дж.А., Диггер, Г.Т., Чжоу, Б. и Лав, Н.Г. Environ. Хилтон, С.П., Кеолеан, Джорджия, Дайггер, Г.Т., Чжоу, Б. и Лав, Н.Г. Environ. Хилтон, С.П., Кеолеан, Джорджия, Дайггер, Г.Т., Чжоу, Б. и Лав, Н.Г. Environ.Хилтон, С.П., Кеолеян, Дж.А., Диггер, Г.Т., Чжоу, Б. и Лав, Н.Г. Environ.наука. технологии. 55, 593–603 (2021).
Сазерленд, К. и др. Опорожнение отпечатков отводящего туалета. Фаза 2: Выпуск плана проверки UDDT eThekwini City (Университет Квазулу-Натал, 2018).
Мхизе Н., Тейлор М., Удерт К.М., Гунден Т.Г. и Бакли, CAJ Water Sanit. Мхизе Н., Тейлор М., Удерт К.М., Гунден Т.Г. и Бакли, CAJ Water Sanit.Мхизе Н., Тейлор М., Удерт К.М., Гунден Т.Г. и Бакли, CAJ Water Sanit. Мхизе Н., Тейлор М., Удерт К.М., Гунден Т.Г. и Бакли, CAJ Water Sanit. Мхизе Н., Тейлор М., Удерт К.М., Гунден Т.Г. и Бакли, CAJ Water Sanit.Мхизе Н., Тейлор М., Удерт К.М., Гунден 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. Ангью. Маццеи Л., Чианчи М., Бенини С. и Чюрли С. Ангью. Маццеи Л., Чианчи М., Бенини С. и Чурли С. Анге.Химия. Международный рай на английском языке. 58, 7415–7419 (2019).
Ноу-Хейс А., Хомейер Р.Дж., Дэвис А.П. и Лав, NG ACS EST Engg. Ноу-Хейс, А., Хомейер, Р.Дж., Дэвис, AP и Лав, NG ACS EST Engg. Ноу-Хейс А., Хомейер Р.Дж., Дэвис А.П. и Лав, NG ACS EST Engg. Ноу-Хейс, А., Хомейер, Р.Дж., Дэвис, AP и Лав, NG ACS EST Engg. Ноу-Хейс А., Хомейер Р.Дж., Дэвис А.П. и Лав, NG ACS EST Engg. Ноу-Хейс, А., Хомейер, Р.Дж., Дэвис, AP и Лав, NG ACS EST Engg. Ноу-Хейс А., Хомейер Р.Дж., Дэвис А.П. и Лав, NG ACS EST Engg. Ноу-Хейс, А., Хомейер, Р.Дж., Дэвис, AP и Лав, NG ACS EST Engg.https://doi.org/10.1021/access.1c00271 (2021 г.).