Благодарим вас за посещение Nature.com. Используемая вами версия браузера имеет ограниченную поддержку CSS. Для оптимальной работы рекомендуем использовать обновлённый браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer). В настоящее время, для обеспечения непрерывной поддержки, мы будем отображать сайт без стилей и JavaScript.
Челси Уолд — независимая журналистка 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. Изображение: MAK/Georg Mayer/EOOS NEXT
На Готланде, крупнейшем острове Швеции, мало пресной воды. В то же время жители борются с опасным уровнем загрязнения от сельского хозяйства и канализации, которое приводит к вредоносному цветению водорослей в Балтийском море. Они могут убивать рыбу и вызывать заболевания у людей.
Чтобы помочь решить эту серию экологических проблем, остров возлагает надежды на одно необычное вещество, которое их связывает: человеческую мочу.
Начиная с 2021 года, исследовательская группа начала сотрудничать с местной компанией, сдающей в аренду мобильные туалеты. Цель — собрать более 70 000 литров мочи в течение 3 лет 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 создал компанию под названием Sanitation360. Используя разработанный исследователями процесс, они высушили мочу в похожие на бетон комки, которые затем измельчили в порошок и спрессовали в гранулы удобрения, подходящие для стандартного сельскохозяйственного оборудования. Местные фермеры используют удобрения для выращивания ячменя, который затем отправляют на пивоварни для производства эля, который может быть возвращен в цикл после употребления.
Притхви Симха, инженер-химик из SLU и технический директор Sanitation360, заявила, что цель исследователей — «выйти за рамки концепции и внедрить на практике» повторное использование мочи в больших масштабах. Цель — создать модель, которую можно будет использовать по всему миру. «Наша цель — чтобы каждый, где бы он ни находился, выполнил это задание».
В эксперименте на Готланде ячмень, удобренный мочой (справа), сравнивали с неудобренными растениями (в центре) и с минеральными удобрениями (слева). Фото: Дженна Сенекал.
Проект Gotland является частью аналогичной всемирной инициативы по отделению мочи от других сточных вод и ее переработке в такие продукты, как удобрения. Эта практика, известная как отвод мочи, изучается группами в США, Австралии, Швейцарии, Эфиопии и Южной Африке, среди прочих. Эти усилия выходят далеко за рамки университетских лабораторий. Безводные писсуары подключены к системам канализации в подвалах офисов 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 обширных трущоб.
Учёные утверждают, что масштабное внедрение системы отвода мочи по всему миру может принести огромную пользу окружающей среде и общественному здоровью. Отчасти это связано с тем, что моча богата питательными веществами, которые не загрязняют водоёмы и могут использоваться для удобрения сельскохозяйственных культур или в промышленных процессах. По оценкам Симхи, количество мочи, вырабатываемой человеком, способно заменить примерно четверть мировых объёмов азотных и фосфорных удобрений; она также содержит калий и множество микроэлементов (см. раздел «Состав мочи»). Более того, не смывая мочу в канализацию, вы экономите много воды и снижаете нагрузку на устаревшую и перегруженную канализационную систему.
По мнению экспертов в этой области, многие компоненты систем отвода мочи вскоре могут стать широко доступными благодаря достижениям в области туалетов и стратегий утилизации мочи. Однако существуют и серьёзные препятствия на пути к кардинальным изменениям в одном из самых фундаментальных аспектов жизни. Исследователям и компаниям необходимо решить множество задач: от совершенствования конструкции туалетов с отводом мочи до упрощения обработки мочи и её превращения в ценные продукты. Это может включать в себя системы химической очистки, подключенные к отдельным туалетам или оборудованию в подвале, обслуживающему всё здание и предоставляющему услуги по сбору и хранению полученного концентрированного или затвердевшего продукта (см. «От мочи до продукта»). Кроме того, существуют более общие вопросы социальных изменений и принятия, связанные как с различной степенью культурных табу, связанных с человеческими отходами, так и с глубоко укоренившимися нормами в отношении промышленных сточных вод и пищевых систем.
В то время как общество борется с нехваткой энергии, воды и сырья для сельского хозяйства и промышленности, переработка и повторное использование мочи становится «серьёзной проблемой в обеспечении санитарных условий», — говорит биолог Линн Броддус, консультант по вопросам устойчивого развития из Миннеаполиса. «Этот жанр будет приобретать всё большую значимость. В Миннесоте он был бывшим президентом Федерации водных видов спорта Александрии, штат Вирджиния, всемирной ассоциации специалистов по качеству воды. Это действительно нечто ценное».
Когда-то моча была ценным товаром. В некоторых обществах её использовали для удобрения полей, выделки кожи, стирки одежды и производства пороха. Затем, в конце XIX — начале XX веков, в Великобритании возникла современная модель централизованного управления сточными водами, которая распространилась по всему миру, приведя к так называемой «урической слепоте».
В этой модели туалеты используют воду для быстрого слива мочи, фекалий и туалетной бумаги в канализацию, смешивая их с другими жидкостями из бытовых, промышленных источников, а иногда и из ливневых стоков. На централизованных очистных сооружениях сточных вод энергоёмкие процессы очистки сточных вод основаны на использовании микроорганизмов.
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 канализационной системе (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 традиционные системы очистки сточных вод с гипотетическими системами очистки сточных вод, которые отводят мочу и используют извлеченные 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 по-прежнему остается узкоспециализированной и в основном ограничивается автономными территориями, такими как скандинавские эко-поселения, сельские хозяйственные постройки и застройки в районах с низким уровнем дохода.
Туве Ларсен, инженер-химик из Швейцарского федерального института водных наук и технологий (Eawag) в Дюбендорфе, утверждает, что большая часть задержек связана с самими туалетами. Большинство туалетов с функцией отвода мочи, впервые появившихся на рынке в 1990-х и 2000-х годах, оснащены небольшой чашей для сбора жидкости, что требует тщательного подхода. Другие конструкции включают в себя ножные конвейерные ленты, которые обеспечивают слив мочи по мере транспортировки навоза в компостный контейнер, или датчики, управляющие клапанами, которые направляют мочу в отдельный слив.
Прототип туалета, который отделяет мочу и превращает её в порошок, проходит испытания в штаб-квартире шведской водопроводно-канализационной компании VA SYD в Мальмё. Фото: EOOS NEXT
Но, по словам Ларсена, в экспериментальных и демонстрационных проектах в Европе люди не восприняли их использование с энтузиазмом, жалуясь на то, что они слишком громоздкие, вонючие и ненадёжные. «Нас действительно отпугнула тема туалетов».
Эти опасения преследовали первое масштабное внедрение туалетов с отводом мочи, проект которого был реализован в южноафриканском городе Этеквини в 2000-х годах. Энтони Одили, изучающий управление здравоохранением в Университете Квазулу-Наталь в Дурбане, отметил, что внезапное расширение границ города после отмены апартеида привело к тому, что власти взяли под свой контроль некоторые бедные сельские районы, где не было туалетов и водопровода.
После вспышки холеры в августе 2000 года власти оперативно развернули несколько санитарных объектов, отвечающих финансовым и практическим ограничениям, включая около 80 000 сухих туалетов с отводом 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, начиная с 2016 года.
Одили заявил, что проект способствовал созданию более безопасных санитарных условий в этом районе. Однако социологические исследования выявили множество проблем с программой. Несмотря на утверждение, что туалеты лучше, чем ничего, исследования, в том числе некоторые из тех, в которых он принимал участие, позже показали, что пользователи в целом недовольны ими, сказал Одили. Многие из них построены из некачественных материалов и неудобны в использовании. Хотя теоретически такие туалеты должны предотвращать появление запахов, моча в туалетах eThekwini часто попадает в фекальные хранилища, создавая ужасный запах. По словам Одили, люди «не могли нормально дышать». Более того, моча практически не используется.
В конечном счёте, по словам Одили, решение о внедрении сухих туалетов с отводом мочи было принято «сверху вниз» и не учитывало предпочтения людей, главным образом, по соображениям общественного здравоохранения. Исследование 2017 года3 показало, что более 95% респондентов eThekwini хотели бы иметь доступ к удобным туалетам без запаха, которыми пользуются состоятельные белые жители города, и многие планировали установить их, когда позволят условия. В Южной Африке туалеты долгое время были символом расового неравенства.
Однако новая конструкция может стать прорывом в области отведения мочи. В 2017 году австрийская дизайнерская фирма EOOS (выделившаяся из EOOS Next) под руководством дизайнера Харальда Грундла в сотрудничестве с Ларсеном и другими выпустила мочесборник. Он избавляет пользователя от необходимости прицеливаться, а функция отвода мочи практически незаметна (см. «Новый вид туалета»).
Он использует свойство воды прилипать к поверхностям (это называется эффектом чайника, потому что действует как неуклюжий капающий чайник), чтобы направить мочу из передней части унитаза в отдельное отверстие (см. «Как переработать 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 людей, сифон для мочи может быть встроен в любую модель — от моделей с керамическими пьедесталами до пластиковых подставок.горшки. Разработанный при финансовой поддержке Фонда Билла и Мелинды Гейтс в Сиэтле, штат Вашингтон, который поддерживает масштабные исследования в области инноваций для туалетов для людей с низким доходом, мочеприемник может быть встроен в любую модель: от высококачественных керамических моделей до пластиковых поддонов для унитазов.Швейцарский производитель LAUFEN уже выпускает для европейского рынка продукт под названием «Экономьте!», однако его стоимость для многих потребителей слишком высока.
Университет Квазулу-Натала и городской совет Этеквини также тестируют версии туалетов с функцией отвода мочи, которые могут отводить мочу и вымывать твердые частицы. На этот раз исследование больше фокусируется на пользователях. Оди оптимистичен и надеется, что люди предпочтут новые туалеты с функцией отвода мочи, потому что они лучше пахнут и ими проще пользоваться, но он отмечает, что мужчинам приходится садиться, чтобы мочиться, что является огромным культурным сдвигом. Но если туалеты «также будут приняты и приняты в богатых районах — 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 восприниматься как «только для черных» или «только для бедных».
Разделение мочи — это только первый шаг к преобразованию санитарных условий. Следующий шаг — понять, что с этим делать. В сельской местности её можно хранить в чанах, чтобы уничтожить патогены, а затем использовать на сельскохозяйственных угодьях. Всемирная организация здравоохранения даёт рекомендации по этой практике.
Но городская среда сложнее: именно здесь образуется большая часть мочи. Было бы нецелесообразно строить несколько отдельных канализационных систем по всему городу для централизованной доставки мочи. Кроме того, поскольку моча примерно на 95% состоит из воды, её хранение и транспортировка обходятся слишком дорого. Поэтому исследователи сосредоточены на сушке, концентрировании или ином извлечении питательных веществ из мочи на уровне туалета или здания, оставляя воду.
Это будет непросто, 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 — распространённое азотное удобрение (см. Потребности в азоте). Но это также коварно: при соединении с водой мочевина превращается в аммиак, который придаёт моче характерный запах. Если не включить аммиак, он может пахнуть, загрязнять воздух и забирать ценный азот. Эта реакция, катализируемая вездесущим ферментом уреазой, называется гидролизом мочевины и может длиться несколько микросекунд, что делает уреазу одним из самых эффективных известных ферментов.
Некоторые методы позволяют гидролизу продолжаться. Исследователи Eawag разработали передовой процесс, превращающий гидролизованную мочу в концентрированный питательный раствор. Сначала в аквариуме микроорганизмы преобразуют летучий аммиак в нелетучий нитрат аммония, распространённое удобрение. Затем дистиллятор концентрирует жидкость. Дочерняя компания Vuna, также базирующаяся в Дюбендорфе, работает над коммерциализацией системы для зданий и продукта Aurin, который впервые в мире был одобрен в Швейцарии для использования в пищевых растениях.
Другие пытаются остановить реакцию гидролиза, быстро повышая или понижая pH мочи, которая обычно нейтральна при выделении. В кампусе Мичиганского университета Лав сотрудничает с некоммерческой организацией Earth Abundance Institute в Браттлборо, штат Вермонт, над разработкой системы для зданий, которая удаляет жидкую лимонную кислоту из отводных и безводных туалетов. Вода выбрасывается из писсуаров. Затем мочу концентрируют путём многократного замораживания и оттаивания5.
Группа ученых из Университета Сальвадора-Лазурного берега (SLU) под руководством инженера-эколога Бьорна Виннероса на острове Готланд разработала способ сушки мочи, превращая её в твёрдую мочевину, смешанную с другими питательными веществами. Команда тестирует свой последний прототип – отдельно стоящий унитаз со встроенной сушилкой – в штаб-квартире шведской водопроводно-канализационной компании VA SYD в Мальмё.
Другие методы направлены на выявление отдельных питательных веществ в моче. Их было бы легче интегрировать в существующие цепочки поставок удобрений и промышленных химикатов, говорит инженер-химик Уильям Тарпе, бывший научный сотрудник университета Love's, ныне работающий в Стэнфордском университете в Калифорнии.
Распространенным методом восстановления фосфора из гидролизованной мочи является добавление магния, что приводит к осаждению удобрения под названием струвит. Тарпех экспериментирует с гранулами адсорбирующего материала, способного избирательно удалять азот в виде аммиака6 или фосфор в виде фосфата. Его система использует другую жидкость, называемую регенерантом, которая протекает через шарики после их опустошения. Регенерант забирает питательные вещества и обновляет шарики для следующего цикла. Это низкотехнологичный, пассивный метод, но коммерческие регенеранты вредны для окружающей среды. Сейчас его команда пытается производить более дешевые и экологически чистые продукты (см. «Загрязнение будущего»).
Другие исследователи разрабатывают способы получения электроэнергии путём помещения мочи в микробные топливные элементы. В Кейптауне (ЮАР) другая группа разработала метод изготовления необычных строительных кирпичей путём смешивания мочи, песка и бактерий, вырабатывающих уреазу, в форму. Они кальцинируются, принимая любую форму без обжига. Европейское космическое агентство рассматривает мочу астронавтов в качестве ресурса для строительства жилья на Луне.
«Когда я думаю о широком будущем переработки мочи и сточных вод, мы хотим иметь возможность производить как можно больше продукции», — сказал Тарпех.
Исследователи, разрабатывая различные идеи по коммерциализации мочи, понимают, что это непростая задача, особенно для устоявшейся отрасли. Компании по производству удобрений и продуктов питания, фермеры, производители туалетов и регулирующие органы не спешат вносить существенные изменения в свою практику. «Здесь царит инерция», — сказал Симха.
Например, в Калифорнийском университете в Беркли научно-образовательный комплекс LAUFEN экономит! Это включает в себя расходы на архитекторов, строительство и соблюдение муниципальных норм — и это ещё не сделано, сказал Кевин Она, инженер-эколог, который сейчас работает в Университете Западной Вирджинии в Моргантауне. Он отметил, что отсутствие действующих норм и правил создавало проблемы для управления объектами, поэтому он присоединился к группе, разрабатывающей новые нормы.
Частично инертность может быть обусловлена ​​страхом перед сопротивлением покупателей, однако опрос людей, проведенный в 2021 году в 16 странах7, показал, что в таких местах, как Франция, Китай и Уганда, готовность потреблять продукты, обогащенные мочой, приближается к 80% (см. «Будут ли люди это есть?»).
Пэм Элардо, возглавляющая Управление по очистке сточных вод в качестве заместителя руководителя Агентства по охране окружающей среды города Нью-Йорка, заявила, что поддерживает такие инновации, как отвод мочи, поскольку ключевые цели её компании — 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 обслуживанием и сбором. Если новаторы могут решить проблему, «они должны работать», сказала она.
Учитывая эти достижения, Ларсен прогнозирует, что массовое производство и автоматизация технологий отвода мочи могут быть не за горами. Это улучшит экономическую целесообразность перехода к переработке отходов. Отвод мочи — «правильный метод», — сказала она. «Это единственная технология, которая может решить проблемы с питанием дома в разумные сроки. Но людям ещё предстоит определиться».
Хилтон, С.П., Кеолеан, Г.А., Дайггер, Г.Т., Чжоу, Б. и Лав, Н.Г. Environ. Хилтон, С.П., Кеолеан, Г.А., Дайггер, Г.Т., Чжоу, Б. и Лав, Н.Г. Environ.Хилтон, С.П., Кеолеян, Г.А., Диггер, Г.Т., Чжоу, Б. и Лав, Н.Г. Environ. 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. Environ.наука. технология. 55, 593–603 (2021).
Сазерленд, К. и др. Отпечатки опорожнения перенаправляющего туалета. Этап 2: Выпуск плана валидации UDDT eThekwini City (Университет Квазулу-Натал, 2018 г.).
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.).